CN108583555A

CN108583555A - 基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法及系统

Info

Publication number: CN108583555A
Application number: CN201810502198.1A
Authority: CN
Inventors: 何静; 殷晓飞; 张昌凡; 刘建华; 赵凯辉; 刘树灿
Original assignee: Hunan University of Technology
Current assignee: Hunan University of Technology
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2018-09-28

Abstract

本发明属于控制系统或其部件的检验或监视技术领域，公开了一种基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法及系统，包括平衡状态控制输入单元、分布式协同控制器；平衡状态控制输入单元的输出端及分布式协同控制器的输出端之和与DSP控制单元的输入端连接；平衡状态控制输入单元，包括微分器、控制输入计算单元来实现平衡状态的控制输入计算；分布式协同控制器，包括位移牵制控制单元、速度牵制控制单元、速度同步误差控制器实现位移、速度的一致性跟踪控制得到相应的控制输入；本发明相邻两节车厢的位移差处于安全距离内并趋于稳定。且具有结构简单、对执行器具有可实现性，进一步提高了整个系统的可靠性和稳定性。

Description

基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法及系统

技术领域

本发明属于控制系统或其部件的检验或监视技术领域，尤其涉及一种基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法及系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：高速列车作为复杂的机电系统，列车在制动过程中面临诸多难题。安全、舒适、平稳、精准的制动要求成为一致性协同控制应用在高速列车领域的必然因素。高速列车在制动过程中，各节车厢跟随参考模型或运动状态并达到协调同步。因而，列车的制动控制问题转化为一致性协同控制问题。具体地，主要体现在两个方面：(1)各节车厢的位移和速度达到协同、一致；(2)相邻两节车厢的位移差保持在安全范围内并趋于稳定。然而，现有的一致性控制策略并不能较好达到预期的制动控制效果。突出表现在：针对问题(1)通常采用牵制控制使得整个系统达到同步或一致，该控制方法成本较高；针对问题(2)通过构造人工势场函数实现相邻两节车厢的位移差保持在安全范围内，然而该方法在趋近于临界值时趋于无穷大，对于执行器来讲难以实现。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)通常采用牵制控制使得整个系统达到同步或一致，该控制方法成本较高。

(2)通过构造人工势场函数实现相邻两节车厢的位移差保持在安全范围内，然而该方法在趋近于临界值时趋于无穷大，对于执行器来讲难以实现。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法及系统。

本发明是这样实现的，一种基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法，所述基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法包括：

步骤一，在车控模式下各节车厢即可视为具有实际决策能力的智能体，将各节车厢是为单质点模型，则多智能体系统用节点i表示第i个智能体，其运动学方程：

式中：x_i和v_i分别为节点i的位移和速度；m_i为节点i的质量；表示通过弹性构件联接的相邻车厢的车间力；车间力是关于相对位移的线性函数，l为弹性构件的自由长度则可表示为其中k＞0为弹性系数；f_di＝m_iω₀为列车制动时所受到的阻力，其中ω₀＝c₀+c₁v+c₂v²为单位基本阻力，主要包括摩擦阻力和空气阻力，c₀，c₁，c₂是与列车车型有关的常数；

步骤二，选取第一节车厢为参考点，由运动方程得到系统偏差方程：

式中，a_ij为邻接矩阵A＝[a_ij]_n×n的元素，表示节点i和节点j间的耦合强度；对于矩阵A为拓扑图G中节点对构成的边的集合表征各智能体之间的邻接关系，描述多智能体之间信息交互拓扑结构；

步骤三，设计一致性偏差跟踪控制律为：

式中，d_di表示第i节车厢的位移信息与期望位移间的信息交换，d_vi表示第i节车厢的速度信息与期望速度间的信息交换，δ_i表示待设计的控制参数；为确保列车的位移和速度能跟踪期望的运动状态，当节点i通过位移反馈控制被牵制时d_di＞0，否则d_di＝0；同样地，当节点i通过速度反馈控制被牵制时d_vi＞0，否则d_vi＝0；

