基于预测模糊PID控制算法的永磁磁悬浮列车速度跟踪控制研究

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近年来我国轨道交通事业发展迅速,悬挂式稀土永磁磁悬浮列车作为一种新型轨道交通应运而生,其特别适合用于风景秀丽、地形起伏的中小型城市公共交通兼城市景观浏览交通,是“特色小镇”交通系统的首选。但是悬挂式永磁磁悬浮列车始终处于悬浮状态,其结构更为复杂、控制系统存在较大时滞以及约束条件众多且运行环境复杂,因此行驶过程中易受到各种扰动影响。针对以上问题,本文提出了一种改进的遗传算法用以获得各项性能指标均较优的列车速度曲线,并且设计一种带权值的预测模糊PID(WM-F-PID)控制算法用于列车速度曲线跟踪。其具体工作内容如下:首先,建立悬挂式永磁磁悬浮列车速度优化以及跟踪控制模型。该部分主要对悬挂式永磁磁悬浮列车不同运行状态进行受力分析建立列车动力学模型;同时将列车能耗、舒适性、准时性以及停车误差等多个性能指标为优化对象,建立列车速度曲线优化多目标模型。为了简便计算,利用熵权法求解多目标模型中各个性能指标的权值。其次,在建立列车速度曲线优化模型的基础上提出一种改进遗传算法的列车运行策略优化方法。该算法创新之处在于其约束条件的权值以及交叉、变异因子值可自适应调整,以提高算法的求解速度及改善其求解能力。仿真实验表明,优化后速度曲线的各个性能指标均优于传统算法。再次,针对悬挂式永磁磁悬浮列车大滞后、多约束等特点,本文引入预测控制算法,将控制器的输入设定为预测控制器输出与目标速度按照一定权重组合的混合速度,并且利用在线优化算法求解其权值。该算法有效缓解悬挂式永磁磁悬浮列车速度跟踪控制器因时滞带来的跟踪误差,提高列车速度跟踪控制器动态性能,实现其准确、高效运行,使列车具有较好的速度跟踪效果。最后,设计列车速度曲线跟踪控制MATLAB仿真实验平台。对悬挂式永磁磁悬浮列车在不同运行时间、不同限速以及大扰动等多种工况下进行详尽的实验分析。实验结果表明,该控制算法具有列车运行能耗小、跟踪精度高、乘客乘坐的舒适性好、停车误差小等优点。论文通过上述研究内容,提出了一种简单、高效且易于工程应用的列车速度曲线优化方法,为后续列车速度曲线跟踪控制器提供跟踪对象。与此同时本文设计的列车速度曲线跟踪控制算法有效减小列车时滞带来的跟踪误差,实现对列车目标速度较为准确、平滑的跟踪。本文研究整体上具有较高的可实现性,为实现悬挂式永磁磁悬浮列车自动驾驶模式起到积极促进作用。
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