摘要

精确停车是列车自动驾驶系统的关键技术之一,其精度通常要求在±30厘米之内。精确停车能保证列车交通系统的高效率运行。若列车停站不准确,不仅影响乘客的上下车,而且会造成列车晚点等诸多问题。因此,研究列车精确停车算法具有重要意义。

先进的列车运行控制技术与高效的列车运营是密切相关的。通过研究先进的自动控制技术实现列车自动驾驶来替代司机,有着重要的现实意义。司机的驾驶经验和个人驾驶状态与驾驶精准性密切相关,列车自动驾驶(Automatic Train Operation, 简称ATO)通过设计控制器及算法,车地信息相互传输,中央处理器自动发出牵引或制动指令,保证列车在不同路况下最优化的速度运行,能够克服人工驾驶所带来的弊端。列车自动驾驶来替代司机驾驶顺应时代发展的需求,以先进的自动化技术来服务大众。

本文的控制对象为列车,通过对其ATO特性的分析展开对列车精确停车技术进行研究,并对整个列车精确停车系统进行仿真。将设计算法应用停车制动过程,通过与PID 控制算法数值仿真对比表明,设计的基于PID控制算法具有更快响应时间和更高停车精度;在一定范围条件下的参数扰动和外界干扰下,满足停车精度的要求;说明设计PID控制算法在列车停车过程的优越性,对于提高列车高效运营具有重要的意义。最后通过软件搭建列车智能算法仿真平台,使用 Matlab/Simulink 软件建立列车精确停车的模型为后续停车算法研究提供模块化方案。从而实现列车精确停车。最后,对所做的研究工作的结果进行了分析和总结。

关键词:列车;停车算法;PID控制;Matlab仿真

Abstract

Accurate stop is one of the key technologies of automatic train driving system, and its accuracy is usually within ±30 cm. Accurate stop can ensure high efficiency of train traffic system. If the train stops inaccurately, it will not only affect the passengers on and off the train, but also cause many problems such as train delay. Therefore, it is of great significance to study the precise train stopping algorithm.

Advanced train operation control technology is closely related to efficient train operation. It is of great practical significance to replace drivers by studying advanced automatic control technology to realize automatic train driving. The driver's driving experience and personal driving state are closely related to driving accuracy. Automatic Train Operation (ATO), through the design of controller and algorithm, transmits information between vehicle and ground, and the CENTRAL processor automatically issues traction or braking instructions. To ensure the optimal speed of train running under different road conditions can overcome the disadvantages brought by manual driving. Automatic train driving to replace driver driving to meet the needs of the development of The Times, with advanced automation technology to serve the public.

The control object of this paper is the train. Through the analysis of its ATO characteristics, the precise stopping technology of the train is studied, and the whole train precise stopping system is simulated. The design algorithm is applied to the parking braking process, and the comparison with the PID control algorithm shows that the proposed PID control algorithm has faster response time and higher parking accuracy. Under the condition of parameter disturbance and external disturbance in a certain range, it can meet the requirements of stopping accuracy. It shows that the design of PID control algorithm is superior in the process of train stopping, which is of great significance to improve the efficient operation of train. Finally, the train intelligent algorithm simulation platform is built by software, and the train accurate parking model is established by Matlab/Simulink software to provide modular solutions for subsequent parking algorithm research. So as to achieve accurate train parking. Finally, the results of the research work are analyzed and summarized.

Keywords: The train; Parking algorithm; PID control; The Matlab simulation

目录

摘要....................................................................................... I

Abstract.............................................................................. II

第一章 绪论........................................................................ 1

1.1 研究课题背景......................................................... 1

1.2 国内外发展现状..................................................... 2

1.3 课题研究意义......................................................... 3

1.4 仿真工具MATLAB/Simulink简介....................... 4

1.5 课题的研究内容及章节安排................................. 6

第二章 列车自动驾驶系统介绍........................................ 8

2.1 列车自动控制系统................................................. 8

2.2 列车停车不准确的原因......................................... 8

2.3 ATO系统基本性能指标......................................... 9

第三章 停车制动过程分析及数学描述.......................... 11

3.1 制动过程阻力分析............................................... 11

3.1.1 列车运行制动特性...................................... 11

3.1.2 列车运行外界附加阻力.............................. 12

3.2列车动力学模型.................................................... 13

3.3列车制动特性描述................................................ 13

第四章 列车精准停车的PID控制器设计..................... 15

4.1 精准停车PID控制器的模型搭建...................... 15

4.2 精准停车PID控制器的仿真分析...................... 16

4.3 本章小结............................................................... 18

第五章 总结...................................................................... 20

参考文献............................................................................ 21

致    谢............................................................................ 23

