一种重载列车系统优化协调控制方法及其控制系统技术方案

本发明专利技术属于重载列车运行的自动控制的技术领域，公开了一种重载列车系统优化协调控制方法。步骤1：建立重载列车多质点模型；步骤2：基于重载列车多质点模型，获取动态平衡点处的分布式误差模型；步骤3：基于步骤2的分布式误差模型，设计鲁棒协调优化控制器；步骤4：基于步骤3的鲁棒协调优化控制器进行重载列车系统优化协调控制。用以解决针对现有重载列车控制策略忽略各车间协调性的问题。策略忽略各车间协调性的问题。策略忽略各车间协调性的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种重载列车系统优化协调控制方法及其控制系统


[0001]本专利技术属于重载列车运行的自动控制的
；具体涉及一种重载列车系统优化协调控制方法及其控制系统。

技术介绍

[0002]作为重载铁路运输的核心装备以及综合交通运输体系的主要运输方式之一，考虑重载列车平稳性的控制是该类列车研究的核心问题，良好控制系统的设计，可以节约人力资源和运输成本，也可以改善系统性能，提高货运效率。
[0003]重载列车货运铁路线通常坡陡弯急、多山区、多隧道、多涵渠、多曲线等，我国对这种复杂运行环境下重载列车整体控制技术水平和研究程度还不高，且随着重载列车长度的增加，导致列车在运行时的牵引力和制动力增加，制动波动传递的时间也会增加，使得重载列车的受力情况更加复杂，列车运行过程中存在断钩、脱钩等潜在危险，严重制约了我国重载铁路运输领域的经济效益增长和产业安全提高，成为亟待解决的问题。
[0004]重载列车实际运行过程中，坡度和曲率等线路条件的变化将导致重载列车整体以及每节车厢的受力不同，从而导致相邻车厢间车钩力发生变化，并通过缓冲器将这种压力传递给缓冲器，使得车钩和缓冲器系统的总体长度达到最大位移。当缓冲器的形变量达到最大时，缓冲器将变为刚形体，此时车厢将会受到来自缓冲器的冲击，使得车辆速度变化，即形成相邻车辆间的速度差波动，这种速度差通过车钩力的作用传递到列车的两端，形成连锁效应；反之，相邻车辆间的速度差波动又反过来影响相邻车辆间的车钩力等。因此，在列车实际运行过程中确保相邻车辆协调运行，使得相邻车辆间所承受的车钩力在允许的范围内变化，是实现重载列车平稳、安全、高效运行的关键。
[0005]目前，对于重载列车运行控制策略，有学者提出基于测量反馈信息的重载列车速度整定策略，基于网络控制系统一致性协议的重载列车轨迹跟踪控制策略，基于Deep
‑
Q网络算法的重载列车长陡下坡段智能控制策略，基于LQR理论、模型预测控制、鲁棒控制理论等的重载列车控制器，基于模糊控制、预测控制、PI控制和动态矩阵预测控制的重载列车控制方法等，以实现重载列车的速度跟踪控制。尽管这些已有成果可为开展考虑重载列车平稳性的协调控制提供广泛的思路。然而，各节车厢的速度整定，不仅和自身特性有关，也和相邻车辆状态有关，现有控制策略中未充分分析相邻车辆对控制系统性能的影响。此外，复杂多变的运行环境将引起列车系统参数的不确定性，在重载列车协调控制策略的研究中也需重点关注。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种重载列车系统优化协调控制方法，用以解决现有重载列车控制策略忽略各车间协调性的问题。
[0007]本专利技术提供了一种重载列车系统优化协调控制系统，用以解决现有重载列车控制策略忽略各车间协调性的问题。
[0008]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0009]一种重载列车系统优化协调控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
[0010]步骤1：建立重载列车多质点模型；
[0011]步骤2：基于重载列车多质点模型，获取动态平衡点处的分布式误差模型；
[0012]步骤3：基于步骤2的分布式误差模型，设计鲁棒协调优化控制器；
[0013]步骤4：基于步骤3的鲁棒协调优化控制器进行重载列车系统优化协调控制。
[0014]一种重载列车系统优化协调控制方法，所述步骤1具体为，每节车厢被看作一个质点，将车厢间缓冲器和车钩组成的系统看作“弹性
‑
阻尼”耦合系统，则耦合系统的受力情形如下：
[0015]F
车i
＝k
i
(S
i
‑
S
i+1
)+h
i
(v
i
‑
v
i+1
)(1)
[0016]其中，F
车i
为车钩受到的力，k
i
和h
i
分别为第i节车厢车钩上的弹性系数和阻尼常数，S
i
和S
i+1
分别是第i和i+1节车厢的位移，v
i
和v
i+1
分别为第i和i+1节车厢的速度，且满足
[0017]一种重载列车系统优化协调控制方法，机车牵引力F、列车运行阻力R以及制动力B的矢量叠加产生的合力所致，其中机车所受运行阻力R包括基本阻力以及轨道摩擦力、横滚阻力、轨道坡度阻力、空气阻力等附加阻力之和，根据牛顿第二定律，则第i个车厢在运行方向上的受力方程为，
