一種城市軌道列車的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種城市軌道列車的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法及系統(tǒng)，包括以下步驟：將預(yù)先設(shè)定的速度軌跡中的所有速度值依次作為輸入模糊控制器的被控速度的目標(biāo)值；確定模糊控制器的輸入語言變量的論域、輸入語言變量的模糊集及輸出變量的論域；創(chuàng)建關(guān)于輸出變量的模糊規(guī)則表；利用模糊控制器的輸出變量修正PID控制器的輸入?yún)?shù)；利用PID控制器的輸出參數(shù)調(diào)整實(shí)時(shí)采集的城市軌道列車的當(dāng)前速度信息，得到調(diào)整后的速度信息；控制城市軌道列車按照調(diào)整后的速度信息行駛。本發(fā)明控制過程更精細(xì)，提高了適應(yīng)性和魯棒性，推理過程快捷，不需要大量復(fù)雜的計(jì)算，對(duì)硬件的要求較小。
【專利說明】一種城市軌道列車的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于城市軌道交通的自動(dòng)控制方法，特別涉及一種城市軌道列車的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法和系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，城市規(guī)模越來越大，城市人口不斷增多，現(xiàn)有的城市交通網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足城市發(fā)展的要求。我國(guó)迫切需要自主建設(shè)高效率軌道交通系統(tǒng)以緩解日益嚴(yán)峻的城市交通問題。而如何增加列車的運(yùn)輸密度、提高列車行車速度、改善列車運(yùn)行質(zhì)量，一直是我國(guó)鐵路行業(yè)發(fā)展所面臨的重要難題。對(duì)于上述軌道交通的要求來說，采用先進(jìn)的列車自動(dòng)控制(ATC,Automatic Train Control)技術(shù)對(duì)于軌道交通的全面發(fā)展是至關(guān)重要的。
[0003]列車自動(dòng)控制系統(tǒng)一般包括三個(gè)子系統(tǒng):列車自動(dòng)監(jiān)控(ATS，Automatic TrainSupervis1n)系統(tǒng)、列車自動(dòng)防護(hù)(ATP, Automatic Train Protect1n)系統(tǒng)以及列車自動(dòng)駕駛(ΑΤ0, Automatic Train operat1n)系統(tǒng)。
[0004]ATS子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行的監(jiān)督和控制，輔助行車調(diào)度人員對(duì)全線列車運(yùn)行進(jìn)行管理，ATP子系統(tǒng)則根據(jù)地面?zhèn)鬟f的信息計(jì)算出列車運(yùn)行的允許安全速度，保證列車間隔，實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)。ATO子系統(tǒng)根據(jù)ATS提供的信息，在ATP正常工作的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)駕駛，提高舒適度、降低能耗、減少磨損。其中，ATO系統(tǒng)最為重要。它負(fù)責(zé)在無人駕駛的情況下，依據(jù)自身的運(yùn)行特點(diǎn)及當(dāng)前線路狀況等外界信息自動(dòng)選擇合理的運(yùn)行方式和運(yùn)動(dòng)軌跡，并在規(guī)定條件下自動(dòng)完成行車任務(wù)，并達(dá)到準(zhǔn)時(shí)性、舒適性、高效性、定點(diǎn)停車等性能指標(biāo)。
[0005]因此對(duì)于ATO系統(tǒng)來說，要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，關(guān)鍵是對(duì)控制算法的優(yōu)化，給出最優(yōu)控制力來控制列車的運(yùn)行。對(duì)ATO系統(tǒng)的控制算法來說，首先是要根據(jù)已知信息得到優(yōu)化的速度距離曲線，它綜合體現(xiàn)了舒適性、準(zhǔn)時(shí)性、節(jié)能等性能指標(biāo)，同時(shí)也是進(jìn)行列車駕駛控制的依據(jù)。其次是要根據(jù)控制算法給出合力值使列車沿最優(yōu)運(yùn)行曲線運(yùn)行。
