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模糊广义预测控制的列车自动驾驶优化研究
来源:一起赢论文网     日期:2013-08-22     浏览数:1566     【 字体:

摘 要 速 度 武广客运专线的运营 标志着我国已经进入高铁时代 高速铁路作为交通运输的重要组成部分 在 国 民 经 济中占有具足轻重的地位 具 有 大 运 量 安 全 快 捷 的 特 点 首 先 介 绍 了 列车自动驾驶系统 的 结 构 和 功 能 其 次 优 化 了 列 车 在 线路上运行的目标曲线 接着介绍了模糊广义预测控制算法的基本原理 并 结 合 系统的特点设计出基于优化算法的速度控制器 最后利用设计好的控制器对目标曲线进行跟踪并仿真验证 仿真结果表明速度控制器对目标曲线具有良好的跟踪性 因 此 将 模 糊 广 义 预 测控制算法应用于 系统中能取得较好的效果
关 键 词 模糊广义预测控制 列 车 自 动 驾 驶 速 度 控 制 器 仿 真
  引言
  由于列车运行过程十分复杂且极易受环境因素的影响 很难找到精确的数学模型 而模糊广义预测控制是一种将模糊逻辑和广义预测控制相结合的控制策略 这种算法对被控过程模型 要 求 不 高 使用此算法可以进一步提高系统稳态精度 减 小动态 误 差 本文就是将模糊逻辑与预测控制算法相结合应用于列车自动驾驶系统上
  系统的结构和功能
  系 统 是 列 车 自 动 控 制 系统的一个子系统它能利用车载信息以及来自地面设备的信息控制列车进行牵引和 制 动 替代司机自动驾驶列车 系 统 由 列 车自 动 监 控 系 统 列 车 自 动 防 护 系 统 系 统 以及通信信号系统等协调工作来完成列车的运行控制通过控制中心对列车的运行进行监督和控制 系 统 接 受轨旁信息并处理得出列车运行的安全速度以防列车超速 同 时通过控制列车运行的时间间隔来保证行车安全 系 统 接受 并 处 理 来 自 系 统 的 命 令 和 系统传来的数据 发 出行车指令来控制列车运行 和 系 统 构 成 闭 环系 统 通过网络通信交换信息
  系统的功能包括自动驾驶模式 列 车 速 度 控 制 列车 目 标 制 动 车门的控制以及根据时刻表生成节能速度曲线在自动驾驶模式下 系统完全模拟有经验的司机控制列车从一站运行到下一站 对于列车速度的控制 系 统 控制和 监 督 列 车 使得列车运行速度低于 提供的最大允许速度 列车目标制动功能是为了使列车停在规定的目标位置点需要提前计算列车制动的初始位置 列车的车门开启 关 闭 控制 是列车到站停稳之后 系统收到允许的开门或者关门 命 令 后 由司机打开或关闭车门的操作 或者停车时间到了之后自动触发完成 根据时刻表生成节能速度曲线的功能也是可 选 择 的 如果两站之间运行的列车有很充足的旅行时间 可以选 择 这 一 功 能 是列车获得一个较为经济的运行速度来匀速运 行 从 而 节 省 能 源
  列车运行目标曲线的生成
  速度控制器的功能是确保列车能够很好地跟随目标曲线运行 当供给速度控制器的目标曲线较差时 无论设计的速度控制 器 性 能 多 好 也 不 能 使 系统获得良好的性能 并 且系统的安全准点 舒适节能及精确停车等性能的优劣都体现在目标曲线上 这 就 要 求 速度控制器所要跟踪的目标曲线是一条已经优化的曲线 只有这样才能确保列车实际运行曲线 较 优本文采用唐山轨道客车有限责任公司在京津城际铁路投入计算机测量与控制 第 卷运 营 的 辆 编 组 的 型动车组的部分数据作为列车模型参 数 如 表 所 示表 型动车组主要参数与特性项 目 名 称 动 车 组列 车 总 重 定 员 人 时最 高 运 行 速 度编 组 长 度牵 引 特 