一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法及系统与流程

本发明涉及高速列车运行过程的建模与跟踪控制领域，特别是涉及一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法及系统。

背景技术：

进入新世纪以来，中国高速铁路发展迅猛，并取得了举世瞩目的成就，而目前高速铁路发展正处于转型期，智能化将是一个必然趋势。将人工智能、智能控制等先进技术应用于高速铁路发展，实现高速列车自动驾驶，自动实现高速列车启动、牵引、惰性、制动等基本驾驶功能。不断更新发展高速列车自动驾驶相关技术，在高速列车精确建模和有效控制的基础上，实现速度和位移精准跟踪是当今研究重点内容。

高速列车模型的精确建立是研究高速列车自动驾驶的首要环节，但在高速列车实际运行过程中，存在多变量、多约束等问题，使高速列车建模具有一定难度。然而，众多研究者在不影响高速列车性能研究基础上，对高速列车模型简化并尝试多种建模方法，如：数据建模、动态特性建模、anfis模型等不同建模方法，在模型建立的基础上设计控制策略从而达到高速列车预期性能，但本质上，以上建模均是一种单质点建模，对于分散式动力的复杂高速列车，不足以描述相邻车厢内部作用力关系。

对于实现高速列车跟踪的具体控制方法研究已有很多，例如：pid控制、模糊控制、神经控制、预测控制等算法，但都有自身缺陷，pid控制不利于平稳运行，停车精度不高；模糊控制较依赖于实际经验和模型的建立，不能实现高精度跟踪；神经网络控制稳定性较差、学习速度较慢；预测控制计算量小、算法策略简单，但系统稳定性不强，不适于高速列车稳定运行。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法及系统，实现高速列车的高精度跟踪控制。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法，包括：

利用高速列车的多质点模型确定所述高速列车的实际状态量；所述实际状态量包括实际运行速度和实际位移；所述多质点模型用于输出实际状态量；

利用所述高速列车的参考模型确定所述高速列车的目标状态量；所述目标状态量包括：目标运行速度和目标位移；所述参考模型用于输出目标状态量；

根据所述实际状态量和所述目标状态量确定跟踪误差；

根据所述跟踪误差确定自适应率；

根据所述自适应率确定自适应控制器；

根据所述自适应控制器控制所述高速列车。

可选的，所述利用高速列车的多质点模型确定所述高速列车的实际状态量，具体包括：

利用公式构建高速列车的多质点模型；

利用公式将所述多质点模型转换为所述多质点模型的状态空间描述；

利用公式和对所述多质点模型的状态空间描述进行参数化；

其中，为第节车厢的控制输入信号，即牵引力或制动力，为运行阻力，为车间作用力，为高速列车车厢质量，为实际运行速度，为实际位移，为车钩系统的弹性系数，为车钩系统的阻尼系数，、分别为第节、第 1节车厢的实时运行速度，、分别为第节、第 1节车厢的实时位移，、和为第节车厢的基本阻力的系数，为所述高速列车的中间车厢的编号，为所述高速列车所有车厢的编号，；，为所述高速列车的阻力的非线性部分，，为高速列车的系统参数矩阵，为所述高速列车的状态量变量，为所述高速列车的控制输入信号，，为常值矩阵，为常值矩阵，为的转置。

