高速動車組運行過程ANFIS建模與控制方法研究.pdf

1、中國高鐵在世界交通運輸領(lǐng)域取得了舉世矚目的成績，已成為全球高速鐵路發(fā)展最迅猛的國家之一。但是，在充分肯定我國高鐵全方位趕超成就的同時，也應(yīng)當(dāng)看到，隨著我國高速鐵路運營里程和運營速度的不斷提高，現(xiàn)有的高速動車組人工操縱控制模式難以改善動車組各項運行性能指標(biāo)，因此，我國高鐵迫切需要建設(shè)以安全、正點、舒適、節(jié)能為標(biāo)志的智能化自動駕駛系統(tǒng)。高鐵自動駕駛系統(tǒng)需要解決的首要問題是如何自動調(diào)整動車組控制力來完成高速動車組高速高密度的安全運行。因此，研

2、究高速動車組運行動力學(xué)模型的建立并設(shè)計高效的運行控制策略對我國高鐵技術(shù)創(chuàng)新能力的提高具有重要的現(xiàn)實意義。
　　高速動車組是一個由若干車廂鏈接組成，運行在多個工況下，具有非線性、時變性和環(huán)境不確定性的動力分散式復(fù)雜系統(tǒng)，現(xiàn)有的機理模型難以有效描述其復(fù)雜運行過程。本文針對高速動車組運行的高度非線性，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法建立起運行過程非線性 ANFIS模型，并據(jù)此設(shè)計相應(yīng)的廣義預(yù)測控制器對其運行速度進(jìn)行控制；在此基礎(chǔ)上，針對高速動車組運

3、行環(huán)境的不確定性，提出一種離線建模與在線校正相結(jié)合的動車組 ANFIS建模與運行優(yōu)化控制策略；接著考慮高速動車組運行過程需在多個工況下多次變化的運行特點，提出一種能有效描述動車組牽引、制動及惰行運行的多工況ANFIS模型，并據(jù)此設(shè)計穩(wěn)定有效的速度控制器。最后，針對高速動車組動力分散式結(jié)構(gòu)特點，為避免單質(zhì)點建?？刂频木窒扌?，開展動車組運行過程多質(zhì)點建模與同步跟蹤控制方法研究。并通過采集動車組實際運行數(shù)據(jù)，分析動車組牽引/制動力特性曲線，采

4、用對比實驗來驗證所提方法的有效性。具體研究內(nèi)容如下：
　　針對高速動車組運行在復(fù)雜環(huán)境下的非線性特性，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動 ANFIS建模方法和廣義預(yù)測控制算法開展動車組運行建模與速度控制研究。首先采用減法聚類方法對動車組運行過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，獲得有效 ANFIS模糊規(guī)則數(shù)，然后利用最小二乘方法辨識規(guī)則后件參數(shù)，并運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對模糊模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，獲得最優(yōu) ANFIS模型。據(jù)此，設(shè)計廣義預(yù)測控制器來實現(xiàn)對動車組運行速度的自動控制。所

5、提方法的有效性通過動車組實際運行數(shù)據(jù)得到了驗證。
　　高速動車組運行環(huán)境具有高度不確定性，為避免其運行過程離線建模與控制的局限性，在離線 ANFIS模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種模型在線校正策略并完成動車組運行優(yōu)化控制?；诟咚賱榆嚱M牽引/制動力特性和系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，建立動車組運行過程離線ANFIS模型，并借助動車組實時運行數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波和BP梯度下降算法在線校正ANFIS模型。提出基于ANFIS模型的動車組運行速度控制方法，實現(xiàn)動車組

6、運行優(yōu)化控制?；趯嶋H運行數(shù)據(jù)的對比仿真實驗結(jié)果證明所提方法改善了動車組運行安全性和正點性。
　　針對高速動車組運行過程需在牽引、制動及惰行工況中多次變換的運行特點，為有效描述這一運行特征，考慮動車組不同工況的受力差異性，提出一種新型多工況ANFIS模型?；诖四Ｐ停捎霉r選擇機制，設(shè)計相應(yīng)有效的動車組預(yù)測控制方法對其進(jìn)行高精度運行控制，并對所提運行控制方法的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析證明。以 CRH380AL為對象的實驗對比驗證表明所設(shè)

7、計的動車組多工況建模控制方法較全局建?？刂凭哂幸欢ǖ南冗M(jìn)性。
　　針對高速動車組由多個動車/拖車固定編組而成的動力分散式結(jié)構(gòu)特征，為改善單質(zhì)點動力學(xué)模型難以有效描述動車組這一運行特征的現(xiàn)狀，開展動車組多質(zhì)點建模與同步跟蹤控制方法研究?？紤]車廂之間的車鉤力，建立了動車組運行過程多質(zhì)點-ANFIS模型，提出基于多質(zhì)點-ANFIS模型的動車組運行速度預(yù)測控制方法，給出各車廂牽引/制動力和運行速度同步跟蹤控制策略，并分析證明了該控制系統(tǒng)的