一种重载列车系统优化协调控制方法及其控制系统

1.本发明属于重载列车运行的自动控制的技术领域；具体涉及一种重载列车系统优化协调控制方法及其控制系统。


背景技术：

2.作为重载铁路运输的核心装备以及综合交通运输体系的主要运输方式之一，考虑重载列车平稳性的控制是该类列车研究的核心问题，良好控制系统的设计，可以节约人力资源和运输成本，也可以改善系统性能，提高货运效率。
3.重载列车货运铁路线通常坡陡弯急、多山区、多隧道、多涵渠、多曲线等，我国对这种复杂运行环境下重载列车整体控制技术水平和研究程度还不高，且随着重载列车长度的增加，导致列车在运行时的牵引力和制动力增加，制动波动传递的时间也会增加，使得重载列车的受力情况更加复杂，列车运行过程中存在断钩、脱钩等潜在危险，严重制约了我国重载铁路运输领域的经济效益增长和产业安全提高，成为亟待解决的问题。
4.重载列车实际运行过程中，坡度和曲率等线路条件的变化将导致重载列车整体以及每节车厢的受力不同，从而导致相邻车厢间车钩力发生变化，并通过缓冲器将这种压力传递给缓冲器，使得车钩和缓冲器系统的总体长度达到最大位移。当缓冲器的形变量达到最大时，缓冲器将变为刚形体，此时车厢将会受到来自缓冲器的冲击，使得车辆速度变化，即形成相邻车辆间的速度差波动，这种速度差通过车钩力的作用传递到列车的两端，形成连锁效应；反之，相邻车辆间的速度差波动又反过来影响相邻车辆间的车钩力等。因此，在列车实际运行过程中确保相邻车辆协调运行，使得相邻车辆间所承受的车钩力在允许的范围内变化，是实现重载列车平稳、安全、高效运行的关键。
5.目前，对于重载列车运行控制策略，有学者提出基于测量反馈信息的重载列车速度整定策略，基于网络控制系统一致性协议的重载列车轨迹跟踪控制策略，基于deep-q网络算法的重载列车长陡下坡段智能控制策略，基于lqr理论、模型预测控制、鲁棒控制理论等的重载列车控制器，基于模糊控制、预测控制、pi控制和动态矩阵预测控制的重载列车控制方法等，以实现重载列车的速度跟踪控制。尽管这些已有成果可为开展考虑重载列车平稳性的协调控制提供广泛的思路。然而，各节车厢的速度整定，不仅和自身特性有关，也和相邻车辆状态有关，现有控制策略中未充分分析相邻车辆对控制系统性能的影响。此外，复杂多变的运行环境将引起列车系统参数的不确定性，在重载列车协调控制策略的研究中也需重点关注。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种重载列车系统优化协调控制方法，用以解决现有重载列车控制策略忽略各车间协调性的问题。
7.本发明提供了一种重载列车系统优化协调控制系统，用以解决现有重载列车控制策略忽略各车间协调性的问题。
8.本发明通过以下技术方案实现：
9.一种重载列车系统优化协调控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
10.步骤1：建立重载列车多质点模型；
11.步骤2：基于重载列车多质点模型，获取动态平衡点处的分布式误差模型；
12.步骤3：基于步骤2的分布式误差模型，设计鲁棒协调优化控制器；
13.步骤4：基于步骤3的鲁棒协调优化控制器进行重载列车系统优化协调控制。
14.一种重载列车系统优化协调控制方法，所述步骤1具体为，每节车厢被看作一个质点，将车厢间缓冲器和车钩组成的系统看作“弹性-阻尼”耦合系统，则耦合系统的受力情形如下：
15.f
车i
＝ki(s
i-s
i+1
)+hi(v
i-v
i+1
)(1)
16.其中，f
车i
为车钩受到的力，ki和hi分别为第i节车厢车钩上的弹性系数和阻尼常数，si和s
i+1
分别是第i和i+1节车厢的位移，vi和v
i+1
分别为第i和i+1节车厢的速度，且满足
17.一种重载列车系统优化协调控制方法，机车牵引力f、列车运行阻力r以及制动力b的矢量叠加产生的合力所致，其中机车所受运行阻力r包括基本阻力以及轨道摩擦力、横滚阻力、轨道坡度阻力、空气阻力等附加阻力之和，根据牛顿第二定律，则第i个车厢在运行方向上的受力方程为，
[0018][0019]
其中，mi和ai分别为第i个车厢的质量和加速度。
[0020]
一种重载列车系统优化协调控制方法，由于因此根据方程(1)-(2)可建立第i个车厢的动力学模型为：
[0021][0022]
其中，ui(t)为第i个车厢的输入(为普通车辆时为虚拟输入)，xi(t)＝[si(t),vi(t)]