可选的，所述利用所述高速列车的参考模型确定所述高速列车的目标状态量，具体包括：

根据atp限速及所述高速列车的运行路段确定目标运行速度曲线；

利用公式确定所述参考模型；

其中，为所述高速列车的目标运行速度和目标位移，为有界的外部参考输入信号。

可选的，所述根据所述自适应率确定自适应控制器，具体包括：

获取标称控制器；

根据所述标称控制器确定自适应控制器；

利用所述自适应率更新所述自适应控制器。

一种基于多质点模型的高速列车自适应控制系统，包括：

实际状态量确定模块，用于利用高速列车的多质点模型确定所述高速列车的实际状态量；所述实际状态量包括实际运行速度和实际位移；所述多质点模型用于输出实际状态量；

目标状态量确定模块，用于利用所述高速列车的参考模型确定所述高速列车的目标状态量；所述目标状态量包括：目标运行速度和目标位移；所述参考模型用于输出目标状态量；

跟踪误差确定模块，用于根据所述实际状态量和所述目标状态量确定跟踪误差；

自适应率确定模块，用于根据所述跟踪误差确定自适应率；

自适应控制器确定模块，用于根据所述自适应率确定自适应控制器；

高速列车控制模块，用于根据所述自适应控制器控制所述高速列车。

可选的，所述实际状态量确定模块具体包括：

多质点模型构建单元，用于利用公式构建高速列车的多质点模型；

状态空间描述单元，用于利用公式将所述多质点模型转换为所述多质点模型的状态空间描述；

参数化单元，用于利用公式和对所述多质点模型的状态空间描述进行参数化；

其中，为第节车厢的控制输入信号，即牵引力或制动力，为运行阻力，为车间作用力，为高速列车车厢质量，为实际运行速度，为实际位移，为车钩系统的弹性系数，为车钩系统的阻尼系数，、分别为第节、第 1节车厢的实时运行速度，、分别为第节、第 1节车厢的实时位移，、和为第节车厢的基本阻力的系数，为所述高速列车的中间车厢的编号，为所述高速列车所有车厢的编号，；，为所述高速列车的阻力的非线性部分，，为高速列车的系统参数矩阵，为所述高速列车的状态量变量，为所述高速列车的控制输入信号，，为常值矩阵，为常值矩阵，为的转置。

可选的，所述目标状态量确定模块具体包括：

目标运行速度曲线确定单元，用于根据atp限速及所述高速列车的运行路段确定目标运行速度曲线；

参考模型确定单元，用于利用公式确定所述参考模型；

其中，为所述高速列车的目标运行速度和目标位移，为有界的外部参考输入信号。

可选的，所述自适应控制器确定模块具体包括：

标称控制器获取单元，用于获取标称控制器；

自适应控制器确定单元，用于根据所述标称控制器确定自适应控制器；

自适应控制器更新单元，用于利用所述自适应率更新所述自适应控制器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法及系统，通过高速列车的多质点模型确定所述高速列车的实际状态量；利用所述高速列车的参考模型确定所述高速列车的目标状态量，进而根据实际状态量和所述目标状态量确定跟踪误差，根据所述跟踪误差确定自适应率；根据所述自适应率确定自适应控制器。利用跟踪误差确定的自适应率确定自适应控制器，有效地处理不确定性以及非线性问题，实现了其对给定速度曲线的渐近跟踪。本发明不仅能够提高跟踪精度，并保证在更新过程中保持稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法流程示意图；

图2为crh380a型高速列车编组结构示意图及单节车厢受力分析；

图3为高速列车模型参考自适应控制原理示意图；

图4为高速列车的速度跟踪曲线，实线曲线为实际速度跟踪，虚线曲线为目标速度；

图5为高速列车运行过程中速度跟踪误差曲线；

图6为高速列车的位移跟踪曲线，实线曲线为实际位移跟踪，虚线曲线为目标位移；

图7为高速列车运行过程中位移跟踪误差曲线；

图8为高速列车在运行过程中各车厢的控制力变化曲线；

图9为本发明所提供的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法及系统，实现高速列车的高精度跟踪控制。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法流程示意图，图3为高速列车模型参考自适应控制原理示意图，如图1和图3所示，本发明所提供的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法，包括：

s101，利用高速列车的多质点模型确定所述高速列车的实际状态量；所述实际状态量包括实际运行速度和实际位移；所述多质点模型用于输出实际状态量。

s101，具体包括：

利用公式构建高速列车的多质点模型。

构建所述高速列车的多质点模型的过程为：

基于动力学基本定律，将高速列车的每节车厢看作一个刚性质点，分析高速列车在运行过程中所受到的各种力与速度、位移以及时间之间的关系，建立高速列车多质点模型。本发明以crh380a型高速列车为研究对象，其编组结构示意图如图2所示，根据各车厢的动力学过程分析，并考虑高速列车相邻车厢的相互作用力影响，构建高速列车的多质点模型为：

(1)

式中，，为高速列车的牵引力或制动力，为运行阻力，为车间作用力，为车厢质量，为实际运行速度，为实际位移。

描述高速列车多质点模型(1)中的车间作用力、基本阻力。高速列车是一种通过车钩复杂作用连接的多体系统，则其车厢之间的相互作用力，即车间作用力在高速列车运行过程中的影响不可忽略。在实际情况中，将车钩复杂系统简化为弹簧—阻尼器系统。则可描述第节与第 1节节车厢间的车间作用力为：

（2）

高速列车运行过程中的基本阻力，主要包括机械阻力和空气阻力两部分,为简化仿真过程且较为准确描述空气阻力的大小，将机械运行阻力为与运行速度成正比，将空气阻力近似为与运行速度平方成正比。采用二次函数近似地描述基本阻力为：

