一种用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法，包括：S1、分析列车纵向运动进行受力情况，建立包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动动力方程；S2、定义位置跟踪误差、速度跟踪误差和加速度跟踪误差，构造非奇异终端滑模面；S3、设计非奇异终端滑模面的控制策略；S4、将非奇异终端滑模面、非奇异终端滑模面的控制策略代入包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动动力方程，得到非奇异终端滑模闭环控制方程，利用非奇异终端滑模闭环控制方程进行用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制。本发明专利技术可应用在列车ATO系统使列车ATO系统的位置速度的跟踪误差能在有限时间内到达滑动表面，且在有限时间内收敛到零。

A robust non singular terminal sliding mode control method for train ATO system

The invention discloses a method for robust train ATO system NTSM control, including: S1, analysis of train longitudinal movement force, establishing train longitudinal motion dynamic equations containing unknown parameters, uncertainties and external disturbances; S2, define the position tracking error, the tracking error and acceleration tracking error, structure non singular terminal sliding surface; S3, the design of non singular terminal sliding mode control strategy; S4, the non singular terminal sliding mode surface, NTSM control surface of train longitudinal dynamic equations into motion strategy containing unknown parameters, uncertainties and external disturbances, are non singular terminal sliding mode closed-loop control equation, using non singular terminal the sliding mode equation for closed-loop control of non singular terminal sliding mode control system robust train ATO. The invention can be applied to train ATO system, so that the tracking error of position and speed of train ATO system can reach the sliding surface in a limited time, and converges to zero in finite time.

【技术实现步骤摘要】
一种用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法
本专利技术涉及列车控制
更具体地，涉及一种用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法。
技术介绍
现代铁路交通系统秉持着快速发展和满足巨大需求的目标，追求更高的列车速度是非常迫切和不可避免的。当前列车自动控制(ATC)系统主要由以下三个子系统构成，即列车自动运行(ATO)系统、列车自动保护(ATP)系统和列车自动监控(ATS)系统。其中，列车ATO系统可以控制列车运行的所有阶段，例如自动启动，加速，巡航，制动，精确停车，站间临时停车，自动返回等。因此，列车ATO系统在ATC列车的性能中起着至关重要的作用，受到理论和工程领域的研究人员的高度重视，促进了许多有效算法的发现，如自适应控制，模糊控制，鲁棒控制等。然而，模型的不确定性和未建模引起的外部干扰，上/下车乘客，天气条件(大风和阵雨)，以及列车运行的关键因素，如斜坡等并没有被深入关注。因此，必须结合纵向列车动力学开发一种适用于确保上述因素的鲁棒性和其他性能的控制方法。另一方面，众所周知，滑模控制具有对参数变化，系统模型不确定以及扰动不灵敏的特点。而且很多文献已经给出了有关于滑模控制的一些重要工作和成果。在过去几十年中，滑模控制策略已被大量的应用在实际系统中，例如机器人操纵器，陀螺仪和电力系统。而滑动面的形状决定了相应的滑模控制系统的动态性能是否良好。Phadke提出线性滑动面控制器虽然可以保证系统最终稳定收敛于平衡点，但是却是在无限时间内，所以为了克服线性滑模的这个缺点，提出了非线性滑动面控制。近年来，具有非线性滑动表面的TSM控制可以确保所得到的闭环系统的状态能够在有限时间内收敛到平衡点，因此已经受到了极大的关注。然而，在没有适当地给出初始条件的情况下可能引其奇异性问题，特别的还未有在列车参数和滑动面参数正常有界情况下的鲁棒NTSM控制问题的相关研究成果。因此，需要提供一种用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法，解决对于受到模型不确定性和外部干扰影响时的列车ATO系统的位置和速度的跟踪控制问题。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法，包括如下步骤：S1、分析列车纵向运动进行受力情况，建立包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动动力方程；S2、定义位置跟踪误差、速度跟踪误差和加速度跟踪误差，构造非奇异终端滑模面；S3、设计非奇异终端滑模面的控制策略；S4、将非奇异终端滑模面、非奇异终端滑模面的控制策略代入包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动动力方程，得到非奇异终端滑模闭环控制方程，利用非奇异终端滑模闭环控制方程进行用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制。优选地，步骤S1中建立的建立包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动动力方程为：其中，m为未知的列车总质量；为列车的速度；为列车的加速度；u为未知的列车所需的纵向控制力；c0、cv和ca为未知的戴维方程的系数；θ为列车运行轨道的坡度；且满足d表示外部干扰，Δm、Δca、Δcv和Δco分别表示m，ca，cv和co的不确定性，b0>0，b1>0，b2>0，b3>0且b0、b1、b2和b3均是未知参数。优选地，步骤S2的具体过程为：定义位置误差、速度误差和加速度误差为：e＝x-xr其中，xr、和分别为列车运行的期望位置、期望速度和期望加速度；设计非奇异终端滑模面：其中，β为待设计的正参数；p和q分别为正奇数，且满足优选地，步骤S3的具体过程为：设计非奇异终端滑模面的控制策略：u＝u1+u2+u3+u4其中，和分别为未知参数co、cυ、ca和m的估计值；ks1为待设计的正常数；的定义为：其中，δ1＞0；sign(s)的定义为：其中，δ2＞0；定义则根据sign(s)的定义，若|s|＞δ2，则若|s|≤δ2，则根据的定义，若则若则优选地，步骤S4中得到的非奇异终端滑模闭环控制方程为：本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术可以有效减少对列车牵引和制动设备有害影响的颤振现象。2、本专利技术能够有效补偿未知参数、模型不确定性和外部干扰的影响3、本专利技术可以应用在列车ATO系统使列车ATO系统的位置速度的跟踪误差能在有限时间内到达滑动表面，且在有限时间内收敛到零。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明；图1示出用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法的流程图。图2示出列车运行期望位移曲线示意图。图3示出位移误差响应曲线示意图。图4示出速度误差响应曲线示意图。图5示出控制输入的示意图。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。如图1所示，本专利技术公开的用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法，包括如下步骤：S1、分析列车纵向运动进行受力情况，建立包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动动力方程；S2、定义位置跟踪误差、速度跟踪误差和加速度跟踪误差，构造非奇异终端滑模面；S3、设计非奇异终端滑模面的控制策略；S4、将非奇异终端滑模面、非奇异终端滑模面的控制策略代入包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动动力方程，得到非奇异终端滑模闭环控制方程，利用非奇异终端滑模闭环控制方程进行用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制。其中，步骤S1的具体过程为：考虑列车运行过程中由于各种原因可能造成的复杂状态，因此列车ATO系统实现的是非常复杂的非线性控制问题。基于此分析了列车纵向运动的受力情况，建立列车纵向运动的动力方程：其中，m为未知的包括列车车体质量和列车中乘客质量的列车总质量；x为列车的位置；为列车的速度；为列车的加速度；v为列车的纵向速度；u为未知的列车所需的纵向控制力；f1为由滚动机械阻力fm和空气动力阻力fa组成的列车运行阻力，可以描述为：f1＝fm+fa其中，c0、cv和ca为未知的戴维方程的系数；f2为由斜率引起的斜坡阻力，可以描述为：f2＝mgsinθ其中，g表示重力加速度，θ为列车运行轨道的坡度。考虑未知参数的不确定性和外部扰动，将列车纵向运动的动力方程描述为：其中，d表示外部干扰；Δm、Δca、Δcv和Δco分别表示m，ca，cv和co的不确定性。通过定义且满足如下条件：其中，b0>0，b1>0，b2>0，b3>0且b0、b1、b2和b3均是未知参数。因此，包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动的动力方程为：步骤S2的具体过程为：定义位置误差、速度误差和加速度误差为：e＝x-xr其中，xr、和分别为列车运行的期望位置、期望速度和期望加速度。设计非奇异终端滑模面：其中，β为待设计的正参数；p和q分别为正奇数，且满足步骤S3的具体过程为：设计非奇异终端滑模面的控制策略：u＝u1+u2+u3+u4其中，和分别为未知参数co、cυ、ca和m的估计值；ks1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、分析列车纵向运动进行受力情况，建立包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动动力方程；S2、定义位置跟踪误差、速度跟踪误差和加速度跟踪误差，构造非奇异终端滑模面；S3、设计非奇异终端滑模面的控制策略；S4、将非奇异终端滑模面、非奇异终端滑模面的控制策略代入包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动动力方程，得到非奇异终端滑模闭环控制方程，利用非奇异终端滑模闭环控制方程进行用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制。

