【摘 要】
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随着高速铁路的高水平、规模化建设,中国高铁已经成为了一张亮丽的世界名片。铁路安全攸关乘客生命财产安全,因此,保障列车的安全、可靠运行是高速铁路发展的根本前提。列车自动驾驶系统(Automatic Train Operation,ATO)在保障列车稳定运行方面发挥着至关重要的作用。其中,采取先进的高速列车自动驾驶控制算法是最有效的方式之一。随着列车运行速度的不断提高,乘客对于列车运行的可靠性、稳定性
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随着高速铁路的高水平、规模化建设,中国高铁已经成为了一张亮丽的世界名片。铁路安全攸关乘客生命财产安全,因此,保障列车的安全、可靠运行是高速铁路发展的根本前提。列车自动驾驶系统(Automatic Train Operation,ATO)在保障列车稳定运行方面发挥着至关重要的作用。其中,采取先进的高速列车自动驾驶控制算法是最有效的方式之一。随着列车运行速度的不断提高,乘客对于列车运行的可靠性、稳定性以及乘坐舒适性等也有了更高的要求,因此,提高控制器的控制精度、抗干扰能力以及鲁棒性成为了研究高速列车跟踪控制问题的关键。本论文基于高速列车自动驾驶技术的发展需求,针对高速列车速度与位移跟踪控制问题,应用分数阶微积分理论,结合目前已有的控制方法,提出了一种分数阶控制策略,能够有效提高系统控制性能,满足高速列车对于稳定行车以及停车精度的控制要求,同时提高乘客的舒适度。本论文的主要研究工作如下:首先,本文考虑了高速列车牵引/制动执行器具有的非对称饱和特性,将高速列车作为非仿射系统进行了详细的动力学建模。研究综合考虑高速列车在实际运行过程中受到的非线性控制输入、参数时变、未知运行阻力、未知车间力、以及执行器故障等影响,建立了高速列车非仿射多质点模型,并对系统的非仿射非线性特性进行了具体的分析和处理,为后续设计有效的跟踪控制策略奠定了基础。其次,本文考虑到整数阶是分数阶的特殊形式,首先建立整数阶自适应及容错跟踪控制策略,实现高速列车速度与位移渐近稳定跟踪。之后,在整数阶控制方法的基础上,应用分数阶微积分理论,建立分数阶跟踪控制策略,进一步提高控制器的控制精度、抗干扰能力及鲁棒性,从而实现更高精度的高速列车速度与位移跟踪控制目标,提高系统控制性能,同时保障乘客的舒适性。所建立的控制方法不依赖于系统中具体的模型参数,并且具有容错能力,能够确保高速列车在受到系统非线性和不确定性的影响下稳定运行。最后,本文对大多数研究所忽略的高速列车牵引与制动动态特性进行了具体分析,建立了新的高速列车电结构多质点-单位移模型,并设计了以牵引/制动设备端电压作为控制量的高速列车牵引/制动分数阶跟踪控制策略以及牵引与制动统一跟踪控制策略。研究以分数阶微积分理论为支撑,结合自适应以及反步控制技术,在对系统中的不确定项进行有效补偿的同时,保证控制器具有更强的抗干扰能力和鲁棒性,能够满足高速列车跟踪控制的要求。图30幅,表4个,参考文献61篇。
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