t
表示第i个子系统的状态向量，φ
ij
(θi,θj,xi(t))xj(t)为第j个车辆子系统对第i个车辆子系统的耦合效应，θi(t)为系统参数。
[0023]
一种重载列车系统优化协调控制方法，所述步骤2具体为，在协调控制器设计方面，拟按照牵引机和车辆将重载列车系统划分为m+n+2个子系统，基于已建立的重载列车系统模型(3)，把每个子系统输入分为稳态控制输入和控制补偿，提出依赖于系统参数的稳态控制输入和各车辆期望位移，推导出期望动态平衡状态下的误差子系统模型计算方法。
[0024]
针对第i个子系统定义如下变量：
[0025][0026]
其中，u
si
(θi,t)为稳态控制输入向量即前馈控制输入，δui(t)为控制补偿向量；
[0027]
令x
ri
(t)＝[s
ri
(t),v
ri
(t)]
t
，δx
ri
(t)＝[δs
ri
(t),δv
ri
(t)]
t
，则x
ri
(t)为第i个
子系统稳态情况下的期望状态向量，δxi(t)为状态误差向量；
[0028]
经分析可得当系统达到平衡状态时有
[0029][0030]
一种重载列车系统优化协调控制方法，设置各车辆期望位移s
ri
(t)以及牵引机车的期望速度v
ri
(t)，结合式(3)-(5)计算其他车辆子系统的虚拟稳态控制输入向量u
si
(θi,t)和参考速度v
ri
(θi,t)，并推导出误差子系统模型如下：
[0031][0032]
其中，a
ij
(θi,θj)δxj(t)为第j个子系统对第i个子系统的影响，n(i)为与第i个子系统耦合的其他子系统集合。
[0033]
一种重载列车系统优化协调控制方法，所述步骤3具体为，根据frobenius和佩龙根方法对子系统间的耦合关系进行度量，分析不同协调变量δi对系统控制效果的敏感程度及其与闭环控制系统稳定性之间的关系，选择合适的协调变量δi，针对各子系统基于协调变量δi设计如下协调控制输入δui(t)：
[0034][0035]
将所设计的协调控制器(7)代入误差子系统(6)得到闭环误差子系统，并设计合适的李雅普诺夫函数vi(δxi,δxj,δui)，在满足执行器约束和系统输出约束条件下使得所设计的控制器满足不等式将协调控制器(7)的设计问题转化为优化问题的求解。
[0036]
一种重载列车系统优化协调控制方法，所述优化问题方程为，
[0037][0038]
其中，γi∈κ，αi∈κ
∞
为松弛变量，τi为第i辆车允许的最大位移控制误差。
[0039]
一种重载列车系统优化协调控制系统，所述控制系统包括重载列车多质点单元、分布式误差计算单元和优化协调控制器；
[0040]
重载列车多质点单元，用于建立重载列车多质点模型；
[0041]
分布式误差计算单元，用于计算动态平衡点处的分布式误差模型；
[0042]
优化协调控制器，用于进行重载列车系统优化协调控制。
[0043]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的方法步骤。
[0044]
本发明的有益效果是：
[0045]
本发明从不同车辆子系统及其耦合特点着手，定量分析系统物理参数的变化特性、各车辆子系统间的耦合关系和相互影响等，对各子系统间的耦合效应进行度量，分析不同协调变量对系统控制效果的敏感程度及其与闭环控制系统稳定性之间的关系，提出协调
变量的优选方法，并在此基础上结合区间系统理论、自抗扰控制、鲁棒控制、frobenius和佩龙根理论、优化理论等，设计协调控制策略，保证各车辆位移和速度在允许变化范围内的同时使得性能代价最小，实现重载列车平稳控制以及能量最优控制的目的。
附图说明
[0046]
附图1是本发明的多机车牵引多质点重载列车模型简图。
[0047]
附图2是本发明的第i个车厢运行方向受力情况分析图。
[0048]
附图3是本发明的第i个车辆子系统协调控制器设计方案图。
[0049]
附图4是本发明的采取的关键技术图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
一种重载列车系统优化协调控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
[0052]
步骤1：建立重载列车多质点模型；
[0053]
步骤2：基于重载列车多质点模型，获取动态平衡点处的分布式误差模型；
