基于反步控制的列车虚拟编组追踪控制研究

作     者：康莉雅 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘宏杰

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 082302[工学-交通信息工程及控制] 080201[工学-机械制造及其自动化] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：列车虚拟编组 追踪控制 自适应反步控制 安全防护 稳定性 

摘      要：城市轨道交通具有方便快捷、安全舒适等优点,近年来得到了高速发展,主要体现在列车运行控制系统的自动化水平的大幅提高。多列车协同优化控制符合轨道交通列车按计划运行特征,有利于达到整体最优性。基于此,国内外研究者们提出了一种“虚拟编组(Virtually-Coupled Train Sets)运行方式的多车协同追踪控制模式,可在不改变既有线路设施的基础上进一步提升列车运行效率和灵活性。虚拟编组列车由两列及以上具有牵引制动能力的列车(称为单元列车)通过虚拟联挂的方式构成。但单元列车间不存在可以传递相互作用力的车钩,仅依靠单元列车间的信息交互和主动控制实现安全防护(避撞)。受列车运行状态和线路环境、动力学模型参数不确定和存在非确定非线性时变外部干扰等影响,保持列车按虚拟编组方式小间距安全稳定追踪非常困难。针对该问题,本文研究了参数非确定的列车虚拟编组分布式控制方法、面向动态时空的虚拟编组安全防护控制方法和复杂约束下的虚拟编组列车小间距稳定追踪控制方法,主要研究工作包括:(1)建立包含位置-速度-受力的高阶列车动力学模型,并针对模型中包含的不确定参数以及延迟因子等干扰因素,设计基于自适应反步控制策略的分布式列车自动驾驶控制器,实现列车虚拟编组追踪位置和速度误差的收敛性;通过李雅普诺夫定理理论上证明了系统的稳定性,并基于数值仿真,给出了虚拟编组列车有关速度-时间、距离-时间追踪曲线的跟踪效果图,验证了所提出控制系统的可行性和合理性。(2)结合列车虚拟编组需保持小间距安全追踪的需求,提出一种新型的面向时间和空间两个维度的改进相对制动距离防护控制方式,通过反例证明的方式分析了传统空间闭塞方式在小间距追踪时的不足,构建了面向动态时空的虚拟编组列车安全防护模型并设计了求解算法,实现全场景全过程小间距安全行车控制,并通过一系列仿真实验证明了该安全防护控制方法的正确性和有效性。(3)考虑列车安全防护条件和控制器输入饱和等约束,研究复杂约束下的列车虚拟编组追踪控制问题。首先建立复杂约束下的列车控制模型,然后结合障碍李雅普诺夫函数(Barrier Lyapunov Function)将对非线性状态的约束转换为对自适应虚拟误差函数的约束,进而针对性设计虚拟编组列车分布式反步控制器,实现复杂约束下的虚拟编组列车稳定追踪控制。通过李雅普诺夫定理理论证明了系统稳定性,并分别通过单机仿真和搭建虚拟编组列车分布式仿真平台两种方式对控制方法的效果进行验证。本文共有图43幅,表5个,参考文献77篇。