一种列车自动驾驶轨迹规划与跟踪一体化控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种列车自动驾驶轨迹规划与跟踪一体化控制方法，该方法包括：步骤A：分析列车的受力情况与各车位之间的车钩力、加速度对控制命令的响应过程，建立基于多质点模型的运动学微分方程组模型；步骤B：对被控列车对象分组，并构建由外环为模型预测控制的规划环、内环为滑模控制的跟踪环组成的双闭环控制器结构；步骤C：建立考虑跟踪误差、车钩力以及控制平顺性多项指标的二次型规划模型，并求解；步骤D：使用跟踪微分器对模型预测求解结果进行平滑处理，并输出给滑模控制跟踪环进行列车速度与加速度跟踪。与现有技术相比，本发明专利技术具有易于跟踪控制，提高ATO驾驶品质等优点。提高ATO驾驶品质等优点。提高ATO驾驶品质等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种列车自动驾驶轨迹规划与跟踪一体化控制方法及装置


[0001]本专利技术涉及轨道交通列车信号控制系统，尤其是涉及一种列车自动驾驶轨迹规划与跟踪一体化控制方法及装置。

技术介绍

[0002]目前列车自动驾驶(Automatic train operation,ATO)技术目前多应用于城市轨道交通领域，被控的列车对象为编组固定的动力分散型动车组列车。而对于由机车牵引的动力集中型列车，目前暂无实际的客货运输运营应用。
[0003]与编组固定的动力分散型动车组列车不同，由机车牵引的动力集中型列车在控制过程中需要考虑车厢之间的车钩力，且列车加速度对控制命令的响应较慢，具有强非线性、大惯性、大时滞的特点。若与地铁ATO系统类似，直接以目标速度作为控制目标，可能存在列车速度超调、控制输出剧烈变化等不利因素，影响列车运行安全。因此ATO系统需要根据阶梯跳跃的目标速度，设计一条连续平缓变化、满足列车动力学特性、考虑车钩力等因素的参考速度曲线作为跟踪目标。同时由于机车牵引的动力集中型列车在运用过程中，列车编组、牵引质量、机车数量等存在较多可变参数，因此若本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种列车自动驾驶轨迹规划与跟踪一体化控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤A：分析列车的受力情况与各车位之间的车钩力、加速度对控制命令的响应过程，建立基于多质点模型的运动学微分方程组模型；步骤B：对被控列车对象分组，并构建由外环为模型预测控制的规划环、内环为滑模控制的跟踪环组成的双闭环控制器结构；步骤C：建立考虑跟踪误差、车钩力以及控制平顺性多项指标的二次型规划模型，并求解；步骤D：使用跟踪微分器对模型预测求解结果进行平滑处理，并输出给滑模控制跟踪环进行列车速度与加速度跟踪。2.根据权利要求1所述的一种列车自动驾驶轨迹规划与跟踪一体化控制方法，其特征在于，所述的步骤A具体为：列车的各车位的纵向受力情况描述为：上式中下标i表示第i车位；i＝1，2，
…
，n，其中n为列车的机车与车辆总数；x
1,i
为第i车位的位置；为第i车位的位置对时间的二阶导数，即第i车位的加速度；m
r,i
为该第i车位的动态质量；u
res,i
为第i车位牵引系统或制动系统根据控制命令输出实际作用于驱动列车的牵引力或制动力；f
R,i
＝f
b,i
+f
g,i
，其中f
R,i
为第i车位所受到的阻力，为第i车位所受到的基本阻力，f
g,i
＝m
i
gγ(x
1,i
)为第i车位所受到的线路坡度阻力；c
0,i
，c
1,i
，c
2,i
表示列车基本阻力戴维斯方程的系数，x
2,i
为该节车的速度；m
i
为该节车的静态质量；g为重力加速度；γ为列车运行的轨道坡度；d
i
为未知的扰动阻力；f
C,i
为第i车位与第i+1车位之间的车钩力；列车的各车位之间的车钩力描述为：f
C,i
＝k
1,i
(x
1,i
‑
x
1,i+1
)+k
2,i
(x
1,i
‑
x
1,i+1
)3+k
3,i
(x
2,i
‑
x
2,i+1
)+k
4,i
(x
2,i
‑
x
2,i+1
)3上式中k
1,i
、k
2,i
、k
3,i
、k
4,i
为该车位的车钩力拟合系数；列车加速度对控制命令的响应过程描述为：上式中u
cmd,i
为第i车位列车自动驾驶系统输出的牵引力或制动力控制命令；T
