基于模糊自適應(yīng)控制的城軌列車牽引控制策略研究與仿真

基于模糊自適應(yīng)控制的城軌列車牽引控制策略研究與仿真基于模糊自適應(yīng)控制的城軌列車牽引控制策略研究與仿真

摘要：本文基于模糊自適應(yīng)控制理論，研究并仿真了城軌列車牽引控制策略。首先，對(duì)城軌列車牽引系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析，考慮到系統(tǒng)的非線性特性、參數(shù)不確定性以及外界擾動(dòng)，采用模糊自適應(yīng)控制方法設(shè)計(jì)了牽引系統(tǒng)的控制器。然后，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的性能，并與傳統(tǒng)的PID控制方法進(jìn)行了對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明，基于模糊自適應(yīng)控制的牽引系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)誤差、響應(yīng)速度和系統(tǒng)魯棒性方面均優(yōu)于PID控制方法。

1.引言

城軌交通作為一種高效、快捷、環(huán)保的交通工具，在現(xiàn)代城市快速發(fā)展的背景下得到了廣泛的應(yīng)用。而在城軌交通系統(tǒng)中，牽引控制是確保列車安全、舒適運(yùn)行的重要控制環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的牽引控制方法往往無(wú)法充分考慮到系統(tǒng)的非線性特性、參數(shù)不確定性以及外界擾動(dòng)，容易導(dǎo)致控制性能不佳。因此，如何設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)良、魯棒性強(qiáng)的牽引控制策略成為了亟待解決的問(wèn)題。

2.基于模糊自適應(yīng)控制的牽引系統(tǒng)建模與分析

2.1城軌列車牽引系統(tǒng)建模

城軌列車牽引系統(tǒng)一般包括牽引電機(jī)、傳動(dòng)裝置、牽引變流器等組成部分。本文假設(shè)牽引電機(jī)為直流電機(jī)，傳動(dòng)裝置為機(jī)械傳動(dòng)，牽引變流器采用PWM控制方式。

根據(jù)牽引系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，可以建立牽引系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，具體如下：

（1）車輛動(dòng)力學(xué)方程：

\[m\frac{dv}{dt}=T_m-Fr-Fa\]

其中，m為車輛質(zhì)量，v為車輛速度，T_m為牽引電機(jī)輸出扭矩，F(xiàn)r為摩擦力阻力，F(xiàn)a為附加阻力。

（2）牽引電機(jī)動(dòng)力學(xué)方程：

\[T_m=k_mi_m\]

其中，k_m為牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，i_m為牽引電機(jī)的電流。

2.2模糊自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

由于城軌列車牽引系統(tǒng)存在非線性特性、參數(shù)不確定性以及外界擾動(dòng)，傳統(tǒng)的PID控制方法往往難以滿足控制要求。因此，本文采用了模糊自適應(yīng)控制方法，以提高牽引系統(tǒng)的控制性能。

（1）模糊控制

模糊控制是一種通過(guò)模糊規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的方法，能夠有效處理非線性系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)輸入量和輸出量的模糊化，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的模糊規(guī)則進(jìn)行推理，最后得到控制輸出量。

本文利用模糊控制方法對(duì)牽引電機(jī)的電流進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引扭矩的控制。具體來(lái)說(shuō)，將輸入量（電流誤差和誤差變化率）經(jīng)過(guò)模糊化處理得到隸屬度函數(shù)，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)置的規(guī)則矩陣進(jìn)行推理，最后將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為標(biāo)量輸出量。

（2）自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制是一種動(dòng)態(tài)調(diào)整控制器參數(shù)的方法，以適應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)變化。在本文中，采用了模糊自適應(yīng)控制方法，即在模糊控制器的基礎(chǔ)上引入自適應(yīng)機(jī)制，通過(guò)對(duì)模糊規(guī)則和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到優(yōu)化控制性能的目的。

具體來(lái)說(shuō)，本文在模糊控制器中引入自適應(yīng)機(jī)制，利用參數(shù)調(diào)整算法對(duì)模糊規(guī)則的權(quán)重和參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)非線性特性和參數(shù)不確定性的適應(yīng)。

3.仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文采用MATLAB/Simulink軟件對(duì)設(shè)計(jì)的基于模糊自適應(yīng)控制的牽引系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的PID控制方法進(jìn)行了對(duì)比分析。仿真參數(shù)設(shè)置如下：

城軌列車質(zhì)量m=10000kg

牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)k_m=2Nm/A

摩擦力阻力Fr=400N

附加阻力Fa=300N

仿真時(shí)間t=100s

仿真結(jié)果分析如下：

（1）穩(wěn)定性分析

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，牽引電機(jī)輸出扭矩應(yīng)該與系統(tǒng)所需的扭矩一致。通過(guò)對(duì)比分析可知，基于模糊自適應(yīng)控制的牽引系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較小的穩(wěn)態(tài)誤差，表明該方法具有較好的控制穩(wěn)定性。

（2）響應(yīng)速度分析

響應(yīng)速度是評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)對(duì)比分析可知，基于模糊自適應(yīng)控制的牽引系統(tǒng)的響應(yīng)速度相較于PID控制系統(tǒng)更快，能夠更迅速地響應(yīng)系統(tǒng)變化。

（3）魯棒性分析

魯棒性是指控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)不確定性和外界擾動(dòng)的適應(yīng)能力。通過(guò)對(duì)比分析可知，基于模糊自適應(yīng)控制的牽引系統(tǒng)對(duì)參數(shù)不確定性和外界擾動(dòng)具有較好的魯棒性，能夠保持較好的控制性能。

4.結(jié)論

本文基于模糊自適應(yīng)控制理論，研究并仿真了城軌列車牽引控制策略。通過(guò)對(duì)牽引系統(tǒng)的建模分析，設(shè)計(jì)了基于模糊自適應(yīng)控制的系統(tǒng)控制器，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的性能。仿真結(jié)果表明，基于模糊自適應(yīng)控制的牽引系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)誤差、響應(yīng)速度和系統(tǒng)魯棒性方面優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制方法。最后，本文對(duì)研究的不足之處進(jìn)行了總結(jié)，并提出了進(jìn)一步研究的方向和展望通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于模糊自適應(yīng)控制的牽引系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)性能、響應(yīng)速度和魯棒性方面優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制方法。該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)較小的穩(wěn)態(tài)誤差，具有較好的控制穩(wěn)定性；響應(yīng)速度更快，能夠更迅速地響應(yīng)系統(tǒng)變化；對(duì)參數(shù)不確定性和外界擾動(dòng)具有較好的魯棒性，能夠保持較好的控制性能。因此，基于模糊自適應(yīng)控制的牽引系統(tǒng)是一種可行且有效的控制策略，可為城軌列車的牽引控制提供參考，并有望在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛推廣