[0006]列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)受到列車機(jī)械結(jié)構(gòu)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和ATP所提出的速度要求的影響，基于傳統(tǒng)控制理論的PID控制器已不能適應(yīng)列車運(yùn)行參數(shù)的非線性和時(shí)變性，很難反映真實(shí)情況，從而使速度控制的平滑性受到破壞，牽引和制動(dòng)頻繁切換影響了系統(tǒng)舒適性的要求，同時(shí)也影響了列車的高效運(yùn)行和停車精度。而速度軌跡的選擇對(duì)于軌道列車運(yùn)行時(shí)間也有著至關(guān)重要的影響。
[0007]因此，設(shè)計(jì)一套能根據(jù)ATP限制速度時(shí)刻更新快速運(yùn)行軌跡和采用智能控制算法的速度跟蹤的自動(dòng)控制系統(tǒng)和能應(yīng)用該算法的硬件系統(tǒng)十分必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種包括速度軌跡的實(shí)時(shí)計(jì)算和基于模糊控制的參數(shù)自整定PID速度跟蹤算法的城市軌道列車的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法和系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種城市軌道列車的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法，包括以下步驟:
[0010]步驟1:預(yù)先設(shè)定城市軌道列車在不同運(yùn)行區(qū)間的速度軌跡，并將速度軌跡中的所有速度值依次作為輸入模糊控制器的被控速度的目標(biāo)值；
[0011]步驟2:根據(jù)模糊控制器的輸入語言變量，確定輸入語言變量的論域、輸入語言變量的模糊集及輸出變量的論域，所述輸入語言變量包括偏差值及偏差變化率；
[0012]步驟3:根據(jù)輸入語言變量的論域及輸入語言變量的模糊集創(chuàng)建關(guān)于輸出變量的模糊規(guī)則表；
[0013]步驟4:根據(jù)模糊控制器的被控速度的目標(biāo)值、模糊規(guī)則表及模糊控制器的輸出變量的論域得到模糊控制器的輸出變量，利用模糊控制器的輸出變量修正PID控制器的輸入?yún)?shù)，得到PID控制器的輸出參數(shù)；
[0014]步驟5:利用PID控制器的輸出參數(shù)調(diào)整實(shí)時(shí)采集的城市軌道列車的當(dāng)前速度信息，得到調(diào)整后的速度信息；
[0015]步驟6:控制城市軌道列車按照調(diào)整后的速度信息行駛。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:1)能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算列車行駛的速度軌跡，使得被控量目標(biāo)值能夠連續(xù)的給出，控制過程更精細(xì)；2)當(dāng)給定一個(gè)目標(biāo)值時(shí)，采用模糊和PID結(jié)合的算法，相對(duì)傳統(tǒng)控制一定程度上彌補(bǔ)了各自的不足，提高了適應(yīng)性和魯棒性；3)采用模糊PID參數(shù)自整定方法，一定程度上合理分配比例、積分、微分參數(shù)大小，推理過程快捷，不需要大量復(fù)雜的計(jì)算，對(duì)硬件的要求較??；4)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)架構(gòu)，以TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器為核心，能夠快速有效地實(shí)現(xiàn)上述算法，并且具有控制精度高、硬件簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低的特點(diǎn)。
[0017]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0018]進(jìn)一步，所述預(yù)先設(shè)定城市軌道列車在不同運(yùn)行區(qū)間的速度軌跡，具體為:
[0019]在發(fā)車運(yùn)行區(qū)間,使用城市軌道列車的最大加速度達(dá)到區(qū)間墮行速度；
