列车节能操纵理论模型和参数标定方法研究.pdf

中文摘要 交通运输业是国家的基础性服务业，为社会经济的发展提供重要的支撑作用， 但交通运输业也消耗了大量的能源，在能源形势日趋紧张的当今社会值得深切关 注。铁路运输是最重要的交通运输方式之一，完成了全社会相当比例的运量，近 年来，铁路进行了大规模的建设，在综合运输网络中的主导地位进一步加强，但 随之而来的是铁路运输业的能耗日趋庞大。为有效降低占铁路能耗主体的牵引能 耗，进行了列车节能运行的基础理论研究，重点研究列车节能操纵的基本原理， 以期为优秀的列车节能操纵指导系统的研制和开发奠定理论基础。 本文在借鉴国内外已有研究成果的基础上，充分考虑到列车运行线路复杂多 变的特性，引入连续陡坡的概念，对列车在陡坡区段的最优控制策略进行了深入 的研究与探讨，主要研究内容及结论如下： (1)根据列车运行受力分析，构建了基于机械能的列车运行理论模型，引入协 件，即符合列车节能运行的状态仅有四种t最大加速相位、均速相位、惰行相位 和制动相位；借助协态变量满足的微分方程，分析出相位转换关系，再根据列车 运行的现实环境，寻找正确的相位序列和相位转换点位置，即确定了列车的最优 控制策略。 (2)列车匀速运行时，阻力所做的功最少，均速相位成为各种运行状态的纽带， 依此对列车运行全程划分阶段，即启动阶段、途中运行阶段和制动阶段，把列车 方法来求解列车控制的微分方程，针对陡坡区段，先计算出陡坡临界点，反推出 首个相位转换点的初始范围，然后利用二分法逐渐缩小有哪些信誉好的足球投注网站区间，得到了陡坡区 段的最优控制策略及相应的最优轨线。随着总运行时分的增加，列车的能耗随之 减少，但两者并不呈线性关系，本文算例中，当总旅程时间从2142．54s逐渐增加 至2473s时，全程最优控制的能耗值从1845．01J下降至1527．23J。 (3)列车行驶在陡上坡时，速度会下降，局部的最优控制策略为均速一最大加 速一均速相位序列，且最优控制的必要条件要求最大加速相位切换回均速相位时， 协态变量恰等于l，据此条件可确定陡上坡区段各相位转换点的具体位置。为提高 数值计算的效率，结合列车运动方程，构造陡上坡区段新的目标泛函以和变量∥， 当列车操纵策略为最优时，-，口取极值，且∥在陡上坡区段的始末值均为零，因∥在 某些坡段不发生变化，使得数值计算范围缩小而效率得到提升。列车行驶在陡下 坡时，速度会上升，局部的最优控制策略为均速—惰行一均速相位序列，且惰行 相位转入均速相位时，协态变量恰等于l，为提高计算效率，同样可构造出陡下坡 区段的新目标泛函，。和变量／z，当列车操纵策略为最优时，／z在陡下坡区段的始 末值均为零。利用∥和协态变量秒解算最优控制策略的方法在本文中分别被称为间 接法和直接法，本文算例中，间接法较直接法在陡上坡区段提高计算效率60．46％， 在陡下坡区段提高计算效率95．81％ (4)天气状况不同或列车运行线路不同都会导致列车基本阻力参数变化，因 此，列车的每趟旅程的基本阻力参数都需进行实时标定，以便为最优控制策略的 计算提供坚实的基础条件。考虑到列车现有的信息设备，利用串口通信，获取列 车运行信息的实时数据，由于列车运行线路中存在基本线路切换和长短链，公里 标会出现突变，设计专门的算法来同时进行数据纠错和公里标突变识别，实时数 据的误码率低至0．02％。在此基础上，通过介绍Sigma点的选取办法，建立列车运 动的随机动力学模型，设计UKF(无味卡尔曼滤波)的递推算法，快速地标定出精确 的基本阻力参数，以宁西线合肥东一大顾店区段的列车为测试对象，结果表明： 实时参数标定器能在某较长的下坡道上，约100个时间步长内完成参数的标定， 较参考值符合实际情形。 本文致力于列车节能操纵的理论和实践研究，重点研究列车节能运行的基本 原理，为优秀的列车节能操纵指导系统的研制和开发奠定坚实基础，以期降低列 车运行的牵引能耗，有利于铁路运输业的节能降耗。 关键词：列车运行；理论模型；最优控制；连续陡坡；数值计算；实时数据接口g 参数标定 中图分类号：U268．4 ABSTRACT fundamental isthe service of ABSTRACT：Transportindustry depart