汤凯谊，李明伟，吕庚辰
中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111
摘 要：安全可靠的列车自动驾驶系统是先进轨道交通系统的关键技术，为了避免实际系统模型的复杂结构与时变性质带来的建模困难，将基于特征模型的全系数自适应控制引入列车自动驾驶系统。根据列车纵向动力学说明了特征建模对该系统的适用性及特征参数的辨识方法，并基于所建特征模型设计自适应控制律。通过数值仿真实验，验证了特征模型的等效性和全系数自适应控制方案的可靠性，以简化的等效特征模型为控制对象实现高精度的速度跟踪控制。
关键词：高速列车；特征模型；全系数自适应控制
中图分类号： TP273 文献标志码：A
随着城市人口密度的增大、人民生活水平的不断提高，人们对运输服务质量和效率的要求也愈来愈高，铁路运输作为最为重要的运输手段之一，具有速度快、运量大、能耗低、污染轻、安全性好等诸多优点，发挥着不可替代的作用[1]。
然而高速列车动力学系统物理机理复杂，存在时变、非线性、不确定性等问题，难于建立精确的数学模型，对自动控制带来了更大的难度。吴宏鑫提出的基于特征模型的全系数自适应控制[2]将复杂模型用一种等价的低阶慢时变模型代替，把有关信息压缩到几个特征参数中，从而不丢失信息，利于控制器设计，这些特性决定了该控制算法是处理难以获得精确模型的一种有效智能方法。Lyu[3,4]等将基于特性模型的全系数自适应控制应用于AMB悬挂式储能飞轮平台，并验证了该智能控制律对系统的不确定性、外部干扰和时滞具有较强的鲁棒性。王永[5]等基于永磁同步电机的特征模型，运用非线性黄金分割的控制方法获得了高精度的转速控制。Gao[6]等将基于特征模型的建模方法引入列车自控系统，采用速度/位置双反馈的方法设计了全系数自适应控制器。吴悠[7]等将黄金分割法应用于管道压力系统，采用数字外推预测算法对管道压力误差进行处理，从而有效减小了实际系统中时滞带来的不良影响。
1列车动力学
在列车纵向动力学中，列车总长度相对于运行总路程而言是可以忽略不计的，所以分析时通常把列车当作一个质点。设定列车运行时牵引力或制动力作为控制量，为保证二者不同时工作，用一个二进制逻辑关系来描述
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（3）黄金分割自适应控制律
黄金分割自适应控制律能够在参数估计未收敛于真值之前的控制过渡阶段保证闭环系统的稳定性，使系统平稳过渡，从而克服一般自适应控制在过渡过程阶段应用的困难。其次，对于控制精度要求不是特别高的某些工程，使用黄金分割自适应控制律不需要现场试凑控制器参数，工程实现简单，适应性和鲁棒性强。
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3.1目标曲线
根据列车牵引/制动特性绘制列车理想情况下的运行曲线。牵引特性及制动特性分别如式（19）、（20）所示。
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3.2特征建模仿真验证
从 CRH3列车于西安到郑州线路的实测数据中选取1962组采样数据用于仿真分析，其采样间隔为0.6秒。为验证第3.1节所建特征模型具有等效性，利于3.2节所述带遗忘因子的递推最小二乘法进行参数估计，得到特征模型拟合采样数据对比，如图2所示。
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用均方差和决定系数评价模型的等效性，均方差越小，决定系数越接近于1，则说明所建等效特征模型越精确。均方差和决定系数的计算公式如式（21）、（22）所示。
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3.3跟踪控制仿真
以3.1节所绘制的理想目标曲线作为跟踪信号，将维持/跟踪控制律，逻辑积分控制律和黄金分割自适应控制律结合构成控制器，其跟踪控制效果如图3所示。
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将维持/跟踪控制律，逻辑积分控制律和非线性黄金分割自适应控制律结合构成控制器，其跟踪控制效果如图4所示。
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用均方误差来评价跟踪控制效果，可知两种控制方法均具有非常高的控制精度，且针对该系统非线性黄金分割组合跟踪控制跟踪误差相对较低。
4结论
将全系数自适应控制方法应用于高速列车速度控制系统中，通过仿真实验验证了特征模型优良的等效性，实现了高精度的自动跟踪控制，对以高速列车为代表的复杂时变系统的自动控制工业应用起一定的指导作用。
[参考文献]
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