安全约束条件下的高速列车可靠牵引与制动控制

With the development of society, high speed trains (HST) appear to be more and more important in society and economic development and even national security. The crucial precondition for such development is the safe and reliable operation of HST. Apparently, advanced control is one of the key enabling technologies for enhancing system safety. This project is focused on how to enhance HST’s operation safety and reliability by making use of reliable traction and braking control methodology to prevent possible fatal accident. The major issues to be addressed are: 1) by analyzing the operation condition, traction/braking characteristics and uncertain disturbance of HST, a more applicable model of HST will be presented; 2) robust adaptive traction/braking control of HST under safety constraint; 3) fault-tolerant traction/braking control with considering the nonaffine and asymmetric saturation characteristics of HST. This proposed research has great impact on the healthy and sustainable development of the current and future HST transportation systems.

随着社会的进步，高速列车作为一种快捷有效的交通运载工具越来越受到人们的关注。规模化快速发展高速铁路已成为我国经济社会发展乃至国家安全的重大战略需求，而列车的安全运行是高速铁路建设和发展的根本前提。采用先进控制技术是确保列车在途安全与高效运行的重要途径之一。本项目针对高速列车运行安全问题，重点研究安全约束下的可靠牵引与制动控制理论与方法。主要研究内容包括：(1)通过分析轨道车辆运行状态、牵引/制动特性及不确定扰动等影响因素，根据不同的控制目标建立高速列车动力学模型；(2)考虑安全约束条件的高速列车鲁棒自适应控制；(3)考虑非仿射非对称饱和特性的高速列车鲁棒自适应容错控制。本项目研究对我国现有高速列车的安全运行与全自动无人驾驶轨道车辆的研制开发以及高速铁路建设的持续稳定发展具有重要意义。

可靠的列车牵引与制动控制是保障高速列车安全高效运行的重要途径之一。本项目针对高速列车运行安全问题，重点研究了安全约束下的高速列车可靠牵引与制动控制理论与方法，以使列车牵引与制动设备能够在列车运行全过程中提供合适的牵引/制动力应对外界阻力、环境扰动以及牵引与制动执行器未知故障和非对称饱和特性及死区等影响系统控制性能的因素，使列车实际速度与位移稳定跟踪理想速度与位移。首先，本项目综合考虑高速列车系统的本质属性——不确定性和非线性非仿射特性，以及其可能受到的未知外界干扰，根据不同的控制目标建立了更贴近实际的高速列车多质点动力学模型，并进一步分析高速列车电机运行机理，研究了高速列车电机模型。在对模型分析的基础上，本项目依据高速列车系统特性，依次设计了一系列鲁棒自适应控制策略。项目首先考虑高速列车系统的不确定性和非线性非仿射特性，建立了整数阶广义PID控制方法。之后，为进一步提高高速列车位移和速度的跟踪精度，本项目引入分数阶微积分理论，提出了基于神经网络的分数阶控制方法。由于神经网络会带来逼近误差，为避免该误差对系统控制性能产生额外影响，本项目建立了可直接补偿系统集总不确定项的整数阶和分数阶控制方法。此外，在实际运行过程中，为保证行车安全，高速列车自动控制系统需要有较快的反应速度，基于此，本项目提出了一种可调整系统稳定时间的高速列车有限时间牵引与制动控制方法。为提高系统瞬态性能，本项目在以上研究结果的基础上，建立了一种在收敛过程中可动态维持系统稳态和瞬态性能的分数阶PI跟踪控制方法。在研究高速列车鲁棒自适应控制策略的同时，本项目将容错控制理论与上述控制方法相融合，建立了高速列车容错控制方法，完成了从“故障后被动处理”到“故障前主动预防”机制上的根本转变。