[0018][0019]其中，M
i
和a
i
分别为第i个车厢的质量和加速度。
[0020]一种重载列车系统优化协调控制方法，由于因此根据方程(1)
‑
(2)可建立第i个车厢的动力学模型为：
[0021][0022]其中，u
i
(t)为第i个车厢的输入(为普通车辆时为虚拟输入)，x
i
(t)＝[S
i
(t),v
i
(t)]T
表示第i个子系统的状态向量，Φ
ij
(θ
i
,θ
j
,x
i
(t))x
j
(t)为第j个车辆子系统对第i个车辆子系统的耦合效应，θ
i
(t)为系统参数。
[0023]一种重载列车系统优化协调控制方法，所述步骤2具体为，在协调控制器设计方面，拟按照牵引机和车辆将重载列车系统划分为m+n+2个子系统，基于已建立的重载列车系统模型(3)，把每个子系统输入分为稳态控制输入和控制补偿，提出依赖于系统参数的稳态控制输入和各车辆期望位移，推导出期望动态平衡状态下的误差子系统模型计算方法。
[0024]针对第i个子系统定义如下变量：
[0025][0026]其中，u
si
(θ
i
,t)为稳态控制输入向量即前馈控制输入，Δu
i
(t)为控制补偿向量；
[0027]令x
ri
(t)＝[S
ri
(t),v
ri
(t)]T
，Δx
ri
(t)＝[ΔS
ri
(t),Δv
ri
(t)]T
，则x
ri
(t)为第i个
子系统稳态情况下的期望状态向量，Δx
i
(t)为状态误差向量；
[0028]经分析可得当系统达到平衡状态时有
[0029][0030]一种重载列车系统优化协调控制方法，设置各车辆期望位移S
ri
(t)以及牵引机车的期望速度v
ri
(t)，结合式(3)
‑
(5)计算其他车辆子系统的虚拟稳态控制输入向量u
si
(θ
i
,t)和参考速度v
ri
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：步骤1：建立重载列车多质点模型；步骤2：基于重载列车多质点模型，获取动态平衡点处的分布式误差模型；步骤3：基于步骤2的分布式误差模型，设计鲁棒协调优化控制器；步骤4：基于步骤3的鲁棒协调优化控制器进行重载列车系统优化协调控制。2.根据权利要求1所述一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：所述步骤1具体为，每节车厢被看作一个质点，将车厢间缓冲器和车钩组成的系统看作“弹性
‑
阻尼”耦合系统，则耦合系统的受力情形如下：F
车i
＝k
i
(S
i
‑
S
i+1
)+h
i
(v
i
‑
v
i+1
)(1)其中，F
车i
为车钩受到的力，k
i
和h
i
分别为第i节车厢车钩上的弹性系数和阻尼常数，S
i
和S
i+1
分别是第i和i+1节车厢的位移，v
i
和v
i+1
分别为第i和i+1节车厢的速度，且满足3.根据权利要求2所述一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：机车牵引力F、列车运行阻力R以及制动力B的矢量叠加产生的合力所致，其中机车所受运行阻力R包括基本阻力以及轨道摩擦力、横滚阻力、轨道坡度阻力、空气阻力等附加阻力之和，根据牛顿第二定律，则第i个车厢在运行方向上的受力方程为：其中，M
i
和a
i
分别为第i个车厢的质量和加速度。4.根据权利要求3所述一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：由于由于因此根据方程(1)
‑
(2)可建立第i个车厢的动力学模型为：其中，u
i
(t)为第i个车厢的输入(为普通车辆时为虚拟输入)，x
i
(t)＝[S
i
(t),v
i
(t)]
T
表示第i个子系统的状态向量，Φ
ij
(θ
i
,θ
j
,x
i
(t))x
j
(t)为第j个车辆子系统对第i个车辆子系统的耦合效应，θ
i
(t)为系统参数。5.根据权利要求4所述一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：所述步骤2具体为，在协调控制器设计方面，拟按照牵引机和车辆将重载列车系统划分为m+n+2个子系统，基于已建立的重载列车系统模型(3)，把每个子系统输入分为稳态控制输入和控制补偿，提出依赖于系统参数的稳态控制输入和各车辆期望位移，推导出期望动态平衡状态下的误差子系统模型计算方法。针对第i个子系统定义如下变量：其中，u
si
(θ
i
,t)为稳态控制输入向量即前馈控制输入，Δu
i
(t)为控制补偿向量；令x
ri<...

【专利技术属性】
技术研发人员：楚晓艳，邹逸祺，周旭，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：