High-Speed Trains Automatic Operation with Protection Constraints: A Resilient Nonlinear Gain-based Feedback Control Approach

This paper addresses the control design for automatic train operation of high-speed trains with protection constraints.A new resilient nonlinear gain-based feedback control approach is proposed,which is capable of guaranteeing,under some proper non-restrictive initial conditions,the protection constraints control raised by the distance-to-go(moving authority)curve and automatic train protection in practice.A new hyperbolic tangent function-based model is presented to mimic the whole operation process of high-speed trains.The proposed feedback control methods are easily implementable and computationally inexpensive because the presence of only two feedback gains guarantee satisfactory tracking performance and closed-loop stability,no adaptations of unknown parameters,function approximation of unknown nonlinearities,and attenuation of external disturbances in the proposed control strategies.Finally,rigorous proofs and comparative simulation results are given to demonstrate the effectiveness of the proposed approaches.

Position Control Optimization of Aerodynamic Brake Device for High-speed Trains

The aerodynamic braking is a clean and non-adhesion braking, and can be used to provide extra braking force during high-speed emergency braking. The research of aerodynamic braking has attracted more and more attentions in recent years. However, most researchers in this field focus on aerodynamic effects and seldom on issues of position control of the aerodynamic braking board. The purpose of this paper is to explore position control optimization of the braking board in an aerodynamic braking prototype. The mathematical models of the hydraulic drive unit in the aerodynamic braking system are analyzed in detail, and the simulation models are established. Three control functions--constant, linear, and quadratic--are explored. Two kinds of criteria, including the position steady-state error and the acceleration of the piston rod, are used to evaluate system performance. Simulation results show that the position steady state-error is reduced from around 12-2 mm by applying a linear instead of a constant function, while the acceleration is reduced from 25,71-3.70 m/s2 with a quadratic control function. Use of the quadratic control function is shown to improve system performance. Experimental results obtained by measuring the position response of the piston rod on a test-bench also suggest a reduced position error and smooth movement of the piston rod. This implies that the acceleration is smaller when using the quadratic function, thus verifying the effectiveness of control schemes to improve to system performance. This paper proposes an effective and easily implemented control scheme that improves the position response of hydraulic cylinders during position control.

Robust output feedback cruise control for high-speed train movement with uncertain parameters

In this paper, the robust output feedback cruise control for high-speed train movement with uncertain parameters is investigated. The dynamic of a high-speed train is modeled by a cascade of cars connected by flexible couplers, which is subject to rolling mechanical resistance, aerodynamic drag and wind gust. Based on Lyapunov＇s stability theory, the sufficient condition for the existence of the robust output feedback cruise control law is given in terms of linear matrix inequalities（LMIs）, under which the high-speed train tracks the desired speed, the relative spring displacement between the two neighboring cars is stable at the equilibrium state, and meanwhile a small prescribed H∞ disturbance attenuation level is guaranteed. One numerical example is given to illustrate the effectiveness of the proposed methods.

Asymptotic Tracking Control for Wind Turbines in Variable Speed Mode

This paper presents a variable speed control strategy for wind turbines in order to capture maximum wind power.Wind turbines are modeled as a two-mass drive-train system with generator torque control.Based on the obtained wind turbine model,variable speed control schemes are developed.Nonlinear tracking controllers are designed to achieve asymptotic tracking for a prescribed rotor speed reference signal so as to yield maximum wind power capture.Due to the difficulty of torsional angle measurement,an observer-based control scheme that uses only rotor speed information is further developed for global asymptotic output tracking.The effectiveness of the proposed control methods is illustrated by simulation results.

Modeling and simulation of high-speed passenger train movements in the rail line

In this paper, we propose a new formula of the real-time minimum safety headway based on the relative velocity of consecutive trains and present a dynamic model of high-speed passenger train movements in the rail line based on the proposed formula of the minimum safety headway. Moreover, we provide the control strategies of the high-speed passenger train operations based on the proposed formula of the real-time minimum safety headway and the dynamic model of highspeed passenger train movements. The simulation results demonstrate that the proposed control strategies of the passenger train operations can greatly reduce the delay propagation in the high-speed rail line when a random delay occurs.