第一章 绪论

1.1 研究课题背景

城市轨道交通信号系统作为地铁列车最基础的控制系统,决定着列车的通行和高效的运送能力,并且信号控制系统也是列车安全行车的重要保证,是衡量轨道列车控制先进程度的一个重要方面。列车自动控制系统与信号系统之间通过信息传输完成高效列车的运营。列车自动控制(Automatic Train Control,简称ATC)系统是集自动化控制、通信信号、计算机技术、轨道交通技术和列车定位等多技术融合的行车指挥、控制、管理自动化系统。

现在我国的列车精确停车技术已经得到了前所未有的进步,列车精确停车的智能化越来越好,性能也趋向完美。随着国外列车精确停车性能上的提高,而且性价比很高,不需用花费很大的成本。随着控制技术的发展和列车精确停车技术的革新,列车精确停车越来越智能化,我们要逐步实现控制系统的智能化是当今社会的发展方向,引领列车精确停车新的航向。

在先进的控制技术中,研究一种能够遵循运营计划、精确停车且高效节能的控制算法具有着重要的意义。先进的控制算法是列车运行的关键科学问题,研究对象包括:列车控制系统模型、控制性能评价、仿真平台搭建、控制算法研究。针对列车运行过程外界未知干扰及运行周期中参数变动造成停车不准确等问题,设计了先进控制算法,来实现精确停车运行过程控制。

1.2 国内外发展现状

在上世纪60 年代,国外学者就已经在地铁列车自动驾驶领域开始研究,相对国内学者研究起步较早。通过深入研究,对自动控制系统已经取得大量理论以及实际应用成果。

Oshima H 等人将包括控制规则以实现期望条件的预测模糊控制提出并且应用于ATO 系统。仙台市政地铁系统试运行确认了模糊ATO 控制列车运行的能力;描述了模糊ATO 的控制规则和测试运行的结果。

近几年,列车精确停车被广泛的应用在列车精确停车系统上,主要因为其具备运行成本低、控制逻辑简单、控制精度高等优点,同时被普遍应用在各种控制列车停车中。然而,列车精确停车在控制统中应用时,会面临很多问题,经常会造成很多预想不到的问题,鉴于此种问题,本次设计使用Matlab仿真工具中搭建列车精确停车系统模型,通过仿真得出结论与理论进行对比,充分验证其精确性,为列车精确停车系统的生产应用打好坚实的基础,节省大量的研发投入和成本投入。本次设计推导出列车精确停车的数学模型,在Matlab/Simulink软件中搭建列车精确停车控制系统模型,最终通过模拟仿真进行分析。

综上国内外研究现状,国外学者起步较早,对于后来控制算法相关性能指标完善有一定的指导意义,同时也从不同角度,针对不同问题提出相应的控制算法,控制算法相对单一;随着控制过程多目标要求的提出,国内学者针对舒适、精准停车、低能耗等方面提出许多先进智能控制算法,如陈德旺等采用计算智能、系统辨识、专家系统、机器学习、模糊预测算法、系统仿真等理论和方法,在北京地铁亦庄线获得大量实测研究数据;同时国内学者也在列车运行动态时间调整,大数据挖掘方面进行探索,更进一步推进列车自动驾驶过程运行效率的完善,对于未来自动智能驾驶的发展从理论和实践都打下坚实的基础,具有深远的影响意义。

1.3 课题研究意义

城轨停车控制算法的研究从技术、经济、安全可行性三方面来分析,智能算法作为ATO 运行的核心,算法的研究可行性将从系统可行性来表现。

(1) 技术可行性

首先,停车算法的应用研究有着丰富的国内外研究基础,可以提供坚实的理论基础。如何提出优化、改进、集成的控制算法应用到自动驾驶停车过程,显得极为重要;再者,随着国内城轨业的快速发展,一些研究院所及轨道交通公司有现场试验测试环境,这便更真实的将理论与实践相统一,获得大量现场数据,使得模型参数估计等也较为准确;最后,还未有现场实验条件的研究者,一般通过计算机软件来模拟仿真,通过搭建模拟环境下的实验平台,数字化在线进行模拟仿真,不同参数环境下,对算法优化改进。因此,自动停车算法研究过程是技术可行的。

(2) 经济可行性

一般研究首先是从理论开始,将提出新算法在模拟仿真平台进行验证,同等条件、参数下与其他算法对比,体现新算法在自动停车过程所体现的优越性;这种基础理论研究仿真过程,通过搭建软件仿真平台做大量理论性研究,需要相关计算机平台来实现。从而,自动停车算法研究过程是经济可行的。

(3) 安全可行性

自动停车算法研究的安全可行性可以从两方面来说明;第一,从一种高效算法的产生到运用列车自动驾驶,有相关专家、现场工程师等的把握,一开始都是半自动驾驶试验、调车、运营,因此,可称专家安全可行;第二,在算法设计过程,本身自带安全阀限值,能保证列车的安全不超过一定速度前提下运行,因此可称为算法安全可行性。综上两点,自动停车算法研究过程是安全可行的。

