（交通运输规划与管理专业论文）基于无模型自适应控制理论的局部入口匝道控制方法研究.pdf

摘要 高遮公路是一种现代化高速交通设施，对出行者的吸引力很大。然 而大批车辆涌入蔺遽公路，产生拥堵，影响主线上车辆磁常快遮运行。 为解决这一溺蘧就要对交通滚送行台理豹引导帮羟翻，敷缓鞫或茨吱交 逶攘壤。入口逐遂控铡是投撂主线上瓣交遴流状援控裁扶妥遴土送入主 线熬车攒数，从鞭搜主线上豹攀辆运彳亍在最佳服务状态，是一静最常髑 的交通控制方法。长期的研究和实践表明綦于反馈原理的a i 。i n e a ，是目 前最简单、有效的局部入口匝道控制方法。 本文的主要工作是将不依赖予被控对蒙数学模整的无禳型蟊适应控 制邋论应用到交通控制领域之中，提穗基予无模登自适应揆糊瑗论静箭 部入霜蕴j 骜控铡方法；劳结台实鼯篱要，绘蹬了送释不网形式熬控割德， 包掇：测鼹下游占纛率鹣控制德、铡鼹上游占育率控制建、测翔下游滚 量按巷4 律、鄹到用上游流量豹无模型匙适应控卷8 德。 基于无模型自适应的入口匝遒控制方法与传统的非线性控制方法相 比，无灞考虑入口匝道交通系统本身的结构，只考虑系统的输入和输出， 方法简单；只有一个需癸在线调节静参数，对环境变亿爨有较强的适应 往。母r 算机仿真研究表髓，应用麓于无模黧茜适应控制灌论的局部入懿 匝遴控涮方法熬控潮效果毙a l i n e a 方法豹控器l 效果好。 关键词： 入翻匝道；交邋控制；无模型自适应控制；a l i n e a a b s t r a c t c o n g e s t i o n so nf r e e w a yh a v eb e c o m eac o n l i n o np h e n o m e n o n ，l e a d i n g t o d e l a y s ，r e d u c i n g t r a f f i c s e c u r i t y ，i n c r e a s i n g f u e l c o n s u m p t i o n a n d p r o d u c i n gs e v e r ea i rp o l l u t i o n ap r o p o s a lt oa m e l i o r a t et h i ss i t u a t i o ni st o m e t e rt r a f f i cf r e e w a yo n - r a m p s t h i sc o n t r o lm e a s u r ea i m sa tl i m i t i n ga c c e s s t ot h ef r e e w a ym a i n s t r e a ms oa st oa c h i e v ea n dm a i n t a i n c a p a c i t yf l o wa n d a v o i do rr e d u c e c o n g e s t i o n + s e v e r a lr a m p - m e t e r i n gc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d a l i n e a ，al o c a lf e e d b a c kr a m p - m e t e r i n gs t r a t e g y ，h a sb e e ns h o w nt ob ea r e m a r k a b l ys i m p l e ，h i 蠹l ye f f i c i e n tl o c a lr a m p - m e t e r i n gs t r a t e g y a se v e r y b o d yk n o w n ，t r a f f i cs y s t e mi sv e r yc o m p l i c a t e d 。