智慧高速铁路运行控制系统发展趋势综述

在保障安全的前提下,高速铁路运行控制系统进一步结合现代感知、控制、通信以及人工智能技术实现智慧化,是未来高速铁路发展的前沿方向。分析目前高速铁路运营中仍存在异物侵限造成安全事故、突发事件导致列车延误、运力与运量不匹配等问题,提出高速铁路运行控制系统的智能化、智慧化是解决上述问题的重要手段,是保持和提升我国高速铁路技术整体竞争力的核心组成部分。新时期的智慧高速铁路运行控制系统以实现列车(群)全天候全无人自主追踪运行控制为目标,主要包括移动闭塞、列车运行净空感知、列车状态智能监测、列车自主追踪、智能调度指挥、车-地动态自组网通信等关键技术。结合新一代使能技术,研究高速铁路运行控制智能技术的应用及其发展趋势,对我国智慧高速铁路的发展具有参考价值。

Optimal control strategy for energy saving in trains under the four-aspect fixed autoblock system

This paper deals with both the leading train and the following train in a train tracking under a four-aspect fixed autoblock system in order to study the optimum operating strategy for energy saving. After analyzing the working principle of the four-aspect fixed autoblock system, an energy-saving control model is created based on the dynamics equation of the Wains. In addition to safety, energy consumption and time error are the main concerns of the model. Based on this model, dynamic speed constraints of the following train are proposed, defined by the leading gain dynamically. At the same time, the static speed constraints defined by the line conditions are also taken into account. The parallel genetic algorithm is used to search the optimum operating strategy. In order to simplify the solving process, the external punishment function is adopted to transform this problem with constraints to the one without constraints. By using the real number coding and the strategy of dividing ramps into three parts, the convergence of GA is accelerated and the length of chromosomes is shortened. The simulation result from a four-aspect fixed autoblock system simulation platform shows that the method can reduce the energy consumption effectively in the premise of ensuring safety and punctuality.

基于观测器的高速列车半主动悬架滑模容错控制

高速列车长期处于高强度、强干扰、长距离的运行环境中,悬架系统出现执行器故障等情况都会影响列车运行过程中的安全。针对此问题,提出了一种基于滑模观测器的滑模容错控制方法。首先,构建了含有执行器故障的高速列车横向动力学模型,设计了滑模观测器,对执行器未知故障值进行实时估计;然后,将故障估计值输入滑模控制器,设计了滑模变结构容错控制器,计算得出列车姿态平稳所需的等效输出阻尼力,以实现包含执行器故障的半主动悬架系统容错控制,并且结合Lyapunov稳定性理论对滑模容错控制器的稳定性进行了分析;最后,通过实验验证了所设计的滑模观测器能够使各变量观测值在0.3 s左右跟踪上实际值,跟踪精度达到90%左右,并且同样验证了所设计的滑模控制器相较于传统PID控制器在悬架发生执行器故障的情况下有更好的鲁棒性。

基于双环自适应滑模控制的高速列车运行追踪

针对列车高速运行跟踪控制问题,提出了一种基于双环结构的RBF神经网络自适应滑模控制算法。首先系统结构分为位移与速度控制子系统,防止列车因单个控制器故障而失控;在此基础上采用积分滑模控制,加强控制器的鲁棒性;同时在速度子系统中引入参数自适应算法与RBF神经网络自适应算法削弱列车受到基本阻力、附加阻力以及不确定性阻力带来的影响;最后通过Lyapunov稳定性分析证明系统的稳定性。通过仿真实验结果表明,位移误差在[-3.3×10^(-4),1.9×10^(-4)]范围以内,速度误差在[-2.1×10^(-2),3.1×10^(-2)]范围以内,该算法可以实现对列车的速度与位移精确追踪。