性论 周 功 率回 转 质 量 系 数轮 径 新旧制 动 特 性级 常 用 制 动制 动 特 性级 常 用 制 动本文所采用的线路数据如图 所 示 设定列车运行总路程为图 仿真线路模型图本文设定列车进出站的运行速度为 站 台 路 程均 设 为 区间限速下的最大运行速度应稍低于 系统给 的 限 制 速 度 本 文 取 列车运行的目标速度为当列车目标速度为 时 次 线 路 上 没 有 超过 的 坡 道 因此列车巡航运行过程中的最高运行速度取 最 低 速 度 取 列 车 运 行 在 平 直 线 路 上的 目 标 速 度 为 时 其最高运行速度取 最低 速 度 取 出站后列车采用合适的牵引档位 牵 引合力既不超过黏着牵引力又能使列车以尽量大的加速度尽快加速 同时考虑舒适性 加速运行使速度达到 进 站前 列 车 以 作 为 初 始 速 度 采用反向迭代算法进行计 算 选 取 迭 代 步 长 为 列 车 目 标 速 度 即 制 动 初 速度 需要通过在迭代末速度为 的速度范围内与巡航运行中的末端速度进行速度试凑 当两个末速度的差值小于某 一 给 定 值 时 此时的速度为目标速度与其对应的位置为制动 初 始 位 置 点 当列车运行到制动点起始位置点以后 采 用 合适的制动档位使列车减速运行 其中制动距离包括空走制动距离 取 列车制动停车的起始位置点的计算方法与减速制动起始位置点的求取方法一致 只需令初速度为 即可 所以需要将列车基本阻力换算为相应的减速度 图 为生成目标曲线的软件流程图由以上列车模型参数 线路参数以及软件流程图可得列车运行的目标曲线如图 所 示模糊广义预测控制模 糊 广 义 预 测 算法是将模糊逻辑与预测控制相结合的一种新型算法 它用模糊推理的方法对广义预测产生的误 差 进 行 补 偿 并运用先验的信息离线建立了基础模型 用 来描述预测过程的主要动态 而把实际测量得到的与预测得到的信息之间的误差作为不确定性的信息 在高层对预测控制过程中可能出现的误差进行适当的补偿 用 以 弥 补 广 义 预测 算法在系统信息处理上的不足模糊广义预测控制的基本原理模糊控制和预测控制是分别发展起来的两类先进控制策略 都适用于解决不确定系统的控制问题 模糊预测控制包括两类 分别是基于模糊模型的模糊预测控制和基于过程预测模式的模糊预测控制 其 中 基于过程预测模式的模糊预测控制又可分为基于模糊建模方法建立预测模型的控制算法和运用模糊技术对预测误差 控制率等进行补偿的控制算法 本 文所 述 的 算 法 即 为 后 者算法在系统结构复杂和不确定的情况下 仍 可 获 得次 优 解 有良好的稳定性和较强的鲁棒性 同 时 算法 利 用 模型作为预测模型 消除了系统静差 然 而对于控制复杂系统 为了获得良好的跟踪性 需 要 增 加 控 制 时域长 度 但 是 控制时域的增大必然损坏系统的调节特性 为了克服由于减小控制时域长度带来的跟踪品质变差的矛盾 增强预测控制对复杂系统的适用性 本文采用模糊控制算法作为高层的智能控制策略对 算法控制误差进行补偿来完善和提高复杂系统的闭环控制性能模糊广义预测控制器结构算 法 结 构 如 图 所 示 图 中 为 延 时 环 节 为 偏差 量 化 因 子 为偏差变化量化因子 为 比 例 因 子由 图 可 知 算 法 在 算 法 基 础 上 直 接 根 据第 期 陈 晶 等 模糊广义预测控制的列车自动驾驶优化研究图 结 构 图模糊推理对系统偏差进行补偿 这 样 作用于被控对象的集成控 制 量 为式 中 为广义预测控制量 为模糊推理对系统误差进行补偿的控制量在该算法中系统的基本规律是由 控 制 作 用 来 反 映 的而其他干扰因素或模型失配所造成的输出偏差是由模糊推理加以 补 偿 的设 为采样时刻的过程输出偏差 为 偏 差 变化 率 过 程 存 