城市轨道交通基于模糊控制的ATO算法研究

高 玉,陈艳华

（西安铁路职业技术学院电子信息系,陕西西安,710014）

0 引言

城市轨道交通具有运量大，以及安全、快捷、节能、舒适等优势。对于改善城市交通结构，缓解城市地面交通拥堵具有重要的作用。列车自动驾驶(ATO)系统是城市轨道交通列车自动控制系统（ATC）的重要组成部分，可通过车—地数据传输通道接收ATS系统的控制命令和联锁系统的移动授权命令，并结合列车自动防护(ATP)系统提供的目标速度、列车速度、前方列车位置、线路数据和车辆参数等指标，合理计算启动、加速、巡航、制动停站等过程的列车运行优化速度曲线，并向列车发送牵引和制动命令，实现列车启动、调速、车站精确停车等过程的自动控制，提高列车运行效率、提高列车运行的舒适度，节省能源。同时ATO系统通过接收列车自动监督(ATS)系统的控制命令,根据按计划运行图实现列车自动追踪、自动调整的控制。

1 ATO系统主要功能

ATO系统车载设备主要由控制计算机、司机驾驶显示器HMI、测速装置、列车定位设备组成。

列车具有四种驾驶模式，即自动驾驶模式（AM）、ATP速度监督下的人工驾驶模式（SM）、限制速度模式（RM），自动折返模式(AR)。ATO系统对列车的控制可分为：列车自动启动、速度调整、巡航和惰行、精确停车等过程：

1）列车启动控制：在列车ATO驾驶模式条件满足时，司机按压ATO启动按钮，ATO向牵引系统输出牵引命令，启动列车运行，使列车在最短时间内按规定加速度率加速到目标速度。

2）列车速度控制和调整。ATO并根据准点、节能、舒适等优化指标要求，结合列车自动防护(ATP)系统提供的目标速度、列车速度、前方列车位置、线路数据、车辆参数和ATS列车运行计划等条件，计算列车运行速度曲线，及时调整列车速度，实现列车速度自动控制和调整。

3）列车巡航和惰行控制。ATO根据列车当前运行速度和列车运行速度曲线，控制列车惰行巡航运行，实现列车节能运行。

4）车站精确停车控制。ATO根据列车当前位置和速度、列车制动曲线，控制列车的制动率，保证列车准确地停在车站停车窗口内。

2 ATO 的算法

列车安全、准时、可靠运行是城市轨道交通运营的关键。AT0系统主要作用是自动调整列车速度，使列车平稳、准确地停靠在站台预定位置。ATO系统的核心是列车运行速度控制算法，其方法对ATO的控制效果起关键作用，只有高效的控制方法才能保证准时、舒适、节能、精确停车等各项指标的实现。在ATC发展过程中，多种ATO传统控制方法，如PID控制、自适应控制等算法得到广泛应用，并取得了一定的成果。近年来随着模糊控制、神经网络、专家系统等智能控制技术的进一步发展，国内外许多公司和研究机构将智能技术应用于ATC系统中，取得了令人满意的效果。以下主要介绍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算法是一种典型的、传统的列车控制算法。具有结构简单，易于实现和鲁棒性好等特点。PID控制器为负反馈闭环控制器，它以经验公式为基础，采用比例控制器-P、微分控制器-D、积分控制器-I来抑制列车运行过程中各种扰动因素导致的列车速度控制偏差。一旦列车当前运行速度偏离了目标速度曲线,PID控制器即向牵引系统输出用于减少速度偏差的牵引和制动量，实现列车速度的自动调节。其中比例控制器根据速度的偏差的积分的结果输出控制量,积分器可消除速度的稳态误差,提高列车的控制精度；微分器根据速度的偏差的微分的结果可有效预见速度偏差的变化趋势，提高列车的控制效率。

由于列车运行过程中各种条件，如列车阻力、列车质量是一个非线性的和时变的，因此经验公式所确定的列车参数和列车运行条件等控制参数与实际有偏差,且缺乏自适应性,因此，列车速度控制效率和精度的受到了影响,另外由于牵引和制动的切换频繁,从而影响了列车运行的舒适性，增加了能耗。

2.2 基于模糊控制的ATO算法

近年来模糊控制、神经网络和遗传算法等智能控制方法发展较快。智能控制方法可以解决非线性、多变量等复杂的控制对象。为了客服基于PID控制的ATO算法,采用智能控制理论对PID算法进行优化,下面主要介绍城市轨道交通基于模糊控制的ATO算法。

模糊控制应用模糊集合理论实现控制的一种方法，也是一种非线性控制模糊控制。模糊控制系统的主要组成部分是模糊控制器,模糊控制器由模糊化、知识库、模糊推理和去模糊化四部分组成。模糊控制系统以被控对象的反馈值与目标值的误差e和误差改变量ec作为模糊控制器的输入,e和ec经过模糊化处理后得到输入模糊子集E和EC,U为模糊控制器的输出模糊子集。知识库由数据库和模糊控制规则库组成。数据库主要包含输入输出的尺度变换因子、输入输出空间的模糊分割,根据知识库可以确定各个模糊子集的隶属函数。规则库定义了基于以上模糊子集的语言规则,是进行模糊推理的基础。模糊推理是根据模糊控制规则库和当前的输入状态进行的逻辑推理运算。

模糊控制算法可以概括为以下四个步骤:

（l)根据本次采样得到的系统输出值,计算所选择的系统的输入变量；

（2)将输入变量的精确值变为模糊量；

（3)根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则,按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量)；

（4)由上述得到的控制量计算(模糊量)精确地控制量。

假设模糊控制规则具有两个前提条件,一般可表示为:

（l)前提1(规则库)

按照Mamdan i模型和采用Max-Min算子时:

从而得出:

图1为基于模糊控制的ATO系统。该控制系统采用两输入单输出的模糊控制器，如图2所示。

图1 基于模糊控制的ATO算法

图2 模糊控制器框图

当前的列车运行速度与运行速度曲线偏差分为两路，一路乘以 Ke，另一路经过微分后乘以 Kec，这两路信号同时作为模糊控制器的输入，模糊控制器的输出为加速度指令，下一控车周期的列车速度通过 Ke 参数作为控制器的反馈量,因此ATO 控制模型为一个有效的负反馈闭环系统，保证在预期的速度偏离列车目标速度曲线时得到调整，速度差值不断缩小，并达到目标速度，保证列车平稳运行，

3 结语

列车自动速度控制算法是ATO子系统的关键技术,ATO的算法对列车安全和高效运行具有重大的影响。基于模糊控制的ATO算法可使列车运行更加准时、舒适和节能。

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