高铁列车荷载作用下桩-土复合地基及近接地铁隧道的动力响应模拟研究

[目的]作为典型的振动荷载,高铁列车运行引起的振动荷载会诱发桩-土地基及附近结构产生动力响应,有必要对桩-土复合地基及近接隧道的动力响应特性进行研究。[方法]基于西安地铁14号线下穿大西高速铁路特大桥工程,采用模型试验和数值模拟相结合的方法,以峰值振动加速度、峰值振动速度和峰值振动位移作为动力响应评价指标,研究了列车移动荷载作用下桩-土复合地基及近接隧道的动力响应特性。[结果及结论]研究结果表明,当施加列车荷载时,地基内部的动力响应指标均随着埋深的增加而衰减,但存在近接隧道时,动力响应指标值显著增加,且在隧道埋深处衰减明显。随着距桩基中心距离的增加,隧道埋深处的桩-隧之间地基的各动力响应指标从“波浪形”分布变为单调递减分布。根据峰值振动速度的控制阈值,近接隧道埋深处距桩基础中心水平3.6 m范围内的地基处于危险影响区,必须采用减振措施;3.6~11.4 m范围内的地基处于强影响区,建议采取减振措施;11.4 m以外的地基处于弱影响区,视结构的重要性决定是否需要采取减振措施。

定形态隧道压力波激扰下车内压力迭代学习控制

同一列车重复通过同一隧道时所产生隧道压力波激扰具有形态相似、变尺度变幅值的特性.针对现有控制策略未考虑这一定形态特性的问题,提出一种基于高阶反馈遗忘迭代学习的控制方法.首先,建立高速列车车内外气压传递数学模型,并利用实测车内外压力数据进行修正与验证;其次,通过控制列车通风设备的阀门来减缓车内压力变化,提出阶反馈遗忘迭代学习控制算法,并设计变幅值和变尺度处理方法;最后,利用实测压力波生成一组定形态的随机压力波,并进行仿真分析.仿真结果表明:在重复定形态的隧道压力波激扰下,高阶反馈遗忘迭代学习控制算法能够使车内压力在第8个迭代周期后1 s变化率基本收敛到200 Pa/s以下,而且均方根误差也在第4个迭代周期后降低到15.0000%以下.

速度350km/h高速铁路长大下坡地段闭塞分区设置方法研究

通过分析长大下坡道闭塞分区长度对CTCS-3级和后备CTCS-2级列控系统的影响,指出二者对闭塞分区长度的需求完全相反,并针对CTCS-3级列控系统的行车许可回缩、速度突降等问题的产生原因进行分析。阐述坡度、闭塞分区长度与不同列控模式下列车运行速度、追踪间隔时间等要素之间的关系,制定闭塞分区设置的基本原则。检算典型坡度下闭塞分区长度设置的合理区间范围及相应追踪间隔时间,指出坡度超过-30‰后将无法兼顾不同列控等级下的运行速度。设计模拟退火算法,根据闭塞分区设置原则及闭塞分区取值规律,给出压缩求解空间、提高求解效率的方法。以郑万高速铁路长大下坡地段为例,对闭塞分区设置进行优化,在不考虑其他约束的前提下,与设计院优化方案相比,本求解优化方案在确保CTCS-3级控车模式下允许速度可达350 km/h的同时,将CTCS-2级控车模式下的允许速度提高30 km/h,追踪间隔时间压缩23 s。