【技术特征摘要】
1.一种用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、分析列车纵向运动进行受力情况，建立包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动动力方程；S2、定义位置跟踪误差、速度跟踪误差和加速度跟踪误差，构造非奇异终端滑模面；S3、设计非奇异终端滑模面的控制策略；S4、将非奇异终端滑模面、非奇异终端滑模面的控制策略代入包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动动力方程，得到非奇异终端滑模闭环控制方程，利用非奇异终端滑模闭环控制方程进行用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制。2.根据权利要求1所述的用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，步骤S1中建立的建立包含未知参数、不确定性和外部干扰的列车纵向运动动力方程为：其中，m为未知的列车总质量；为列车的速度；为列车的加速度；u为未知的列车所需的纵向控制力；c0、cv和ca为未知的戴维方程的系数；θ为列车运行轨道的坡度；且满足d表示外部干扰，Δm、Δca、Δcv和Δco分别表示m，ca，cv和co的不确定性，b0>0，b1>0，b2>0，b3>0且b0、b1、b2和b3均是未知参数。3.根据权利要求2所述的用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，步骤S2的具体过程为：定义位置误差、速度误差和加速度误差为：e＝x-xr其中，xr、和分别为列车运行的期望位置、期望速度和期望加速度；设计非奇异终端滑模面：其中，β为待设计的正参数；p和q分别为正奇数，且满足4.根据权利要求3所述的用于列车ATO系统的鲁棒非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，步骤S3的具体过程为：设计非奇异终端滑模面的控制策略：u＝u1+u2+u3+u4

【专利技术属性】
技术研发人员：姚秀明，董海荣，张暖笛，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11