1.4 仿真工具MATLAB/Simulink简介

现如今,MATLAB仿真工具被普遍应用在各行各业,该软件最初是由美国MathWorks公司推出的,用于商业化数学工具,功能十分强大,具有控制算法设计、数据可视化分析和数学公式计算等功能。其中主要用到的仿真软件有两种,分别是MATLAB和Simulink模块。

Simulink的操作过程是打开Simulink,然后建立一个Simulink文件,将Simulink模块浏览器中的对象拖动到文件的窗口中,设置逻辑关系以及参数即可。我们在新建的Simulink文件中,拖入自己想要的模块,然后按照自己的数学逻辑关系,将这些模块有效的连接起来,对照自己的数学模型和数学公式进行查验,是否符合自己的功能逻辑,再通过仿真进行验证。

(1) 建立简单模型框架:

首先打开MATLAB/Simulink,新建一个Simulink建模界面。想要搭建简单的数模模型,需要在Simulink库文件中找到相应的模块拖动到界面,具体操作步骤如下:

首先运行MATLAB/Simulink模块库,可以看到,Simulink公共模块库是最基本和最常用的Simulink库之一,可以在不同的专业化领域使用。

在选择构建系统模型所需的所有模块后,必。须正确地将系统模块与系统信息流连接起来。连接模块的步骤如下:

(2) 连线分支与连线改变:

在某些情况下,单个系统模块的输出同时是多个其他模块的输入,从现在起,需要从模块中提取一系列的连接。信号耦合耦合的工作方法:使用鼠标在鼠标的右键上一次击击需要将信号耦合(光标变成+)分离,然后转移到目标模块。

(3)运行仿真:

系统模块参数设置与系统仿真参数设置。

(4)系统模块参数的设置方法如下:

点击系统模块,打开模块参数。参数参数包括简单的系统模块描述,例如信息,模块参数,注意到非系统系统模块设置的参数是不同的。

(5)运行仿真

当所有模块参数和系统都被Ju分离后的参数建模时,系统分析就可以建模了。单击绿色三角形按钮,启动仿真。

对于本文所示的动态系统,在完成模拟后,模拟模块默认参数的模拟参数建模,双点击Scope模块来显示系统建模的结果。

(6)设计框图界面:

在建立了系统模型以后,为了便于用户对系统模型的理解与维护,我们需要对系统框图界面进行设计。

1.5 课题的研究内容及章节安排

本次毕业设计深入学习列车精确停车的整体结构和原理,针对列车精确停车控制系统作为研究对象。在对列车精确停车控制系统工作原理和各个部分的数学模型进行深入研究的基础上,在MATLAB/SIMULINK对不同部件的传递原理和数学模型进行了深入的研究,建立列车精确停车控制系统模型。最后,对列车精确停车控制系统分析方法进行了详细比较分析,为科学决策提供可靠的依据。本次设计经过模型搭建、仿真验证,在学习掌握列车精确停车工作特性的同时,参考得到的仿真结果,为更进一步的设计开发新的产品奠定坚实的基础。本文一共分为四个章节:

第1章是绪论部分,主要对此次设计所涉及到的列车精确停车技术现状及背景进行简单介绍,精准停车PID控制系统系统组成,列车精确停车系统的分类和应用进行简要说明。

第2章是介绍精准停车PID控制系统系统的组成,首先介绍精准停车PID控制系统系统的基本组成,然后介绍精准停车PID控制系统系统的分类,最后简单说明列车精确停车池电系统的应用。

第3章是精准停车PID控制系统特性部分,主要介绍精准停车PID控制系统的工作原理及动态特性,简要说明了精准停车PID控制系统的分类和数学模型建立。

第4章是精准停车PID控制系统板最大功率跟踪算法设计,首先介绍MPPT的实现原理,然后介绍列车精确停车算法的设计。

第5章是列车精确停车仿真分析,首先介绍列车精确停车仿真模型搭建,然后对仿真结果进行分析。

第5章是总结部分,这次设计本人认真的总结了在做这个课题研究时碰到的各种困难以及自己去克服它的方法,并且证明了我的设计方案的可行性和实用性。

第二章 列车自动驾驶系统介绍

2.1 列车自动控制系统

列车自动控制系统负责维持轨道交通系统安全高效地运行。其利用实时在线的轨道信息和环境数据对列车进行稳定地控制,根据轨道交通系统节能、准点和舒适的运行要求,实施合理的牵引或制动操纵。

列车自动控制系统的结构如图2-1所示。列车自动监督系统将列车运行计划分配给列车。当列车运行在线路上时,由列车自动防护系统计算出前方行车防护曲线,并将列车实时里程,速度和加速度等信息传递给列车自动驾驶系统。同时,列车自动驾驶系统实时获取地面信号系统的信息数据, 包括限速、行车许可等,最终计算出最优的列车手柄级位给中央控制单元。通过中央控制单元(CCU) 的逻辑冗余后,将最终控制指令传递给相应的牵引系统或制动系统。

