文档名：基于BFGS方法的列车速度预测控制研究
摘要：列车速度控制是轨道交通发展领域的重要基础问题.面向真实列车速度控制应用场景的列车动力学模型及其控制器设计更具挑战性.一方面,传统基于反馈的无模型控制策略存在收敛速度慢、参数要求高、环境变化敏感等问题,目前难以从优化角度设计控制器且应对复杂系统的约束.另一方面,传统的列车单质点动力学模型很难解决高速列车运行过程中的非线性特性.针对上述瓶颈,首先对列车各节车厢进行受力分析,且考虑车厢间的安全距离,将相对位置和相对速度作为可变状态构建列车多质点模型.然后采用模型预测控制策略,综合考虑列车速度控制的非线性成本函数,处理列车运行过程中的复杂约束,预测控制系统的未来动态行为.然后,针对列车预测控制中的复杂动态约束非线性优化问题,设计对数障碍函数处理不等式约束,进而从拟牛顿法角度设计一种具有稳定收敛性的基于BFGS方法的列车速度预测控制算法,完成列车速度的精准跟踪控制.最后,以国内某线站间列车运行数据为例,与其他先进控制方法进行对比实验,以验证所提出的BFGS列车速度预测控制算法的优越性能.实验结果表明,本文所设计的基于BFGS方法的列车速度预测控制算法能够有效地减小列车速度跟踪误差和位移误差,提升列车速度跟踪精度,有利于保障列车的安全、准点、高效、平稳运行,为轨道交通列车速度控制技术发展提供新思路.
Abstract：Trainspeedcontrolisacrucialandfundamentalprobleminthedevelopmentofrailtransportation.Designingdynamicmodelsandcontrollersforreal-worldtrainspeedcontrolapplicationsishighlychallenging.Traditionalfeedback-basedmodel-freecontrolstrategiessufferfromslowconvergence,highparameterrequirements,sensitivitytoenvironmentalchanges,anddifficultyindesigningcontrollersfromtheoptimizationperspective,thusmakingitchallengingtohandleconstraintsincomplexsystems.Ontheotherhand,traditionalsingle-mass-pointdynamicmodelsoftrainsareinadequateindealingwiththenonlinearcharacteristicsthatarisefromhigh-speedtrainoperations.Toaddressthesechallenges,amulti-mass-pointmodelofthetrainwasfirstconstructed,whichtookintoaccountthemechanicalanalysisofeachcarriageandthesafedistancebetweenthem.Intheproposedmodel,therelativepositionandrelativevelocitywereconsideredasthevariablestates.Second,amodelpredictivecontrolstrategywasexploitedtoconsiderthenonlinearcostfunctionoftrainspeedcontrol,handlecomplexconstraintsintrainoperations,andpredictthefuturedynamicbehaviorofthecontrolsystem.Third,forthenonlinearoptimizationprobleminpredictivetraincontrolwithcomplexdynamicconstraints,logarithmicbarrierfunctionswereusedtohandleinequalityconstraints.ABFGS-basedpredictivetrainspeedalgorithmwithguaranteedstableconvergencewasdevelopedfromtheperspectiveofquasi-Newtonmethodstoachieveprecisetrackingcontroloftrainspeed.Finally,acomparisonexperimentwithotheradvancedcontrolmethodswasconductedtoverifythesuperiorperformanceoftheproposedBFGS-basedpredictivetrainspeedalgorithmbytakingthetrainoperationdatabetweenstationsinChinaasanexample.TheexperimentalresultsshowthattheproposedBFGS-basedpredictivetrainspeedalgorithmdesignedinthispapercaneffectivelyreducethetrainspeedtrackingerroranddisplacementerror,improvethetrackingaccuracyoftrainspeed,andisconducivetoensuringthesafety,punctuality,highefficiency,andstabilityoftrains.Thefindingscouldprovideanewideaforthedevelopmentofrailtransittrainspeedcontroltechnology.
作者：王玺 邢科家 王健 王芃 Author：WANGXi XINGKejia WANGJian WANGPeng
作者单位：中国铁道科学研究院研究生部,北京100081;国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京100081中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京100081;国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京100081
刊名：铁道科学与工程学报
Journal：JournalofRailwayScienceandEngineering
年，卷(期)：2024, 21(2)
分类号：U284.4
关键词：多质点模型 模型预测控制 BFGS 列车速度控制
Keywords：multi-mass-pointmodel modelpredictivecontrol BFGS speedcontroloftrains
机标分类号：U268.7TP273U121
在线出版日期：2024年3月19日
基金项目：国家自然科学基金，中国铁道科学研究院集团有限公司科研开发基金重大项目基于BFGS方法的列车速度预测控制研究[
期刊论文] 铁道科学与工程学报--2024, 21(2)王玺 邢科家 王健 王芃列车速度控制是轨道交通发展领域的重要基础问题.面向真实列车速度控制应用场景的列车动力学模型及其控制器设计更具挑战性.一方面,传统基于反馈的无模型控制策略存在收敛速度慢、参数要求高、环境变化敏感等问题,目前难以...参考文献和引证文献
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