[0020]在勻速運(yùn)行區(qū)間，使用區(qū)間墮行速度勻速行駛；
[0021]在制動(dòng)區(qū)間，根據(jù)當(dāng)前行駛時(shí)間、速度、當(dāng)前行駛過的里程和站間總距離，確定制動(dòng)時(shí)間和減速度。
[0022]進(jìn)一步，在所述發(fā)車運(yùn)行區(qū)間，所述最大加速度為列車最大牽引加速度和該路段最大限制速度二者中的最小值。
[0023]進(jìn)一步，在所述勻速運(yùn)行區(qū)間，當(dāng)收到列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)發(fā)送的限速指令時(shí)，則控制城市軌道列車按照限定的速度行駛。
[0024]進(jìn)一步，當(dāng)城市軌道列車從低限定速度到高限定速度的加速過程時(shí)，采用最大加速度加速；當(dāng)城市軌道列車從高限定速度到低限定速度的加速過程時(shí)，采用最大制動(dòng)力減速。
[0025]進(jìn)一步，在所述制動(dòng)區(qū)間，采用以下公式計(jì)算制動(dòng)時(shí)間t2:
[0026]
S-S1-1vlT^
t =-“-
2I


Vt-Vl

[2 1
[0027]其中，T為站間總行駛時(shí)間，tl為當(dāng)前行駛時(shí)間，Vt為當(dāng)前的行駛速度，Si為當(dāng)前行駛過的里程，S為站間總距離。
[0028]進(jìn)一步，所述模糊控制器采用Mamdani型推理算法，反模糊采用重心法。
[0029]進(jìn)一步，一種城市軌道列車的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制系統(tǒng)，包括設(shè)定模塊，確定論域模塊，創(chuàng)建模塊，修正模塊，調(diào)整模塊和控制模塊；
[0030]所述設(shè)定模塊，用于預(yù)先設(shè)定城市軌道列車在不同運(yùn)行區(qū)間的速度軌跡，并將速度軌跡中的所有速度值依次作為輸入模糊控制器的被控速度的目標(biāo)值；
[0031]所述確定論域模塊，用于根據(jù)模糊控制器的輸入語言變量，確定輸入語言變量的論域、輸入語言變量的模糊集及輸出變量的論域，所述輸入語言變量包括偏差值及偏差變化率；
[0032]所述創(chuàng)建模塊，用于根據(jù)輸入語言變量的論域及輸入語言變量的模糊集創(chuàng)建關(guān)于輸出變量的模糊規(guī)則表；
[0033]所述修正模塊，用于根據(jù)模糊控制器的被控速度的目標(biāo)值、模糊規(guī)則表及模糊控制器的輸出變量的論域得到模糊控制器的輸出變量，利用模糊控制器的輸出變量修正PID控制器的輸入?yún)?shù)，得到PID控制器的輸出參數(shù)；
[0034]所述調(diào)整模塊，用于利用PID控制器的輸出參數(shù)調(diào)整實(shí)時(shí)采集的城市軌道列車的當(dāng)前速度信息，得到調(diào)整后的速度信息；
[0035]所述控制模塊，控制城市軌道列車按照調(diào)整后的速度信息行駛。
[0036]進(jìn)一步，設(shè)定模塊預(yù)設(shè)城市軌道列車在不同運(yùn)行區(qū)間的速度軌跡，具體為:
[0037]在發(fā)車運(yùn)行區(qū)間,使用城市軌道列車的最大加速度達(dá)到區(qū)間墮行速度；
[0038]在勻速運(yùn)行區(qū)間，使用區(qū)間墮行速度勻速行駛；
[0039]在制動(dòng)區(qū)間，根據(jù)當(dāng)前行駛時(shí)間、速度、當(dāng)前行駛過的里程和站間總距離，確定制動(dòng)時(shí)間和減速度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1為本發(fā)明方法步驟流程圖；
[0041]圖2為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0042]圖3為本發(fā)明模糊參數(shù)自整定PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0043]附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下:
[0044]1、設(shè)定模塊，2、確定論域模塊，3、創(chuàng)建模塊，4、修正模塊，5、調(diào)整模塊，6、控制模塊。

【具體實(shí)施方式】
