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基于快速自适应超螺旋算法的高速列车最优黏着控制

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铁道科学与工程学报 2022年第8期19卷 2143-2150页

作者：李中奇张俊豪华东交通大学电气与自动化工程学院江西南昌330013 华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室江西南昌330013

为解决轨面状态变化时列车牵引/制动力得不到有效发挥的问题,考虑轮轨间黏着状态具有较强的非线性和时变性,设计一种快速自适应超螺旋(FAST)滑模控制器。根据轮轨黏着机制和列车运行原理建立列车模型,对不同轨面下黏着特性曲线进行研究... 详细信息

为解决轨面状态变化时列车牵引/制动力得不到有效发挥的问题,考虑轮轨间黏着状态具有较强的非线性和时变性,设计一种快速自适应超螺旋(FAST)滑模控制器。根据轮轨黏着机制和列车运行原理建立列车模型,对不同轨面下黏着特性曲线进行研究。使用全维状态观测器对负载转矩进行观测,并计算获取当前轨面黏着系数。在此基础上,利用滑模极值算法动态搜索当前轨面最佳蠕滑速度。采用快速自适应超螺旋算法设计的滑模控制器控制牵引电机转矩,使列车蠕滑速度稳定跟踪于当前轨面最佳蠕滑速度处。利用MATLAB软件对FAST滑模控制器设计的列车运行控制系统进行仿真,将其与采用超螺旋滑模控制器和标准滑模控制器的仿真结果进行对比。研究结果表明,FAST算法将系统稳定时间缩短至5 s,收敛速度加快。不同轨面搜索到的蠕滑速度稳定在最优阈值1.4~1.5 m/s之间,轨面变化时,转矩变化趋势与轨面变化趋势一致,数值分别稳定在67200和32720左右。在模型中加入干扰后,系统能快速稳定,转矩相对误差处于±0.05%,控制器有较强鲁棒性。由此可知,快速自适应超螺旋算法实现了对不同轨面下的列车最佳蠕滑速度的快速跟踪,充分利用了当前轨面的最大黏着系数,极大发挥了列车牵引/制动力,实现了高速列车的最优黏着控制。

关键词：快速自适应超螺旋算法最佳蠕滑速度最优黏着控制

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基于干扰补偿的高速动车组固定时间控制方法

铁道科学与工程学报 2024年

作者：李中奇陈磊周靓华东交通大学电气与自动化工程学院华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室

考虑高速动车组运行时存在的环境干扰、模型参数摄动以及控制器故障等问题，以快速、稳定地跟踪期望速度为控制目标，提出一种基于干扰补偿的全局固定时间积分滑模控制策略。在给出闭环必要的系统假设后，实现了对给定速度的精确跟踪，... 详细信息

考虑高速动车组运行时存在的环境干扰、模型参数摄动以及控制器故障等问题，以快速、稳定地跟踪期望速度为控制目标，提出一种基于干扰补偿的全局固定时间积分滑模控制策略。在给出闭环必要的系统假设后，实现了对给定速度的精确跟踪，从而保证了高速列车的安全平稳运行。通过对高速动车组进行动力学分析，建立了符合其运行规律的多质点非线性模型，然后，针对模型扰动项，设计终端滑模干扰观测器用以削弱扰动，且具有固定时间收敛特性。为保证系统鲁棒性设计固定时间全局积分滑模面，并针对传统指数趋近律造成的滑模抖振问题，引入改进的变幂次趋近律消除滑模抖振，最终设计出基于终端滑模干扰观测器的全局积分滑模控制器。再用李亚普洛夫判据证明系统的稳定性和全局固定时间收敛之后，以实验室配备的高速动车组运行仿真平台对该方法进行测试并与传统滑模方法进行对比。仿真结果表明：所提控制方法与传统滑模方法相比，在有外部扰动、系统内部模型摄动以及车辆控制器故障时均表现出较强的抗干扰性和较高的控制精度，具有更好的鲁棒性，且车钩力震荡幅度更小，控制器的输出也更为平滑。在保证高速动车组的安全、准确、平稳运行的同时，提升了旅客的乘车体验。研究结果为进一步提升高速动车组运行安全和保障提供参考价值。

关键词：高速动车组终端滑模干扰观测器固定时间收敛全局积分滑模变幂次趋近律

高速动车组数据驱动无模型自适应积分滑模预测控制

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自动化学报 2024年第1期50卷 194-210页

作者：李中奇周靓杨辉华东交通大学电气与自动化工程学院南昌330013 轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室南昌330013