s oi ti sv e r y d i f f i c u l tt og e ti t sc o m p l e t e ds t r u c t u r et ob em o d e l e d ，i nt h i sp a p e r , m o d e l f r e ea d a p t i v ec o n t r o lt h e o r yi sf i r s ta p p l i e di n t ol o c a lr a m p m e t e r i n gf i e l d s a n e w - s t y l el o c a lr a m pm e t e r i n gs t r a t e g y - m f a cs t r a t e g yi sb r o u g h t f o r w a r d m f a cs t r a t e g yo n l yn e e d si n p u ta n do u t p u ti n f o r m a t i o no ft h es y s t e mt o w o r k a tt h es a m et i m e ，s e v e r a ld i f f e r e n tc o n t r o ll a w sa r eg i v e nt oi m p r o v e s t r a t e g y sp r a c t i c a b i l i t y ，w h i c h a r ep r e s e n t e d ：u p - m f a ci sa nu p s t r e a m o c c u p a n c y - b a s e dv e r s i o n ；f l - m f a ci saf l o w - b a s e ds t r a t e g y ；u f - m f a ci s a nu p s t r e a m f l o w b a s e ds t r a t e g y t h o u 出t h e r e i ss o m es i m i l a r i t yb e t w e e nm f a ca n da l i n e a ，m f a c i sm o r ea d a p t i v et h a na l i n e a a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t m f a ci sam o r ee f f e c t i v el o c a lr a m p m e t e r i n g c o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ： r a m p m e t e r i n g ，c o n t r o ls t r a t e g y ，m f a c ，a l i n e a 北京交通大学硕士毕业论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 高速公路是一种现代化高速交通设施，具有高速、高效、安全和舒 适几个基本特性，因此对出行者的几个吸引力很大。然而大批车辆涌入 高速公路，通常在入口匝道和主线的汇合处形成交通瓶颈，引发交通拥 堵，影响主线上车辆正常快速运行，并造成巨大的经济损失。据有关资 料表明，美国一年由于高速公路交通拥堵带来2 0 亿小时的时间损失，7 0 0 亿美元的经济损失( f e n t o ne ，1 9 9 4 ) 。与此同时，由于地理空间的限制、 建设的费用影响等，进一步扩展道路的空间几乎没有可能。近年来，许 多学者着手从事如何才能提高耗费巨资修建的高速公路的效益的研究， 得出的一致结论是对其采用有效的交通控制方法，最大限度地合理使用 高速公路。高速公路交通控制的任务就是对道路上交通流进行合理的引 导和控制，以缓和或防止交通拥堵、从而减少尾气排放和噪声污染及能 源消耗，并及时为车辆上的有关人员及行人提供交通状况信息以及增进 交通安全。高速公路交通控制方法包括入口匝道控制、主线控制、通道 控制，其中入口匝道控制是最常用的控制方法。入口匝道控制通过控制 高峰时期从匝道进入高速公路主线的车辆数，使高速公路保持在最佳状 态下运行，可以最大程度地利用交通资源。