分布式动力高速动车组速度跟踪控制方法研究

张芳 李志平

【摘要】列车运行速度越来越高，导致列车运营状态受周边环境的影响程度也越来越突出。为了使高速列车根据环境变化来实时改变运行状态，使其能够更高精度地跟踪给定运行曲线、满足安全正点的要求，就需要根据高速列车实际运行状况采用控制方法对其运行过程进行优化。首先以其实际运行过程的数据为样本，采用数据驱动的方法建立其控制模型;然后根据实际运行数据采用预测控制方法进行参数优化控制，使其运行过程更符合目标速度曲线，根据仿真结果进行分析此优化控制方法的有效性。

【关键词】高速列车;数据驱动：控制模型;预测控制;优化控制

随着国家人口的不断增多、经济的不断提升，交通堵塞和人们出行要求所带来的问题也越来越多。相对于水路、航运和公路，铁路具有全天候运行、受天气影响小、能耗低、污染小、运输量大等优势，铁路得到了快速的发展。而高速列车的运行速度相比较普通中、低速列车的运行速度要高很多;乘客的乘坐环境和舒适性也改善很多;列车的安全准点性也提高了很多。因此，为了解决交通拥挤和满足提速问题，高速铁路的快速发展已成为不可逆转的趋势。由于高速列车的运行速度高，自然环境及运行过程中不可预估的因素对其运行状态有很大的影响。为了适应高速列车复杂而多变的动态运行过程，使它能够高精度地跟踪事先设定的运行轨迹，提高乘客舒适性和降低列车能量消耗，我们不但需要建立精确有效的控制模型，还需要设计高效、可靠和精准的速度跟踪控制算法。

列车自动驾驶技术可以提高列车控制水平，解决由于人工操作所带的一些问题。因此，为了避免列车驾驶员由于非正常的手动驾驶操作所带来的一些问题，高速列车自动驾驶已成为中外学者的研究热点。为了实现高速列车自动驾驶技术和更高精度速度跟踪控制，学者们采用了很多控制算法应用在高速列车上，但由于高速列车运行的复杂性，致使这些控制算法的精度不是很高。近年来，广义预测控制算法在工业界和控制理论界得到广泛的应用，并使控制结果得到改善。因此，为了提高跟踪精度，本文在文献中建立的高速列车分布式控制模型的基础上，采用广义预测控制方法作为其控制策略。

一、高速列车运行过程的分析

为了获得更高的运营速度，高速列车需要减轻轴重、增加动力、减少空气阻力等，因此我国采用的是流线型的动力分散式的动车组，各车厢间的相互作用力对列车的平稳性和跟踪性能有很大的影响。但是很多学者根据高速列车的运行过程建立控制模型时，忽略他们之间的作用力，他们只是将体积巨大的高速动车组看成一个整体，当作一个点对其进行受力分析，建立一个动力学模型，并且忽略前后牵引控制单元间相互作用力的影响，这将对高速动车组跟踪控制的效果有一定的影响，使跟踪精度不高，也不符合高速动车组的编组结构特性。随着速度不断提高，空气阻力随着速度的平方成正比，使高速列车的非线性的影响越来越突显，因此考虑车厢问的相互作用力和非线性是建立高速列车精确的控制模型不可忽视的因素。以列车运行纵向动力学模型为基础，根据列车运行的实际数据，采用数据驱动的方法辨识得到控制模型，本文提出了一种基于动车组分布模型的速度跟踪预测控制方法。

二、高速列车速度跟踪控制及验证

随着社会的不断进步，高速列车具有速度快和安全性高等特点，使其成为人们出行的首要选择，使用程度也越来越普及。为了解决高速动车组运行过程中的不确定性问题，基于模型优化的传统控制方法已难以处理高速动车组运行过程中的优化控制问题，同时也不能满足我国铁路高速、重载和高密度的发展要求。所以要克服传统控制方法的缺点，就要寻求一种新的列车运行控制方法，由于控制对象的结构越来越复杂，而且需要控制的目标越来越多，传统控制理论缺乏灵活性和应变能力，因而很难处理工业系统中的复杂控制性问题。智能控制可以很好地适应不断变化的外部运行环境，已在很多领域都成功地得到了应用。近几年，针对高速列车速度跟踪控制的研究越来越多，模型预测控制算法作为一种非线性的过程控制方法，得到了广泛的应用。

模型预测、滚动优化以及反馈校正是预测控制方法的三大重要原理。与传统的控制算法相比较，预测控制的优势是其基本思想是先预测后控制，以预测模型为基石，同时其控制操作有较强的预见性。在控制模型的基础之上，预测控制方法根據反馈校正和在线滚动优化的性能指标函数等控制策略，从而消除被控系统的结构、建模误差、外界环境以及系统参数等不确定因素对被控系统的影响。

基于以上优点进行分析，本文采用预测控制方法来优化动车组运行曲线，使其更精确的跟踪给定的运性轨迹。在每个采样时刻，建立控制模型设计预测控制器，优化调节其每个动力单元所施加的牵引力或制动力，使动车组的实际运行过程更高精度的跟踪目标速度曲线，使动车组准点性、安全性、停车精准性和舒适性等评价指标都得到更高程度的保障。动车组模型预测控制器设计的具体过程参照文献。

为了验证本文采用预测控制方法所设计的控制器的有效性，以某一型号高速列车为研究对象，此列车由三个动力单元组成。以实际线路的运行数据为研究依据，所建立的控制模型也是依据实际运行数据采用数据驱动的方法建立的，模型的有效性已在文献中得到验证，本文在此基础上采用预测控制方法对其实际输出进行优化控制，使其实际速度曲线能更好地跟踪目标速度曲线。图1为动车组各动力单元跟踪给定速度曲线的对比曲线。yI是动车组在此区间的目标速度曲线，y1、y2、y3是各动力单元优化后的速度曲线。

从图1可以看出，采用本文方法得到的里程和速度曲线不仅在高速列车牵引、制动等工况下具有良好的跟踪能力，在高速列车运行的整个过程都有较好的跟踪效果，并能较高精度满足动车组运行控制要求，速度跟踪误差也在要求范围内，保证了动车组的运行安全性、停靠准确性和旅客乘坐的舒适性。

结语

我国高速列车采用的是动力分散式固定编组的结构。在列车运行过程中，高速列车相邻动力单元之间存在相互耦合力，使每个动力单元的运行状态有差异，对高速列车运行过程的一致性和高精度跟踪给定运行轨迹有一些影响。因此，为了使每个动力单元都得到更好的跟踪效果，本文基于数据驱动方法所建立的高速列车控制模型，采用预测控制方法来优化各个动力单元的速度曲线，使其更高精度的跟踪给定曲线，使高速列车的运行过程维持在最佳的状态，实现了高速列车准点、安全、舒适的控制目标。文末以高速列车的实际运行过程仿真结果也验证了本文的优化控制方法的有效性。