一種針對列車執(zhí)行器故障的復(fù)合控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及列車控制技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種針對列車執(zhí)行器故障的復(fù)合 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 如何提高列車的舒適性、便捷性和有效性等性能，是當下一個引起關(guān)注的研究方 向。為進一步研究列車系統(tǒng)，學者們通過牛頓定律建立單質(zhì)點模型，單質(zhì)點模型以其結(jié)構(gòu)簡 單而被廣泛應(yīng)用。另外，還存在另一種列車模型一多質(zhì)點模型。與單質(zhì)點模型相比，多質(zhì)點 模型中考慮了相鄰車廂間的車鉤力，因此，多質(zhì)點模型更接近于實際的列車模型。
[0003] 基于上述單質(zhì)點和多質(zhì)點模型，為了獲得期望的性能，一系列的控制策略被應(yīng)用 于列車系統(tǒng)，如比例積分微分控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、優(yōu)化控制和預(yù)測控制等。
[0004] 上述分析沒有同時考慮到變頻陣風、執(zhí)行器故障和斜坡阻力對列車的影響。
[0005] 因此，需要提供一種針對列車執(zhí)行器故障的復(fù)合控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種針對列車執(zhí)行器故障的復(fù)合控制方法，解決斜坡擾 動、陣風擾動和執(zhí)行器故障對列車的影響。
[0007] 為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0008] -種針對列車執(zhí)行器故障的復(fù)合控制方法，該方法包括如下步驟：
[0009 ] S1、對列車縱向運動進行受力分析，建立列車的縱向運動動力方程；
[0010] S2、根據(jù)列車縱向運動動力方程，建立列車縱向運動狀態(tài)空間方程；
[0011] S3、根據(jù)執(zhí)行器故障和列車縱向運動狀態(tài)空間方程，建立執(zhí)行器故障情況下的列 車縱向運動狀態(tài)空間方程；
[0012] S4、根據(jù)執(zhí)行器故障情況下的列車狀態(tài)空間方程，利用基于擾動的觀測器和控制 器，建立列車閉環(huán)動態(tài)方程；
[0013] S5、通過線性矩陣不等式得到列車執(zhí)行器故障的復(fù)合控制方法中的觀測器增益和 控制器增益，進而利用基于擾動的觀測器和控制器方程控制列車的實際位移和速度趨近期 望的位移和速度。
[0014] 優(yōu)選地，步驟S1中列車的縱向運動動力方程為：
[0015]
[0016] 其中，nu是列車第i節(jié)車廂的實際質(zhì)量，i = l，2,…，n;k是連接相鄰兩節(jié)車廂的車 鉤的彈性系數(shù);〖6[0，!'/]，1'/是列車的運行時間^ 1(〇是列車第1節(jié)車廂從0至〖時刻的實 際位移；i眾)是列車第i節(jié)車廂t時刻的實際速度，無〇)是列車第i節(jié)車廂t時刻的實際加速 度;Ui(t)是列車第i節(jié)車廂t時刻的實際控制力;c〇、cv和(^是戴維斯系數(shù);ih(t)=migsin(0i (t))是列車第i節(jié)車廂t時刻的斜坡阻力，g表示重力加速度；θ,α)代表第i節(jié)車廂的坡度 角;sin( ·)為正弦函數(shù)；1;,⑴是t時刻作用在第i節(jié)車廂上的陣風阻力。
[0017] 優(yōu)選地，步驟S2進一步包括如下子步驟：
[0018] S2.1、設(shè)定列車第i節(jié)車廂期望的位移、速度和加速度分別為、if(i)和巧⑴， 定義<(/) = <(/)=…=X;,(/)， ν',?/) ^ y 'JJ) = = y1i：(t) = ν?, Λ:、(〇?(，) = ·.· = :〇) = 0，，以〇 = .\-."卜.y;U)，⑴二i,(z卜 i;(z);，.如 所述列車的縱向運動動力方程，得到列車各車廂期望的控制力如下：
[0019]