步骤四，对于控制输入为：

进一步，所述步骤二的具体过程为：

(1)列车在制动时，假设各节车厢间的弹性构件处于自然状态，即相邻两节车厢的车间距x_(i,i+1)＝l,i＝1,2,...n，则当系统达到平衡状态时对于第i节车厢的位置为：

其中，x_r为期望的位移；

(2)运动方程改写为：

(3)若系统达到平衡状态时各节车厢期望跟踪位移速度为且各节车厢的减速度为相邻两节车厢i和i+1间的车间距即为l，即：其中为平衡状态时的位置；此时系统的控制输入：

(4)将方程在平衡点处泰勒公式展开，则可得线性化的系统方程有：

(5)定义偏差

进一步，所述步骤三的具体过程为：

(1)系统控制输入其中为确定项，为待设计项；

(2)对偏差方程变形：

本发明的另一目的在于提供一种所述基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法的基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制系统，所述基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制系统包括：平衡状态控制输入单元、分布式协同控制器；平衡状态控制输入单元的输出端及分布式协同控制器的输出端之和与DSP控制单元的输入端连接；所述平衡状态控制输入单元，包括微分器、控制输入计算单元来实现平衡状态的控制输入计算；分布式协同控制器，包括位移牵制控制单元、速度牵制控制单元、速度同步误差控制器实现位移、速度的一致性跟踪控制得到相应的控制输入。

进一步，所述平衡状态控制输入单元i，根据期望的速度、位移给定单元输出的期望速度v_r获取平衡状态时第i节车厢的控制输入

分布式协同控制器i，根据期望的速度、位移给定单元输出的期望速度v_r及期望位移x_r、车速、位移信号采集单元测得的位移x_i、相邻两节车厢车速、位移信号采集单元测得的速度v_i-1和v_i+1，获取一致性偏差控制输入

进一步，所述平衡状态控制输入单元，包括微分器、控制输入计算单元来实现平衡状态的控制输入计算；分布式协同控制器，包括位移牵制控制单元、速度牵制控制单元、速度同步误差控制器实现位移、速度的一致性跟踪控制得到相应的控制输入。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：与现有技术相比，本发明能在复杂环境下实现高速列车各节车厢的位移和速度达到同步或一致，相邻两节车厢的位移差处于安全距离内并趋于稳定。且分布式协同控制器具有结构简单、对执行器具有可实现性，进一步提高了整个系统的可靠性和稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法实现流程图。

图3是本发明实施例提供的基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制系统的控制输入模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明能够特别适应复杂环境下实现高速列车各节车厢的位移和速度达到同步或一致，相邻两节车厢的位移差处于安全距离内并趋于稳定。

如图1所示，本发明实施例提供的基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法包括以下步骤：

S101：各节车厢是为单质点模型，则多智能体系统用节点表示车厢，得到运动学方程；

S102：选取第一节车厢为参考点，得到系统偏差方程；

S103：确定一致性偏差跟踪控制律；得到控制输入的方程。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法包括以下步骤：

步骤1，考虑一列包含n节车厢的构成的高速列车系统，在车控模式下各节车厢即可视为具有实际决策能力的智能体。将各节车厢是为单质点模型，则多智能体系统用节点i表示第i个智能体(车厢)，其运动学方程：

式中：x_i和v_i分别为节点i的位移和速度；m_i为节点i的质量；表示通过弹性构件联接的相邻车厢的车间力。假设车间力是关于相对位移的线性函数，l为弹性构件的自由长度则可表示为其中k＞0为弹性系数；f_di＝m_iω₀为列车制动时所受到的阻力，其中ω₀＝c₀+c₁v+c₂v²为单位基本阻力，主要包括摩擦阻力和空气阻力，c₀，c₁，c₂是与列车车型有关的常数。

步骤2，选取第一节车厢为参考点，由步骤1的运动方程得到系统偏差方程：

式中，式中，a_ij为邻接矩阵A＝[a_ij]_n×n的元素，表示节点i和节点j间的耦合强度。对于矩阵A为拓扑图G中节点对构成的边的集合表征各智能体之间的邻接关系，描述多智能体之间信息交互拓扑结构。