同许多复杂系统一样,动车组(Electric multiple unit,EMU)运行过程也具有多变量、强耦合以及非线性等特性,这严重影响着列控系统的性能.针对包含外部扰动的动车组自动驾驶系统,提出一种新型的多输入多输出(Multi-input-multi-output,MI... 详细信息

同许多复杂系统一样,动车组(Electric multiple unit,EMU)运行过程也具有多变量、强耦合以及非线性等特性,这严重影响着列控系统的性能.针对包含外部扰动的动车组自动驾驶系统,提出一种新型的多输入多输出(Multi-input-multi-output,MIMO)数据驱动积分滑模预测控制(Integral sliding mode predictive control,ISMPC)算法.首先,该算法基于与动车组运行过程等效的全格式动态线性化(Full format dynamic linearization,FFDL)数据模型,设计一种离散积分滑模控制(Integral sliding mode control,ISMC)律.为了使系统能够获得更高的输出跟踪误差精度,利用模型预测控制(Model predictive control,MPC)代替ISMC的切换控制,进一步推导出ISMPC算法.同时,通过对FFDL数据模型的未知扰动、参数误差等不确定项进行延时估计,提升了算法的控制性能和对系统的等价描述程度.在提供两种算法的稳定性证明分析之后,以实验室配备的CRH380A型动车组仿真实验台对提出的ISMC和ISMPC算法进行仿真测试,并与其他方法进行对比,仿真结果表明ISMPC算法控制性能较好,动车组各动力单元速度跟踪误差均在±0.132 km/h以内,满足列车的跟踪精度需求;控制力和加速度分别在[-52 kN,42 kN]和±0.9249 m/s2以内且变化平稳.

关键词：列车自动驾驶数据驱动控制速度跟踪积分滑模控制模型预测控制全格式数据模型

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高速动车组数据驱动无模型自适应控制方法

自动化学报 2023年第2期49卷 437-447页

作者：李中奇周靓杨辉华东交通大学电气与自动化工程学院南昌330013 华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室南昌330013

针对动车组的速度跟踪控制问题,同时考虑到现有基于模型的控制方法对系统动力学模型的依赖性,以及传统无模型自适应控制时变参数估计算法的复杂性,将改进的多输入多输出(Multiple-input multiple-output,MIMO)偏格式动态线性化无模型自... 详细信息

针对动车组的速度跟踪控制问题,同时考虑到现有基于模型的控制方法对系统动力学模型的依赖性,以及传统无模型自适应控制时变参数估计算法的复杂性,将改进的多输入多输出(Multiple-input multiple-output,MIMO)偏格式动态线性化无模型自适应控制(Partial form dynamic linearization-improved model-free adaptive control,PFDL-iMFAC)方法引入到动车组自动驾驶系统中.该控制方法在无模型自适应控制的基础上,考虑滑动时间窗口,增加了可调自由度和设计灵活性,并在输入准则函数中加上对能量函数的惩罚项,减少能量损耗,为动车组的跟踪精度和节能运行提供了一种优化的方法,在满足动车组速度跟踪效果好的前提下实现节能运行.最后以CRH380A动车组为对象进行仿真实验,通过与传统无模型自适应控制对比:所提出的控制算法各动力单元速度跟踪误差在±0.2 km/h以内,加速度在±0.65 m/s^(2)以内且变化平稳,比传统无模型自适应控制方法节约9.86%的能量.

关键词：列车自动驾驶无模型自适应控制速度跟踪数据驱动节能控制偏格式数据模型

改进的动车组速度跟踪系统的无模型自适应控制

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交通运输工程学报 2024年第2期24卷 267-280页

作者：周靓夏金凤李中奇华东交通大学电气与自动化工程学院江西南昌330013 华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室江西南昌330013 中车株洲电力机车有限公司湖南株洲412001

为了提高列控系统跟踪精度与平稳运行,提出了一种改进的多输入多输出(MIMO)无模型自适应控制(MFAC)方法;基于动态线性化技术,将系统各动力单元输入输出数据等效成更符合高速动车组实际运行特性的全格式动态线性化(FFDL)数据模型;通过在... 详细信息

