王紅紅

通號國際控股有限公司系統(tǒng)技術處，中國·北京 100070

1 引言

在 ATO 精確停車算法的研究中，模糊控制、專家控制系統(tǒng)和滑?？刂频人惴ǜ髯跃梢詫崿F(xiàn)一定的停車目的，但最終效果都不是很理想。這主要是因為在制動過程中，影響車輛運動狀態(tài)的輪胎力表現(xiàn)出很強的非線性特性并導致系統(tǒng)的非線性，而變結構控制正是用來實現(xiàn)線性和非線性系統(tǒng)魯棒控制的方法，其中滑?？刂圃谶@種情況下具有理想的魯棒性，因為它和系統(tǒng)的攝動性與外干擾無關。因此，通過滑?？刂扑惴▉韺崿F(xiàn)精確停車逐漸成為趨勢。

論文將通過對在 ATO 發(fā)展過程中相繼出現(xiàn)的幾種控制算法的優(yōu)缺點進行比較和分析，逐步建立一種基于滑?？刂扑惴ā⒔Y合 PID 校正器和史密斯預估器來實現(xiàn) ATO 精確停車的控制模型。

2 ATO 控制算法的優(yōu)劣對比

PID 校正器[1]是將設定值與輸出值的偏差按比例、積分和微分進行控制的一種線性調(diào)節(jié)器。這種控制方法要事先設定模型的準確參數(shù)，然而列車設備包括制動系統(tǒng)等容易出現(xiàn)磨損和老化，這使得模型參數(shù)呈現(xiàn)動態(tài)變化[2]。因為它依賴于工廠模型，所以它對真實參數(shù)的變化和擾動是敏感的，如對電動和負載的慣性變化。

模糊控制[3]是用機器來模擬經(jīng)驗豐富的司機進行駕駛，通過質(zhì)變或模糊知識來達到良好的控制結果。但對延時大的系統(tǒng)，模糊控制有一定的缺點，這時可通過引進預測控制[4]來解決，它通過估計下一時刻的安全度、舒適度、運行速度、停車精度、運行時間、節(jié)能等指標，選擇決定要實施的控制量。

專家控制系統(tǒng)[5]是一種模擬人類專家解決領域問題的計算機程序系統(tǒng)。該系統(tǒng)比較適合于過程復雜、影響因素較多的控制過程。它具有全面性、時空無限制性、穩(wěn)定性和廉價性等優(yōu)點。不足之處在于知識獲取主要依靠人工移植，且只能在相當窄的專業(yè)知識領域內(nèi)解專門性的問題，推理能力也較弱。

滑?？刂芠6]是不連續(xù)的，這表現(xiàn)了時變系統(tǒng)結構的開關特性。這與傳統(tǒng)控制方式本質(zhì)不同。這種控制能夠在與系統(tǒng)參數(shù)和擾動無關的條件下，可使系統(tǒng)做一些小的放大和自上而下的高頻變動?；？刂芠7]具有魯棒性好、性能穩(wěn)定的特點，但普遍存在震顫現(xiàn)象。

以上幾種控制算法均可以在一定情況下各自達到所需的控制目的，滑?？刂婆c制動系統(tǒng)最相似，若以一定方式結合其它控制模型將其應用于ATO 控制，停車精度和舒適度將會得到大大改善。

3 ATO 停車模型的建立

初始模型：在理想情況下，參考加速度直接作用于車上，如圖1所示。

圖1 初始模型

上述模型有以下幾個問題需要考慮：

①對列車默認反應不穩(wěn)定；

②對運行阻力或默認坡度不穩(wěn)定；

③只有參考加速度控制誤差。

所以，該模型需要增加一個校正器。

模型 1：前饋+ PI 校正器（見圖2）。

圖2 模型 1

增加前饋可以使控制更加準確。

在增加了前饋和PI 校正器后還有以下問題：

①對列車容量限制和行為不穩(wěn)定；

②可能導致不穩(wěn)定命令。

所以還需要增加一個列車追蹤模型。

模型2：追蹤+前饋+ PI 校正器（見圖3）。

圖3 模型2

在增加了追蹤模型后，還有以下問題：

①校正會干擾轉換階段（通過轉換延時）；

②在轉換時校正將受限；

③低速調(diào)整不穩(wěn)定。

所以還需增加魯棒控制。

模型3： 史密斯預估器+前饋+PI 校正器（見圖4）。

圖4 模型3

魯棒控制：史密斯預估器的引入將很好地補償了系統(tǒng)的純滯后特性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。

在調(diào)整參數(shù)時，PI 校正增益可以更多一些，以獲得更好的魯棒性[8]。

4 結語

論文在對比了常見的幾種 ATO 控制算法后，根據(jù)ATO控制的特點和要求，由簡至繁，由淺到深，逐步建立了一種基于滑模控制算法的 ATO 控制模型，并通過加入 PI 校正器、前饋、史密斯預估器不斷調(diào)整控制效果，最終實現(xiàn)精確停車的目的。該模型是概念型的，后續(xù)將通過 MutLab 模擬仿真作進一步研究。