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基于控制器匹配的高速列车广义预测控制方法
资料介绍
针对普通广义预测控制器在列车控制过程中不能修改控制器参数,以至列车运行中遇到未知干扰时影响控制精度和稳定性.本文采用基于控制器匹配的广义预测控制调优方法,以达到经过调优的GPC与H∞ 输出反馈控制器(最优控制器)具有相同的控制效果,并获取GPC调优参数,实现高速列车速度跟踪运行过程的自动控制.该控制器通过最优控制器控制律的函数获得GPC增益,使GPC与最优控制器匹配;在获得GPC增益的基础上,将目标函数转化为凸优化问题,求得GPC的调优参数;GPC自适应建模参数与H∞ 控制器模型匹配,避免模型参数失配,保证控制器模型的稳定性.仿真实验结果表明GPC和H∞ 控制器能够较好地匹配,且基于控制器匹配的高速列车广义预测控制系统具有较好的速度和位移跟踪性能.
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（完整内容请下载后查看）第
卷第
期
铁
道
学
报
40 9
Vol.40 No.9
Se tember 2018
年
月
2018 9
JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETY
p
:
( )
文章编号
1001-8360 2018 09-0082-08
基于控制器匹配的高速列车广义预测控制方法
,
李中奇1 丁俊英1 3 杨 辉1 刘 江2
,
,
,
(
1.
,
;
,
;
100044
华东交通大学 电气与自动化工程学院 江西 南昌
北京交通大学 电子信息工程学院 北京
330013 2.
,
)
473000
中国铁路郑州局集团有限公司 南阳车务段 河南 南阳
3.
: ,
要 针对普通广义预测控制器在列车控制过程中不能修改控制器参数 以至列车运行中遇到未知干扰时影
摘
。
,
响控制精度和稳定性 本文采用基于控制器匹配的广义预测控制调优方法 以达到经过调优的
与
输出
GPC H
∞
(
)
,
,
反馈控制器 最优控制器 具有相同的控制效果 并获取
调优参数 实现高速列车速度跟踪运行过程的自动
GPC
。
,
增益 使
;
控制 该控制器通过最优控制器控制律的函数获得
与最优控制器匹配 在获得
增益的
GPC
GPC
GPC
,
,
;
GPC
,
基础上 将目标函数转化为凸优化问题 求得
的调优参数
GPC
自适应建模参数与
控制器模型匹配 避
H
∞
,
。
,
控制器能够较好地匹配 且基于控
GPC H
免模型参数失配 保证控制器模型的稳定性 仿真实验结果表明
和
∞
。
制器匹配的高速列车广义预测控制系统具有较好的速度和位移跟踪性能
:
;
;
;
;
关键词 高速列车 广义预测控制 控制器匹配 参数调优 速度跟踪
:
U284
:
文献标志码
A doi 10.3969 .issn.1001-8360.2018.09.012
:
/
中图分类号
j
Generalized Predictive Control Tunin for Hi h-s eed Train
g p
g
Based on Controller Matchin Method
g
,
1
1 3
1
2
g
,
,
,
LIZhon i DINGJunin YANGHui LIUJian
gq y g
(
,
,
, ;
1.SchoolofElectricalandAutomationEnineerin EastChinaJiaoton Universit Nanchan 330013 China
g
g
g
y
g
,
,
, ;
2.SchoolofElectronicandInformationEnineerin Beiin Jiaoton Universit Beiin 100044 China
g
g j g y j g
g
,
, ,
, )
3.Nanan Railwa TrainO erationDe otChinaRailwa ZhenzhouBureauGrou Co.Ltd. Nanan 473000 China
y g y g y g
y
p
p
p
:
( )
Abstract Ordinar eneralized redictivecontroller GPC cannotmodif thecontroller arametersada tivel
yg p y
p
y
p
,
inthetraincontrol rocess whichaffectsthecontrolaccurac andstabilit whentheunknowndisturbanceoc-
p
y
y
cursdurin thetraino eration.This a erado teda eneralized redictivecontroltunin methodbasedoncon-
pp p g
g
p
p
g
,
trollermatchin tomodif theGPC arameters soastoachievethesamecontroleffectbetweenthewel-ltuned
g
y
p
(
),
GPCandH
∞
out utfeedbackcontroller o timalcontroller whichrealizestheautomaticcontrolofhi h-s eed
p
p
g p
,
train.First theGPCcontroller ainwasobtainedthrou hthecontrollawfunctionoftheo timalcontrollerto
g
g
p
,
matchtheGPCwiththeo timalcontroller.Thenbasedonthecontroller ain theobectivefunctionofGPC
p
g
j
,
canbeconvertedtoaconvexo timization roblemtoobtainthetunin arametersoftheGPC.Inaddition the
gp
p
p
GPCada tivemodelin arametersmatchedtheH controllermodeltoavoidthemismatchofmodel arame-
∞
p
gp p
tersandtoensurethestabilit oftheGPC.ThesimulationresultsshowthattheGPCcanmatchwellwiththe
y
H
∞
controllerandhasa oodtrackin erformanceins eedanddis lacementforcontrollin hi h-s eedtrain.
