基于智能控制算法的列车自动驾驶系统的优化研究
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摘要
随着我国城市化进程的不断加快,城市规模越来越大,城市人口不断增多,现有的城市交通网络已经难以满足城市发展的要求。根据国际上大型城市交通发展的经验,轨道交通对于缓解城市交通压力,增加城市交通活力起着举足轻重的作用。在此背景下,因为列车自动驾驶(ATO)系统具有提高轨道交通运行效率,加快列车运行速度,保证行车安全等功能,开发高效智能的列车自动驾驶系统就显得至关重要。
     本文讨论了列车自动驾驶系统的基本结构、功能和列车自动驾驶的操纵原则,指出应用基于传统控制理论的PID控制器来进行已不能适应列车运行参数的非线性和时变性,很难真实反映实际情况,从而使速度控制的平滑性受到破坏,牵引和制动的切换频繁,影响了系统舒适性的要求,同时也影响了列车的节能性能和停车精度。而采用先进的智能控制方法对传统的控制器及其追踪曲线进行优化,则可有效解决上述问题。
     模糊控制、神经网络、遗传算法是近些年来发展较快的三种智能算法,能在不同程度上模仿司机的操作行为,因此可以用来优化和改进传统的ATO控制系统。本文依次介绍了模糊控制、神经网络和遗传算法在优化PID控制系统及其目标曲线中的应用,并用Matlab和Simlink工具箱进行了建模仿真。主要研究内容如下:
     (1)通过对列车自动驾驶系统结构和功能的研究,总结列车自动驾驶系统的驾驶策略及优化操纵原则,分析ATO系统的所要达到的性能指标,在此基础上对列车运行进行建模。
     (2)设计列车自动驾驶算法。首先根据传统的控制算法设计PID控制器,跟踪列车目标曲线行车,在此基础上引入对传统PID控制器及其目标曲线进行优化和改进的智能控制算法:模糊控制算法、神经网络控制算法和遗传算法控制算法。
     (3)依次实现三种智能算法在ATO系统中应用的仿真建模。根据ATO系统优化操纵所要达到的五项性能要求,依次基于以上三种智能算法,为ATO系统设计更优秀的PID控制器和更合理的目标曲线,并对其性能进行了评价分析。
     (4)对优化了的ATO系统的整体控制效果进行仿真验证。在选取实际线路参数和列车参数的情况下,基于上述三种智能算法仿真所得到的结果,分析优化后的ATO系统控制的列车运行曲线,得出智能算法合理性的结论。
As China's urbanization process, the continuing development of city size and increase of the urban population, existing urban traffic net is unable to meet the demands of city traffic. According to the international large-scale urban transportation developing experience, UMT plays the pivotal role for easing urban traffic pressure. Under this background, it is important to develop the the highly effective intelligence ATO system because ATO can improve the operationg efficiency, speed up the train pace, and ensure the safety.
     This article discussed the ATO system's basic structure, function and the automatic operation principle of the train to point out that using the PID controller based on the tradition control theory has cannot adapt the train movement parameters' misalignment and time-variable. It is very difficult to reflect the actual situation really, thus causes the speed control smoothness to receive the destruction, the hauling and the brake cut is frequent, and affects the system comfortable request. Simultaneously has also affected train's energy conservation performance and the parking precision. But we can solve the above questions effectively by using the advanced intelligent control method to carries the optimization on the traditional controller and the tracing curve.
     The Fuzzy Control, the Neural Network and the Genetic Algorithm are the three kind of intelligent algorithms which develop quickly in recent years. They can imitate driver's operation behavior in varying degrees, therefore can be used to optimize and improve the traditional ATO control system. This article introduced the Fuzzy Control, the Neural Network and the Genetic Algorithm's using in optimizing the PID control system and the target curve in turn, and has carried on the modelling simulation with Matlab and the Simlink toolboxs. Main contents are as follows:
     (1) Through the research of the ATO system's structure and the function, summarize the ATO system's driving strategy and the optimized operation principle, analyze performance index which the ATO system must achieves, and on this basis we carry on the modelling to the train movement.
     (2) Design the ATO algorithm. First we design the PID controller according to the traditional control algorithm so as to track the train goal curve driving, on this basis introduce the intelligent control algorithms: the Fuzzy Control, the Neural Network and the Genetic Algorithm, which are used to the optimize and improve the traditional PID controller and the target curve.
     (3) Realizes the three kind of intelligent algorithms' application in the ATO system's simulation modelling in turn. On the basis of the above three kind of intelligent algorithms, design the more outstanding PID controller and the more reasonable target curve according to five performance requirements which the ATO system optimization operation must achieve, and carriy on the appraisal analysis to its performance.
     (4) Test the optimized ATO system's whole control effection by simulation and confirmation. In the situation of selection actual line parameters and train parameters, analyze the ATO systems control train movement curve which has been optimized based on the above three kind of intelligent algorithm's simulation, after that draw the conclusion of the intelligent algorithm's rational.
引文
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