城市軌道交通基于模糊控制的ATO算法研究

高 玉,陳艷華

（西安鐵路職業技術學院電子信息系,陜西西安,710014）

0 引言

城市軌道交通具有運量大，以及安全、快捷、節能、舒適等優勢。對于改善城市交通結構，緩解城市地面交通擁堵具有重要的作用。列車自動駕駛(ATO)系統是城市軌道交通列車自動控制系統（ATC）的重要組成部分，可通過車—地數據傳輸通道接收ATS系統的控制命令和聯鎖系統的移動授權命令，并結合列車自動防護(ATP)系統提供的目標速度、列車速度、前方列車位置、線路數據和車輛參數等指標，合理計算啟動、加速、巡航、制動停站等過程的列車運行優化速度曲線，并向列車發送牽引和制動命令，實現列車啟動、調速、車站精確停車等過程的自動控制，提高列車運行效率、提高列車運行的舒適度，節省能源。同時ATO系統通過接收列車自動監督(ATS)系統的控制命令,根據按計劃運行圖實現列車自動追蹤、自動調整的控制。

1 ATO系統主要功能

ATO系統車載設備主要由控制計算機、司機駕駛顯示器HMI、測速裝置、列車定位設備組成。

列車具有四種駕駛模式，即自動駕駛模式（AM）、ATP速度監督下的人工駕駛模式（SM）、限制速度模式（RM），自動折返模式(AR)。ATO系統對列車的控制可分為：列車自動啟動、速度調整、巡航和惰行、精確停車等過程：

1）列車啟動控制：在列車ATO駕駛模式條件滿足時，司機按壓ATO啟動按鈕，ATO向牽引系統輸出牽引命令，啟動列車運行，使列車在最短時間內按規定加速度率加速到目標速度。

2）列車速度控制和調整。ATO并根據準點、節能、舒適等優化指標要求，結合列車自動防護(ATP)系統提供的目標速度、列車速度、前方列車位置、線路數據、車輛參數和ATS列車運行計劃等條件，計算列車運行速度曲線，及時調整列車速度，實現列車速度自動控制和調整。

3）列車巡航和惰行控制。ATO根據列車當前運行速度和列車運行速度曲線，控制列車惰行巡航運行，實現列車節能運行。

4）車站精確停車控制。ATO根據列車當前位置和速度、列車制動曲線，控制列車的制動率，保證列車準確地停在車站停車窗口內。

2 ATO 的算法

列車安全、準時、可靠運行是城市軌道交通運營的關鍵。AT0系統主要作用是自動調整列車速度，使列車平穩、準確地?？吭谡九_預定位置。ATO系統的核心是列車運行速度控制算法，其方法對ATO的控制效果起關鍵作用，只有高效的控制方法才能保證準時、舒適、節能、精確停車等各項指標的實現。在ATC發展過程中，多種ATO傳統控制方法，如PID控制、自適應控制等算法得到廣泛應用，并取得了一定的成果。近年來隨著模糊控制、神經網絡、專家系統等智能控制技術的進一步發展，國內外許多公司和研究機構將智能技術應用于ATC系統中，取得了令人滿意的效果。以下主要介紹PID控制算法和模糊控制算法。

2.1 基于PID控制的ATO算法

基于PID控制的ATO算法是一種典型的、傳統的列車控制算法。具有結構簡單，易于實現和魯棒性好等特點。PID控制器為負反饋閉環控制器，它以經驗公式為基礎，采用比例控制器-P、微分控制器-D、積分控制器-I來抑制列車運行過程中各種擾動因素導致的列車速度控制偏差。一旦列車當前運行速度偏離了目標速度曲線,PID控制器即向牽引系統輸出用于減少速度偏差的牽引和制動量，實現列車速度的自動調節。其中比例控制器根據速度的偏差的積分的結果輸出控制量,積分器可消除速度的穩態誤差,提高列車的控制精度；微分器根據速度的偏差的微分的結果可有效預見速度偏差的變化趨勢，提高列車的控制效率。