图2-1:列车自动控制系统结构图

列车自动控制系统包括三部分:列车自动防护系统,列车自动监控系统和列车自动驾驶系统。在列车运行过程中,三个系统相互配合完成列车的自动运行。

2.2 列车停车不准确的原因

停车过程是通过发送制动系统指令,对列车实施制动实现的。停车不准确原因主要有软件条件及硬件条件两个方面。在ATO 模式下,列车通过中央处理单元发送ATO 指令,实现牵引或制动过程,处理器部分主要由软计算算法来执行,因此大多研究者从软计算算法方面来寻求优化来实现精确停车,本文是基于算法方面,从软件执行上寻求最优算法的研究;另一方面

(1) 硬件主要针对列车相关参数上,如闸瓦摩擦系数,列车基本制动装置摩擦系数很大程度受外界环境的影响,在雨雪霜等潮湿环境下,摩擦系数减小,对于发出发送指令未能达到预期制动效果,从而造成超过屏蔽门停车范围,不能实现高效停车过程。

(2) 停车制动系统,制动系统为电空制动,通过空气制动来补充电制动,实现联合制动过程,本身电制动和空气制动之间的比例和执行机构都可以影响停车过程。

(3) 列车控制过程的反馈测速的准确度,测速不准确很难去控制列车精确停车,即使有最优算法的控制器,各个机构之间紧密配合,共同实现系统输出;列车运行定位不准确造成停车精度不准。

(4) 若开始停车时初始速度值与最优ATO 运行曲线值之间偏差较大,则在停车制动过程中影响停车准时性,一般会超过预期到达时间;

(5) 随着一辆列车运营时间的增加,列车模型参数与开始运营时是存在偏差,通常利用对参数变化不敏感的智能算法控制。

2.3 ATO系统基本性能指标

列车自动驾驶已成为轨道交通发展的一个重要目标,一个高性能的自动驾驶系统能保证列车安全、正点和舒适的同时,使得能耗和运行时间达到铁路运营部门的要求。从自动驾驶评价基本性能指标着手,在运营过程需求及关切程度排序,满足实际自动驾驶的要求,设计出好的评价体系也显得尤为重要,对后面算法的实现、执行也有一定平台和基础参考标准。

基本性能指标是在列车自动驾驶控制运行下,针对设计的功能需求而提及的几项实现目标,本文是在仅针对停车制动过程下的几项指标。

(1) ATP 下的自动驾驶

通过对列车位置不断地进行检测,向列车发送线路信息,以确定最大的列车运行速度。保障列车自动运行无人折返等的速度安全限下的驾驶过程,当列车超速时,对列车进行常用制动或紧急制动保护。ATP 相当于ATO 下的保护装置,一旦触发ATP 设定限,执行制动保护动作。

(2) 车站实现精确停车

精确停车是ATO 系统重要的性能指标之一,列车到站停靠和屏蔽门开闭作为整体系统来运作,即在规定停车点停靠时,屏蔽门才打开,因此精准停车显得尤为重要。通常而言,要求停车规定点误差值在±30cm 范围内,大于这个范围将导致列车停车而屏蔽门不开启或者严重影响乘客上下车;停车误差过大,再去前后调整与车门的位置,使得乘客对列车运营系统可靠性产生怀疑,影响行车运行效率。精确停车指标模型就是列车实际在运行停车点的距离与列车目标设定停车点之间的停车距离差,停车点的误差通常要求规定范围。

(3) 停车过程乘客舒适度

列车运行停车过程,在满足精度性能的同时,必须要保证乘客舒适性,这也是安全指标之一,在较为拥挤的地铁里,不能有过强的加减速的冲击,否则将造成更严重的伤害。在列车加速、制动和站间巡航过程中,均应该保证列车的平稳运行。

(4) 准时性模型

城市轨道交通实际运行过程具有较大的行车密度,不止对精准停车提出要求,对准时性也要求非常高,列车实际运行时间与规定的运行时间误差不超过±5%。

第三章 停车制动过程分析及数学描述

3.1 制动过程阻力分析

列车运行过程阻力一般包括基本阻力和附加阻力,基本阻力是列车在运行过程中一定存在的阻力,与牵引力方向相反,在制动停车过程与制动力共同完成停车过程,运行过程自始至终都存在,如轴承摩擦阻力、空气阻力等;附加阻力,也可称为干扰阻力,是列车在运行过程,通过不同的路况条件下,如坡、桥、洞时,由路线本身运输条件产生的阻力,与列车运行在什么状态下无关,不受机车车辆类型的限制存在的力。

..............................

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