[0045]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0046]如圖1所示，為本發(fā)明方法步驟流程圖；圖2為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖3為本發(fā)明模糊參數(shù)自整定PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0047]實(shí)施例1
[0048]一種城市軌道列車的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法，包括以下步驟:
[0049]步驟1:預(yù)先設(shè)定城市軌道列車在不同運(yùn)行區(qū)間的速度軌跡，并將速度軌跡中的所有速度值依次作為輸入模糊控制器的被控速度的目標(biāo)值；
[0050]步驟2:根據(jù)模糊控制器的輸入語言變量，確定輸入語言變量的論域、輸入語言變量的模糊集及輸出變量的論域，所述輸入語言變量包括偏差值及偏差變化率；
[0051]步驟3:根據(jù)輸入語言變量的論域及輸入語言變量的模糊集創(chuàng)建關(guān)于輸出變量的模糊規(guī)則表；
[0052]步驟4:根據(jù)模糊控制器的被控速度的目標(biāo)值、模糊規(guī)則表及模糊控制器的輸出變量的論域得到模糊控制器的輸出變量，利用模糊控制器的輸出變量修正PID控制器的輸入?yún)?shù)，得到PID控制器的輸出參數(shù)；
[0053]步驟5:利用PID控制器的輸出參數(shù)調(diào)整實(shí)時(shí)采集的城市軌道列車的當(dāng)前速度信息，得到調(diào)整后的速度信息；
[0054]步驟6:控制城市軌道列車按照調(diào)整后的速度信息行駛。
[0055]所述預(yù)先設(shè)定城市軌道列車在不同運(yùn)行區(qū)間的速度軌跡，具體為:
[0056]在發(fā)車運(yùn)行區(qū)間,使用城市軌道列車的最大加速度達(dá)到區(qū)間墮行速度；
[0057]在勻速運(yùn)行區(qū)間，使用區(qū)間墮行速度勻速行駛；
[0058]在制動(dòng)區(qū)間，根據(jù)當(dāng)前行駛時(shí)間、速度、當(dāng)前行駛過的里程和站間總距離，確定制動(dòng)時(shí)間和減速度。
[0059]在所述發(fā)車運(yùn)行區(qū)間,所述最大加速度為列車最大牽引加速度和該路段最大限制速度二者中的最小值。
[0060]在所述勻速運(yùn)行區(qū)間，當(dāng)收到列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)發(fā)送的限速指令時(shí)，則控制城市軌道列車按照限定的速度行駛。
[0061]當(dāng)城市軌道列車從低限定速度到高限定速度的加速過程時(shí)，采用最大加速度加速；當(dāng)城市軌道列車從高限定速度到低限定速度的加速過程時(shí)，采用最大制動(dòng)力減速。
[0062]在所述制動(dòng)區(qū)間，采用以下公式計(jì)算制動(dòng)時(shí)間t2:
[0063]

【權(quán)利要求】
1.一種城市軌道列車的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:預(yù)先設(shè)定城市軌道列車在不同運(yùn)行區(qū)間的速度軌跡，并將速度軌跡中的所有速度值依次作為輸入模糊控制器的被控速度的目標(biāo)值； 步驟2:根據(jù)模糊控制器的輸入語言變量，確定輸入語言變量的論域、輸入語言變量的模糊集及輸出變量的論域，所述輸入語言變量包括偏差值及偏差變化率； 步驟3:根據(jù)輸入語言變量的論域及輸入語言變量的模糊集創(chuàng)建關(guān)于輸出變量的模糊規(guī)則表； 步驟4:根據(jù)模糊控制器的被控速度的目標(biāo)值、模糊規(guī)則表及模糊控制器的輸出變量的論域得到模糊控制器的輸出變量，利用模糊控制器的輸出變量修正PID控制器的輸入?yún)?shù)，得到PID控制器的輸出參數(shù)； 步驟5:利用PID控制器的輸出參數(shù)調(diào)整實(shí)時(shí)采集的城市軌道列車的當(dāng)前速度信息，得到調(diào)整后的速度信息； 步驟6:控制城市軌道列車按照調(diào)整后的速度信息行駛。