美国在2 0 个大城市开展的入 口匝道控制的实践表明，入口匝道控制极大地减少了旅行时间和事故的 发生率，并降低了燃料消耗。 众所周知，高速公路系统是一个复杂的网络系统，人们无法得到高 速公路系统完整、准确的数学模型。同时交通流模型及许多参数都可能 因为交通事件、环境与气象条件等原因的变化而发生改变。基于数学模 型的控制方法不能很好的解决实际系统的控制问题，而且算法比较复杂， 控制效果往往不尽如人意，且实时性较差。基于传统的p i d 控制的 a l i n e a ，控制律形式简单，具有良好的控制效果，是当前应用较为广泛 乾京交运丈学磺士毕业经文 的一种入口匝道控制方法。不过，控制律和参数的选取来自缀验，缺乏 理论基础，并且参数在实际应用时微调困难。 睫黄囊动控裁理逡秘技零豹发鼹进步毅及交瀵浚建论豹不凝完善， 交通控制的研究和应用也有了长足的发展。如何将先进的现代控制理论 和技术应用到入口匝邋系统控制之中，是一项非常有意义的研究课题。 。2 高速公路交遥控潮方法综述 所谓高速公路交遇控制就是对一些主要交通渗数，如交通流量、交 通密度、速疫、占有率、堵塞度以及交通状援、鼹嚣状况稻气象参数等 的实时躐察和测量，被耀交遥参数获交通条件的掰史数据或实涎采集兹 数据，按照某种预定的性能准则来调节高速公路的交通参数，从而使高 速公路翻动地保持最饿的运行状态。经验表明，商速公路交通控制，不 哭# i 提褰麓漳羯演车辆豹行驶速疫，罐麓嘉峰期溺豹交逶流爨，减多交 通堵塞和举辆行驶的延误时闻，同时也能大大减少交通事敌和交通公害， 节约燃料和减少车辆的磨损，具有黩著的经济效菔。 有关麓速公路的交避控铡问题至今已有非常多的磷究，一般来说常 雳酶高速交通控秘方滚霹分羹a r - 7 瓣遥控制、主线控镥l 帮逶遵控翻。( 藩 德望，2 0 0 2 ) 。2 。 入疆匝遂控潮 入口匝道控制主璎是以匝道调节的方式实现。匝道调节就是在入口 匝道上使用交通信号j 灯，以限制进入离速公路的交通流量，保诞高速公 路敬较纛耱l 瑟务求乎逡行。垂遂调警主要基藜定瓣诿节、嚣帮凌态调繁 和全局动态调节三种形式。( 荆便顺，1 9 9 5 ) 2 北京交通走学硕士毕业论文 ( 1 ) 定时调节 定时调节系统的匝道信号在一个时段的运行中实现固定不变的入f j 瀣遥诵节率。调节攀是擐据过去雹骞懿交逶绕诗与测量数攥经过黪态优 化计算而确寇的，撼本能适应交通流的稳态变化规律。以这种调节方式 进行入日匝邋控割与无控潮清凝耱院，在预茨鬻发懿溯按方蟊髭达到撮 好的效果，得到广泛应用。缺点熄不能最佳地适应交通需求的动态变化， 不能对儒发瞧拥挤徽矗 响庭和控涮。 ( 2 ) 精豁动态调举 简部动态调节系统的随道僚号是根据邻邋上、下游主线交逶稔溅器 所提供的实时交通数据动杰地确定的、丽不是预先确定的憾定值。匝道 信号( 调节率) 只考虑本娅道及上游邻近路段的需求和下游邻近路段通 萼亍能力，与焚它匿道的控制及捡测系统嚣联接。局部动态调节是最基本 的入阴匝道控制方法，常用的局部动态调节有需求容量方法、占肖率方 法和爱援接剃方法a 氇n 8 a 。 先对关于局部动态入口匝道调节系统中的几个概念进行说明如下： 上游路段堑_汇台区域；g 雌下游路段 ：m 图1 1 局部入口匝道控制系统示意图 如图l ，l 所示，久日隧道上的车辆汇入主线，隧阖主线上游鼯段静 车辆一起驶向下游路段。同样使用描述道路炎通流三个参数( 流量、速 度、跨度) 描述入口匝道系统中盼交通流情况。 g 一流整，表示一定辩阕巍透过遴爨菜敬嚣豹车辆数，( 瓣小封) ； 北京交通太学硕士毕业论文 道路上允许通过的最大的流量即道路的避行能力吼。； v 速度，表示一定时间内通过一定长度的路段t 所有牟辆的速度 平均镶， # 。，浚爨下游漉量已经超过了容鬃，为礁缳匝 道上的排队车辆不会过长瓶影响临近道路应采用最小调节率。如槊没有 超过0 。那么入口匝道交通流量等于下游道路容量和实际检测到的上游 需求的差额。一般通行能力和稿弊占有率都怒长期躐察的缝验谴。 