一种城市轨道列车的实时速度跟踪控制方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种城市轨道列车的实时速度跟踪控制方法及系统，包括以下步骤：将预先设定的速度轨迹中的所有速度值依次作为输入模糊控制器的被控速度的目标值；确定模糊控制器的输入语言变量的论域、输入语言变量的模糊集及输出变量的论域；创建关于输出变量的模糊规则表；利用模糊控制器的输出变量修正PID控制器的输入参数；利用PID控制器的输出参数调整实时采集的城市轨道列车的当前速度信息，得到调整后的速度信息；控制城市轨道列车按照调整后的速度信息行驶。本发明控制过程更精细，提高了适应性和鲁棒性，推理过程快捷，不需要大量复杂的计算，对硬件的要求较小。
【专利说明】一种城市轨道列车的实时速度跟踪控制方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于城市轨道交通的自动控制方法，特别涉及一种城市轨道列车的实时速度跟踪控制方法和系统。
【背景技术】
[0002]随着我国城市化进程的不断加快，城市规模越来越大，城市人口不断增多，现有的城市交通网络已经难以满足城市发展的要求。我国迫切需要自主建设高效率轨道交通系统以缓解日益严峻的城市交通问题。而如何增加列车的运输密度、提高列车行车速度、改善列车运行质量，一直是我国铁路行业发展所面临的重要难题。对于上述轨道交通的要求来说，采用先进的列车自动控制(ATC,Automatic Train Control)技术对于轨道交通的全面发展是至关重要的。
[0003]列车自动控制系统一般包括三个子系统:列车自动监控(ATS，Automatic TrainSupervis1n)系统、列车自动防护(ATP, Automatic Train Protect1n)系统以及列车自动驾驶(ΑΤ0, Automatic Train operat1n)系统。
[0004]ATS子系统可以实现对列车运行的监督和控制，辅助行车调度人员对全线列车运行进行管理，ATP子系统则根据地面传递的信息计算出列车运行的允许安全速度，保证列车间隔，实现超速防护。ATO子系统根据ATS提供的信息，在ATP正常工作的基础上，实现最优驾驶，提高舒适度、降低能耗、减少磨损。其中，ATO系统最为重要。它负责在无人驾驶的情况下，依据自身的运行特点及当前线路状况等外界信息自动选择合理的运行方式和运动轨迹，并在规定条件下自动完成行车任务，并达到准时性、舒适性、高效性、定点停车等性能指标。
[0005]因此对于ATO系统来说，要实现上述目标，关键是对控制算法的优化，给出最优控制力来控制列车的运行。对ATO系统的控制算法来说，首先是要根据已知信息得到优化的速度距离曲线，它综合体现了舒适性、准时性、节能等性能指标，同时也是进行列车驾驶控制的依据。其次是要根据控制算法给出合力值使列车沿最优运行曲线运行。
[0006]列车自动驾驶系统受到列车机械结构、电力驱动系统和ATP所提出的速度要求的影响，基于传统控制理论的PID控制器已不能适应列车运行参数的非线性和时变性，很难反映真实情况，从而使速度控制的平滑性受到破坏，牵引和制动频繁切换影响了系统舒适性的要求，同时也影响了列车的高效运行和停车精度。而速度轨迹的选择对于轨道列车运行时间也有着至关重要的影响。
[0007]因此，设计一套能根据ATP限制速度时刻更新快速运行轨迹和采用智能控制算法的速度跟踪的自动控制系统和能应用该算法的硬件系统十分必要。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题是提供一种包括速度轨迹的实时计算和基于模糊控制的参数自整定PID速度跟踪算法的城市轨道列车的实时速度跟踪控制方法和系统。
[0009]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种城市轨道列车的实时速度跟踪控制方法，包括以下步骤:
[0010]步骤1:预先设定城市轨道列车在不同运行区间的速度轨迹，并将速度轨迹中的所有速度值依次作为输入模糊控制器的被控速度的目标值；
[0011]步骤2:根据模糊控制器的输入语言变量，确定输入语言变量的论域、输入语言变量的模糊集及输出变量的论域，所述输入语言变量包括偏差值及偏差变化率；
[0012]步骤3:根据输入语言变量的论域及输入语言变量的模糊集创建关于输出变量的模糊规则表；
[0013]步骤4:根据模糊控制器的被控速度的目标值、模糊规则表及模糊控制器的输出变量的论域得到模糊控制器的输出变量，利用模糊控制器的输出变量修正PID控制器的输入参数，得到PID控制器的输出参数；
[0014]步骤5:利用PID控制器的输出参数调整实时采集的城市轨道列车的当前速度信息，得到调整后的速度信息；
[0015]步骤6:控制城市轨道列车按照调整后的速度信息行驶。
