[发明专利]高速列车控制方法及其鲁棒控制器的设计方法

说明书

本发明涉及列车控制领域，具体而言，涉及一种高速列车控制方法及其鲁棒控制器的设计方法。高速列车控制方法包括：采集列车的实时运行状态，所述实时运行状态至少包括当前列车速度及车钩偏移量；计算所述当前列车速度及所述车钩偏移量与目标速度和目标车钩偏移量之间的状态偏差；计算状态反馈控制律；根据所述状态反馈控制律和所述状态偏差，计算各车厢的控制力；以及将所述控制力施加到各所述车厢。本发明所提出的控制方案可以在不牺牲速度跟踪性能的情况下显著提高控制性能，具有重要的现实意义。

技术领域

本发明涉及列车控制领域，具体而言，涉及一种高速列车控制方法及其鲁棒控制器的设计方法。

背景技术

高速列车作为轨道交通运输的重要组成部分，承担着国家经济发展、文化交流和城市建设等方面的重大发展战略。作为中国铁路旅客运输的主要方式，到目前为止，已有超过90亿人次的旅客经由高速列车输送到大江南北。快速、安全已经成为它的标志。但是，随着高速列车运行速度的不断提高，运行环境的复杂多变，列车系统动态环境显著恶化，这对高速列车的安全、稳定运行产生了巨大威胁。因此，保证高速列车安全、高效运行具有重要的意义。

目前，国内外对于列车的运行控制做了许多的研究。例如CN108791367A和CN103879414A等证明了最优的列车操纵序列由最大加速度、巡航、滑行和最大制动四个阶段组成，并对此做出调整，使之适应变化的轨道梯度和不同的速度限制。

发明内容

上述所提到的CN108791367A和CN103879414A等将整个列车视为一个单一质量的物体。然而，实际上，对于高速列车来说，各车厢是通过弹簧-阻尼机构连接在一起的，车厢在速度、位移、姿态、振动特性等方面有各自不同的微观表现形式，这些微观效应将会演变为影响运行安全的重要因素。

为了更加准确地描述高速列车的动力学过程以及运行过程中各车厢的耦合效应，需要把高速列车视为一个多质点弹簧系统，并把空气动力、牵引力、其他外界约束力等效地分配到各节车厢，建立多质点重载列车动力学模型(高速列车动力学模型)，更加准确地揭示运动过程中各车厢间的作用力和运动状态的耦合效应对列车运行安全的影响。相比单质点模型，多质点模型明确了列车间的相互作用力，全面地反映列车不同情况下纵向运动的变化规律，在描述列车动态行为上更贴近实际情况，适用性更强。因此，本专利是基于多质点模型来设计列车分布式控制器。该控制器是以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器，是控制器的一种，也称作鲁棒控制器。

同时，随着轨道交通的快速发展，基于无线通信的列车运行控制技术也越来越得到城际、高铁乃至重载铁路的关注与认可，它采用计算机技术、通信技术、网络技术和控制技术实现智能化综合列车运行控制的高度集成与协同，实现列车间的最短距离追踪。基于无线通信的列控系统(CTCS，即Chinese Train Control System)的原理图如图1所示。在图1中，CTC表示调度集中控制系统(Centralized Traffic Control)，RBC表示无线闭塞中心(Radio Block Center)。

在基于无线通信的列控系统中，轨旁定向天线与车载天线之间，通过无线基站蜂窝网进行信息交换。采用重叠方式布置无线蜂窝网，以保证信息的不间断交换。在既有高速铁路列控系统中，车地通信系统通常采用GSM-R进行通信，车地之间的通信不可避免地会出现丢包现象，而数据丢包会对控制器的稳定性和性能造成不利的影响。此外，高速列车在运行过程中不可避免地受到外部干扰的影响，而现有的控制器并未考虑到外部干扰和系统丢包的问题。

为了解决上述问题，保证列车运行的安全、平稳地运行，本发明采用多质点动力学模型作为高速列车动力学模型，考虑了上行和下行无线通信中的丢包问题，分析了丢包对高速列车运行稳定性和性能的影响，设计了基于作为反馈控制的一种方式的状态反馈控制律的鲁棒最优预测控制策略，以保证列车运动的鲁棒随机稳定性。本发明所提出的控制方案可以在不牺牲速度跟踪性能的情况下显著提高控制性能，具有重要的现实意义。

本发明提供一种列车控制方法，所述方法包括：