为了提高列控系统跟踪精度与平稳运行,提出了一种改进的多输入多输出(MIMO)无模型自适应控制(MFAC)方法;基于动态线性化技术,将系统各动力单元输入输出数据等效成更符合高速动车组实际运行特性的全格式动态线性化(FFDL)数据模型;通过在目标准则函数中加入输出误差率,并对输出误差和输出误差率进行加权融合,推导出新的带有输出误差率的无模型自适应控制(MFAC-OER)方案;通过对FFDL数据模型的外界扰动、参数误差等不确定项进行延时估计,进一步提升了算法的控制性能和对系统的等价描述程度;以实验室配备的CRH380A型动车组半实物试验平台对该方法进行仿真测试,使其跟踪济南—徐州的实际速度-位移曲线,并与传统算法进行对比。仿真结果表明:通过MFAC-OER方法得到的动车组各动力单元速度误差为[-0.151,0.136]km·h^(-1),控制力和加速度分别在[-48,42]kN和[-0.785,0.687]m·s^(-2)以内且变化平稳,控制性能优于比例积分微分方法和传统MFAC方法;整体仿真结果证明了MFAC-OER方法不仅能快速到达系统稳态并且具有良好的抗外界干扰特性,满足动车组跟踪精度与安全要求。

关键词：动车组列车自动驾驶无模型自适应控制动态线性化输出误差率扰动估计

基于自适应PSO的DMC-FOPID永磁磁浮列车速度跟踪控制

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铁道学报 2023年第9期45卷 74-84页

作者：过振宇李中奇谭畅华东交通大学电气与自动化工程学院江西南昌330013 中国科学院赣江创新研究院江西赣州341000

以中低速悬挂式永磁磁浮列车为研究对象,针对永磁磁浮列车运行过程中存在复杂性、非线性和大滞后等特点,常规控制策略很难满足控制需求。基于永磁磁浮列车试验线的线路实际运行数据,采用最小二乘法建立永磁磁浮列车动力学传递函数模型... 详细信息

以中低速悬挂式永磁磁浮列车为研究对象,针对永磁磁浮列车运行过程中存在复杂性、非线性和大滞后等特点,常规控制策略很难满足控制需求。基于永磁磁浮列车试验线的线路实际运行数据,采用最小二乘法建立永磁磁浮列车动力学传递函数模型。并在此基础上提出一种基于自适应PSO的DMC-FOPID控制算法,此算法针对DMC-FOPID控制算法参数多、难整定等问题,采取自适应PSO方法进行多参数寻优,提升算法控制性能。基于永磁磁浮试验线运行过程的仿真结果验证本文所提控制方法的有效性,仿真结果表明:基于自适应PSO的DMC-FOPID控制算法与常规算法相比,具有响应速度更快、跟踪精度更高、抗干扰能力更强等优势,能够实现永磁磁浮列车高精度速度跟踪控制。

关键词：永磁磁浮列车速度跟踪 DMC-FOPID控制自适应PSO

高速列车精确停车的超扭曲非奇异终端滑模控制方法

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铁道学报 2023年第12期45卷 83-91页

作者：李中奇张俊豪唐博伟华东交通大学电气与自动化工程学院江西南昌330013 华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室江西南昌330013

为提升高速列车停车精度,考虑不确定性扰动对停车过程的影响,提出一种基于扩张状态观测器的终端滑模控制方法。该方法结合系统模型的输入输出信息,利用观测器估计扰动并反馈至控制器进行补偿,提高系统抗干扰能力的同时,使得控制器的设... 详细信息

为提升高速列车停车精度,考虑不确定性扰动对停车过程的影响,提出一种基于扩张状态观测器的终端滑模控制方法。该方法结合系统模型的输入输出信息,利用观测器估计扰动并反馈至控制器进行补偿,提高系统抗干扰能力的同时,使得控制器的设计不依赖于精准的系统模型。构造非奇异终端滑模面设计控制器中的等效控制部分,实现系统状态跟踪误差在有限时间内收敛至零。为削弱控制转矩抖振,在滑模控制器的切换项部分引入超扭曲算法,实现了系统的平滑控制。通过稳定性分析证明了该控制方法的有限时间收敛性。仿真结果表明,本文方法既增强系统鲁棒性,也极大地提高了列车停车精度。

关键词：精确停车扩张状态观测器超扭曲算法非奇异终端滑模面

基于改进模糊PID-Smith控制器的高速动车组停车方法

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交通运输工程学报 2020年第4期20卷 145-154页

作者：李中奇许健华东交通大学江西省先进控制与优化重点实验室江西南昌330013 华东交通大学电气与自动化工程学院江西南昌330013

为解决动车组制动过程中电制动与空气制动切换时控制模型参数变化和空气制动延时大的问题,以提高动车组停车的精确性,提出了一种改进模糊PID-Smith控制器;通过分析动车组制动过程中单个车厢的力学模型,考虑列车制动过程的特点,建立了关... 详细信息