[0054]
步骤3：基于步骤2的分布式误差模型，设计鲁棒协调优化控制器；
[0055]
步骤4：基于步骤3的鲁棒协调优化控制器进行重载列车系统优化协调控制。
[0056]
一种重载列车系统优化协调控制方法，所述步骤1建立重载列车多质点模型具体为，以一台机车被编排在列车头部，另一台机车被编排在列车中间部分的间隔编组方式(如图1所示)为例，拟结合重载列车运行环境和运行工况特点从单个车辆、耦合环节系统、系统参数等几个方面的动力学特性分析着手，建立复杂运行环境下多工况重载列车系统模型；
[0057]
每节车厢被看作一个质点，将车厢间缓冲器和车钩组成的系统看作“弹性-阻尼”耦合系统，则耦合系统的受力情形如下：
[0058]f车i
＝ki(s
i-s
i+1
)+hi(v
i-v
i+1
)(1)
[0059]
其中，f
车i
为车钩受到的力，ki和hi分别为第i节车厢车钩上的弹性系数和阻尼常数，si和s
i+1
分别是第i和i+1节车厢的位移，vi和v
i+1
分别为第i和i+1节车厢的速度，且满足
[0060]
一种重载列车系统优化协调控制方法，由于重载列车运行过程中受力情况复杂，受到的外力有牵引力、制动力、基本阻力以及轨道摩擦力、横滚阻力、轨道坡度阻力、空气阻力等附加阻力，列车运行时运动状态不断发生改变，主要由于机车牵引力f、列车运行阻力r以及制动力b的矢量叠加产生的合力所致，其中机车所受运行阻力r包括基本阻力以及轨道摩擦力、横滚阻力、轨道坡度阻力、空气阻力等附加阻力之和，根据牛顿第二定律，则第i个车厢在运行方向上的受力方程为，受力情况如图2所示；
[0061]
[0062]
其中，mi和ai分别为第i个车厢的质量和加速度。
[0063]
一种重载列车系统优化协调控制方法，由于因此根据方程(1)-(2)可建立第i个车厢的动力学模型为：
[0064][0065]
其中，ui(t)为第i个车厢的输入(为普通车辆时为虚拟输入)，xi(t)＝[si(t),vi(t)]
t
表示第i个子系统的状态向量，φ
ij
(θi,θj,xi(t))xj(t)为第j个车辆子系统对第i个车辆子系统的耦合效应，θi(t)为系统参数。
[0066]
一种重载列车系统优化协调控制方法，所述步骤2获取动态平衡点处的分布式误差模型具体为，在协调控制器设计方面，拟按照牵引机和车辆将重载列车系统划分为m+n+2个子系统，基于已建立的重载列车系统模型(3)，把每个子系统输入分为稳态控制输入和控制补偿，提出依赖于系统参数的稳态控制输入和各车辆期望位移，推导出期望动态平衡状态下的误差子系统模型计算方法；
[0067]
针对第i个子系统定义如下变量：
[0068][0069]
其中，u
si
(θi,t)为稳态控制输入向量即前馈控制输入，δui(t)为控制补偿向量；
[0070]
令x
ri
(t)＝[s
ri
(t),v
ri
(t)]
t
，δx
ri
(t)＝[δs
ri
(t),δv
ri
(t)]
t
，则x
ri
(t)为第i个子系统稳态情况下的期望状态向量，δxi(t)为状态误差向量；
[0071]
经分析可得当系统达到平衡状态时有
[0072][0073]
一种重载列车系统优化协调控制方法，设置各车辆期望位移s
ri
(t)以及牵引机车的期望速度v
ri
(t)，结合式(3)-(5)计算其他车辆子系统(虚拟)稳态控制输入向量u
si
(θi,t)和参考速度v
ri
(θi,t)，并推导出误差子系统模型如下：
[0074][0075]
其中，a
ij
(θi,θj)δxj(t)为第j个子系统对第i个子系统的影响，n(i)为与第i个子系统耦合的其他子系统集合。
[0076]
基于此得到重载列车分布式误差系统，将重载列车车辆协调控制问题转化为分布式误差系统的镇定性问题，通过分别设计u
si
(θi,t)和δui(t)来实现对重载列车系统控制输入ui(t)的设计。显然，结合式(3)-(5)不仅能获取误差模型(6)，也能计算出动态平衡点x
ri
(t)＝[s
ri
(t),v
ri
(t)]
t
和稳态控制输入u
si
(θi,t)。因此，下一步将重点设计控制补偿向量δui(t)，并将设计的控制补偿与稳态控制输入作和得到各子系统实际(虚拟)控制输入。
[0077]
