城市軌道列車運行曲線滑模跟蹤控制技術(shù)的研究

薛闖　武靜悅

摘要：城市軌道交通作為現(xiàn)代城市交通的大動脈深受人們歡迎，具有速度快、載客量大、安全性能高、時間準時等顯著優(yōu)勢，城市軌道列車又傳統(tǒng)的人工駕駛模式逐步轉(zhuǎn)換為無人駕駛方式，城軌列車自動駕駛系統(tǒng)在自動駕駛的前提前，可準時、安全抵達目的地。本研究針對城市軌道列車自動駕駛中列車運行情況，采用滑?？刂萍夹g(shù)對含有擾動的運行速度曲線進行跟蹤控制，并通過實驗證明列車在質(zhì)量變化、收到變化風阻等情況下，城市軌道列車滑?？刂扑俣雀櫆蚀_，具有實際的應用價值。

關(guān)鍵詞：城市軌道列車;運動控制;滑?？刂?/p>

引言

隨著我國城市化進展的推進，能源問題與社會環(huán)境備受關(guān)注，城市軌道交通作為最具可持續(xù)性的交通運輸方式之一成為國民經(jīng)濟的命脈[1，2]。尤其是在我國地域遼闊，局部地區(qū)人口密度高的國情下，城市軌道交通對我國經(jīng)濟發(fā)展、提高生活品質(zhì)、社會發(fā)展發(fā)揮著不可替代的價值[3，4]。城市軌道列車是一個大慣性、運行環(huán)境惡劣、高度非線性、控制難度極大的復雜機電系統(tǒng)，因此，研究一種快速、高效、穩(wěn)定、魯棒性好、自適應的智能控制算法，用于跟蹤城市軌道交通速度曲線，是實現(xiàn)列車自動運行的迫切問題。

1 基于城市軌道交通的相關(guān)研究

1.1城軌列車速度曲線跟蹤技術(shù)研究

城軌列車速度曲線跟蹤需考慮多種因素：停車準時性、運行能耗、停車準位性、目標追溯性、乘車舒適性等，列車運行中需對運行速度不斷調(diào)整，使列車始終沿著目標曲線行駛，因此速度控制算法非常重要。目前，城軌列車速度曲線控制算法：蟻群算法、PID控制算法、差分算法、果蠅算法、遺傳算法、文化基因算法等。

本研究使用快速終端滑模控制技術(shù)，其作為非線性控制理論的重要分支，魯棒性優(yōu)于其他大多數(shù)連續(xù)性系統(tǒng)，且滑模觀測器使用非線性高增益反饋，使估計狀態(tài)接近超平面，使得估計輸出與測量輸出幾乎沒有區(qū)別，因此，當控制系統(tǒng)的輸出是可觀的，觀測器的狀態(tài)會逼近真實系統(tǒng)的狀態(tài)。

2 ?城市軌道列車運行曲線滑模跟蹤控制技術(shù)的研究

2.1滑?？刂颇Ｐ蜆?gòu)建

快速終端滑?？刂剖菍⒒瑒幽B(tài)與終端滑動模態(tài)結(jié)合在一起，是滑?？刂频囊环N?？稍谟邢迺r間內(nèi)使系統(tǒng)狀態(tài)收斂到0，列車動態(tài)模型如公式1）所示，其中 為狀態(tài)變量， 為城軌列車的基本阻力與附加阻力和， 表示系統(tǒng)的不穩(wěn)定性阻力與外部干擾和：

1）

滑動面設計為2）：

2）

設 則 ，終端滑?？刂撇呗栽O計：

3）

其中， 為等效控制，其為：

4）

快速終端控制器設計：

5）

2.2 滑?？刂扑惴ǚ抡?/p>

本次實驗選用**城市的地鐵，列車總重170t，營運最高速度為70km/h，電動機功率為180kw，起點與終點間距離為1633m，運行時間120s，采樣時間間隔0.001s，阻力因數(shù)a為1.07，b為0.0011，c為0.000236，控制參數(shù) 為0.8941， 為0.1， 為9， 取值為5，，在該仿真條件下，對城軌列車進行實驗。

城軌列車在實際運行中會受到外界環(huán)境影響，當受到降雨時，會增加列車阻力，抑制列車車尾流場的擾動。在風速超過15米每秒時，列車阻力會迅速減小，城軌列車頭車在風速30米每秒以下，阻力逐漸減小，中間車阻力逐漸增大，尾車阻力逐漸增大，整輛車阻力會先增大后減小。本次實驗通過添加 正弦信號的方式模擬降雨橫風干擾，城軌列車位置速度跟蹤圖如圖1所示。從圖1中可以看出，由于降雨橫風干擾，速度會有小范圍波動，從而驗證了該控制器的跟蹤效果好、精度高、魯棒性好。

Figure1a 降雨橫風干擾下速度實驗 Figure1b 降雨橫風干擾下位置實驗

3 ?結(jié)論

城市人口出行需求量的增大，拉動城市軌道交通的發(fā)展空間，但是巨大的耗電量與高昂的運營成本成為城市軌道交通亟需解決的問題。跟蹤控制算法最為列車自動駕駛的核心技術(shù)，對提高城軌交通運輸效率具有重要的研究價值，本研究采用滑?？刂扑惴?快速終端滑?？刂扑惴ǎ瑢Τ擒壛熊囁俣冗M行跟蹤控制，并通過實驗驗證無干擾條件與干擾條件下，控制算法的有效性。

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作者簡介：

薛闖（1992—），男，漢族，山東濟寧人，碩士研究生，助教，研究方向：交通運輸工程。

基金項目：山東省職業(yè)教育教學改革研究課題（2019318）