貨運列車節(jié)能運行優(yōu)化與智能控制方法.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、軌道交通具有運量大、速度快、污染小、安全高效、準(zhǔn)點性強(qiáng)等優(yōu)勢,正在逐漸成為國民經(jīng)濟(jì)的大動脈和現(xiàn)代城市交通運輸?shù)闹黧w骨架。隨著我國高速鐵路網(wǎng)的快速建設(shè),既有鐵路的功能定位將逐漸向貨物運輸傾斜,形成更加高效、安全、快捷的貨運通道。近年來,社會對能源安全和環(huán)境保護(hù)問題日益關(guān)注,軌道交通節(jié)能,特別是大功率電力機(jī)車牽引的貨運列車的節(jié)能運行優(yōu)化與控制問題,具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。
  貨運列車是一個高度非線性、大慣性、運行環(huán)境惡劣、

2、控制難度大的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng),其運行過程是復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜環(huán)境相緊密耦合,形成的更為復(fù)雜的非線性、多約束、多目標(biāo)、時變過程。本文圍繞綠色、安全、智能的貨運列車運行控制,開展了如下幾個方面的工作:
  貨運列車集總模型構(gòu)建:論文在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上對列車系統(tǒng)的受力分析、運動方程、約束條件的建模進(jìn)行凝練和拓展,結(jié)合被控對象特征,采用分段線性化、模糊邏輯、多模態(tài)建模等方法對模型進(jìn)行了完善,構(gòu)建了列車運行集總模型,較全面地體現(xiàn)了被控對象的關(guān)鍵特征

3、,為后續(xù)的優(yōu)化計算和智能控制提供更為堅實的模型基礎(chǔ)。同時,集總建模是對傳統(tǒng)建模方法的一種拓展,也是對復(fù)雜對象建模的一種有效嘗試。
  列車運行能耗關(guān)鍵要素敏感度分析:論文對影響列車運行能耗的主要影響因素進(jìn)行了仿真計算和對比分析,直觀地體現(xiàn)各個因素對運行能耗的影響程度,以便在速度曲線優(yōu)化和運行控制過程中對各種因素進(jìn)行統(tǒng)籌考慮,并作為相關(guān)操縱策略選擇的決策依據(jù)。論文通過仿真證實了最優(yōu)惰行關(guān)系在一定的計算精度下,表現(xiàn)為一個區(qū)域,而非僅僅

4、是一個點。為了便于程序?qū)\行時問的精確控制,和統(tǒng)籌把握計算速度與計算精度之間的平衡關(guān)系,本文提出將能耗曲線的谷底區(qū)段按照能耗隸屬度函數(shù)設(shè)置為基于置信區(qū)間的最優(yōu)切換區(qū)域。從對能耗的影響程度來看,對于計劃運行時分的充分利用才是速度曲線優(yōu)化和運行控制過程中最為關(guān)鍵的要素。
  列車節(jié)能運行目標(biāo)速度曲線優(yōu)化:論文在列車運行過程四模態(tài)理論的基礎(chǔ)上提出了六模態(tài)劃分方法?;诶硐霔l件下的最優(yōu)速度曲線與實際工況的有機(jī)結(jié)合,以人類的先驗知識對優(yōu)化過

5、程進(jìn)行啟發(fā)式引導(dǎo),提出了基于步長自適應(yīng)和雙向迭代的速度曲線優(yōu)化算法,可以快速確定模態(tài)序列及其切換點在時間和距離維度上的位置坐標(biāo),然后按照充分利用計劃運行時分的原則,結(jié)合最優(yōu)切換區(qū)域?qū)η袚Q點在給定鄰域內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)整。對于陡坡區(qū)段,論文按照分層優(yōu)化的思路,提出了平均速度等效算法進(jìn)行局部近似,在不影響能耗水平的前提下,將復(fù)雜的全局優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為相對簡單的局部優(yōu)化問題。
  列車運行速度跟蹤控制:針對貨運列車運行過程的非線性、大滯后、多目

6、標(biāo)、多約束的特點,在目標(biāo)速度曲線給定的基礎(chǔ)上,采用了牽引力前饋的方法,有效緩解了貨運列車的大滯后特性帶來的收斂速度慢的問題,較好地提升了控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。根據(jù)列車運行過程多模態(tài)的特征,論文對應(yīng)設(shè)置多個FPID子控制器構(gòu)成MM-FPID控制器,各個子控制器根據(jù)所對應(yīng)模態(tài)的需求特征進(jìn)行差異化設(shè)計,較好地回避了控制器設(shè)計過程中不同要素的相互制約與平衡問題。針對車速超調(diào)在低限速區(qū)段引起的撞線制動問題,采用了牽引力自適應(yīng)限幅的方法,在無需增加限

7、速安全裕量的前提下,收到了滿意的控制效果。并充分融入NN在學(xué)習(xí)和預(yù)測方面的優(yōu)勢,提出了MM-FPID+NN的組合控制器,實現(xiàn)了準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定的列車速度跟蹤控制。
  列車運行控制計算機(jī)仿真平臺設(shè)計:論文在列車節(jié)能運行優(yōu)化和車速智能跟蹤控制的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一套列車運行控制計算機(jī)仿真軟件,使得優(yōu)化及控制的仿真效果能夠得到直觀展示。該仿真軟件既可以為相關(guān)的科學(xué)研究提供仿真計算工具,也可以為實際鐵路生產(chǎn)中的生產(chǎn)計劃編制、優(yōu)化、調(diào)整提供理

8、論指導(dǎo)和參考依據(jù)。
  論文通過對上述問題的研究,揭示惰行范圍對能耗的影響程度以及再生制動對最優(yōu)惰行關(guān)系的影響規(guī)律,對現(xiàn)有列車節(jié)能運行基礎(chǔ)理論起到了有效補充和完善,初步探索運行能耗與計劃運行時分、線路條件、運行速度、牽引定數(shù)、牽引特性等要素之間的關(guān)系及其大致規(guī)律,提出簡單、快捷、精確、高效,且易于工程化的速度曲線優(yōu)化方法,為列車速度跟蹤控制提供跟蹤對象。車速跟蹤控制器較好地克服了列車系統(tǒng)的大滯后、非線性特性,實現(xiàn)對目標(biāo)速度精確、高

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