[0016]本发明的有益效果是:1)能够实时计算列车行驶的速度轨迹，使得被控量目标值能够连续的给出，控制过程更精细；2)当给定一个目标值时，采用模糊和PID结合的算法，相对传统控制一定程度上弥补了各自的不足，提高了适应性和鲁棒性；3)采用模糊PID参数自整定方法，一定程度上合理分配比例、积分、微分参数大小，推理过程快捷，不需要大量复杂的计算，对硬件的要求较小；4)设计了相应的硬件系统架构，以TMS320F28335数字信号处理器为核心，能够快速有效地实现上述算法，并且具有控制精度高、硬件简单、可靠性高、成本低的特点。
[0017]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0018]进一步，所述预先设定城市轨道列车在不同运行区间的速度轨迹，具体为:
[0019]在发车运行区间,使用城市轨道列车的最大加速度达到区间堕行速度；
[0020]在匀速运行区间，使用区间堕行速度匀速行驶；
[0021]在制动区间，根据当前行驶时间、速度、当前行驶过的里程和站间总距离，确定制动时间和减速度。
[0022]进一步，在所述发车运行区间，所述最大加速度为列车最大牵引加速度和该路段最大限制速度二者中的最小值。
[0023]进一步，在所述匀速运行区间，当收到列车自动防护系统发送的限速指令时，则控制城市轨道列车按照限定的速度行驶。
[0024]进一步，当城市轨道列车从低限定速度到高限定速度的加速过程时，采用最大加速度加速；当城市轨道列车从高限定速度到低限定速度的加速过程时，采用最大制动力减速。
[0025]进一步，在所述制动区间，采用以下公式计算制动时间t2:
[0026]
S-S1-1vlT^
t =-“-
2I
Vt-Vl
[2 1
[0027]其中，T为站间总行驶时间，tl为当前行驶时间，Vt为当前的行驶速度，Si为当前行驶过的里程，S为站间总距离。
[0028]进一步，所述模糊控制器采用Mamdani型推理算法，反模糊采用重心法。
[0029]进一步，一种城市轨道列车的实时速度跟踪控制系统，包括设定模块，确定论域模块，创建模块，修正模块，调整模块和控制模块；
[0030]所述设定模块，用于预先设定城市轨道列车在不同运行区间的速度轨迹，并将速度轨迹中的所有速度值依次作为输入模糊控制器的被控速度的目标值；
[0031]所述确定论域模块，用于根据模糊控制器的输入语言变量，确定输入语言变量的论域、输入语言变量的模糊集及输出变量的论域，所述输入语言变量包括偏差值及偏差变化率；
[0032]所述创建模块，用于根据输入语言变量的论域及输入语言变量的模糊集创建关于输出变量的模糊规则表；
[0033]所述修正模块，用于根据模糊控制器的被控速度的目标值、模糊规则表及模糊控制器的输出变量的论域得到模糊控制器的输出变量，利用模糊控制器的输出变量修正PID控制器的输入参数，得到PID控制器的输出参数；
[0034]所述调整模块，用于利用PID控制器的输出参数调整实时采集的城市轨道列车的当前速度信息，得到调整后的速度信息；
[0035]所述控制模块，控制城市轨道列车按照调整后的速度信息行驶。
[0036]进一步，设定模块预设城市轨道列车在不同运行区间的速度轨迹，具体为:
[0037]在发车运行区间,使用城市轨道列车的最大加速度达到区间堕行速度；
[0038]在匀速运行区间，使用区间堕行速度匀速行驶；
[0039]在制动区间，根据当前行驶时间、速度、当前行驶过的里程和站间总距离，确定制动时间和减速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1为本发明方法步骤流程图；
[0041]图2为本发明系统结构图；
[0042]图3为本发明模糊参数自整定PID控制系统结构框图。
[0043]附图中，各标号所代表的部件列表如下:
[0044]1、设定模块，2、确定论域模块，3、创建模块，4、修正模块，5、调整模块，6、控制模块。
【具体实施方式】
[0045]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0046]如图1所示，为本发明方法步骤流程图；图2为本发明系统结构图，图3为本发明模糊参数自整定PID控制系统结构框图。
[0047]实施例1
[0048]一种城市轨道列车的实时速度跟踪控制方法，包括以下步骤:
[0049]步骤1:预先设定城市轨道列车在不同运行区间的速度轨迹，并将速度轨迹中的所有速度值依次作为输入模糊控制器的被控速度的目标值；
[0050]步骤2:根据模糊控制器的输入语言变量，确定输入语言变量的论域、输入语言变量的模糊集及输出变量的论域，所述输入语言变量包括偏差值及偏差变化率；
[0051]步骤3:根据输入语言变量的论域及输入语言变量的模糊集创建关于输出变量的模糊规则表；
[0052]步骤4:根据模糊控制器的被控速度的目标值、模糊规则表及模糊控制器的输出变量的论域得到模糊控制器的输出变量，利用模糊控制器的输出变量修正PID控制器的输入参数，得到PID控制器的输出参数；
[0053]步骤5:利用PID控制器的输出参数调整实时采集的城市轨道列车的当前速度信息，得到调整后的速度信息；
[0054]步骤6:控制城市轨道列车按照调整后的速度信息行驶。
[0055]所述预先设定城市轨道列车在不同运行区间的速度轨迹，具体为:
