列車節(jié)能操縱理論模型與參數(shù)標(biāo)定方法研究.pdf

1、交通運(yùn)輸業(yè)是國家的基礎(chǔ)性服務(wù)業(yè),為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供重要的支撐作用,但交通運(yùn)輸業(yè)也消耗了大量的能源,在能源形勢(shì)日趨緊張的當(dāng)今社會(huì)值得深切關(guān)注。鐵路運(yùn)輸是最重要的交通運(yùn)輸方式之一,完成了全社會(huì)相當(dāng)比例的運(yùn)量,近年來,鐵路進(jìn)行了大規(guī)模的建設(shè),在綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的主導(dǎo)地位進(jìn)一步加強(qiáng),但隨之而來的是鐵路運(yùn)輸業(yè)的能耗日趨龐大。為有效降低占鐵路能耗主體的牽引能耗,進(jìn)行了列車節(jié)能運(yùn)行的基礎(chǔ)理論研究,重點(diǎn)研究列車節(jié)能操縱的基本原理,以期為優(yōu)秀的列車節(jié)能操

2、縱指導(dǎo)系統(tǒng)的研制和開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。
　　 本文在借鑒國內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上,充分考慮到列車運(yùn)行線路復(fù)雜多變的特性,引入連續(xù)陡坡的概念,對(duì)列車在陡坡區(qū)段的最優(yōu)控制策略進(jìn)行了深入的研究與探討,主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　 (1)根據(jù)列車運(yùn)行受力分析,構(gòu)建了基于機(jī)械能的列車運(yùn)行理論模型,引入?yún)f(xié)態(tài)變量,基于Pontryagin極值原理,采用狀態(tài)變量、協(xié)態(tài)變量和控制變量聯(lián)合表達(dá)Hamiltonian函數(shù),然后應(yīng)用Karus

3、h-Kuhn-Tucker條件求得最優(yōu)控制策略的必要條件,即符合列車節(jié)能運(yùn)行的狀態(tài)僅有四種:最大加速相位、均速相位、惰行相位和制動(dòng)相位；借助協(xié)態(tài)變量滿足的微分方程,分析出相位轉(zhuǎn)換關(guān)系,再根據(jù)列車運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)環(huán)境,尋找正確的相位序列和相位轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置,即確定了列車的最優(yōu)控制策略。
　　 (2)列車勻速運(yùn)行時(shí),阻力所做的功最少,均速相位成為各種運(yùn)行狀態(tài)的紐帶,依此對(duì)列車運(yùn)行全程劃分階段,即啟動(dòng)階段、途中運(yùn)行階段和制動(dòng)階段,把列車控制全局

4、優(yōu)化問題化解為由均速速度決定的局部優(yōu)化問題。采用四階Runge-Kutta方法來求解列車控制的微分方程,針對(duì)陡坡區(qū)段,先計(jì)算出陡坡臨界點(diǎn),反推出首個(gè)相位轉(zhuǎn)換點(diǎn)的初始范圍,然后利用二分法逐漸縮小搜索區(qū)間,得到了陡坡區(qū)段的最優(yōu)控制策略及相應(yīng)的最優(yōu)軌線。隨著總運(yùn)行時(shí)分的增加,列車的能耗隨之減少,但兩者并不呈線性關(guān)系,本文算例中,當(dāng)總旅程時(shí)間從2142.54s逐漸增加至2473s時(shí),全程最優(yōu)控制的能耗值從1845.01下降至1527.23J。<

5、br>　　 (3)列車行駛在陡上坡時(shí),速度會(huì)下降,局部的最優(yōu)控制策略為均速-最大加速-均速相位序列,且最優(yōu)控制的必要條件要求最大加速相位切換回均速相位時(shí),協(xié)態(tài)變量恰等于1,據(jù)此條件可確定陡上坡區(qū)段各相位轉(zhuǎn)換點(diǎn)的具體位置。為提高數(shù)值計(jì)算的效率,結(jié)合列車運(yùn)動(dòng)方程,構(gòu)造陡上坡區(qū)段新的目標(biāo)泛函Jp和變量μ,當(dāng)列車操縱策略為最優(yōu)時(shí),Jp取極值,且μ在陡上坡區(qū)段的始末值均為零,因μ在某些坡段不發(fā)生變化,使得數(shù)值計(jì)算范圍縮小而效率得到提升。列車行駛

6、在陡下坡時(shí),速度會(huì)上升,局部的最優(yōu)控制策略為均速—惰行-均速相位序列,且惰行相位轉(zhuǎn)入均速相位時(shí),協(xié)態(tài)變量恰等于1,為提高計(jì)算效率,同樣可構(gòu)造出陡下坡區(qū)段的新目標(biāo)泛函Jp和變量μ,當(dāng)列車操縱策略為最優(yōu)時(shí),μ在陡下坡區(qū)段的始末值均為零。利用μ和協(xié)態(tài)變量θ解算最優(yōu)控制策略的方法在本文中分別被稱為間接法和直接法,本文算例中,間接法較直接法在陡上坡區(qū)段提高計(jì)算效率60.46％,在陡下坡區(qū)段提高計(jì)算效率95.81％
　　 (4)天氣狀況不同

7、或列車運(yùn)行線路不同都會(huì)導(dǎo)致列車基本阻力參數(shù)變化,因此,列車的每趟旅程的基本阻力參數(shù)都需進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定,以便為最優(yōu)控制策略的計(jì)算提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)條件?？紤]到列車現(xiàn)有的信息設(shè)備,利用串口通信,獲取列車運(yùn)行信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),由于列車運(yùn)行線路中存在基本線路切換和長短鏈,公里標(biāo)會(huì)出現(xiàn)突變,設(shè)計(jì)專門的算法來同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)糾錯(cuò)和公里標(biāo)突變識(shí)別,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的誤碼率低至0.02％。在此基礎(chǔ)上,通過介紹Sigma點(diǎn)的選取辦法,建立列車運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)動(dòng)力學(xué)模型,設(shè)計(jì)UKF