i
为第i车位牵引或制动系统的时间常数，u
res,i
为第i车位牵引系统或制动系统根据控制命令输出实际作用于驱动该车位列车的牵引力或制动力；是u
res,i
对于时间的导数。3.根据权利要求1所述的一种列车自动驾驶轨迹规划与跟踪一体化控制方法，其特征在于，所述的步骤B中的对被控列车对象分组具体为：将连续具有相同机车或车辆属性的车位合并为一组，视为一个质点，并将质点的参数与原有车厢进行等效，其中质点的参数包括质量、牵引力、制动力、阻力、时间常数。4.根据权利要求1所述的一种列车自动驾驶轨迹规划与跟踪一体化控制方法，其特征在于，所述的步骤B中构建由外环为模型预测控制的规划环、内环为滑模控制的跟踪环组成的双闭环控制器结构具体为：
规划与跟踪一体化控制器采用双闭环的结构，外环为规划环，以若干ATO控车周组成的大周期运行，规划出列车在未来预测时域内连续平滑的速度曲线轨迹；内环为跟踪控制环，在每个ATO控车周期运行，计算各车位的跟踪控制律，其中内环跟踪控制环的滑模控制器个数与列车分组数相同。5.根据权利要求1所述的一种列车自动驾驶轨迹规划与跟踪一体化控制方法，其特征在于，所述的步骤C具体为：步骤C1：根据列车分组，建立离散系统线性参考模型；步骤C2：建立预测步长内各时刻列车状态与控制输入的迭代关系；步骤C3：建立预测步长内考虑列车位移与速度的跟踪误差、车钩力、能耗、控制量的变化量、预测时域末端时刻跟踪误差的多目标加权函数；步骤C4：建立预测步长内考虑列车状态约束、车钩力上界约束、控制饱和约束、控制量的变化率约束的多约束条件；步骤C5：采用每个模型预测周期控制量的变化量作为决策变量，整理目标函数、约束条件为关于决策变量的二次型形式，并使用二次规划算法求解。6.根据权利要求5所述的一种列车自动驾驶轨迹规划与跟踪一体化控制方法，其特征在于，所述的步骤C1具体为：根据列车分组，建立离散系统线性参考模型为：x(k+1)＝Ax(k)+Bu
res
(k)其中k为离散化的模型预测控制周期序号，x＝(x
1,1
,x
2,1
,
…
,x
1,n
,x
2,n
)
T
为2n维的列车状态向量；u
res
＝(u
res,1
,u
res,2
,
…
,u
res,n
)
T
为n维的各车位的控制命令响应向量；矩阵A为2n
×
2n维、矩阵B为2n
×
n维，分别是对2n
×
2n维的参考模型矩阵A
m
、2n
×
n维的参考模型矩阵B
m
按照模型预测控制采样周期使用一阶保持器离散化的矩阵；其中参考模型矩阵A
m
、B
m
为：
其中i、j表示分块矩阵A
m,i,j
、B
m,i,j
的分块行标号、分块列标号。7.根据权利要求6所述的一种列车自动驾驶轨迹规划与跟踪一体化控制方法，其特征在于，所述的步骤C2具体为：建立预测步长内各时刻列车状态与控制输入的迭代关系为：X＝Dx(k)+EU上式中x(k)为k时刻的列车状态向量；X＝(x(k+1)
T
,x(k+2)
T
,
…
,x(k+N
p
)
T
)
T
是未来k+1时刻至k+N
p
时刻列车状态，U＝(u
res
(k)
T
,u
res
(k+1)
T
,
…
,u
res
(k+N
p
‑
1)
T
)
T
是k时刻至k+N
p
‑
1时刻系统输入，为中间变量参数矩阵、
为中间变量参数矩阵；其中N
p
是预测时域步长。8.根据权利要求7所述的一种列车自动驾驶轨迹规划与跟踪一体化控制方法，其特征在于，所述的步骤C3具体为：建立预测步长内考虑列车位移与速度的跟踪误差、车钩力、能耗、控制量的变化量、预测步长末端时刻跟踪误差的多目标加权函数为：J＝(X
‑
Y
ref
)
T
W1(X
‑
Y
ref
)+U
T
W2U+ΔU
T
W3ΔU+X
T
K
T
W4KX+(X
‑
Y
ref
)
T
M
T
W5M(X
‑
Y
ref
)上式中Y
ref
＝(y
ref
(k+1)
T
,y
ref
(k+2)
T
,
…
,y
ref
(k+N
p
)
T
)
T
为未来k+1时刻至k+N
p
时刻的参考曲线；ΔU＝(Δu
res
(k),Δu
res
(k+1),
…
,Δu
res
(k+N
p
‑
2))
T
为k时刻至时刻k+N
p
‑
2的控制量的改变向量，其中Δu
res
(k)＝u
res
(k+1)
‑
u
res

【专利技术属性】
技术研发人员：王维旸，崔科，吕新军，顾立忠，戴虎，
申请(专利权)人：卡斯柯信号有限公司，
类型：发明
国别省市：