一种重载列车系统优化协调控制方法，针对系统不确定参数，由于受列车实际运行条件的限制，列车运行速度等只能在一定范围内变化；此外，系统(6)中涉及运行阻尼等参数，通过建立的系统参数模型(3)可确定其变化区间，即这些变量可被看作区间变量，进而可将误差子系统(6)看作区间系统，结合区间系统理论、鲁棒控制和自抗扰控制理论设计鲁棒控制器并分析系统的镇定性，以此获取控制补偿δui(t)。
[0078]
根据frobenius和佩龙根方法对子系统间的耦合关系进行度量，分析不同协调变量δi对系统控制效果的敏感程度及其与闭环控制系统稳定性之间的关系，选择合适的协调变量δi，针对各子系统基于协调变量δi设计如下协调控制输入δui(t)：
[0079][0080]
将所设计的协调控制器(7)代入误差子系统(6)得到闭环误差子系统，并设计合适的李雅普诺夫函数vi(δxi,δxj,δui)，在满足执行器约束和系统输出约束条件下使得所设计的控制器满足不等式将协调控制器(7)的设计问题转化为优化问题的求解。上述优化问题的求解，拟通过选取不等式约束的拉格朗日乘子，定义拉格朗日函数将约束优化问题转化为非约束优化问题，基于kkt条件对该优化问题进行求解，即对协调控制器进行求解。再结合已有的稳态控制输入u
si
(θi,t)，从而可得到第i个车辆子系统(3)的控制输入ui(t)＝δui(t)+u
si
(θi,t)，其控制器设计方案如图3所示。
[0081]
一种重载列车系统优化协调控制方法，所述优化问题方程为，
[0082][0083]
其中，γi∈κ，αi∈κ
∞
为松弛变量，τi为第i辆车允许的最大位移控制误差。
[0084]
上述优化问题的求解，拟通过选取不等式约束的拉格朗日乘子，定义拉格朗日函数将约束优化问题转化为非约束优化问题，基于kkt条件对该优化问题进行求解，即对协调控制器进行求解。再结合已有的稳态控制输入u
si
(θi,t)，从而可得到第i个车辆子系统(3)的控制输入ui(t)＝δui(t)+u
si
(θi,t)，其控制器设计方案如图3所示。
[0085]
基于以上思路拟从不同车辆子系统及其耦合特点着手，定量分析系统物理参数的变化特性、各车辆子系统间的耦合关系和相互影响等，结合区间系统理论、自抗扰控制、鲁棒控制、frobenius和佩龙根理论、优化理论等，设计优化协调控制策略，保证各车辆位移和速度在允许变化范围内的同时使得性能代价最小，实现列车平稳控制以及能量最优控制，采取的关键技术如图4所示。
[0086]
一种重载列车系统优化协调控制系统，所述控制系统包括重载列车多质点单元、分布式误差计算单元和优化协调控制器；
[0087]
重载列车多质点单元，用于建立重载列车多质点模型；
[0088]
分布式误差计算单元，用于计算动态平衡点处的分布式误差模型；
[0089]
优化协调控制器，用于进行重载列车系统优化协调控制。
[0090]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法步骤。

技术特征：
1.一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：步骤1：建立重载列车多质点模型；步骤2：基于重载列车多质点模型，获取动态平衡点处的分布式误差模型；步骤3：基于步骤2的分布式误差模型，设计鲁棒协调优化控制器；步骤4：基于步骤3的鲁棒协调优化控制器进行重载列车系统优化协调控制。2.根据权利要求1所述一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：所述步骤1具体为，每节车厢被看作一个质点，将车厢间缓冲器和车钩组成的系统看作“弹性-阻尼”耦合系统，则耦合系统的受力情形如下：f
车i
＝k
i
(s
i-s
i+1
)+h
i
(v
i-v
i+1
)(1)其中，f
车i
为车钩受到的力，k
i
和h
i
分别为第i节车厢车钩上的弹性系数和阻尼常数，s
i
和s
i+1
分别是第i和i+1节车厢的位移，v
i
和v
i+1
分别为第i和i+1节车厢的速度，且满足3.根据权利要求2所述一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：机车牵引力f、列车运行阻力r以及制动力b的矢量叠加产生的合力所致，其中机车所受运行阻力r包括基本阻力以及轨道摩擦力、横滚阻力、轨道坡度阻力、空气阻力等附加阻力之和，根据牛顿第二定律，则第i个车厢在运行方向上的受力方程为：其中，m
i
和a
i
