探索高速磁浮列车最优速度曲线及其跟踪控制研究

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1、北京交通大学博士学位论文高速磁浮列车最优速度曲线及其跟踪控制研究姓名：杨光申请学位级别：博士专业：交通信息工程及控制指导教师：唐祯敏20070401摘要高速磁浮列车是未来交通的重要发展方向之一。高速磁浮交通技术研究已经被列为国家“十五”863计划重大专项。本文以德国高速磁浮列车系统为研究对象，以实现列车安全正点、舒适节能地自动驾驶为目标，对列车运行的最优速度曲线及其跟踪控制问题以及与此相关的问题进行了研究。论文的主要研究工作及创新点总结如下。(1)为了便于分析和求解磁浮列车的运行规律，采用拟和方法对磁浮列车运行的非线性动力学模型进行了近似处理，得到了适用于相同类

2、型而不同编组列车系统的统一的近似动力学模型，并给出了隐式解析解的通用表达形式。研究了恒力作用下列车运行的规律，并给出了已知列车运行规律求解控制力的迭代搜索算法。(2)系统地分析了磁浮列车的双限速度防护问题，提出了基于动力学模型的安全速度防护曲线的求解算法，确定了列车运行的安全速度域。研究了列车速度越界后的防护措施，并给出了列车超速防护下的涡流制动切换算法。(3)基于磁浮列车的动力学模型，以安全、舒适为约束条件，分别求解了最短时间和最小能量的最优控制问题，在理论分析的基础上给出了工程化求解方法。针对最小能量控制下确定惰行切换点的关键问题，给出了两种求解方法。基于求

3、解不同定时条件下的最小能量得到了能耗随运行时间变化的曲线，为铺画列车运行图提供了重要的依据。(4)利用反馈线性化技术，处理了磁浮列车系统的非线性动力学模型，设计了非线性补偿器和PI控制器。仿真结果表明，所设计的控制系统实现了列车速度良好地跟踪目标速度曲线。(5)在分析几种典型轨道交通的列车自动控制系统特点的基础上，提出了一种更完善、安全性和可靠性更高的新型运行控制系统体系结构。分析了新结构中的列车运行仿真系统的核心功能，并基于磁浮列车最优速度曲线的理论和算法设计了运行速度曲线优化模块的功能，为铺画高速磁浮交通系统的运行图提供了技术支撑。综上所述，本文对磁浮列车最

4、优速度曲线及其相关研究成果，将为高速磁浮列车研究提供有益的参考，具有重要的理论意义和应用价值。关键词：高速磁浮列车；安全速度防护；最短时间速度曲线；最小能量速度曲线；速度跟踪控制；运行控制系统；体系结构；列车运行仿真系统分类号：U237ABSTRACI'High—speedMaglevtraintrafficsystemisoneoftheimportantdevelopmentdirectionsinthefuture．High—speedMaglevtransportationtechnologyhasbeenHstedasmajorprojectsof”T

5、enthFive-Year”863Plan．InordertodrivetheMaglevtrainontime，safety,energysavingandcomfortableautomatically,theoptimumspeedcurveofhigh·speedMaglevtrain，itstrackingcontrolandotherissueswerestudied，withtheGermanhigh-speedMaglevtrainsystemastheresearchobject．Themajorresearchandinnovationpoi

6、ntsaresummarizedbelow．Firstly,thenon-linearitydynamicmodeloftherunningMaglevtrainwasapproximatelytreatedusingthefittingmethodconvenientforanalyzingandcalculatingtheMaglevtrainrunningrule．Theuniformnon·linearitydynamicapproximatemodel，usefultoexpressdifferenttrainsystemwithsametypeand

7、differentorganization,Wasobtained．Thegeneralexpressionofanalyticalsolutionswasobtained．TherunningruleoftheMaglevtrainundertheconstantforceWasstudied,andalliterativesearchalgorithmwasdesignedtOcalculatethecontrolforcewithknownmimingrule．Secondly,thesafetyspeedprotectionall'Vealgorithm

8、Wasproposedb