一种随机干扰下的列车运行控制方法

本发明涉及高速列车运行控制，尤其涉及一种随机干扰下的列车运行控制方法。

背景技术：

1、作为建设高质量综合立体交通网络的重要组成部分，高速铁路得到了迅速的发展，高速铁路以其安全、可靠、舒适、准时和成本效益等优点，已成为最受欢迎的交通方式之一。为了确保高速列车安全高效运行，列车自动控制系统被用来实现列车运行控制，列车自动控制方法也受到了广泛关注。

2、以及，在实际的高速列车运动中，系统不可避免地会受到未知的外部干扰和内部波动，如电网电压波动、随机测量信号、突然的机器故障和恶劣天气等。在随机干扰的影响下，列车无法跟踪目标速度曲线，这可能导致安全风险和能源浪费。因此，应进一步研究具有内部随机波动和外部干扰的高速列车系统，以提高速度跟踪的控制性能。

3、然而，这些扰动往往是未知的，不能用某种确定性函数来描述，因此使用随机过程理论来研究未知的随机扰动。另外，列车速度跟踪控制问题的研究大多没有考虑系统的暂态性能，一旦各种干扰和不确定性引起超调和慢响应将影响列车的安全可靠运行，因此使用有限时间控制研究暂态性能。此外，列车控制的目标不仅要满足稳定性要求、而且要具有良好的暂态性能，并保证成本达到最小，因此需要结合保成本最优控制方法。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种随机干扰下的列车运行控制方法，其在满足稳定性要求的同时还要具有良好的暂态性能(超调和慢响)，还能保证成本达到最小。

3、(二)技术方案

4、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

5、第一方面，本发明实施例提供一种随机干扰下的列车运行控制方法，包括：在考虑列车受到随机干扰的情况下，构建列车时变多质点动力学模型；其中，列车时变多质点动力学模型包括列车的第i节车厢和列车的第i+1节车厢的实际相对位置偏移、第i节车厢的车厢速度，i为正整数；基于给定的理想位置相对偏移和实际相对位置偏移，计算第i节车厢和第i+1节车厢的位置相对偏移误差，并基于给定的目标速度曲线和车厢速度，计算第i节车厢的速度追踪误差，以及基于位置相对偏移误差和速度追踪误差，建立误差状态方程；基于误差状态方程设计能够满足约束条件的时变状态反馈控制器，并将约束条件转换成时变微分矩阵不等式；其中，约束条件包括暂态性能约束条件和成本最小约束条件；求解满足时变微分矩阵不等式条件的时变状态反馈控制器，并基于满足时变微分矩阵不等式条件的时变状态反馈控制器，对列车的运行进行控制。

6、在一个可能的实施例中，列车时变多质点动力学模型的的表达式为：

7、

8、其中，表示di(t)的导数；di(t)表示第i节车厢和第i+1节车厢的实际相对位置偏移；t表示时间；vi(t)表示第i节车厢的车厢速度；vi+1(t)表示第i+1节车厢的车厢速度；n表示列车所包括车厢的总车厢数；m1(t)表示列车的第1节车厢的质量；表示第1节车厢的车厢速度v1(t)的导数；u1(t)表示第1节车厢在时间t时的实际控制输入；f1(t)表示第1节车厢和列车的第2节车厢的相互作用力；c0(t)表示第一基本阻力系数；c1(t)表示第二基本阻力系数；mi(t)第i节车厢的质量；c2(t)表示第三基本阻力系数；表示vi(t)的导数；ui(t)表示第i节车厢在时间t时的实际控制输入；fi-1(t)表示列车的第i-1节车厢和第i节车厢的相互作用力；fi(t)表示第i节车厢和第i+1节车厢的相互作用力；mn(t)表示列车的第n节车厢的质量；第n节车厢的车厢速度vn(t)的导数；un(t)第n节车厢在时间t时的实际控制输入；fn-1(t)表示第n-1节车厢和第n节车厢的相互作用力。

9、在一个可能的实施例中，通过如下公式计算第i节车厢和第i+1节车厢的位置相对偏移误差：

10、

11、其中，表示第i节车厢和第i+1节车厢的位置相对偏移误差；di(t)表示第i节车厢和列车的第i+1节车厢的实际相对位置偏移；表示给定的理想位置相对偏移。

12、在一个可能的实施例中，通过如下公式计算第i节车厢的速度追踪误差：

13、

14、其中，表示第i节车厢的速度追踪误差；表示给定的目标速度曲线。

15、在一个可能的实施例中，误差状态方程包括用于表示速度跟踪过程中连续随机干扰的影响的误差状态子状态方程式和用于表示离散随机干扰的影响的误差状态子方程式。

16、在一个可能的实施例中，时变状态反馈控制器的表达式为：

17、u(t)＝k(t)x(t)；

18、其中，u(t)表示时变状态反馈控制；k(t)表示未知的时变控制增益矩阵；x(t)表示状态。

19、在一个可能的实施例中，暂态性能约束条件的表达式为：

20、

21、其中，x′0表示误差状态方程x0的转置；表示第一给定的误差平方上界矩阵；e表示求均值运算符号；x′(t)表示状态x(t)的转置；ψ(t)表示第二给定的误差平方上界矩。

22、在一个可能的实施例中，成本最小约束条件的表达式为：

23、

24、其中，j表示成本函数；t表示时间t的上界；x’(t)表示x(t)的转置；q表示第一成本函数权重矩阵；u’(t)表示u(t)的转置；r表示第二成本函数权重矩阵；j*表示给定的成本函数的上界。

25、在一个可能的实施例中，时变微分矩阵不等式包括未知矩阵函数变量和泊松强度；求解满足时变微分矩阵不等式条件的时变状态反馈控制器，包括：对未知矩阵函数变量进行分段线性化处理，得到时序分段线性函数；在给定成本函数中的q值和r值的情况下，通过改变时变微分矩阵不等式中的泊松强度，对时序分段线性函数进行循环求解，以得到满足时变微分矩阵不等式条件的时变状态反馈控制器。

26、第二方面，本技术实施例提供了一种存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行第一方面或第一方面的任一可选的实现方式所述的方法。

27、第三方面，本技术实施例提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当所述电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行第一方面或第一方面的任一可选的实现方式所述的方法。

28、第四方面，本技术提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的方法。

29、(三)有益效果

30、本发明的有益效果是：

31、本技术实施例提供了一种随机干扰下的列车运行控制方法，通过在考虑列车受到随机干扰的情况下，构建列车时变多质点动力学模型，其中，列车时变多质点动力学模型包括列车的第i节车厢和列车的第i+1节车厢的实际相对位置偏移、第i节车厢的车厢速度，随后基于给定的理想位置相对偏移和实际相对位置偏移，计算第i节车厢和第i+1节车厢的位置相对偏移误差，并基于给定的目标速度曲线和车厢速度，计算第i节车厢的速度追踪误差，以及基于位置相对偏移误差和速度追踪误差，建立误差状态方程，随后基于误差状态方程设计能够满足约束条件的时变状态反馈控制器，并将约束条件转换成时变微分矩阵不等式，其中，约束条件包括暂态性能约束条件和成本最小约束条件，最后求解满足时变微分矩阵不等式条件的时变状态反馈控制器，并基于满足时变微分矩阵不等式条件的时变状态反馈控制器，对列车的运行进行控制，从而可以有效地实现列车在受到随机干扰情况下满足稳定性要求的同时还要具有良好的暂态性能(超调和慢响应)，并保证成本达到最小。

32、为使本技术实施例所要实现的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。