基于差分进化算法的城轨列车速度曲线优化及跟踪控制

发布时间：2020-03-26 12:13

【摘要】：城市轨道交通以其运输量大、全天候、安全性高等特点,成为缓解城市交通拥堵、提高交通安全水平的重要方式。但是轨道列车运行耗能巨大,其中牵引能耗占大部分,所以降低城轨列车的牵引耗能已经成为维持城市轨道交通可持续发展亟待解决的重要问题之一,对列车的运行速度曲线进行节能优化具有实际意义。整个城轨系统比较复杂,列车运行过程中的影响因素很多,传统的优化算法已无法处理复杂且包含大量约束因素的寻优问题。而进化算法是一种有着高鲁棒性、广泛适应性的成熟的全局优化算法,能够有效地解决传统优化算法无法处理的复杂的寻优问题。ATO系统主要功能是实现列车的自动驾驶,提高列车的运行效率,节省列车的运行能耗。对于ATO系统来说,最重要的就是能够有效准确地跟踪列车的最佳运行速度曲线,所以合理有效的跟踪控制算法可使列车实现良好的自动运行。本文的主要研究内容如下:(1)结合列车单质点动力学模型和多质点动力学模型各自优点研究了一种多质点单位移动力学模型,该模型可更加真实地反映列车运行状态及车厢间的相互影响而且结构简单易分析;设计了基于固定惰行搜索区间的节能操纵策略,在固定区间搜索惰行切换点,使得算法优化搜索更优针对性;综合考虑多项约束指标并建立了基于准时性和舒适度双惩罚机制的节能优化模型。(2)对标准差分进化算法进行改进,提出了一种基于改进变异策略的协同差分进化算法(Cooperative Differential Evolution Algorithm Based on Improved Mutation Strategy,简称IMSCDE)用于对列车的节能优化模型进行求解,得到最优运行速度曲线。该算法在种群结构、变异策略和控制参数选择方面均有改进,相对于标准DE算法增强种群个体多样性,提高了算法的全局搜索能力和收敛速度。(3)根据城轨列车系统的非线性、不确定性以及外界干扰等特性,采用鲁棒自适应控制理论设计了结构简单、运算量小、具有自适应能力的跟踪控制器并采用Lyapunov稳定性理论证明了跟踪控制器的渐进稳定性。本文最后基北京地铁亦庄线的实际运行线路数据,利用MATLAB软件对列车运行速度曲线的优化过程和跟踪控制器的跟踪过程进行了仿真。仿真结果验证了IMSCDE算法及跟踪控制器分别在运行节能和跟踪控制方面的有效性。
【图文】：

列车运行,速度曲线,数值法,启发式算法

１．３节能方法综述逡逑通过上述内容可知，国内外的学者在对城轨列车的列车节能运行速度曲线的逡逑优化研究的算法众多，，大致分为三类，解析法、数值法和启发式算法。图１－３为优逡逑化列车运行速度曲线的常用方法。逡逑＜列车运行速度１逡逑、曲线优化方法ｊ逡逑ｉ邋、逦Ｉ逦ｉ逦ｙ逡逑启发式算法］逦ｆ邋数值法邋＾邋［邋ｍＷＡ邋Ｊ邋［其他逡逑＼ｒ邋＼ｒ＿＿逦”邋＼ｔ邋＼ｒ逦＼ｒ逦ｉｆ邋」ｒ逡逑ｆ逦ｉｆｉ邋＊邋Ｓ逦二逦ｆ逦动逡逑其进逦传蝠撂逦次逦５逦态逡

速度曲线,结构图,速度曲线,列车

优化模型进行求解得到最优运行速度曲线；基于鲁棒自适应控制理论设计了跟踪逡逑控制器对最佳运行速度曲线进行跟踪。最后利用ＭＡＴＬＡＢ对速度曲线优化过程及逡逑跟踪过程进行仿真验证，图１－４为本论文的内容结构图。下面为本论文的各章节主逡逑要内容：逡逑第一章阐述了降低城轨列车运行牵引能耗的必要性及对国内外学者在城轨列逡逑车运行节能方面的研宄现状进行介绍，对节能方法进行了总结。并根据我国城市轨逡逑道交通的运营现状，说明对列车的运行节能进行研宄具有现实意义。逡逑第二章为列车运动模型的建立。对城轨列车运行过程的受力情况进行介绍，建逡逑立了列车的单质点动力学模型和多质点动力学模型。并结合单质点模型和多质点逡逑模型的优点研宄了一种多质点单位移模型，该模型相对于单质点模型能够更加真逡逑实地反映列车的运行过程；相对于一般多质点模型结构更简单，使得跟踪控制器的逡逑设计和分析更加方便。最后对列车的运行工况进行了分析。逡逑第三章为优化算法的设计。本章首先阐述了标准差分进化算法的原理和优化逡逑步骤，并针对标准ＤＥ算法的不足提出一种基于改进变异策略的协同差分进化算法逡逑（Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ邋Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ邋Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ邋Ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋Ｉｍｐｒｏｖｅｄ邋Ｍｕｔａｔｉｏｎ邋Ｓｔｒａｔｅｇｙ，逡逑简称ＭＳＣＤＥ）
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP18;U284.48

【参考文献】