由于列車運行過程中各種條件，如列車阻力、列車質量是一個非線性的和時變的，因此經驗公式所確定的列車參數和列車運行條件等控制參數與實際有偏差,且缺乏自適應性,因此，列車速度控制效率和精度的受到了影響,另外由于牽引和制動的切換頻繁,從而影響了列車運行的舒適性，增加了能耗。

2.2 基于模糊控制的ATO算法

近年來模糊控制、神經網絡和遺傳算法等智能控制方法發展較快。智能控制方法可以解決非線性、多變量等復雜的控制對象。為了客服基于PID控制的ATO算法,采用智能控制理論對PID算法進行優化,下面主要介紹城市軌道交通基于模糊控制的ATO算法。

模糊控制應用模糊集合理論實現控制的一種方法，也是一種非線性控制模糊控制。模糊控制系統的主要組成部分是模糊控制器,模糊控制器由模糊化、知識庫、模糊推理和去模糊化四部分組成。模糊控制系統以被控對象的反饋值與目標值的誤差e和誤差改變量ec作為模糊控制器的輸入,e和ec經過模糊化處理后得到輸入模糊子集E和EC,U為模糊控制器的輸出模糊子集。知識庫由數據庫和模糊控制規則庫組成。數據庫主要包含輸入輸出的尺度變換因子、輸入輸出空間的模糊分割,根據知識庫可以確定各個模糊子集的隸屬函數。規則庫定義了基于以上模糊子集的語言規則,是進行模糊推理的基礎。模糊推理是根據模糊控制規則庫和當前的輸入狀態進行的邏輯推理運算。

模糊控制算法可以概括為以下四個步驟:

（l)根據本次采樣得到的系統輸出值,計算所選擇的系統的輸入變量；

（2)將輸入變量的精確值變為模糊量；

（3)根據輸入變量(模糊量)及模糊控制規則,按模糊推理合成規則計算控制量(模糊量)；

（4)由上述得到的控制量計算(模糊量)精確地控制量。

假設模糊控制規則具有兩個前提條件,一般可表示為:

（l)前提1(規則庫)

按照Mamdan i模型和采用Max-Min算子時:

從而得出:

圖1為基于模糊控制的ATO系統。該控制系統采用兩輸入單輸出的模糊控制器，如圖2所示。

圖1 基于模糊控制的ATO算法

圖2 模糊控制器框圖

當前的列車運行速度與運行速度曲線偏差分為兩路，一路乘以 Ke，另一路經過微分后乘以 Kec，這兩路信號同時作為模糊控制器的輸入，模糊控制器的輸出為加速度指令，下一控車周期的列車速度通過 Ke 參數作為控制器的反饋量,因此ATO 控制模型為一個有效的負反饋閉環系統，保證在預期的速度偏離列車目標速度曲線時得到調整，速度差值不斷縮小，并達到目標速度，保證列車平穩運行，

3 結語

列車自動速度控制算法是ATO子系統的關鍵技術,ATO的算法對列車安全和高效運行具有重大的影響?；谀：刂频腁TO算法可使列車運行更加準時、舒適和節能。

[1]黃磊，唐濤.灰色控制在城軌列車自動駕駛系統的應用研究[J].中國科技信息，2008年第2期:79-80.

[2]唐濤,黃良驥 列車自動駕駛系統控制算法綜述[J].鐵道學報，2003,25(2):98-102.

[3]康太平 基于模糊預測控制的列車自動駕駛系統研究[D].西南交通大學2006年3月.

[4]姚理 基于智能控制算法的列車自動駕駛系統的優化研究[D].北京交通大學2009年6月.

[5]陳榮武，劉莉,諸昌鈐 基于CBTC的列車自動駕駛控制算法[J].計算機應用2007，27(11)：2049-2051.

[6]江坤.國產化城軌交通列車自動駕駛系統車載設備研究與設計[J].鐵路通信信號工程技術，2009年6(1)：11-13.