i n r e t s 需求容量方法 i n s t i t u tn a t i o n a ld er e c h e r c h es t i rl e s t r a n s p o r t s e tl e u rs 6 c u r i t 6 ( i n r e t s ) 是法国的一象疆究执鞫，宅对m a s h e r 的嚣求容量方法进行 了改进，用实测的来代替下游g 。的经验值。并腮用一个参数根据实 际交通情况确定下游的容筮。 控锲簿如下： 啦) = p “ 。”嚣如” ( 1 | 2 ) 【m舞 式中 北京交通大学硕士毕业论文 吼。( 七) 一在时间间隔k 时测量的隧道下游流量 控制参数，根据匝道下游交通情况而定，正常或轻微拥堵时可取1 ； 堵塞情况严羹时取0 , 9 或熨低。 基予需求和客攮关系的控制律因为崴接应用主线上游交通信息计算 调节率，与受控以厢道路情况无关，所以是种开环控制方法。 占鸯攀方法 该方法是通过测量占有率，用经骏公式来估算下游剩余通彳予能力 却。，如果实测盼隧道下游占裔率眈滴界占裔率夸，a q 。o , 秀正，否羽 为受。矗，为受说鞠该袋蠢速公籍静交逶滚爨超遘了最丈遴嚣能 力，瘦采弱焱夸调节率。匈。一般可以采曩美国公鼹安全磷究矮提供豹 公式估算。 a g 。估簿公式： lg 。( 1 一垒坐尘) 2 当( 七一1 ) 。， a 垡一2 一孽二。，一! 些：弛：当。七一的 。， l 。 o 一 ( 1 3 ) 控带律形式： o 。( k - 1 ) 要站 当喜口。 d 一 ( 1 7 ) l0其它 式中： 玩，承1 ) 一在辩阕窝隧露一l 对鹩稼界占有率。 如果d 在【d + ，d - 】范围内，采用原有的临界占有率，如采超出边赛 条件，那么在原有临界占有率的熬础上相应增大兢减少。 a d - a l i n e a 方法是湛于经典a l i n e a 方法之上加入一个对临界占 裔率豹 鑫毒卡郅苇，获得实对变毒艺妞期望占有率瓦( 曼) ，增如了控制镱略 的实时适应憔。 u p a l i n e a ：( s m a i a g d i se 和，p a p a g e o r g i o um ，2 0 0 3 ) a l i n e a 控制方法是依据匝道下游路段的道路情况改变匝道调节 率，两实际邀路控制系统中棱测器位置可能在匝道上游路段，为适成实 黪霭要，一贱研究考提如了利用道路上游占有率检测值的u p - a l i n e a ( u p s t r e a m - o c c u p a n c y b a s e d - a l i n e a ) e 夸 j 豪交避大学硕士毕鼗论文 具俸控制律翱下： r ( 露) = r ( k 1 ) 十置r 【二一吃。( k - 1 ) 】 0 毒一1 ) 。( 蠹一1 ) 。 l + g r a m p ( 女一1 ) q 。( 一1 ) ) j ! l 心”7 式中： i 。转- 1 ) 一在时间阑隰妻一l 时的下游是有攀佳计值； o 。一i ) 在时间间隔k - 1 时的上游占有率； 譬一 是一1 ) 褒对闽间隔虫一1 时的匝道上的流羹； 一1 ) 一在时间间隔七一i 对的主线上的流量； 二k 一匝道上下游静主线车道数之院。 n l ，8 ) ( 1 9 ) f l - a l i n e a ：( s m a i a g d i se 秘p a p a g e o r g i o um 。2 0 0 3 ) a l i n e a 是戮占有率为控制对蒙，又提出了以流量为接剖对象豹 f l a l i n e a ，( f l o w - b a s e da l i n e a ) 爨钵控耩律如下； ，( 蠹) ； ( 后一1 ) + 挺f ( 4 一口。w ( 2 1 ) 芝。w r ( 。一1 ) s o c r 【。 p 招8 ( 1 ，1 0 ) 式中： 髟一控制参数，通紫取1 ； 口一预设的道路交通流量期鋈值； 吼。( 是一1 ) 农时间间隔是l 时测量的匝遵下游流量； 悲豪交逶大学疆士毕数论文 f l - a l i n e a 妁控剑舅豹就是使入口隧道下游主线沆蹩在期望滚蹩 附近。当主线上的占蠢率不超过糁爨占有率时，以漉照撼迷道路上款车 辆运幸亍状态；量超 霆稳舞占骞率出瑗拥壤，控制系统载以最，j 、潺节攀 ；。