模糊預測算法在列車自動運行系統(tǒng)中的應用

王文美

【摘要】首先介紹了列車自動運行系統(tǒng)的功能，其次介紹了模糊預測算法的結構和功能，最后對模糊預測控制在列車自動運行系統(tǒng)中的應用深入研究并進行仿真驗證。通過對比PID控制器，表明列車控制系統(tǒng)中采用模糊預測控制器在列車安全性、舒適性、抗干擾等方面有明顯的提高。

【關鍵詞】預測控制模糊控制ATO仿真

我國正面臨著工業(yè)快速發(fā)展的黃金時期，大量人口涌向城市。我國城市軌道交通的迅速發(fā)展為城市的客流量緩解了巨大的壓力。目前國內的城市軌道交通在行車密度、行車速度、路網建設上都存在著問題，列車控制系統(tǒng)的自動化程度不高是這些問題的主要原因。對于城市軌道交通系統(tǒng)的高密度、高效率來講，ATO系統(tǒng)是必不可少的。然而我國的列車自動運行系統(tǒng)主要依靠國外引進，造成了大量資金的消耗，始終受制于人。當前在城市軌道交通的大規(guī)模建設時期，需要發(fā)展具有自主知識產權的列車自動運行系統(tǒng)，這樣才能夠支持國家城市軌道的快速發(fā)展。

本文主要研究模糊預測控制算法在列車自動運行系統(tǒng)中的應用，將模糊控制和預測控制相結合并應用于ATO系統(tǒng)中，為我國早日實現列車自動運行系統(tǒng)國產化起到一定的探索性作用。

一、列車自動運行系統(tǒng)的功能

列車自動運行系統(tǒng)的主要功能就是通過閉環(huán)控制原理對列車速度進行調整，保證列車間的設計間隔和旅行速度，以滿足追蹤間隔最小、精確停車的效果。基于閉環(huán)控制的列車自動運行原理如圖1所示。雷達通過ATP設備將列車的實際位置傳送給ATO，再經過一系列固定應答器發(fā)送同步信息給列車，以提高列車位置測量的精度。同時，測速電機輸出脈沖數據，一定時間內車輪旋轉的距離與脈沖的數量成正比，將這些脈沖信號換算成直線距離，并利用車輪的直徑數值計算出列車走行的距離。通過計算單位時間內測速電機發(fā)送脈沖的數量可算出列車的速度。

二、模糊預測算法的結構和功能

模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器。一個模糊系統(tǒng)的優(yōu)劣主要取決于模糊控制器的結構、模糊規(guī)則、合成推理算法以及模糊判決等因素。模糊控制器的結構主要包括模糊化接口、推理機、數據庫、規(guī)則庫、解模糊化接口等5部分組成，如圖2所示。

預測控制是20世紀70年代發(fā)展起來的一種基于模型控制的算法，該算法具有預測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正等特點。預測控制的原理如圖3所示。

其中，ys代表參考軌跡的設定值，yr（k）代表未來時刻期望輸出值。k=0表示當前的采樣時刻。0時刻左邊為過去的控制量和輸出量。ym（k）（k=1，2，…，P）代表未來時刻的預測輸出值。預測算法就是通過比較期望輸出yr（k）與預測輸出ym（k）之間的誤差e（k），來計算未來時刻的控制量u（k）（k=1，2，…，P），使誤差e（k）盡可能達到最小。這里的P稱為預測步數，L為控制步數。

通過圖3可以看出，預測控制是根據被控對象的歷史測量信息和未來輸入，預測對象的未來輸出。每到一個新

性的影響，如圖7和圖8所示。

通過圖7和圖8可以看出，根據加速度大于1.4m/s2作為乘客感到不舒適的標準，顯然PID控制的加速度大于1.4m/s2的運行時間比模糊預測控制要長。說明模糊預測控制在列車的啟動和制動過程中對乘客的舒適性要高于PID控制。

由于列車的啟動和制動過程時間比較短，一般并不是舒適性考慮最重要的因素。列車在勻速階段運行時，速度波動并不大，一般都能滿足乘客的舒適性。所以應該重點考慮外界存在干擾的情況下，兩種算法對乘客舒適性的影響。例如假設列車運行到100s的時候遇到了上坡道，列車會產生一個更大的輸出牽引電流以便提供更大的牽引力克服坡度的阻力，分別采用兩種控制器對列車的速度進行仿真，如圖9和圖10所示。

當列車采用模糊預測控制時，運行到100s遇到上坡道，此時速度幾乎沒有什么波動。但是當列車采用PID控制時，列車的速度顯示了小幅波動，

說明采用模糊預測控制算法對乘客的安全性和舒適性都有很好的控制效果。

六、結束語

本章通過PID控制器和模糊預測控制器分別對列車的速度進行控制仿真，在仿真中兩者設置相同的目標速度、干擾因素等進行對比研究。仿真結果表明：采用模糊預測控制器在列車運行控制系統(tǒng)中有較好的安全性、舒適性、抗干擾性等性能指標，同時也指出了PID控制器的不足及原因。

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