高速铁路列车容错控制

发布时间：2017-05-19 05:06

  本文关键词：高速铁路列车容错控制，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：经过十余年的铁路大提速及高速铁路建设,中国已经形成了以“高铁”为标志的高速铁路网络。与传统低速列车相比,发生相同故障时,时速300公里的高速列车会带来更加严重的危害,因此,故障下的高速列车运行控制问题已经成为轨道交通领域的研究热点。 本文首先针对高速列车动力学模型的不确定性与运行阻力带来的非线性特性,以及牵引/制动系统可能发生的一系列故障,分别建立了不同故障条件下高速列车的多质点动力学模型。在此基础上,分别针对不同工况研究相应的高速列车容错控制问题,最终针对更具一般性的高速列车工况,设计了具有广泛适用性的高速列车容错控制器。本文主要研究内容及创新成果如下： 首先,针对高速列车线性模型中参数已知,且牵引/制动系统电气或机械模块发生了恒偏差或恒倍差故障,设计了高速列车被动容错控制器,进行了仿真验证,并给出了系统稳定性的理论证明；在此基础上,针对参数已知但存在不确定性,且牵引/制动系统电气或机械模块发生了恒偏差或恒倍差故障时,设计了高速列车鲁棒容错控制器,进行了仿真验证,并给出了系统稳定性的理论证明。 其次,针对高速列车线性模型中部分参数未知,且牵引/制动系统电气或机械模块发生了叠加时变扰动的未知恒偏差故障,设计了相应的高速列车容错控制器。首先,为了消除高速列车容错控制器在切换时出现的不连续,在神经网络模块中加入平滑切换函数,得到高速列车故障诊断模块。然后,在自适应控制器中加入约束项,设计了高速列车保性能容错控制器,仿真结果表明高速列车的位置与速度跟踪误差能够满足预先设定的要求。最后,给出了系统稳定性的理论证明。 然后,针对高速列车非线性模型中运行阻力的非线性特性,且牵引/制动系统的电气或机械模块发生了叠加时变扰动的未知恒偏差输出故障,设计了相应的高速列车容错控制器。首先,利用状态观测器,得到了未出现故障时高速列车位置与速度跟踪误差的最大值的估计,作为故障诊断的指标。基于浸入与不变理论,设计了一系列的自适应参数估计器,在此基础上,根据故障状况切换高速列车自适应参数估计器,进而得到了浸入与不变容错控制器。仿真结果表明高速列车的位置与速度跟踪误差能够收敛到有限界内。最后,给出了系统稳定性的理论证明。 最后,针对包含了前述三种情形的更复杂工况,即高速列车非线性模型中列车设计参数未知,且牵引/制动系统电气或机械模块发生了带有未知参数的跳变倍差故障,设计了相应的高速列车容错控制器。首先,通过加入P(x)单调,简化了β(x)求取过程,设计了故障诊断模块。然后,对于高速列车中同时存在跳变倍差故障以及牵引系统饱和的情况,设计了高速列车直接自适应容错控制器。仿真结果表明高速列车的位置与速度跟踪误差能够收敛到有限界内。最后,给出了系统稳定性的理论证明。
【关键词】：高速列车 运行控制 容错控制 非线性系统 执行器故障
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U260.36;TP273
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 引言13-25
• 1.1 选题背景及意义13-14
• 1.2 列车运行控制研究现状14-16
• 1.3 容错控制的研究及应用现状16-21
• 1.4 存在的问题及论文主要研究内容21-25
• 1.4.1 列车运行控制研究中存在的问题21-22
• 1.4.2 论文主要研究内容22-25
• 2 参数已知线性模型的高速列车被动容错控制25-51
• 2.1 模型参数已知的高速列车完整容错控制25-35
• 2.1.1 问题描述25-30
• 2.1.2 控制器设计30-32
• 2.1.3 数值仿真32-35
• 2.2 模型参数已知的高速列车可靠容错控制35-39
• 2.2.1 控制器设计35-37
• 2.2.2 数值仿真37-39
• 2.3 模型参数不确定性的高速列车鲁棒容错控制39-42
• 2.3.1 问题描述39
• 2.3.2 控制器设计39-40
• 2.3.3 数值仿真40-42
• 2.4 模型参数不确定性的高速列车鲁棒自适应容错控制42-50
• 2.4.1 问题描述42-43
• 2.4.2 执行机构恒偏差故障下的容错控制器设计43-45
• 2.4.3 执行机构恒倍差故障下的容错控制器设计45-48
• 2.4.4 数值仿真48-50
• 2.5 本章小结50-51
• 3 参数未知线性模型的高速列车保性能容错控制51-73
• 3.1 问题描述51-53
• 3.2 高速列车直接自适应控制器设计53-56
• 3.2.1 直接自适应控制器设计53-54
• 3.2.2 稳定性证明54-56
• 3.3 高速列车容错保性能控制器设计56-68
• 3.3.1 高速列车神经网络故障诊断设计56-58
• 3.3.2 高速列车直接自适应容错控制器设计58-62
• 3.3.3 执行机构卡死故障下的保性能容错控制器设计62-66
• 3.3.4 执行机构非参数化时变故障下的保性能容错控制器设计66-68
• 3.4 数值仿真68-71
• 3.5 本章小结71-73
• 4 参数误差未知非线性模型的高速列车浸入与不变容错控制73-93
• 4.1 问题描述73-76
• 4.2 高速列车I&I自适应控制器设计76-80
• 4.2.1 控制器设计76-78
• 4.2.2 稳定性证明78-80
• 4.3 高速列车I&I自适应容错控制器设计80-86
• 4.3.1 高速列车故障诊断设计80-81
• 4.3.2 执行机构恒偏差故障下的I&I自适应容错控制器设计81-83
• 4.3.3 执行机构未知扰动故障下的I&I自适应容错控制器设计83-86
• 4.4 数值仿真86-91
• 4.5 本章小结91-93
• 5 参数未知非线性模型的高速列车直接自适应容错控制93-111
• 5.1 问题描述93-97
• 5.2 高速列车I&I自适应故障诊断设计97-101
• 5.2.1 观测器设计98-99
• 5.2.2 稳定性证明99-101
• 5.3 执行机构未知跳变倍差故障下的直接自适应容错控制器设计101-105
• 5.3.1 控制器设计101-102
• 5.3.2 稳定性证明102-105
• 5.4 执行机构未知跳变故障以及饱和下的直接自适应容错控制器设计105-108
• 5.4.1 控制器设计105-106
• 5.4.2 稳定性证明106-108
• 5.5 数值仿真108-110
• 5.6 本章小结110-111
• 6 结论与展望111-113
• 6.1 结论111-112
• 6.2 问题与展望112-113
• 参考文献113-123
• 作者简历123-127
• 教育经历123
• 承担的科学研究工作123
• 攻读博士学位期间发表的学术论文123-127
• 学位论文数据集12

【参考文献】

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本文编号：377799