模糊預(yù)測算法在列車自動運行系統(tǒng)中的應(yīng)用

王文美

【摘要】首先介紹了列車自動運行系統(tǒng)的功能，其次介紹了模糊預(yù)測算法的結(jié)構(gòu)和功能，最后對模糊預(yù)測控制在列車自動運行系統(tǒng)中的應(yīng)用深入研究并進行仿真驗證。通過對比PID控制器，表明列車控制系統(tǒng)中采用模糊預(yù)測控制器在列車安全性、舒適性、抗干擾等方面有明顯的提高。

【關(guān)鍵詞】預(yù)測控制模糊控制ATO仿真

我國正面臨著工業(yè)快速發(fā)展的黃金時期，大量人口涌向城市。我國城市軌道交通的迅速發(fā)展為城市的客流量緩解了巨大的壓力。目前國內(nèi)的城市軌道交通在行車密度、行車速度、路網(wǎng)建設(shè)上都存在著問題，列車控制系統(tǒng)的自動化程度不高是這些問題的主要原因。對于城市軌道交通系統(tǒng)的高密度、高效率來講，ATO系統(tǒng)是必不可少的。然而我國的列車自動運行系統(tǒng)主要依靠國外引進，造成了大量資金的消耗，始終受制于人。當(dāng)前在城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)時期，需要發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的列車自動運行系統(tǒng)，這樣才能夠支持國家城市軌道的快速發(fā)展。

本文主要研究模糊預(yù)測控制算法在列車自動運行系統(tǒng)中的應(yīng)用，將模糊控制和預(yù)測控制相結(jié)合并應(yīng)用于ATO系統(tǒng)中，為我國早日實現(xiàn)列車自動運行系統(tǒng)國產(chǎn)化起到一定的探索性作用。

一、列車自動運行系統(tǒng)的功能

列車自動運行系統(tǒng)的主要功能就是通過閉環(huán)控制原理對列車速度進行調(diào)整，保證列車間的設(shè)計間隔和旅行速度，以滿足追蹤間隔最小、精確停車的效果?；陂]環(huán)控制的列車自動運行原理如圖1所示。雷達通過ATP設(shè)備將列車的實際位置傳送給ATO，再經(jīng)過一系列固定應(yīng)答器發(fā)送同步信息給列車，以提高列車位置測量的精度。同時，測速電機輸出脈沖數(shù)據(jù)，一定時間內(nèi)車輪旋轉(zhuǎn)的距離與脈沖的數(shù)量成正比，將這些脈沖信號換算成直線距離，并利用車輪的直徑數(shù)值計算出列車走行的距離。通過計算單位時間內(nèi)測速電機發(fā)送脈沖的數(shù)量可算出列車的速度。

二、模糊預(yù)測算法的結(jié)構(gòu)和功能

模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器。一個模糊系統(tǒng)的優(yōu)劣主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、模糊規(guī)則、合成推理算法以及模糊判決等因素。模糊控制器的結(jié)構(gòu)主要包括模糊化接口、推理機、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、解模糊化接口等5部分組成，如圖2所示。

預(yù)測控制是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種基于模型控制的算法，該算法具有預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正等特點。預(yù)測控制的原理如圖3所示。

其中，ys代表參考軌跡的設(shè)定值，yr（k）代表未來時刻期望輸出值。k=0表示當(dāng)前的采樣時刻。0時刻左邊為過去的控制量和輸出量。ym（k）（k=1，2，…，P）代表未來時刻的預(yù)測輸出值。預(yù)測算法就是通過比較期望輸出yr（k）與預(yù)測輸出ym（k）之間的誤差e（k），來計算未來時刻的控制量u（k）（k=1，2，…，P），使誤差e（k）盡可能達到最小。這里的P稱為預(yù)測步數(shù)，L為控制步數(shù)。

通過圖3可以看出，預(yù)測控制是根據(jù)被控對象的歷史測量信息和未來輸入，預(yù)測對象的未來輸出。每到一個新

性的影響，如圖7和圖8所示。

通過圖7和圖8可以看出，根據(jù)加速度大于1.4m/s2作為乘客感到不舒適的標(biāo)準(zhǔn)，顯然PID控制的加速度大于1.4m/s2的運行時間比模糊預(yù)測控制要長。說明模糊預(yù)測控制在列車的啟動和制動過程中對乘客的舒適性要高于PID控制。

由于列車的啟動和制動過程時間比較短，一般并不是舒適性考慮最重要的因素。列車在勻速階段運行時，速度波動并不大，一般都能滿足乘客的舒適性。所以應(yīng)該重點考慮外界存在干擾的情況下，兩種算法對乘客舒適性的影響。例如假設(shè)列車運行到100s的時候遇到了上坡道，列車會產(chǎn)生一個更大的輸出牽引電流以便提供更大的牽引力克服坡度的阻力，分別采用兩種控制器對列車的速度進行仿真，如圖9和圖10所示。

當(dāng)列車采用模糊預(yù)測控制時，運行到100s遇到上坡道，此時速度幾乎沒有什么波動。但是當(dāng)列車采用PID控制時，列車的速度顯示了小幅波動，

說明采用模糊預(yù)測控制算法對乘客的安全性和舒適性都有很好的控制效果。

六、結(jié)束語

本章通過PID控制器和模糊預(yù)測控制器分別對列車的速度進行控制仿真，在仿真中兩者設(shè)置相同的目標(biāo)速度、干擾因素等進行對比研究。仿真結(jié)果表明：采用模糊預(yù)測控制器在列車運行控制系統(tǒng)中有較好的安全性、舒適性、抗干擾性等性能指標(biāo)，同時也指出了PID控制器的不足及原因。

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