gp g g p
g
p
p
:
; ;
;
;
Ke words hi h-s eedtrain GPC controllermatchin arametertunin s eedtrackin
g p g p g p
g
y
[ ]
1-2
、
,
。
针对高
高速列车根据实际的线路条件 车辆性能和目标
要求 这是高速列车自动驾驶算法的核心
,
/ ,
, []
3
速度要求 实时调节牵引 制动力 从而达到控制目标
速列车自动驾驶算法 文献 采用基于牵引计算的机
,
理模型描述高速列车的运行过程 达到了一定的控制
:
;
:
修回日期
2017-06-15
收稿日期
2017-02-08
,
效果 但机理模型无法准确描述高速列车在高速运行
:
(
,
,
,
基金项 目 国 家 自 然 科 学 基 金
51565012 U1334211 61673172
61663013
( —), , , , 。
男 黑龙江哈尔滨人 教授 博士
)
。 []
时的非线性动态 文献 针对高速列车运行时受坡
4
:
作者简介 李中奇
1975
E-mail lz0828@163.com
:
q
万方数据
、
、
,
道大小 摩擦系数变化 阵风等条件影响时 列车动力
:
李中奇等 基于控制器匹配的高速列车广义预测控制方法
第
期
9
83
,
;
加速度系数
u
( / ); 、
为 单 位 控 制 力 牵 引 力 制 动 力
学模型参数时变的特点 采用模型系数在线更新策略
α0
。 [] 、
;
为基本阻力系数 通常由经验公式得到
w
。
由
的模型预测控制算法对高速列车进行控制 文献
5
α1 α2
( )
提出基于双线性模型的高速列车运行过程预测控制方
式
得高速列车运行速度的数学模型为
1
,
,
法 为保障预测模型精度和算法实时性 仅当高速列车
dy
2
( )
cα
cα
cα
cu
=
y
2
+
+
+
0
1
y
2
dt
( )
运行特性和环境变化等因素导致速度跟踪误差超出给
,
式
描述的是高速列车的力学关系 其中
是
u
2
,
定阈值时 采用即时学习策略在线调整模型参数和预
,
、、
缺少有效的计算方
可测量的 但由于 中的
w
α0 α1 α2
,
。 []
6
测控制算法 实现高速列车运行控制 文献 针对高
[]
4
,
,
法 且其在列车运行过程中参数时变
导致列车运行
,
速列车的速度跟踪误差 为了使速度能在规定时间内
。 ,
过程的动力学模型参数时变 因此 为了更好地体现
,
,
重新满足误差跟踪精度 设计了自适应鲁棒控制器 控
,
高速 列 车 的 运 行 性 能 需 寻 找 适 合 于 列 车 运 行 参 数
,
制器可以在线估计模型参数 并在生成控制律的过程
(, ,)
,
的辨识措施 设计更有效的控制器控制高
α0 α1 α2
。 []
中考虑输入和输出饱和 文献 针对高速列车运行
7
。
速列车运行
,
阻力中存在的未知参数 设计了基于
技
Back-ste in
pp g
,
术的自适应控制器 用于实现高速列车的牵引或停车
。 []
高速列车广义预测控制器设计
2
,
控制 以获得较高的位移和速度追踪精度 文献
针
8
,
对高速列车运行过程的非线性特点 提出了多模型预
,
当列车运行过程动力学模型参数发生改变时 传
,
测控制算法 虽然可以部分解决列车运行过程的建模