(3)

其中，、和为第节车厢的基本阻力的系数，与高速列车运行条件有关，如质量、动车数量和分布以及高速列车横截面积等等。

在式(1)基础上，代入式(2)、(3)，高速列车多质点模型的纵向动力学方程可表示为：

(4)

利用公式将所述多质点模型转换为所述多质点模型的状态空间描述。

利用公式和对所述多质点模型的状态空间描述进行参数化。

其中，为第节车厢的控制输入信号，即牵引力或制动力，为运行阻力，为车间作用力，为高速列车车厢质量，为实际运行速度，为实际位移，为车钩系统的弹性系数，为车钩系统的阻尼系数，、分别为第节、第 1节车厢的实时运行速度，、分别为第节、第 1节车厢的实时位移，、和为第节车厢的基本阻力的系数，为所述高速列车的中间车厢的编号，为所述高速列车所有车厢的编号，；，为所述高速列车的阻力的非线性部分，，为高速列车的系统参数矩阵，为所述高速列车的状态量变量，为所述高速列车的控制输入信号，，为常值矩阵，为常值矩阵，为的转置。

其中，，为阶单位矩阵，为阶零矩阵。

(6)

(7)

(8)

s102，利用所述高速列车的参考模型确定所述高速列车的目标状态量；所述目标状态量包括：目标运行速度和目标位移；所述参考模型用于输出目标状态量。

s102具体包括：

根据atp限速及所述高速列车的运行路段确定目标运行速度曲线。所述目标运行速度曲线为。

利用公式确定所述参考模型。

其中，为所述高速列车的目标运行速度和目标位移，为有界的外部参考输入信号，。

s103，根据所述实际状态量和所述目标状态量确定跟踪误差。

s104，根据所述跟踪误差确定自适应率。

s105，根据所述自适应率确定自适应控制器。

s105具体包括：

获取标称控制器。

标称控制器为：

(9)

其中，，为高速列车参数矩阵，为高速列车实际速度的平方值。

根据以上标称控制器，可得闭环系统满足

（10）

是有界的，式(9)中高速列车控制力输入，也是有界的，并且跟踪误差满足，因此，误差信号指数衰减到0，即，实现渐近跟踪性能。

根据所述标称控制器确定自适应控制器。

即，在a和b未知的情况下，则需根据公式(9)标称控制器的结构，设计如下形式自适应控制器：

(11)

其中，为的估计值。

利用所述自适应率更新所述自适应控制器。

为更新自适应控制器参数，选择如下自适应律式(12)~(15)，使高速列车在存在不确定系统参数的情况下，仍能实现上述控制目标，完成高速列车对理想曲线高精度跟踪。

(13)

(14)

(15)

(16)

其中，。

本发明考虑高速列车系统参数的不确定性以及非线性问题，利用模型参考自适应控制策略的设计，在理论上实现高速列车对给定曲线的渐近跟踪。

s106，根据所述自适应控制器控制所述高速列车。

本发明建模上，利用高速列车运行过程动力学定律，建立对高速列车系统的多质点模型。多质点模型描述了高速列车内部作用力的影响，考虑相邻车厢间的相互作用力以及阻力的非线性，建立高速列车精准模型。

控制上，整个自适应控制系统采用自适应律对控制器参数进行更新，有效地处理系统的不确定性以及非线性问题。此控制方法不仅能够提高跟踪精度，并保证系统在更新过程中保持稳定。

本发明实施基于以上多质点模型建立及自适应控制策略设计的理论分析，利用matlab软件仿真来验证模型的准确性以及控制跟踪的高精度。

根据高速列车运行路段及atp限速特性，设计高速列车仿真中理想速度运行曲线如下式(16)(速度单位为)，其中包含了高速列车运行过程中牵引、惰性、制动工况。并选取高速列车参考模型参数，需满足矩阵特征值位于左半复平面条件，如式(17)~(19)，且外部输入信号可通过选定的参考模型计算所得。

(16)

。

(17)

(18)

(19)

选择合适的系统参数进行仿真，即取系统参数估计初值为：，多模型自适应策略中的设计参数被选为：。对多质点模型的高速列车，用自适应控制器跟踪其理想速度，得到仿真结果，如图4-7所示，分别为高速列车速度跟踪曲线、速度跟踪误差、高速列车位移跟踪曲线、位移跟踪误差。