[0020] 其中，ΠΗ是列車第i節(jié)車廂的實際質(zhì)量，i = l，2,…，η; 〃)(〇是期望的控制力;Cci、cv 和(^是戴維斯系數(shù)；<(0是在期望的位置上列車第i節(jié)車廂所受的坡度阻力；
[0021 ] S2.2、定義?;(0 = ，忽略高階項心毛2(2"作))，得到如下列車縱向運動i=\
[0026][0027]參數(shù)A和B的定義分別如下： 線性空間方程：
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0028]
[0029]
[0033] 優(yōu)選地，所述執(zhí)行器故障情況下的列車縱向運動狀態(tài)空間方程為：[0034] ξ{?) = Αξ{?) + B,u{t) + Bd{ (/) - Bd, (i)
[0030]
[0031]
[0032]
[0035] 其中，參數(shù)Bf = BLf，= A喂彳七'…乂丨工別…表示執(zhí)行器故障參數(shù)^滿足以 λ? < 1 〇
[0036] 優(yōu)選地，步驟S4進一步包括如下子步驟：
[0037] S4.1、建立如下陣風模型的狀態(tài)表達式：
[0038]
[0039] 其中，W是陣風的頻率矩陣，且
，< 為已知的陣風頻率值;Li和L4是陣 風的幅度矩陣；A W(t)代表陣風的變頻特性矩陣，w(t)為陣風模型的狀態(tài)表達式中的狀態(tài) 變量；
[0040] 34.2、設(shè)定以，8{)可控，（1+八1(0,81^)可觀，結(jié)合陣風模型，設(shè)計如下基于擾動的 觀測器：
[0041]
[0042] 其中，1(/)和眾的分別是cUU)和w(t)的估計值，參數(shù)L4已知，未知參數(shù)1^是基于擾 動的觀測器增益；
[0043] 定義誤差項4(?) = <(〇-名⑴和WO = Μ⑴-郵），則基于擾動的觀測器誤差為：
[0044]
[0045] S4.3、設(shè)計控制器如下：
[0046] u{t)^-Ni：4{t)-L~'^(t))
[0047] 其中，未知參數(shù)Nu代表控制器增益；
[0048] S4.4、根據(jù)基于擾動的觀測器誤差和控制器，建立如下列車閉環(huán)動態(tài)方程：
[0049] |(/) = (4.+ BfHu )ξ(?) + BLt ?{?) - .〇
[0050] 優(yōu)選地，步驟S5進一步包括如下子步驟：
[0051] S5.1、定義系統(tǒng)狀態(tài)變量：
結(jié)合列車閉環(huán)動態(tài)方程，得如下增廣系統(tǒng)：
[0052]
[0053]
[0054] S5.2、定義增廣系統(tǒng)的參考輸出：
[0055] z(〇 = ⑴ + C W)二 &/(0
[0056]其中，系數(shù)矩陣￡二[? ??;
[0057] S5.3、定義如下Hoc性能指標函數(shù)
[0058]
[0059]其中，γ為給定正常數(shù)；
[0060]結(jié)合Lyapunov分析法和線性矩陣不等式的方法得到：對于γ，存在標量8!〉。、矩 陣為>0、為>0、為、為滿足下列線性矩陣不等式：
[0061]
[0062] 其中，
；
[0063] 通過所述線性矩陣不等式得到基于擾動的觀測器增益& ，控制器增益 = W !
[0064] S5.4、利用基于擾動的觀測器和控制器方程控制列車的實際位移和速度趨近期望 的位移和速度。
[0065]本發(fā)明的有益效果如下：
[0066]本發(fā)明所述技術(shù)方案有效補償執(zhí)行器故障對列車系統(tǒng)的影響且有效衰減或去除 斜坡阻力和未知陣風阻力對列車系統(tǒng)的影響，使列車系統(tǒng)具有良好的位置和速度跟蹤性 能。
【附圖說明】
[0067] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明；
[0068] 圖1示出針對列車執(zhí)行器故障的復(fù)合控制方法的流程圖；
[0069]圖2示出列車的縱向運動的受力分析示意圖；
[0070] 圖3示出針對列車執(zhí)行器故障的復(fù)合控制方法中位移誤差響應(yīng)曲線的示意圖；
[0071] 圖4示出針對列車執(zhí)行器故障的復(fù)合控制方法中速度誤差響應(yīng)曲線的示意圖；
[0072] 圖5示出針對列車執(zhí)行器故障的單一 H。?？刂品椒ㄖ形灰普`差響應(yīng)曲線的示意圖； [0073]圖6示出針對列車執(zhí)行器故障的單一 H。?？刂品椒ㄖ兴俣日`差響應(yīng)曲線的示意圖。
