[發明專利]高速列車ANFIS建模與運行速度預測控制方法

有效

• 申請號: 201210524520.3
• 申請日: 2012-12-10
• 公開（公告）號: CN103019267A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 楊輝;付雅婷;李中奇;張坤鵬;劉杰民
• 申請（專利權）人: 華東交通大學
• 主分類號: G05D13/00
• 分類號: G05D13/00;G05B13/04
• 代理公司: 南昌市平凡知識產權代理事務所 36122
• 代理人: 姚伯川

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技術領域

本發明涉及高速列車運行過程建模與速度預測跟蹤控制方法，屬高速列車運行過程監測與自動控制技術領域。

背景技術

隨著社會的快速發展，運輸量不斷增加，為加強現代綜合運輸體系的建設，根據《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》，我國需大力發展高速鐵路，基本建成國家快速鐵路網。高速列車是高速鐵路技術體系的核心，是國家相關高技術發展水平、相關制造能力、自主創新能力以及國家核心競爭力的綜合體現，對于具有高速度、高密度運營特性的高速鐵路來說，高速列車運行安全是重中之重，然而高速列車作為一個由復雜技術裝備組成、在復雜環境中運行、完成具有復雜時空分布特征的位移服務的非線性動力學系統，如何對高速列車運行過程建立有效的模型和實施速度跟蹤控制，對確保高速列車安全、平穩運行尤為關鍵。

針對高速列車運行過程的建模，通常采用基于牽引計算和運行阻力經驗模型的描述方法，但其無法完整刻畫動車組復雜多變的動態行為；多模型方法可部分解決動車組運行過程建模問題，但在高速列車高速運行時如何在線平穩切換模型仍缺乏有效策略。針對列車運行過程，常用的控制方法有：(1)經典控制算法，主要是PID控制算法。1968?年,倫敦第一條盈利性投入運營的線路——維多利亞線就是運用了該算法，但是PID控制算法無自適應性能力，不能適應復雜控制過程。?(2)智能控制算法。有人提出采用模糊控制方法實現列車自動停車，取得了比PID更好的控制效果；?(3)集成智能控制算法。有文獻采用模糊神經網絡控制實現列車運行過程跟蹤，解決模糊控制規則數量多、相互沖突等問題；上述控制方法主要應用在城市軌道交通等普通速度列車，目前還沒有應用在高速鐵路上。

發明內容

本發明的目的是，對復雜的高速列車運行過程建立有效的自適應神經模糊推理系統（ANFIS）模型描述，基于列車運行過程ANFIS模型，通過預測輸出速度和期望輸出速度之間的偏差設計性能指標函數，采用廣義預測控制方法，實現高速列車的高精度速度跟蹤控制。

本發明的技術方案是：本發明根據采集的高速列車運行過程數據，利用數據驅動建模方法，建立高速列車運行過程ANFIS模型，采用減法聚類確定模糊模型規則數和初始參數，并采用反向傳播算法和最小二乘法優化模糊模型參數；提出基于ANFIS模型的動車組運行速度預測跟蹤控制方法，實現列車安全、高效、正點運行。

本發明基于ANFIS的高速列車運行過程建模步驟為：

1、分析高速列車運行過程的受力情況，如圖1所示，其運動過程動力學模型可表示為：

?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????(1)

式中，是高速列車運行速度，是加速度系數，為單位控制力（牽引力/制動力），為單位基本阻力，是阻力系數，公式(1)的差分方程表述為：

???????????????????????????????????????????(2)

2、建立基于ANFIS的高速列車運行過程模型。本發明根據動車組運行過程，采用模糊推理規則進行建模，以高速列車運行過程受力情況的數學方程描述為基礎，確定子模型的線性結構，據此設計高速列車運行過程ANFIS模型框架：

??

??????????????????????????????????(3)

式中、是輸入量，是輸出量；?為后件參數，?是規則條數；是常數項；是輸入量的第個模糊集，本發明采用高斯型函數表示：

??????????????????(4)

其中是輸入量和；前件參數和分別表示隸屬函數的中心和寬度。

模糊推理規則(3)可用圖2所示的5層ANFIS網絡結構獲得：

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式中??????????????????????????????????????????????????????????????????(6)

??????????????????????????????????????????????????(7)

根據(4)-(7)的推導，動車組運行過程模型(5)可重寫為：

??????????(8)