为解决动车组制动过程中电制动与空气制动切换时控制模型参数变化和空气制动延时大的问题,以提高动车组停车的精确性,提出了一种改进模糊PID-Smith控制器;通过分析动车组制动过程中单个车厢的力学模型,考虑列车制动过程的特点,建立了关于运行速度和制动力的二阶纯延时传递函数;将离散化的二阶纯延时传递函数与单个车厢的力学模型结合,建立了动车组多质点控制模型,并分析了该控制模型的特点;提出了一种改进的模糊PID-Smith控制器,通过引入Smith预估控制器解决了动车组制动过程中空气制动系统延时大的问题,使用递推最小二乘法在线辨识了模型参数,以解决动车组制动过程中电制动切换到空气制动时的模型参数变化问题;采用模糊PID控制器代替Smith预估控制器中的PID部分,解决了PID参数整定难和鲁棒性差的问题;采用MATLAB软件对CRH380A型高速动车组进行仿真,在不同进站速度、不同减速度和不同程度干扰下,使控制器控制动车组跟踪设定速度,并与模糊PID控制器的结果进行对比。仿真结果表明:改进模糊PID-Smith控制器得到的动力单元速度与其设定速度的误差在0.4 km·h^-1以内,而模糊PID控制器的误差在1.0 km·h^-1以内;采用提出控制器得到的停车误差在0.3 m以内,而模糊PID控制器的停车误差在1.5 m以内;提出的控制器满足高速动车组运行过程中停车误差小于0.3 m的要求。

关键词：动车组制动多质点模糊PID Smith预估控制器

提升小学新生学习适应性的行动研究 ——基于儿童视角

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提升小学新生学习适应性的行动研究 —...

作者：李中奇四川师范大学

学位级别：硕士

小学一年级新生阶段是儿童成长与发展的重要阶段,小学新生的学习适应性对儿童个人的成长与发展有着重要的影响。由于大部分现有关于学生学习适应的研究是基于成人视角而展开的探讨,所提出的对策和观点也是从成人视角出发。一方面,这忽... 详细信息

小学一年级新生阶段是儿童成长与发展的重要阶段,小学新生的学习适应性对儿童个人的成长与发展有着重要的影响。由于大部分现有关于学生学习适应的研究是基于成人视角而展开的探讨,所提出的对策和观点也是从成人视角出发。一方面,这忽视了儿童作为学习适应性主体的话语权和能动性,另一方面,这些观点和策略的可行性和有效性尚待行动检验。因此,本研究拟从儿童视角出发（既允许儿童站在主体角度去观察教育现象、思考教育问题、充分表达自我观点和感受,研究者也站在儿童角度倾听儿童的声音,关照儿童诉求,解决儿童问题）,以行动研究的方式去探讨出能够提升小学新生学习适应性的策略方案。本研究所运用到的主要研究方法为:行动研究法、马赛克方法、自然观察法、访谈法、文献法。前期,笔者通过为期10个月的时间阅读相关文献,梳理并整理出了有利于开展行动研究的策略方案,作为本研究策略来源的一部分。接着,笔者开展了行动研究前期调研以了解实验班和对照班的初始水平以及实验班儿童在学习适应上的现状及问题;然后,笔者根据调研结果开展了第一轮行动研究和第二轮行动研究。在行动研究期间,笔者运用马赛克方法（含儿童自主摄影法、儿童自主绘画法、材料刺激访谈法）展开儿童视角调研,以了解儿童在研究期间的想法、感受和建议,并据其调整行动研究的策略、目标和方向。然后笔者通过开展“提升小学新生的学习适应性”前、中、后三次量表测验、任课教师访谈以及自然观察的“量性”和“质性”相结合的方式来检验每轮行动研究取得的效果、提升的程度以及尚存在的问题。本研究有以下重要发现:第一,学习环境适应困难在小学新生中或具有普遍性,仅通过改善班级环境对学习环境适应的提升具有局限,而学生的人际环境（含同伴关系、师生关系）才应作为提升学习适应性的重点。第二,对初入小学的新生而言,学习兴趣也会成为制约学习适应的一个重要因素。研究者通过改善教师的课堂教学能有效地提升儿童的学习适应水平。本研究总结出提升小学新生学习适应的策略如下:第一,成人应认识并尊重儿童视角的价值。主要表现在,成人应尊重儿童的节奏、尽量使用儿童化语言、多倾听儿童的想法;第二,教师应创设儿童喜爱的课堂教学。笔者建议可从“使用直观多样的教具”、“设计生动美观的板书”、“创设多样有趣的教学形式”、“建立起友好的师生互动氛围”这四方面进行改进;第三,学习环境布置应符合儿童审美趣味特点的学习环境,并邀请儿童亲自参与环境打造。第四,营造儿童舒适的人际环境,这包含建立良好的师生关系和友好的同伴关系。

关键词：学习适应儿童视角小学新生学习环境适应学习兴趣