如图4、5所示，速度跟踪误差在高速列车启动时最大为1.6km/h，但仍满足高速列车运行允许误差范围，即：高速列车在30km/h以下速度误差为±2km/h，30km/h以上的不超过运行速度的20%，经过短时间参数调节控制，高速列车速度误差减少，误差曲线的范围：-0.4~0.6km/h，整个高速列车控制过程均满足高速列车在一定速度下的误差要求。

如图6、7所示，在牵引工况下t=25s时，车辆与预定位移误差最大为，在制动工况下t=3000s时，车辆与预定位移相差之内。以上仿真结果说明本文针对高速列车的非线性及不确定参数问题，所设计的基于多质点模型自适应控制策略达到预期性能，验证了良好的跟踪效果。

然而，高速列车在运行过程中，高速列车牵引单元的最大输出为500kn，制动单元的最大输出为500kn，车间最大耦合力为1000kn，高速列车牵引力/制动力变化量最大允许值为。所以在本发明中考虑控制力的变化，如图8所示，高速列车在工况变化及系统参数更新时，控制力最值均满足要求，且变化较为平缓，超调作用小

图9为本发明所提供的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制系统结构示意图，如图9所示，本发明所提供的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制系统，包括：

实际状态量确定模块901，用于利用高速列车的多质点模型确定所述高速列车的实际状态量；所述实际状态量包括实际运行速度和实际位移；所述多质点模型用于输出实际状态量。

目标状态量确定模块902，用于利用所述高速列车的参考模型确定所述高速列车的目标状态量；所述目标状态量包括：目标运行速度和目标位移；所述参考模型用于输出目标状态量。

跟踪误差确定模块903，用于根据所述实际状态量和所述目标状态量确定跟踪误差。

自适应率确定模块904，用于根据所述跟踪误差确定自适应率。

自适应控制器确定模块905，用于根据所述自适应率确定自适应控制器。

高速列车控制模块906，用于根据所述自适应控制器控制所述高速列车。

所述实际状态量确定模块901具体包括：

多质点模型构建单元，用于利用公式构建高速列车的多质点模型；

状态空间描述单元，用于利用公式将所述多质点模型转换为所述多质点模型的状态空间描述；

参数化单元，用于利用公式和对所述多质点模型的状态空间描述进行参数化；

其中，为第节车厢的控制输入信号，即牵引力或制动力，为运行阻力，为车间作用力，为高速列车车厢质量，为实际运行速度，为实际位移，为车钩系统的弹性系数，为车钩系统的阻尼系数，、分别为第节、第 1节车厢的实时运行速度，、分别为第节、第 1节车厢的实时位移，、和为第节车厢的基本阻力的系数，为所述高速列车的中间车厢的编号，为所述高速列车所有车厢的编号，；，为所述高速列车的阻力的非线性部分，，为高速列车的系统参数矩阵，为所述高速列车的状态量变量，为所述高速列车的控制输入信号，，为常值矩阵，为常值矩阵，为的转置。

所述目标状态量确定模块902具体包括：

目标运行速度曲线确定单元，用于根据atp限速及所述高速列车的运行路段确定目标运行速度曲线。

参考模型确定单元，用于利用公式确定所述参考模型；

其中，为所述高速列车的目标运行速度和目标位移，为有界的外部参考输入信号。

所述自适应控制器确定模块905具体包括：

标称控制器获取单元，用于获取标称控制器。

自适应控制器确定单元，用于根据所述标称控制器确定自适应控制器。

自适应控制器更新单元，用于利用所述自适应率更新所述自适应控制器。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法，其特征在于，包括：

利用高速列车的多质点模型确定所述高速列车的实际状态量；所述实际状态量包括实际运行速度和实际位移；所述多质点模型用于输出实际状态量；

利用所述高速列车的参考模型确定所述高速列车的目标状态量；所述目标状态量包括：目标运行速度和目标位移；所述参考模型用于输出目标状态量；

根据所述实际状态量和所述目标状态量确定跟踪误差；

根据所述跟踪误差确定自适应率；

根据所述自适应率确定自适应控制器；

根据所述自适应控制器控制所述高速列车。

2.根据权利要求1所述的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法，其特征在于，所述利用高速列车的多质点模型确定所述高速列车的实际状态量，具体包括：