统
控制器采用固定调优参数的控制方法难以取
GPC
,
问题 但在列车高速运行时如何在线平稳切换模型仍
。
得较好的控制效果 为此本文设计了一种改进型的广
,
缺乏有效策略 且该方法在列车运行初始阶段有较大
,
义预测控制器 控制器可以根据列车运行过程的输入
。 []
的跟踪误差 文献 采用双自适应广义预测控制方
9
,
和输出数据重新自动建模 并通过控制器匹配对
GPC
,
,
法 通过实时修改控制器加权参数 实现对高速列车运
,
。
控制器参数进行调优 即基于控制器匹配的
图
根
GPC
,
行过程的速度跟踪控制 提高了列车启动和停车工况
。
系统结构
是高速列车基于控制器匹配的
1
GPC
。
的控制精度
普通广义预测控制器在列车控制过程中不能修改
、
,
据当前 过去时刻的输入数据和输出数据
控制
GPC
控制器通过与 控制器
H
。
器自适应模型参数
GPC
∞
,
控制器参数 以至列车运行中遇到未知干扰时影响控
,
,
在每个采样时刻匹配 获得其增益和调优参数 实时计
。
制精度和稳定性 基于控制器匹配的广义预测控制方
,
算下一时刻的控制力 从而实现高速列车对给定运行
]
法[
可以有效处理高速列车控制过程中所涉及的未
。 , []
的基础上 采用控制器匹配的广义预测控制方法对高
10-11
。
速度的跟踪
、
知干扰 参数时变等复杂动态 因此 本文在文献
9
,
。
速列车进行速度跟踪控制 算法根据广义预测控制
,
,
输出反馈控制器 作 为 最 优 控 制 器
器 给定一个
H
∞
,
令广义预测控制器与最优控制器匹配 得到广义预测
图
基于控制器匹配的高速列车
结构
GPC
1
,
,
控制器增益 进而在得到控制器增益基础上 获得广义
。
预测控制器的调优参数 由于采 用
控 制 器 作 为
H
∞
:
该控制器设计主要分两部分 第一部分根据
GPC
,
控制器的最优匹配控制器 本文结合
控制器
GPC
H
∞
,
的传递函数控制律推导 用
与最优控制器传递
GPG
,
和
控制器的优点 可以避免单一
控制器引起
H
GPC
∞
,
函数控制律各自系数列出方程式 满足
与
输
GPC H
∞
,
,
的模型参数失配 减小反馈增益的误差 以达到更优的
,
;
增益 第二部分
出反馈控制器匹配条件时 获取
GPC
。
控制效果
,
,
由目标函数和约束条件 经过转化为凸优化问题 获得
。
调优参数和加权系数
高速列车运行的机理模型
1
单一 控制器在控制过程中只修改模型参数
GPC
而不修改控制器参数 通过参数辨识的模型参数和自
采用单质点模型[] 列车运行纵向动力学模型为
9
,
,
;
适应建模参数容易出现模型失配 单一
控制器能
ìdy
H
∞
ç
c
=
f
çdt
ç
( , )
够控制系统在一定 结构 大小 的参数扰动下维持控
( )
1
í
u
-
w
=
f
,
。
ç
制性能 以弥补
控制器的不足 虽然
控制器
H
∞
GPC
ç
万方数据
2
îw
α
0
α
1
α
+
y y
=
+
2
、
,
存在工作状况变动 外部干扰以及建模误差 在实际控
:
y
;
f
;
为列车所受的单位合力 为
c
式中
为运行速度
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