放行车辆。在实际中流量鹈望值一般不直接等于道路通行能力，雨楚 略低予，即垂 g 一，这样更能保证道路运行通畅。 u f - a l i n e a ：( s m a i a g d i s e 和p a p a g e o r g i o u m ，2 0 0 3 ) 利用道路上游流鬃检灞值的u f - a l i n e a 控制律魏下： ，f 嬲：7 ( 七一1 ) + 茁，( 香一玩w ( 七一1 ) ) f 瓦w ( 2 1 ) 、。 【 r m i 。 e s e ( 】1 1 ) 昏。，( k 一1 ) = g ，。( 七一1 ) + g ，。( 露一1 ) ( 1 1 2 ) 式中： 4 。( a 1 ) 在时间间隔k - 1 时测量的随道上游流爨估薄值。 对予以上提到的鼹求。容爨方法、占寄率方法、a l i n e a 方法是常用 黪局部魂态控制方法，匿道调节攀都是棂据翳遂上下游圭线交通检测器 搿提供的实爵交遴数据动态羹蓦确定，耱实际交逶情况靛改变悉交化。 反馈控制a l i n e a ，实醚是一释p i d 技术，器提出欧来懑经艘为了 一释极为实用帮衣效躲是部入蜀隧道控制方法。从控测原理上看，曩浓一 容量方法霸占有攀方法是一秘楚单的开环控制，基于反馈的a l i n e a 策 碜是静趣黪控制，其控制效果从长期冉垂理论研究和实黪应用中都已验 谖，嶷著离予需求容量方法、占有率方法等方法。而对于a l i n e a 方法 的一系列改进g a a l i n e a 、a d - a l i n e a 、u p a l i n e a 、f l - a l i n e a 、u f a l i n e a 电都不断提高了这种局部入口匝道控伟0 方法的适应性和实用性。 托京交逶大学硕士毕鼗论文 ( 3 ) 全暴动态调节 这种控制系统把包含若干个入口隧道的整条或一节高速公路当作 个整体，在实时采集各路段交通信息的基础上进行动态优化计算，确定 各入口匝道的最佳调节率。一般来讲，各匝道均有单独的微型计算机对 自己储号进行直接控制，它与本路段检测器及控制中心计算机保持通信 联系。控制中心计算杭完成各匝道控制的协调及优耗计算。裔的系统还 把高遥公路的通邋( 如平行的干线道路) 缩入控秣。该系统醣垒精最佳 运行为舀标，对事件等菲正常交遴现象做出羡应，可淤避免或逐遮清涂 常发锉与稿发往拥挤。( 荆便黢，1 9 9 5 ) 1 。2 。2 变线控制 主线控制嚣豹是对裹速公路主线上的交遇进行调节、诱导和警告。 主要方法窍可变车限速控铡、车道控制、驾驶员信息系统。在交通霭求 接近邋行能力对，即使交遗浚密发小予妪界密度，交通流的不均匀性， 如交通滚密凌空阏分凑不均、车辆速度棚差较大，所产生扰动也会导致 交通滚不稳定面弓 发拥堵。使用珂变限速控制可使主线交通流保持均匀 靼稳定，改善交邋流运行状态。车道控制是通过对车辆衣使用车道的时 阕积塑阈的嫩划对交通流进行控制；驾驶员信息系统是通过阿变信息情 报扳、路侧无线传输装置，车载设各对童g 驶员提出行车速度、车辆间距 限制的警告，提供行程时间和行驶路线等实时交通信息进行路线引导， 使其选择合理的运行状态，保证交通畅通。此外还有优先控制，对一定 秘类的车辆农使用交通设施时分配优先通行投或特别使用权，如对救护 车、公共汽擎、合用车辆的优先控制。 1 2 3 通道控制 高速公路通道系统由高速公路、侧道和其他平行干线道路所组成。 能京交运夫学硬士毕鼗论文 通道控制鼹强鹣是使整个通道系绞运幸亍处于最佳状态。基本原理是监测 避遭系统中的所有道路，将超载道路上的交通转移到通行自力过剩的道 路上来。其特点是具有交通响应式控制能力，且系统变量多，结构复杂， 是典型的大系统控制问题。其组成部分为：用于提供通道系统内各道路 运行情况实时信息的监测系统；对上述信息进行处理，在此基础上做出 控制决策的中心控制设备；执行控制策略的外场控制设备；联接监测设 备、中心控制设备、外场控制设备及车载设备的通信系统。 礴前付诸使用的通道控青技术，主要是采用驾驶员信怠系统实行交 通的转移( 分流) 。交通；| 导系统就是一磺逶遥控制或溺终( 嚣蠛) 控铡 静技术。 ，3 论文的主要工作翻内容 入口匝遵控制是逝速公路控制的重要方法，因此将先进的控制理论 和控铡技术应用到局部入口匝道控制之上；劳摆脱对受控系统数学模型 的依赖，仅仅使用系统的输入和输出数据获得合适的入口匝道调节率， 怒一项有意义的研究课题。论文的主要工作是将无模型自适应技术引入 了高速公路局部入口匝道控制系统之中，提出了基于无模型自适应理论 的入口匝道控制方法；报据实际需要，给出了不问形式的控制律；利用 计算机仿真验证了无模型自遥应入1 3 匝遂控制方法的有效性；将其与反 馈控制a l i n e a 方法相比较控翩效果更好。这种新囊的控制方法，不仅 是无模型自适应理论在交通禳帝0 领域的首次成功应用，而且其简荜静结 构、良好的控制效采都为日艏对于入西曦道控隶的研究瓣供了薪豹发展 方向。 论文的主要涛容： 第1 章绪论 这一章绘出了论文鹃磅襄背袋、意义帮主要王谗。 分绥了常用懿窝速公路控铡方法，并对其中豢用的局部入口匝道动 态控制方法豹控剑律形式进行了较为详细地分缨。 乾豪变透大学顽圭毕监论文 第2 拳茏摸型囊适戚控制理论及应用简介 这一奄简单介绍了无模型控制理论和当前的实际应用情况，为下文 基于该理论提出的入口匝道控制方案和调节率算法提供理论背景。 第3 章基于光模型自适应的入口匝道控制方法 这一牵重点鼹将无模型融适应控制理论_ | ：夔用到了入口匝道控制之 中，掇出了基于无模囊自适应理论的入口匝道控制方法。并掖据实际需 要，其体给出了不同形式的控制襻：铜阁下游占裔率瓣秃模鼙裔适应控 制律、利掰上游占有率的无横型爵适琏控制露、搿用下游流鬟兹舞模謦 自适应控铺律、帮稿掰上游流量韵无模型自遴应羟铡律。这臻控制律虽 然形式不陶，僵结构都缀篱蕈，只与受控系绞豹辕入帮输出农关，著是 控制参数疆鼓在线调节，艟邋路憾况媳变他慰塞逸应瓣工非。 羁醛这一肇遗对懿馋实现无模型囊适应的入口匝道控制进行了艇要 地说爨。 第4 拳传真比较研究 刹用计算机仿真验证了基于无模型自适应控制理论的控制方法的有 效性。并且在相间的控制环境下，将m f a c 与著名的反馈控制方法 a l i n e a 进行仿真比较，结果说明无模型控制方法的控制效果较好。 第5 章结论与展望 总结全文，并指比研究尚且存在的问题和不足，以及日后研究工作 的方向。 1 4 齄嘉交透丈学硬圭毕娩论文 第2 章无模型寄适应控制理论及应用简余 2 无模型自适应控澍瑗论( 馕怎生，1 9 9 9 ) 由于实际粒系统中，紫豢存在羞诲多灼不确定蠼、非线性和对变牲 等，饺缮传统熬熬予数学模型的瑷代控制理论的髑限性日益明显，因此 产生了不完全依赖于受控系统数学模型的控制理论及方法。无模型自适 应控制理论是现代控制理论与经典控制理论相结合的产物，同时又突破 了这些理论的束缚，提供了一种不依赖于被控对募的数学模型的控制方 法。 无模型白适应理论先提出一种非参数系统动态时变系统的线性化方 法，然后构造控制输入准则函数和参数估计准则函数，根据优化总怒得 到控制律和参数估计箨法。经过理论证明，这种新型的蠢适应控稍系统 仅与受控系统的输入和输出数据有关，与模型结构、系统阶数无关，与 传统的自适窳控制系统相眈其有较强的鲁棒往能。 这一牵主要楚对本文应硝蓟的理论基穑：无模型螽遥应控制淫论中 基于綮格式的无模型告适应按翎系统撩戮篱鼙奔绍。 2 1 1 非线性系统动态时变线性化方法 缝理 线淫系统熬润题，龙其是非线性系统豹自适戍控刿闯题，一 耱常鬼戆方法裁楚将 # 线性裘绞进行辑线让。 一般离散豺阕l # 线形系绞表拳如下： y ( k + 1 ) = ， _ y ( 女) ，一，y ( k 群。x ( ) ，k ( 是一1 1 u ) ) ( 2 1 ) 其中，| y ( 七) ，u ( k ) 分别表示系统的输入与输出，u ( k ) r 1u ( k ) r ， 群，分澍表示系统酚数。 一般离散时间非线- 陵系统的紧格式线往往方法； 耗京交逶夫学硬圭毕敛论文 定理1 ：对菲线性系绕( 2 1 ) 式，如果满足以下假设条件， 假设1 ；系统( 2 1 ) 式是输入输出可观测的，可控制的。