在 步 纯 时 延 则 模 糊 补 偿 控 制 量 由和 确 定 定 义 和 如 下首 先 模糊控制补偿量来自于过程输出偏差和偏差变化量 其 次 过程输入控制量为广义预测控制量与模糊控制补偿量 之 和 最 后 为了使控制效果达到更好的状态用过程输入控制量来控制整个系统 需 强 调 的 是 由 于 算 法 所 优 化 的目标是随时间推移的 因 此 模糊推理补偿作用需要反复在线更新而非一次离线就能完成的由于采用了模糊推理补偿的方法 不 仅 保 留 了 算 法的 优 良 性 能 还 补 偿 了 算 法 的 诸 多 不 足 如 无 法 估 计 的诸多随机因素和由于预测域长过短而引起的不精确性 改 善 了被控系统的静态精度和动态跟踪性 而 且 当受控系统存在强外 界 扰 动 或 参 数 时 变 是 算法能提高被控系统的鲁棒 性模糊广义预测控制器的设计列车自动驾驶系统主要是对速度的控制 因 此 这 里 所 要 设计的是速度控制器 如 图 所 示 为提高受控系统稳定性 速度控制器首先对目标曲线进行柔化处理 得到参考轨迹并将其作为控制器的输入 其 次 将广义预测控制器的输出作为列车运动 模 型 的 输 入 并通过控制列车牵引力的大小来控制列车的运 行 速 度 再 次 将当前时刻列车运行的实际速度与参考速度进 行 比 较 构 成 偏 差 向 量 最 后 将 偏 差 向 量 偏 差 变 化 量 进行模糊推理并对预测误差加以补偿 即作用在列车运动模型上的 控 制 信 号 由 两 部 分 组 成 最终使列车实现无误差运行 这种将模糊推理与预测算法相结合的控制方法不仅提高了系统的鲁棒性而且降低了对预测模型精确度的要求为 提 高 系统速度控制器的自适应性 将 环 境 因 素线 路 条 件 天 气 等 对列车运行的影响作为扰动量加入到速度 控 制 器 中 如 图 由于天气等因素不可知且随时变化 因此 在本文中仅就线路条件对列车运行的影响进行分析 忽 略天气等因素对列车的影响 首 先 将线路对列车运行的影响转图 速度控制器的设计化成单独作用在列车上的线路附加阻力 其次对列车进行受力分析 计算出由于受到线路附加阻力而引起的列车加速度变化量 再将由附加阻力引起的速度变化量 作为干扰速度直接叠加在控制器的输出上 因 此 前面提到的用来反馈的列车实际运 行 速 度 包 括 控制列车对参考轨迹的追踪速度和线路因素对列车造成的干扰速度 最后将反馈来的列车实际运行速度与参考速度进行比较 产生误差及误差变化向量 并 完 成 模 糊补 偿 模糊控制不仅对广义预测控制误差进行了补偿 还 对 线路产生的干扰速度进行了补偿 最终降低了线路环境对列车运行速度造成的影响 从而实现列车对目标曲线的有效跟踪仿真结果分析该 仿 真 是 以 为 平 台 进 行 的 仿 真 使 用 的 线 路 数据 见 表 仿真开始后用已经优化好的目标曲线作为输入 模糊广义预测控制器开始对目标曲线进行跟踪 如 图 图 所示 速度控制器在模糊控制量的补偿作用下不仅提高了系统的快 速 性 减 小 了 跟 踪 误 差 而且在一定程度上节省了运行时间 因 此 将 算 法 的 速 度 控 制 器 应 用 于 系 统 具 有较 好 的 效 果结束语综 上 所 述 本文将模糊预测控制算法应用于 系 统 可下 转 第 页第 期 付 华 等 基 于 的矿用智能便携式监控系统的研制表 等 级 指 标等 级 温 度 粉 尘一二三式 中 分别为训练样本输入变量的最大值 最 小 值应用效果分析本 设 计 的 研 究 实现了高端智能电脑在煤矿井下的应用基 于 操 作 系 统 以 及 硬 件 平 台 是 一 款 应 用于煤矿井下的智能监测系统 其实质就是一种针对井下信息监测 的 掌 上 电 脑 与 传 统 的 掌 上 电 脑 相 比 除 了 具 备传 