步骤3，设计一致性偏差跟踪控制律为：

式中，d_di表示第i节车厢的位移信息与期望位移间的信息交换，d_vi表示第i节车厢的速度信息与期望速度间的信息交换，δ_i表示待设计的控制参数。为确保列车的位移和速度能跟踪期望的运动状态，当节点i通过位移反馈控制被牵制时d_di＞0，否则d_di＝0；同样地，当节点i通过速度反馈控制被牵制时d_vi＞0，否则d_vi＝0。

步骤4，对于步骤1系统的控制输入为：

步骤2的具体过程为：

步骤2.1，列车在制动时，假设各节车厢间的弹性构件处于自然状态，即相邻两节车厢的车间距x_(i,i+1)＝l,i＝1,2,...n，则当系统达到平衡状态时对于第i节车厢的位置为：

其中，x_r为期望的位移。

步骤2.2，对步骤1的运动方程改写为：

步骤2.3，若系统达到平衡状态时各节车厢期望跟踪位移速度为且各节车厢的减速度为相邻两节车厢i和i+1间的车间距即为l，即：其中为平衡状态时的位置。此时系统的控制输入：

步骤2.4，将步骤2.2的方程在平衡点处泰勒公式展开，则可得线性化的系统方程有：

步骤2.5，定义偏差

进一步的，步骤3的具体过程为：

步骤3.1，系统控制控制输入其中为确定项，为待设计项。

步骤3.2，对步骤2的偏差方程变形：

图3为根据本发明的高速列车制动控制系统控制输入模块的结构示意图，系统控制输入模块6包括：平衡状态控制输入单元61、分布式协同控制器62；平衡状态控制输入单元61的输出端及分布式协同控制器62的输出端之和与DSP控制单元7的输入端连接。

所述平衡状态控制输入单元61，包括微分器、控制输入计算单元来实现平衡状态的控制输入计算。

所述分布式协同控制器，包括位移牵制控制单元、速度牵制控制单元、速度同步误差控制器实现位移、速度的一致性跟踪控制得到相应的控制输入。

图2可知，系统控制输入6的具体实现步骤如下：

1、首先将期望的速度、位移给定单元1输入的期望速度v_r和期望的位移x_r输入到系统控制输入模块6中，得到DSP控制单元7的控制输入u_i；

2、DSP控制单元6根据获取的控制输入u_i控制基础制动装置4动作，经由车速、位移信号采集单元5获得当前状态下的车速v_i及位移x_i；

3、将获取的车速v_i及位移x_i信息反馈到系统控制输入模块6中，得到下一时刻的控制输入形成完整的高速列车分布式协同制动控制系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法，其特征在于，所述基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法包括：

步骤三，设计一致性偏差跟踪控制律为：

步骤四，对于控制输入为：

2.如权利要求1所述的基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：

其中，x_r为期望的位移；

(2)运动方程改写为：

(5)定义偏差

3.如权利要求1所述的基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：

(1)系统控制输入其中为确定项，为待设计项；

(2)对偏差方程变形：

4.一种如权利要求1所述基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制方法的基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制系统，其特征在于，所述基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制系统包括：平衡状态控制输入单元、分布式协同控制器；平衡状态控制输入单元的输出端及分布式协同控制器的输出端之和与DSP控制单元的输入端连接；所述平衡状态控制输入单元，包括微分器、控制输入计算单元来实现平衡状态的控制输入计算；分布式协同控制器，包括位移牵制控制单元、速度牵制控制单元、速度同步误差控制器实现位移、速度的一致性跟踪控制得到相应的控制输入。

5.如权利要求4所述的的基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制系统，其特征在于，所述平衡状态控制输入单元i，根据期望的速度、位移给定单元输出的期望速度v_r获取平衡状态时第i节车厢的控制输入

6.如权利要求4所述的的基于一致性理论高速列车分布式协同制动控制系统，其特征在于，所述平衡状态控制输入单元，包括微分器、控制输入计算单元来实现平衡状态的控制输入计算；分布式协同控制器，包括位移牵制控制单元、速度牵制控制单元、速度同步误差控制器实现位移、速度的一致性跟踪控制得到相应的控制输入。