[0056]在发车运行区间,使用城市轨道列车的最大加速度达到区间堕行速度；
[0057]在匀速运行区间，使用区间堕行速度匀速行驶；
[0058]在制动区间，根据当前行驶时间、速度、当前行驶过的里程和站间总距离，确定制动时间和减速度。
[0059]在所述发车运行区间,所述最大加速度为列车最大牵引加速度和该路段最大限制速度二者中的最小值。
[0060]在所述匀速运行区间，当收到列车自动防护系统发送的限速指令时，则控制城市轨道列车按照限定的速度行驶。
[0061]当城市轨道列车从低限定速度到高限定速度的加速过程时，采用最大加速度加速；当城市轨道列车从高限定速度到低限定速度的加速过程时，采用最大制动力减速。
[0062]在所述制动区间，采用以下公式计算制动时间t2:
[0063]
【权利要求】
1.一种城市轨道列车的实时速度跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:预先设定城市轨道列车在不同运行区间的速度轨迹，并将速度轨迹中的所有速度值依次作为输入模糊控制器的被控速度的目标值； 步骤2:根据模糊控制器的输入语言变量，确定输入语言变量的论域、输入语言变量的模糊集及输出变量的论域，所述输入语言变量包括偏差值及偏差变化率； 步骤3:根据输入语言变量的论域及输入语言变量的模糊集创建关于输出变量的模糊规则表； 步骤4:根据模糊控制器的被控速度的目标值、模糊规则表及模糊控制器的输出变量的论域得到模糊控制器的输出变量，利用模糊控制器的输出变量修正PID控制器的输入参数，得到PID控制器的输出参数； 步骤5:利用PID控制器的输出参数调整实时采集的城市轨道列车的当前速度信息，得到调整后的速度信息； 步骤6:控制城市轨道列车按照调整后的速度信息行驶。
2.根据权利要求1所述的实时速度跟踪控制方法，其特征在于，所述预先设定城市轨道列车在不同运行区间的速度轨迹，具体为: 在发车运行区间，使用城市轨道列车的最大加速度达到区间堕行速度； 在匀速运行区间，使用区间堕行速度匀速行驶； 在制动区间，根据当前行驶时间、速度、当前行驶过的里程和站间总距离，确定制动时间和减速度。
3.根据权利要求2所述的实时速度跟踪控制方法，其特征在于:在所述发车运行区间，所述最大加速度为列车最大牵引加速度和该路段最大限制速度二者中的最小值。
4.根据权利要求2所述的实时速度跟踪控制方法，其特征在于:在所述匀速运行区间，当收到列车自动防护系统发送的限速指令时，则控制城市轨道列车按照限定的速度行驶。
5.根据权利要求4所述的实时速度跟踪控制方法，其特征在于:当城市轨道列车从低限定速度到高限定速度的加速过程时，采用最大加速度加速；当城市轨道列车从高限定速度到低限定速度的加速过程时，采用最大制动力减速。
6.根据权利要求2所述的实时速度跟踪控制方法，其特征在于:在所述制动区间，采用以下公式计算制动时间t2:
其中，T为站间总行驶时间，tl为当前行驶时间，Vt为当前的行驶速度，Si为当前行驶过的里程，S为站间总距离。
7.根据权利要求1至6任一所述的实时速度跟踪控制方法，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。
8.一种城市轨道列车的实时速度跟踪控制系统，其特征在于:包括设定模块(1)，确定论域模块(2)，创建模块(3)，修正模块(4)，调整模块(5)和控制模块(6)； 所述设定模块(I)，用于预先设定城市轨道列车在不同运行区间的速度轨迹，并将速度轨迹中的所有速度值依次作为输入模糊控制器的被控速度的目标值； 所述确定论域模块(2)，用于根据模糊控制器的输入语言变量，确定输入语言变量的论域、输入语言变量的模糊集及输出变量的论域，所述输入语言变量包括偏差值及偏差变化率； 所述创建模块(3)，用于根据输入语言变量的论域及输入语言变量的模糊集创建关于输出变量的模糊规则表； 所述修正模块(4)，用于根据模糊控制器的被控速度的目标值、模糊规则表及模糊控制器的输出变量的论域得到模糊控制器的输出变量，利用模糊控制器的输出变量修正PID控制器的输入参数，得到PID控制器的输出参数； 所述调整模块(5)，用于利用PID控制器的输出参数调整实时采集的城市轨道列车的当前速度信息，得到调整后的速度信息； 所述控制模块￠)，控制城市轨道列车按照调整后的速度信息行驶。
9.根据权利要求8所述的城市轨道列车的实时速度跟踪控制系统，其特征在于:设定模块(I)预设城市轨道列车在不同运行区间的速度轨迹，具体为: 在发车运行区间，使用城市轨道列车的最大加速度达到区间堕行速度； 在匀速运行区间，使用区间堕行速度匀速行驶； 在制动区间，根据当前行驶时间、速度、当前行驶过的里程和站间总距离，确定制动时间和减速度。
【文档编号】G05B19/042GK104199362SQ201410453755
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2014年9月9日
【发明者】张波, 林道松 申请人:上虞安卡拖车配件有限公司, 林道松