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原文传递列车节能操纵理论模型与参数标定方法研究

论文题名：	列车节能操纵理论模型与参数标定方法研究
关键词：	列车运行;节能操纵;最优控制;连续陡坡;数值计算;参数标定
摘要：	交通运输业是国家的基础性服务业,为社会经济的发展提供重要的支撑作用,但交通运输业也消耗了大量的能源,在能源形势日趋紧张的当今社会值得深切关注。铁路运输是最重要的交通运输方式之一,完成了全社会相当比例的运量,近年来,铁路进行了大规模的建设,在综合运输网络中的主导地位进一步加强,但随之而来的是铁路运输业的能耗日趋庞大。为有效降低占铁路能耗主体的牵引能耗,进行了列车节能运行的基础理论研究,重点研究列车节能操纵的基本原理,以期为优秀的列车节能操纵指导系统的研制和开发奠定理论基础。　　本文在借鉴国内外已有研究成果的基础上,充分考虑到列车运行线路复杂多变的特性,引入连续陡坡的概念,对列车在陡坡区段的最优控制策略进行了深入的研究与探讨,主要研究内容及结论如下: 　　 (1)根据列车运行受力分析,构建了基于机械能的列车运行理论模型,引入协态变量,基于Pontryagin极值原理,采用状态变量、协态变量和控制变量联合表达Hamiltonian函数,然后应用Karush-Kuhn-Tucker条件求得最优控制策略的必要条件,即符合列车节能运行的状态仅有四种:最大加速相位、均速相位、惰行相位和制动相位；借助协态变量满足的微分方程,分析出相位转换关系,再根据列车运行的现实环境,寻找正确的相位序列和相位转换点位置,即确定了列车的最优控制策略。　　 (2)列车匀速运行时,阻力所做的功最少,均速相位成为各种运行状态的纽带,依此对列车运行全程划分阶段,即启动阶段、途中运行阶段和制动阶段,把列车控制全局优化问题化解为由均速速度决定的局部优化问题。采用四阶Runge-Kutta方法来求解列车控制的微分方程,针对陡坡区段,先计算出陡坡临界点,反推出首个相位转换点的初始范围,然后利用二分法逐渐缩小搜索区间,得到了陡坡区段的最优控制策略及相应的最优轨线。随着总运行时分的增加,列车的能耗随之减少,但两者并不呈线性关系,本文算例中,当总旅程时间从2142.54s逐渐增加至2473s时,全程最优控制的能耗值从1845.01下降至1527.23J。　　 (3)列车行驶在陡上坡时,速度会下降,局部的最优控制策略为均速-最大加速-均速相位序列,且最优控制的必要条件要求最大加速相位切换回均速相位时,协态变量恰等于1,据此条件可确定陡上坡区段各相位转换点的具体位置。为提高数值计算的效率,结合列车运动方程,构造陡上坡区段新的目标泛函Jp和变量μ,当列车操纵策略为最优时,Jp取极值,且μ在陡上坡区段的始末值均为零,因μ在某些坡段不发生变化,使得数值计算范围缩小而效率得到提升。列车行驶在陡下坡时,速度会上升,局部的最优控制策略为均速—惰行-均速相位序列,且惰行相位转入均速相位时,协态变量恰等于1,为提高计算效率,同样可构造出陡下坡区段的新目标泛函Jp和变量μ,当列车操纵策略为最优时,μ在陡下坡区段的始末值均为零。利用μ和协态变量θ解算最优控制策略的方法在本文中分别被称为间接法和直接法,本文算例中,间接法较直接法在陡上坡区段提高计算效率60.46％,在陡下坡区段提高计算效率95.81％　　 (4)天气状况不同或列车运行线路不同都会导致列车基本阻力参数变化,因此,列车的每趟旅程的基本阻力参数都需进行实时标定,以便为最优控制策略的计算提供坚实的基础条件。考虑到列车现有的信息设备,利用串口通信,获取列车运行信息的实时数据,由于列车运行线路中存在基本线路切换和长短链,公里标会出现突变,设计专门的算法来同时进行数据纠错和公里标突变识别,实时数据的误码率低至0.02％。在此基础上,通过介绍Sigma点的选取办法,建立列车运动的随机动力学模型,设计UKF(无味卡尔曼滤波)的递推算法,快速地标定出精确的基本阻力参数,以宁西线合肥东-大顾店区段的列车为测试对象,结果表明:实时参数标定器能在某较长的下坡道上,约100个时间步长内完成参数的标定,较参考值符合实际情形。　　本文致力于列车节能操纵的理论和实践研究,重点研究列车节能运行的基本原理,为优秀的列车节能操纵指导系统的研制和开发奠定坚实基础,以期降低列车运行的牵引能耗,有利于铁路运输业的节能降耗。
作者：	周方明
专业：	交通运输规划与管理
导师：	毛保华
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文