分别为第i个车厢的质量和加速度。4.根据权利要求3所述一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：由于由于因此根据方程(1)-(2)可建立第i个车厢的动力学模型为：其中，u
i
(t)为第i个车厢的输入(为普通车辆时为虚拟输入)，x
i
(t)＝[s
i
(t),v
i
(t)]
t
表示第i个子系统的状态向量，φ
ij
(θ
i
,θ
j
,x
i
(t))x
j
(t)为第j个车辆子系统对第i个车辆子系统的耦合效应，θ
i
(t)为系统参数。5.根据权利要求4所述一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：所述步骤2具体为，在协调控制器设计方面，拟按照牵引机和车辆将重载列车系统划分为m+n+2个子系统，基于已建立的重载列车系统模型(3)，把每个子系统输入分为稳态控制输入和控制补偿，提出依赖于系统参数的稳态控制输入和各车辆期望位移，推导出期望动态平衡状态下的误差子系统模型计算方法。针对第i个子系统定义如下变量：其中，u
si
(θ
i
,t)为稳态控制输入向量即前馈控制输入，δu
i
(t)为控制补偿向量；令x
ri
(t)＝[s
ri
(t),v
ri
(t)]
t
，δx
ri
(t)＝[δs
ri
(t),δv
ri
(t)]
t
，则x
ri
(t)为第i个子系统
稳态情况下的期望状态向量，δx
i
(t)为状态误差向量；经分析可得当系统达到平衡状态时有δx
i
(t)＝0,δu
i
(t)＝0,6.根据权利要求5所述一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：设置各车辆期望位移s
ri
(t)以及牵引机车的期望速度v
ri
(t)，结合式(3)-(5)计算其他车辆子系统(虚拟)稳态控制输入向量u
si
(θ
i
,t)和参考速度v
ri
(θ
i
,t)，并推导出误差子系统模型如下：其中，a
ij
(θ
i
,θ
j
)δx
j
(t)为第j个子系统对第i个子系统的影响，n(i)为与第i个子系统耦合的其他子系统集合。7.根据权利要求6所述一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：所述步骤3具体为，根据frobenius和佩龙根方法对子系统间的耦合关系进行度量，分析不同协调变量δ
i
对系统控制效果的敏感程度及其与闭环控制系统稳定性之间的关系，选择合适的协调变量δ
i
，针对各子系统基于协调变量δ
i
设计如下协调控制输入δu
i
(t)：将所设计的协调控制器(7)代入误差子系统(6)得到闭环误差子系统，并设计合适的李雅普诺夫函数v
i
(δx
i
,δx
j
,δu
i
)，在满足执行器约束和系统输出约束条件下使得所设计的控制器满足不等式将协调控制器(7)的设计问题转化为优化问题的求解。8.根据权利要求7所述一种重载列车系统优化协调控制方法，其特征在于：所述优化问题方程为，其中，γ
i
∈κ，α
i
∈κ
∞
为松弛变量，τ
i
为第i辆车允许的最大位移控制误差。9.根据权利要求1-8任一所述一种重载列车系统优化协调控制系统，其特征在于：所述控制系统包括重载列车多质点单元、分布式误差计算单元和优化协调控制器；重载列车多质点单元，用于建立重载列车多质点模型；分布式误差计算单元，用于计算动态平衡点处的分布式误差模型；优化协调控制器，用于进行重载列车系统优化协调控制。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一所述的方法步骤。

技术总结
本发明属于重载列车运行的自动控制的技术领域，公开了一种重载列车系统优化协调控制方法。步骤1：建立重载列车多质点模型；步骤2：基于重载列车多质点模型，获取动态平衡点处的分布式误差模型；步骤3：基于步骤2的分布式误差模型，设计鲁棒协调优化控制器；步骤4：基于步骤3的鲁棒协调优化控制器进行重载列车系统优化协调控制。用以解决针对现有重载列车控制策略忽略各车间协调性的问题。策略忽略各车间协调性的问题。策略忽略各车间协调性的问题。


技术研发人员：楚晓艳 邹逸祺 周旭
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2022.11.16
技术公布日：2023/4/5