高速铁路的健康持续发展是实施我国“一带一路”和“走出去”国家战略的重要基础,也是推动我国经济快速发展的核心引擎。列车的安全可靠运行是高速铁路建设和发展的根本前提。而保证高速列车可靠运行的关键点之一在于列车自动驾驶(Automatic Train Operation,ATO)系统能否及时产生可靠的牵引与制动控制信号。即需要针对ATO系统建立可靠的牵引与制动控制算法。虽然目前已有学者针对高速列车的非线性和不确定性特征建立了许多高速列车牵引与制动控制算法以实现稳定的跟踪控制,但大部分研究成果多关注系统的稳态性能,即证明高速列车速度与位移跟踪控制系统是Lyapunov渐进稳定的,而很少研究系统的暂态性能。事实上,事关旅客生命财产安全的高速列车ATO系统是一个需要快速响应的实时控制系统,通常的Lyapunov稳定往往不能达到预期的控制效果,甚至会因为多种扰动与不确定因素导致超调量过大、反应缓慢等影响列车可靠运行的现象发生。因此本论文综合考虑系统的稳态性能和暂态性能,基于有限时间控制和分数阶控制理论构建了高速列车的有限时间跟踪控制体系,以使高速列车在有限时间内实现高精度的位移与速度跟踪控制,进而保证行车安全及精确停车。具体研究如下:1.论文在考虑高速列车运行过程中时变系统参数,不确定运行阻力,未知车间力,不可预测的执行器故障,牵引与制动分级导致的非线性输入以及内/外部干扰等因素下,依据牛顿定律以及相邻车厢间的几何关系,在已有模型基础上,建立了改进的高速列车多质点单位移模型。该模型不仅清楚的描述了高速列车多质点特性以及车间力的影响,并且具有模型维数低,结构简单的优点。2.论文基于所建立的高速列车动力学模型与有限时间控制理论,研究了可改善系统暂态性能的控制算法,完成了整数阶有限时间控制器(Integer-order finitetime controller,IO-FTC)的设计,并理论证明了该控制器可使高速列车能在有限时间内实现稳定的跟踪控制。3.论文基于分数阶控制理论与IO-FTC的设计思路,设计了可同时提升系统稳态与暂态性能的分数阶有限时间控制器(Fractional-order finite-time controller,FOFTC),使高速列车能够在有限时间内实现更高精度的跟踪控制。进一步从理论角度证明了FO-FTC的优越性。4.论文中所设计的两种控制器均可实时且有效地补偿执行器故障与系统不确定性因素,实现了故障前主动预防的高速列车有限时间跟踪控制;两种控制器均独立于模型,仅需已知参考车厢的位移和速度,易于应用且成本不高;此外,二者的稳定时间均可由参数的不同选择来进行一定程度上的调整。仿真研究显示基于IOFTC的系统稳定时间为0.6s,而基于FO-FTC的系统稳定时间为0.55s,二者均小于利用PID控制器的系统稳定时间2.5s。因此,理论分析与仿真研究均验证了两种有限时间控制器的有效性与优越性。