专利名称：一种基于模型的动车组动力优化预测控制方法
技术领域：
本发明涉及动车组的分布式优化控制方法技术领域，特别是涉及一种基于模型的动车组动力优化预测控制方法。
背景技术：
动车组作为现代城市快速、便捷、清洁和高效的交通工具，已成为一个国家综合国力、城市经济实力、人们生活水平及现代化的重要标志。近几年来，中国的经济实力和综合国力显著增强，中国的铁路系统也经历了大幅度的升级与扩张。2007年4月18日，我国铁路进行了第六次大提速，在这次提速中，我国首次推出了 CRH系列的高速动车组CRHl、CRH2和CRH5。这些动车组的运营速度达到250km/h。根据我国铁路中长期发展规划，到2020年，中国铁路网规模达到12万公里以上，将建成I. 6万公里“四纵五横”高速铁路网，未来动车组将是这些高速铁路网上的主力。目前，通过引进消化吸收国外的先进技术，我国已经掌握 了世界先进成熟的铁路机车车辆制造技术。在实际动车组的运行中，由于土地、能源、路网容量等资源因素的约束，对动车组运行提出了更高的要求。但国内对动车组运行优化的研究进行得相对较晚，因此建立动车组的优化研究平台是迫切需要的。优化研究平台可用于设计，测试及校正目的，并且进行时变，复杂的不确定的环境条件下的多种交通实验。经对现有技术的公开文献检索发现，文献YANG Ciann-Dong, SUNYun-Ping,Mixed H2/H cruise controller design for high speedtrain [J], International Journal of Control, 2001，74 (9)，905-920,虽然作者将每节车厢独立考虑，建立了多体纵向动力学模型，但在这种方法中，作者对动车组运行时所受的动态阻力进行了简化处理，即假设动态阻力仅作用于第一节车厢，这种假设和动车车厢的实际受力状况相差胜远，不能反映动车的运行状况，无法体现不同车厢间的动力分配与优化调度之间的内在联系。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于模型的动车组动力优化预测控制方法，用于解决动车组运行过程中动车速度存在变化从而没有对动力分配进行优化的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于模型的动车组动力优化预测控制方法，包括以下步骤SI，将动车组车厢的运行速度和车厢之间的位移作为状态变量，建立动车组线性化后的动车组状态方程= Ax + Bu，y=Cx ；其中，X=[ δ V1, δ ν2, . . . , δ νη, δ X1, δ χ2, · · ·，δ xn_Jτ ；u=[ δ U1, δ u2, · · ·，δ un]τ ；
Α、Β和C为状态方程系数矩阵；χ为车厢之间的位移；y为每节车厢的速度组成的列向量；u为车厢受到的有效牵引力为车厢之间的位移的一阶导数；S Vl、δ ν2, δ νη分别为第I节车厢、第2节车厢的运行速度的平衡点附近偏移量、第η节车厢的运行速度的平衡点附近偏移量；δ Χ1、δ X2、δ Xn-1分别为第1节车厢相对第2节车厢、第2节车厢相对第3节车厢、第n-1节车厢相对第n节车厢的相对位移量平衡点附近偏移量；δUl、δu2、δun分别为第I节车厢、第2节车厢、第n节车厢的牵引力和制动力的合力平衡点附近偏移量；n为车厢节数；T为矩阵转置；S2，根据动车组运行时受到的有效牵引力和车厢间的相互作用力建立动车组运行过程中的约束条件
权利要求
