分布式動力高速動車組速度跟蹤控制方法研究

張芳 李志平

【摘要】列車運行速度越來越高，導致列車運營狀態受周邊環境的影響程度也越來越突出。為了使高速列車根據環境變化來實時改變運行狀態，使其能夠更高精度地跟蹤給定運行曲線、滿足安全正點的要求，就需要根據高速列車實際運行狀況采用控制方法對其運行過程進行優化。首先以其實際運行過程的數據為樣本，采用數據驅動的方法建立其控制模型;然后根據實際運行數據采用預測控制方法進行參數優化控制，使其運行過程更符合目標速度曲線，根據仿真結果進行分析此優化控制方法的有效性。

【關鍵詞】高速列車;數據驅動：控制模型;預測控制;優化控制

隨著國家人口的不斷增多、經濟的不斷提升，交通堵塞和人們出行要求所帶來的問題也越來越多。相對于水路、航運和公路，鐵路具有全天候運行、受天氣影響小、能耗低、污染小、運輸量大等優勢，鐵路得到了快速的發展。而高速列車的運行速度相比較普通中、低速列車的運行速度要高很多;乘客的乘坐環境和舒適性也改善很多;列車的安全準點性也提高了很多。因此，為了解決交通擁擠和滿足提速問題，高速鐵路的快速發展已成為不可逆轉的趨勢。由于高速列車的運行速度高，自然環境及運行過程中不可預估的因素對其運行狀態有很大的影響。為了適應高速列車復雜而多變的動態運行過程，使它能夠高精度地跟蹤事先設定的運行軌跡，提高乘客舒適性和降低列車能量消耗，我們不但需要建立精確有效的控制模型，還需要設計高效、可靠和精準的速度跟蹤控制算法。

列車自動駕駛技術可以提高列車控制水平，解決由于人工操作所帶的一些問題。因此，為了避免列車駕駛員由于非正常的手動駕駛操作所帶來的一些問題，高速列車自動駕駛已成為中外學者的研究熱點。為了實現高速列車自動駕駛技術和更高精度速度跟蹤控制，學者們采用了很多控制算法應用在高速列車上，但由于高速列車運行的復雜性，致使這些控制算法的精度不是很高。近年來，廣義預測控制算法在工業界和控制理論界得到廣泛的應用，并使控制結果得到改善。因此，為了提高跟蹤精度，本文在文獻中建立的高速列車分布式控制模型的基礎上，采用廣義預測控制方法作為其控制策略。

一、高速列車運行過程的分析

為了獲得更高的運營速度，高速列車需要減輕軸重、增加動力、減少空氣阻力等，因此我國采用的是流線型的動力分散式的動車組，各車廂間的相互作用力對列車的平穩性和跟蹤性能有很大的影響。但是很多學者根據高速列車的運行過程建立控制模型時，忽略他們之間的作用力，他們只是將體積巨大的高速動車組看成一個整體，當作一個點對其進行受力分析，建立一個動力學模型，并且忽略前后牽引控制單元間相互作用力的影響，這將對高速動車組跟蹤控制的效果有一定的影響，使跟蹤精度不高，也不符合高速動車組的編組結構特性。隨著速度不斷提高，空氣阻力隨著速度的平方成正比，使高速列車的非線性的影響越來越突顯，因此考慮車廂問的相互作用力和非線性是建立高速列車精確的控制模型不可忽視的因素。以列車運行縱向動力學模型為基礎，根據列車運行的實際數據，采用數據驅動的方法辨識得到控制模型，本文提出了一種基于動車組分布模型的速度跟蹤預測控制方法。

二、高速列車速度跟蹤控制及驗證

隨著社會的不斷進步，高速列車具有速度快和安全性高等特點，使其成為人們出行的首要選擇，使用程度也越來越普及。為了解決高速動車組運行過程中的不確定性問題，基于模型優化的傳統控制方法已難以處理高速動車組運行過程中的優化控制問題，同時也不能滿足我國鐵路高速、重載和高密度的發展要求。所以要克服傳統控制方法的缺點，就要尋求一種新的列車運行控制方法，由于控制對象的結構越來越復雜，而且需要控制的目標越來越多，傳統控制理論缺乏靈活性和應變能力，因而很難處理工業系統中的復雜控制性問題。智能控制可以很好地適應不斷變化的外部運行環境，已在很多領域都成功地得到了應用。近幾年，針對高速列車速度跟蹤控制的研究越來越多，模型預測控制算法作為一種非線性的過程控制方法，得到了廣泛的應用。

模型預測、滾動優化以及反饋校正是預測控制方法的三大重要原理。與傳統的控制算法相比較，預測控制的優勢是其基本思想是先預測后控制，以預測模型為基石，同時其控制操作有較強的預見性。在控制模型的基礎之上，預測控制方法根據反饋校正和在線滾動優化的性能指標函數等控制策略，從而消除被控系統的結構、建模誤差、外界環境以及系統參數等不確定因素對被控系統的影響。

基于以上優點進行分析，本文采用預測控制方法來優化動車組運行曲線，使其更精確的跟蹤給定的運性軌跡。在每個采樣時刻，建立控制模型設計預測控制器，優化調節其每個動力單元所施加的牽引力或制動力，使動車組的實際運行過程更高精度的跟蹤目標速度曲線，使動車組準點性、安全性、停車精準性和舒適性等評價指標都得到更高程度的保障。動車組模型預測控制器設計的具體過程參照文獻。

為了驗證本文采用預測控制方法所設計的控制器的有效性，以某一型號高速列車為研究對象，此列車由三個動力單元組成。以實際線路的運行數據為研究依據，所建立的控制模型也是依據實際運行數據采用數據驅動的方法建立的，模型的有效性已在文獻中得到驗證，本文在此基礎上采用預測控制方法對其實際輸出進行優化控制，使其實際速度曲線能更好地跟蹤目標速度曲線。圖1為動車組各動力單元跟蹤給定速度曲線的對比曲線。yI是動車組在此區間的目標速度曲線，y1、y2、y3是各動力單元優化后的速度曲線。

從圖1可以看出，采用本文方法得到的里程和速度曲線不僅在高速列車牽引、制動等工況下具有良好的跟蹤能力，在高速列車運行的整個過程都有較好的跟蹤效果，并能較高精度滿足動車組運行控制要求，速度跟蹤誤差也在要求范圍內，保證了動車組的運行安全性、停靠準確性和旅客乘坐的舒適性。

結語

我國高速列車采用的是動力分散式固定編組的結構。在列車運行過程中，高速列車相鄰動力單元之間存在相互耦合力，使每個動力單元的運行狀態有差異，對高速列車運行過程的一致性和高精度跟蹤給定運行軌跡有一些影響。因此，為了使每個動力單元都得到更好的跟蹤效果，本文基于數據驅動方法所建立的高速列車控制模型，采用預測控制方法來優化各個動力單元的速度曲線，使其更高精度的跟蹤給定曲線，使高速列車的運行過程維持在最佳的狀態，實現了高速列車準點、安全、舒適的控制目標。文末以高速列車的實際運行過程仿真結果也驗證了本文的優化控制方法的有效性。