利用公式构建高速列车的多质点模型；

利用公式将所述多质点模型转换为所述多质点模型的状态空间描述；

利用公式和对所述多质点模型的状态空间描述进行参数化；

其中，为第节车厢的控制输入信号，即牵引力或制动力，为运行阻力，为车间作用力，为高速列车车厢质量，为实际运行速度，为实际位移，为车钩系统的弹性系数，为车钩系统的阻尼系数，、分别为第节、第 1节车厢的实时运行速度，、分别为第节、第 1节车厢的实时位移，、和为第节车厢的基本阻力的系数，为所述高速列车的中间车厢的编号，为所述高速列车所有车厢的编号，；，为所述高速列车的阻力的非线性部分，，为高速列车的系统参数矩阵，为所述高速列车的状态量变量，为所述高速列车的控制输入信号，，为常值矩阵，为常值矩阵，为的转置。

3.根据权利要求2所述的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法，其特征在于，所述利用所述高速列车的参考模型确定所述高速列车的目标状态量，具体包括：

根据atp限速及所述高速列车的运行路段确定目标运行速度曲线；

利用公式确定所述参考模型；

其中，为所述高速列车的目标运行速度和目标位移，为有界的外部参考输入信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法，其特征在于，所述根据所述自适应率确定自适应控制器，具体包括：

获取标称控制器；

根据所述标称控制器确定自适应控制器；

利用所述自适应率更新所述自适应控制器。

5.一种基于多质点模型的高速列车自适应控制系统，其特征在于，包括：

实际状态量确定模块，用于利用高速列车的多质点模型确定所述高速列车的实际状态量；所述实际状态量包括实际运行速度和实际位移；所述多质点模型用于输出实际状态量；

目标状态量确定模块，用于利用所述高速列车的参考模型确定所述高速列车的目标状态量；所述目标状态量包括：目标运行速度和目标位移；所述参考模型用于输出目标状态量；

跟踪误差确定模块，用于根据所述实际状态量和所述目标状态量确定跟踪误差；

自适应率确定模块，用于根据所述跟踪误差确定自适应率；

自适应控制器确定模块，用于根据所述自适应率确定自适应控制器；

高速列车控制模块，用于根据所述自适应控制器控制所述高速列车。

6.根据权利要求5所述的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制系统，其特征在于，所述实际状态量确定模块具体包括：

多质点模型构建单元，用于利用公式构建高速列车的多质点模型；

状态空间描述单元，用于利用公式将所述多质点模型转换为所述多质点模型的状态空间描述；

参数化单元，用于利用公式和对所述多质点模型的状态空间描述进行参数化；

其中，为第节车厢的控制输入信号，即牵引力或制动力，为运行阻力，为车间作用力，为高速列车车厢质量，为实际运行速度，为实际位移，为车钩系统的弹性系数，为车钩系统的阻尼系数，、分别为第节、第 1节车厢的实时运行速度，、分别为第节、第 1节车厢的实时位移，、和为第节车厢的基本阻力的系数，为所述高速列车的中间车厢的编号，为所述高速列车所有车厢的编号，；，为所述高速列车的阻力的非线性部分，，为高速列车的系统参数矩阵，为所述高速列车的状态量变量，为所述高速列车的控制输入信号，，为常值矩阵，为常值矩阵，为的转置。

7.根据权利要求6所述的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制系统，其特征在于，所述目标状态量确定模块具体包括：

目标运行速度曲线确定单元，用于根据atp限速及所述高速列车的运行路段确定目标运行速度曲线；

参考模型确定单元，用于利用公式确定所述参考模型；

其中，为所述高速列车的目标运行速度和目标位移，为有界的外部参考输入信号。

8.根据权利要求5所述的一种基于多质点模型的高速列车自适应控制系统，其特征在于，所述自适应控制器确定模块具体包括：

标称控制器获取单元，用于获取标称控制器；

自适应控制器确定单元，用于根据所述标称控制器确定自适应控制器；

自适应控制器更新单元，用于利用所述自适应率更新所述自适应控制器。

技术总结
本发明涉及一种基于多质点模型的高速列车自适应控制方法及系统。该方法包括利用高速列车的多质点模型确定所述高速列车的实际状态量；利用所述高速列车的参考模型确定所述高速列车的目标状态量；根据所述实际状态量和所述目标状态量确定跟踪误差；根据所述跟踪误差确定自适应率；根据所述自适应率确定自适应控制器；根据所述自适应控制器控制所述高速列车。本发明实现了高速列车的高精度跟踪控制。

技术研发人员：谭畅;丁盼;杨辉;李中奇;付雅婷;陆荣秀;杨洛郡
受保护的技术使用者：华东交通大学
技术研发日：2021.01.12
技术公布日：2021.03.12