统 功 能 外 还具备了针对煤矿井下无线监测等功能其电容式触摸屏设计 更加使得这款设备的智能性得到提高它体 积 小 巧 质 量 轻 便 是真正意义上的便携式设备 实 现 了煤矿井下移动监测设备的高度智能化本 系 统 采 用 了 嵌 入 式 技 术 通 信 技 术 测 控 技 术数据融合技术等手段 形成了一种新的煤矿信息数据的获取和处 理 方 式 凭 借 着 嵌入式操作系统在掌上电脑上的成熟应 用 以 及 强大的数据处理能力 提出了这种新型数字处理设备在井下的应用 解决了煤矿井下在线监测系统存在因塌 方 透水等灾害发生而导致线路中断最后造成监测失效以及监测点有限在有些危险区域无法达到的问题 同 时 也 解 决 了便携式监测设备监测信息单一 无法对数据进行存储查询等问题 该便携仪突破了空间限制 将井下信息监测浓缩于一掌中 独立与任何在线系统 克服了恶劣环境 复 杂 地 理 位 置 的限 制 实现对井下信息的有效监测与管理矿用便携式监控系统除了在煤矿井下使用外 其 精 简 的 软件核心以及标准强大的 平 台 巧妙的设计了各种传感器标准接口以及通信接口 可以实现传感器以及通信方式的快速更 换 软 件 迅 速 更 新 这种快速更换方案 使 得 该 便 携 仪 也适用在其他许多领域 比如在军工方面 可以实现一个作战小分队完成对一敌方据点的各项参数监测 指挥官利用便携仪主机 根据多元信息进行决策 并与指挥部保持通信 完 成 作 战计 划 这种其他领域的快速应用方案 使得便携仪具有高度的灵活性和可扩展性
  结论
  本系统完成了气体浓度的检测 动态数据的传输 动 态 数据的存储显示等功能 完成了友好的人机界面设计 进 行 了 实际的实验装置的试验 取得了预想的结果 研究井下数据动态监测 监测平台便携式等关键技术 实现煤矿安全生产 它 对扩展煤矿的安全生产监管 井 下 安 全 监 测 预防井下事故发生和防止事故扩大具有重要的现实意义 凭借其良好的扩展性便携仪应用在其他领域 具有很好的市场价值和社会效益
    参 考 文 献周 盼 东 应用手持移动终端实现对煤矿井下的断电控制 工 矿自 动 化嵌 入 式 图 形化系统设计助力救生机器人蜘蛛 今 日 电 子 新 加 坡马 正 华 蒋 建 明 王 正 洪 基 于 总 线 的 嵌 入 式 瓦 斯 传感 系 统 煤 炭 科 学 技 术涂 钦 蔡 坚 勇 基 于 嵌入式的便携式检测仪采集系统 软 件 的 设 计 计算机与现代化覃 磊 张 杰基 于 技术的煤矿瓦斯监测系统 计 量与 测 试 技 术孙 利 民 李 建 中 陈 渝 等 传 感 器 网 络 北 京 清 华 大学 出 版 社黄 金 波 梁 鹏 王 德 伟 等 基 于 模 块 瓦 斯 巡 检系 统 设 计 煤 矿 机 电李 国 民 陈 丹 阳 郭 洪 涛 采 用 技术采集煤矿瓦斯信息的实 现 煤 矿 机 电田 敏 崔 建 明 基 于 的智能瓦斯监测系统研究 自 动化 与 仪 器 仪 表李 妍 孙 运 强 姚 爱 琴 便携式煤矿瓦斯探测仪的设计与实现煤 炭 工 程吴 元 忠 胡 钢 基 于 的瓦斯检测报警装置的设计工 矿 自 动 化秦 怡 曹 雪 祥 矿井瓦斯浓度测量仪器的设计 矿 业 安 全与 环 保唐 密 媛 张 根 宝 基 于 的 便 携 式 智 能 瓦 检 仪的 设 计 计算机测量与控制路 秋 英 郝 国 法 向 晓 东 基 于 单 片 机 和 的 瓦 斯 浓 度监 测 系 统 工 矿 自 动 化付 华 王 涛 杨 崔 模糊传感器在煤矿瓦斯监测中的应用传感器与微系统邵 良 杉 付 贵 祥 基于数据融合理论的煤矿瓦斯动态预测技术煤 炭 学 报 

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