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法，其特征在于，所述預(yù)先設(shè)定城市軌道列車在不同運(yùn)行區(qū)間的速度軌跡，具體為: 在發(fā)車運(yùn)行區(qū)間，使用城市軌道列車的最大加速度達(dá)到區(qū)間墮行速度； 在勻速運(yùn)行區(qū)間，使用區(qū)間墮行速度勻速行駛； 在制動(dòng)區(qū)間，根據(jù)當(dāng)前行駛時(shí)間、速度、當(dāng)前行駛過的里程和站間總距離，確定制動(dòng)時(shí)間和減速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法，其特征在于:在所述發(fā)車運(yùn)行區(qū)間，所述最大加速度為列車最大牽引加速度和該路段最大限制速度二者中的最小值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法，其特征在于:在所述勻速運(yùn)行區(qū)間，當(dāng)收到列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)發(fā)送的限速指令時(shí)，則控制城市軌道列車按照限定的速度行駛。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法，其特征在于:當(dāng)城市軌道列車從低限定速度到高限定速度的加速過程時(shí)，采用最大加速度加速；當(dāng)城市軌道列車從高限定速度到低限定速度的加速過程時(shí)，采用最大制動(dòng)力減速。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法，其特征在于:在所述制動(dòng)區(qū)間，采用以下公式計(jì)算制動(dòng)時(shí)間t2:
其中，T為站間總行駛時(shí)間，tl為當(dāng)前行駛時(shí)間，Vt為當(dāng)前的行駛速度，Si為當(dāng)前行駛過的里程，S為站間總距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一所述的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制方法，其特征在于:所述模糊控制器采用Mamdani型推理算法，反模糊采用重心法。
8.一種城市軌道列車的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制系統(tǒng)，其特征在于:包括設(shè)定模塊(1)，確定論域模塊(2)，創(chuàng)建模塊(3)，修正模塊(4)，調(diào)整模塊(5)和控制模塊(6)； 所述設(shè)定模塊(I)，用于預(yù)先設(shè)定城市軌道列車在不同運(yùn)行區(qū)間的速度軌跡，并將速度軌跡中的所有速度值依次作為輸入模糊控制器的被控速度的目標(biāo)值； 所述確定論域模塊(2)，用于根據(jù)模糊控制器的輸入語言變量，確定輸入語言變量的論域、輸入語言變量的模糊集及輸出變量的論域，所述輸入語言變量包括偏差值及偏差變化率； 所述創(chuàng)建模塊(3)，用于根據(jù)輸入語言變量的論域及輸入語言變量的模糊集創(chuàng)建關(guān)于輸出變量的模糊規(guī)則表； 所述修正模塊(4)，用于根據(jù)模糊控制器的被控速度的目標(biāo)值、模糊規(guī)則表及模糊控制器的輸出變量的論域得到模糊控制器的輸出變量，利用模糊控制器的輸出變量修正PID控制器的輸入?yún)?shù)，得到PID控制器的輸出參數(shù)； 所述調(diào)整模塊(5)，用于利用PID控制器的輸出參數(shù)調(diào)整實(shí)時(shí)采集的城市軌道列車的當(dāng)前速度信息，得到調(diào)整后的速度信息； 所述控制模塊￠)，控制城市軌道列車按照調(diào)整后的速度信息行駛。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的城市軌道列車的實(shí)時(shí)速度跟蹤控制系統(tǒng)，其特征在于:設(shè)定模塊(I)預(yù)設(shè)城市軌道列車在不同運(yùn)行區(qū)間的速度軌跡，具體為: 在發(fā)車運(yùn)行區(qū)間，使用城市軌道列車的最大加速度達(dá)到區(qū)間墮行速度； 在勻速運(yùn)行區(qū)間，使用區(qū)間墮行速度勻速行駛； 在制動(dòng)區(qū)間，根據(jù)當(dāng)前行駛時(shí)間、速度、當(dāng)前行駛過的里程和站間總距離，確定制動(dòng)時(shí)間和減速度。
【文檔編號(hào)】G05B19/042GK104199362SQ201410453755
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】張波, 林道松 申請(qǐng)人:上虞安卡拖車配件有限公司, 林道松