1.一种基于模型的动车组动力优化预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤 SI，将动车组车厢的运行速度和车厢之间的位移作为状态变量，建立动车组线性化后的动车组状态方程= Ax + Bu，Y=Cx ； 其中，X= [ δ V1, δ ν2, . . . , δ νη, δ X1, δ χ2, · · ·，δ X^1 ]τ ；u=[ δ U1, δ u2, · · ·，δ un]T ;Α、B和C为状态方程系数矩阵；x为车厢之间的位移；y为每节车厢的速度组成的列向量；u为车厢受到的有效牵引力为车厢之间的位移的一阶导数；S Vl、S V2, δ νη分别为第I节车厢、第2节车厢的运行速度的平衡点附近偏移量、第η节车厢的运行速度的平衡点附近偏移量；δΧι、δχ2、δ Xiri分别为第I节车厢相对第2节车厢、第2节车厢相对第3节车厢、第η-1节车厢相对第η节车厢的相对位移量平衡点附近偏移量；SUl、5u2, Sun分别为第I节车厢、第2节车厢、第η节车厢的牵引力和制动力的合力平衡点附近偏移量；η为车厢节数；Τ为矩阵转置； S2，根据动车组运行时受到的有效牵引力和车厢间的相互作用力建立动车组运行过程中的约束条件
2.根据权利要求I所述的基于模型的动车组动力优化预测控制方法，其特征在于在步骤SI中还包括对动车组的纵向运行建立动力系统模型，以对所述动车组状态方程中的变量进行限定，所述动力系统模型包括
3.根据权利要求2所述的基于模型的动车组动力优化预测控制方法，其特征在于车厢之间的相互作用力和两节车厢之间的连接体满足的约束条件为 fin, = kiXin, + , > 1 = 1, — ,n-1, fin, = fin, =0， 其中A是第i节车厢与第i+1节车厢之间连接体的弹性系数，Cli是第i节车厢与第i+Ι节车厢之间连接体的阻尼系数;x叫为第i节车厢和第i+Ι节车厢之间的相对位移，为第i节车厢和第i+Ι节车厢之间的相对位移的一阶导数，/力第i节车厢与第i+Ι节车厢的相互作用力/为第O节车厢与第I节车厢的相互作用力，尺,,,为第η节车厢与第n+1节车厢的相互作用力，η为车厢节数。
4.根据权利要求I所述的基于模型的动车组动力优化预测控制方法，其特征在于在步骤SI中 状态方程系数矩阵A为
5.根据权利要求I所述的基于模型的动车组动力优化预测控制方法，其特征在于在步骤S2中
6.根据权利要求I所述的基于模型的动车组动力优化预测控制方法，其特征在于在步骤S3中 状态方程系数变换矩阵为
7.根据权利要求I所述的基于模型的动车组动力优化预测控制方法，其特征在于在步骤 S3中，在确定优化控制的目标函数之前还包括以TS为采样周期对动车组状态方程Λ = Ax + 5η和y=Cx进行离散化处理,获得离散化的动车组状态方程x(k+l)=A/ x(k) +Bi u(k)y (k+l)=Cx (k)； k为时间状态参数；X(k)为在k时刻的车厢位移的状态函数；X(k+1)为在k+1时刻的车厢位移的状态函数；y(k+l)为在k+Ι时刻每节车厢的速度组成的列向量；u(k)为在k时刻车厢受到的有效牵引力；A'为状态方程系数矩阵A的离散状态矩阵；B'为状态方程系数矩阵B的离散状态矩阵。
8.根据权利要求7所述的基于模型的动车组动力优化预测控制方法，其特征在于根据离散化的动车组状态方程、预测时域和控制时域，建立用于确定目标函数的预测模型
9.根据权利要求I所述的基于模型的动车组动力优化预测控制方法，其特征在于在步骤S4中，将所述目标函数在所述约束条件下求解具体包括
全文摘要
本发明提供一种基于模型的动车组动力优化预测控制方法，S1，将动车组车厢的运行速度和车厢之间的位移作为状态变量，建立动车组线性化后的动车组状态方程；S2，根据动车组运行时受到的有效牵引力和车厢间的相互作用力建立动车组运行过程中的约束条件；S3，根据动车组线性化后的模型、车厢间的相互作用力、预测时域以及控制时域，确定优化控制的目标函数；S4，将所述目标函数在所述约束条件下求解，获得动车组运行过程中动车速度变化和动力分配的优化控制。本发明可以实现的动车组动力分布模型预测控制，通过对动车组运行过程中动车速度变化从而对动力分配进行优化，使得动车组在运行时保持节能经济，提高动力分配效率。
文档编号G06F17/50GK102880772SQ201210429069
公开日2013年1月16日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者魏永松, 邬晶, 李少远 申请人:上海交通大学