基于ASP-SAC算法的列车自动驾驶速度控制

随着经济建设的绿色转型以及人工智能的快速发展,城市轨道交通已成为居民日常出行的重要方式,在保障安全性、高效性和准点性的前提下,列车运行的节能性和舒适性需求也越来越被关注。合理的运行策略能够有效实现多种目标需求下的列车自动驾驶速度控制,强化学习作为一种智能决策方法,能够有效解决这一控制问题。首先,通过综合分析技术、安全性和乘客体验等方面的因素,基于专家经验动作划分和状态信息熵将软演员-评论家(SAC)改进为动作状态经验优先软演员-评论家(ASP-SAC)方法,用于研究列车自动驾驶速度控制问题。其次,将问题马尔可夫形式化,搭建了列车运行环境,确定了状态空间、动作空间以及基于目标控制的奖励函数。最后,以北京地铁亦庄线的一段区间数据为例进行试验,对ASP-SAC方法进行验证并与其他一些算法在相同环境下进行性能优劣比较。研究结果表明:该方法对于多目标控制需求下的列车自动驾驶速度控制问题具有可行性,与未改进前相比算法效率提高22.73%,与PPO算法相比提高29.17%,改进效果良好。同时,列车运行时在安全性、舒适性无误的情况下,准时性、精确性和节能性都强于SAC、DQN、PPO以及PID算法,其中能耗分别减少3.64%、5.62%、4.38%、7.35%,控制效果良好。此外,该方法亦具备鲁棒性,在列车自动驾驶速度控制方面具有一定的优越性和可参考性。

高速列车开闭机构涡流发生器的气动减阻设计

为了降低列车高速运行受到的气动阻力,采用基于SST(shear stress transport)k−ω湍流模型的雷诺时均法研究高速列车尾车开闭机构位置安装涡流发生器对尾部流动特征以及列车气动载荷的影响。研究结果表明:涡流发生器能显著改变尾车周围的流场,产生一对与原涡流旋向相反的涡流结构,降低尾流涡强度和范围,在尾车安装涡流发生器后,气流流动受到涡流发生器的阻碍产生积聚,从而在尾车表面形成较大的正压区域,降低尾车压差阻力和气动升力;随着涡流发生器安装位置向尾车鼻尖靠近,减升效果逐渐降低,尾车最大减升率为36.8%;尾车阻力随着涡流发生器安装位置向后移动呈现出先减小后增大的趋势,尾车气动阻力最大减阻幅度为4.54%。合理的开闭机构涡流发生器能有效控制尾流结构,进而控制尾车气动力,为高速列车气动减阻提供新思路。

高速列车离散径向基函数自适应鲁棒滑模网络控制方法

[目的]为实现列车牵引制动关键系统的可靠控制,同时抑制通信时延对列车控制产生的影响,针对高速列车关键网络系统提出一种离散RBF(径向基函数)自适应鲁棒滑模控制方法。[方法]介绍了高速列车牵引制动网络系统;设计了考虑时延分数项的自适应鲁棒滑模控制方法,并对其进行了稳定性分析;在测试平台上利用组态软件对所提离散RBF自适应鲁棒滑模控制方法进行联合仿真分析。[结果及结论]将离散系统中的时延分为整数项和分数项,在充分考虑时延分数项的基础上,推导出离散趋近律下的时延补偿滑模牵引制动力,其中的未知非线性函数利用具有自适应调节特性的RBF神经网络进行精确逼近。为抑制列车运行过程中受到的较强干扰,将基于干扰观测器的滑模牵引制动力融入模型中,以增强其抗干扰性能。所提离散RBF自适应鲁棒滑模控制方法在稳定性能和响应性能方面优于其他控制方法,具有更为理想的时延补偿效果和鲁棒性能。

基于改进模糊滑模控制的列车速度跟踪研究

列车运行过程具有强耦合、非线性等特征,且往往存在较大且不可观测的外界干扰,这些特性加大了列车运行控制的难度,针对列车运行速度跟踪控制问题,提出一种新的模糊滑模控制器设计方法。首先基于模糊滑模控制,引入全局快速终端滑模控制,使系统在有限时间内达到稳态;然后构造以李亚普洛夫函数导数的绝对值为补偿的自适应干扰估计项,对外界干扰进行准确估计,进而提出一种双层递阶指数趋近全局快速终端模糊滑模控制器,并且引入指数趋近率来调节滑模面的动态品质,该控制器能快速收敛到稳定状态,且有效地消除了控制器的抖振情况;最后通过仿真算例验证了所提方法的有效性,且提高了列车运行控制系统性能。