【具體實施方式】
[0074] 為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說 明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，下面所具體 描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0075] 本實施例提供的針對列車執(zhí)行器故障的復(fù)合控制方法用于列車執(zhí)行器故障時的 位置和速度跟蹤控制中，如圖1所示，該方法包括如下步驟：
[0076] S1、對列車縱向運動進行受力分析，建立列車的縱向運動動力方程；
[0077 ] S2、根據(jù)列車縱向運動動力方程，建立列車縱向運動狀態(tài)空間方程；
[0078] S3、根據(jù)執(zhí)行器故障和列車縱向運動狀態(tài)空間方程，建立執(zhí)行器故障情況下的列 車縱向運動狀態(tài)空間方程；
[0079] S4、根據(jù)執(zhí)行器故障情況下的列車狀態(tài)空間方程，利用基于擾動的觀測器和控制 器，建立列車閉環(huán)動態(tài)方程；
[0080] S5、通過線性矩陣不等式得到列車執(zhí)行器故障的復(fù)合控制方法中的觀測器增益和 控制器增益，進而利用基于擾動的觀測器和控制器方程控制列車的實際位移和速度趨近期 望的位移和速度。
[0081] 其中，
[0082] 步驟S1中，結(jié)合圖2所示的列車N節(jié)車廂縱向運動的受力分析圖，相鄰兩節(jié)車廂中， 前車廂給后車廂的車鉤力Φ (ε)為：
[0083] Φ (ε) = ke = k(xi(t)~Xi-i(t)) (1)
[0084] 其中，k是連接相鄰兩節(jié)車廂的車鉤的彈性系數(shù)，k>0;e是相鄰兩節(jié)車廂的相對位 移;〖6[0，!'/]，1' /是列車的運行時間^1(〇是列車第1節(jié)車廂從0至切寸刻的實際位移，1 = 1，2，.·_，n〇
[0085] 列車縱向運動的動力方程為：
[0086]
[0087]其中，nu是列車第i節(jié)車廂的實際質(zhì)量；j,⑴是列車第i節(jié)車廂t時刻的實際速度， .?,(/):是列車第i節(jié)車廂t時刻的實際加速度;Ui(t)是列車第i節(jié)車廂t時刻的實際控制力， 控制力包括牽引力或制動力；Cci、C4PCa是戴維斯系數(shù)，且均大于0,不同列車的戴維斯系數(shù) 不同，c〇、cv和(^根據(jù)實際的情況取值;隊(1：)=11^8；[11(01(1：))是列車第；[節(jié)車廂1：時刻的斜坡 阻力，g表示重力加速度;θ,α)代表第i節(jié)車廂的坡度角;sin( ·)為正弦函數(shù)；β(0:是t時刻 作用在第i節(jié)車廂上的陣風阻力。
[0088] 步驟S2進一步包括如下子步驟：
[0089] S2.1、設(shè)定列車第i節(jié)車廂期望的位移、速度和加速度分別為<(i)、if(i)和巧(?）， 定義<(/) =之⑴=…= i'.2(〇 =…=乂'，"(〇 = V,，；艾,(，)=γ'·奶= ⑴=〇: .f,U) 是列車第i節(jié)車廂〇至t時刻的實際位移Xl(t)與期望位移:<(〇之間的誤差，即 患(?)二.τ,.⑴- 克⑴是列車第i節(jié)車廂t時亥IJ的實際速度i,⑴與期望速度舁⑴之間的 誤差，即先(〇 =木(〇-i;(/);戈(?)是列車第i節(jié)車廂t時刻的實際加速度戈(?)與期望加速度 岑⑴之間的誤差，即?,〇.?,(〇-.可(〇;Vq>〇是期望速度的值，是根據(jù)不同的要求設(shè)定的 值;結(jié)合上述列車縱向運動動力方程，得到列車各車廂期望的控制力如下：
[0090]
(3)
[0091 ]其中，<(〇是期望的控制力；<(〇是在期望的位置上列車第i節(jié)車廂所受的坡度 阻力。
[0092] S2.2、定義;7,(/) = 〃,(/)-〃;_(0,4⑴是列車第i節(jié)車廂t時刻的實際控制力Ui(t)與 期望控制力<(0之間的誤差，將其代入列車縱向運動的動力方程，忽略高階項 ，.⑴)，得到如下列車縱向運動線性空間方程：
[0093]
[0094]
[0097] ""WJ，[0098] 參數(shù)A和B的定義分