高速列车头车流线型区域吹气控制的气动减阻研究

为了探索头车流线型区域吹气减阻控制的可行性,采用改进的延迟分离涡模拟方法对不同吹气速度下的列车周围复杂流场进行模拟,通过风洞试验验证数值模拟结果的准确性。研究结果表明:在头车流线型区域采用吹气控制能够显著改变列车周围流场特性;吹气口产生的气流能够避免高速来流对列车表面的直接冲击,有效地减小头车的压差阻力与摩擦阻力;吹气对中间车和尾车的气动阻力影响较小;吹气对列车周围的流场产生干扰效应,使得列车表面部分区域的湍动能增加;当吹气速度增加时,3车模型的减阻率增加,归一化净节约功率增加;当吹气速度为来流速度的0.2倍时,3车模型的减阻率为8.44%,归一化净节约功率为6.74%。

高速列车包间噪声特性及降噪方案设计验证

针对高速列车包间噪声问题及降噪措施进行了相关研究。首先,通过线路试验分析了高速列车包间噪声特性,包括噪声频谱、声源识别和声品质,掌握了包间中心与铺面上方测点的噪声差异,明确了包间噪声控制目标;其次,基于统计能量分析方法建立了高速列车包间噪声预测模型,并进行了试验验证,开展了包间声能量贡献分析,确定了降噪方案设计指标,进而对车体进行了隔声方案优化设计;最后,通过包间噪声的迭代预测,确定了车体降噪方案的可行性,并进行了线路试验验证。结果表明,采用笔者设计的降噪措施,包间噪声总值降低了3.2 dB(A),包间原本较高的响度和粗糙度得到明显控制,尖锐度也略有降低,声品质得到了优化。

基于扩展滑模扰动观测器的高速列车分布式速度协同滑模控制

针对高速列车运行中因受外界未知扰动而导致的各车厢速度不同步问题,提出一种基于扩展滑模扰动观测器的高速列车分布式滑模控制算法。首先,考虑高速列车运行的受力情况,建立高速列车多质点模型;其次,设计领航者车厢滑模控制器和跟随者车厢分布式滑模控制器,构建扩展滑模扰动观测器估计外界未知干扰,并反馈给分布式滑模控制器,以消除外界未知干扰对高速列车各车厢速度同步造成的影响,同时利用Lyapunov理论证明了算法的稳定性。最后,通过Matlab仿真验证了该算法能实时精确观测外界未知扰动并反馈补偿,跟随者车厢能快速跟踪领航者车厢的速度,速度跟踪精确度高达99.9%。

基于精准停车及节能优化的列车速度跟随控制

[目的]列车自动运行系统可以通过控制列车各执行机构实现列车的自主行驶,对节约轨道交通系统的运行成本、提高列车运行安全保障极为重要。针对单一控制方法在列车自动运行速度跟随控制过程中停车准确性较低,未能兼顾能耗优化等问题,提出了一种列车自动运行速度跟随控制策略。[方法]所提方法在传统PID(比例-积分-微分)控制的基础上,通过模糊控制器对PID参数进行在线整定调节,并针对列车精准停车及运行节能分别进行算法设计。当列车运行至停车点附近时,停止使用基于预设目标速度的速度反馈控制方式,转而计算精准停车所需加速度,并进行加速度反馈控制以提高停车精准性。同时在列车巡航过程中设计了一种牵引-惰行循环的节能巡航工况,在检测列车符合相应巡航条件后,采用该工况实现整体运行能耗的优化。[结果及结论]在MATLAB/Simulink仿真软件中建立了列车及控制器的仿真模型,通过与PID控制及模糊自适应PID控制在精准停车、节能等性能指标的对比,验证了所提方法和模型的有效性。