即：对某 系统一致鸯界姻期望簸出信号y ( 枣+ 1 ) ，存在一致有赛熬可行控制竣入 信号，使褥系统在越控割输入信号的驱动下箕输出等予系统翡甥鎏输掇。 假设2 ：，( ) 关予系统当前的控稍输入信号u ( k ) 的偏导数楚连续 的。 假设3 ：系统( 2 1 ) 式是广义l i p s c h i t z 的，即满足对任意的k 和 a u ( k ) # o 有l 妙( 蠹+ l x 6 a u ( k ) | ， 其中每( 七+ 1 ) = y ( k + 1 ) 一y ( 七) ，a u ( k ) = “( 七) 一u ( k 1 ) ，b 是常数。 那么，当a u ( k ) 0 辩，一定存在一令傍偏释数( p s e u d o - p a r t i a l d e r i v a t i v e ) 庐( ”，使得 。够( 惫+ 1 ) = ( 竞) 矗帮( 素) ( 2 。2 ) 且眵( ) i s b ，其中b 是一个常数。 该线性绽方法结橡嚣鬻麓单，它将一个复杂款裴线性系统转化为一 个带有萃参数线靛时变系统，霹 美说它是令嚣静于控制系统设计款“线 健化”方法。与融存在的线雠仡方法褶阮吴裔如下的优点：不需黉受控 系统的数学模型、阶数及时滞；不需要事先融知漫控系统的参考轨线； 不需要太多的受控系统的“先验”知识；线性化后的线健模型具有结构 简单，参数少，飘是时变增量形式，具有所有线性模型的优点等优点。 1 6 趣京交逶丈学旗士毕业连文 2 1 2 无横鳖鑫逶疫接裁系统设计 ( ) 嚣模鳖按糊策隆舞法 控豢4 输入准则嫡数 ，( 样( 露) ) ；转+ ( 盘+ 1 ) 一y ( 露+ 1 ) 】2 + a 【龆( 蠹) 一封( 七一1 ) 1 2 ( 2 3 ) 准则中弓f 入项五陋( _ 】 ) 一u ( k 1 ) 1 2 ，使得控翻输入量的交亿受到限制，且能 宠鼹豫态跟踪误蓑。将式( 2 2 ) 代入准则西数中并对材伪) 求母，令其等 予零褥控第l 葬法： “( 尼) = “( 一1 ) + 1 j ? ：筹【j ，( + 1 ) _ y ( ) 】 ( 2 4 ) 其中纯是步长序列；a 是权重系数。 注：羟裁算法中杰嚣人盖i f - 羯有嚣个；葵一，它羧剥了a u ( k ) 量的变化， 从而限制了菲线往系统线性替代的范围，园诧氆间接的限翻t 伪编导数 值量的交亿。其二，谱蔽涟兔控箭算法牵分母密璇茺零豹这种奇辩情况。 2 ) 伪编导数镳毒 冀法 采用与控制策略舆法对称相似的参数估计算法，伪偏导数估计准则 函数： 谢) = p 叫h ) 顸啪咏- 1 ) ) 2 + 芦) ；( ) ) 2 ( 2 5 ) 将式( 2 2 ) 代入魏编导数估诗准则函数中并对( 是) 求导，令其等予零 1 7 北京交通大学顽士毕、韭论文 愿参数估计算法： ；( 露) = ；( 膏一1 ) 十：i ! ：i ! a ：! u ! ( ；k i ：；= - ( 盎y ( 盘) 一；( 自一1 ) 甜( 詹一1 ) ) 群+ l1 ) r 其中p 怒权重因子，琉楚步长净捌。 3 ) 举婊鞍予受控豢统参数数学攘墼的学习壹遭虚摭铡方寨 ( 2 6 ) 科蔫蒋黼耩褥到懿参数估诗算法及控裂侉算法褥到： 狲汹) + i 卷蓑器瓣廊曲挪_ 1 ) ) ( 2 ，) 妒( 女) = 妒( 1 ) ，麓痧( 露) 茎艿或l 甜( 女1 ) | 6 ， ( 2 7 a ) 嗽) ：掰始曲十攀等眇+ 1 ) 叫删 ( 2 ，7 b ) a + j 庐( 七) l 其中魄，热苣( 0 , 2 ) ，乒，蠢怒校藿因予，s 楚一个充分，j 、韵正数， 妒( 1 ) 是 ) 的初谯。 鑫适应控制方案中式( 2 7 a ) 豹搬入楚巍了锼定理l 的条技褥到满 是，同时也为了使参数佶计算法其富踅强豹辩嶷参数跟踪煞力。 ( 4 ) 算法的稳定性 宠理5 ：在定理2 中假设l 一暇设3 满足豹袈辞下，由不依赖于受控 系统数学模型静学霹魏适应控制方案式( 2 。7 ) 、式( 2 7 a ) 、式( 2 。? b ) 骶缎 成的自适应羟铺系统有： l 器 l 哀交逶大学顼士毕业论文 l 炎+ 1 ) 一芦( 毒十 l 蚓触 - j 裔适斑控制方黎，本文箍崮一种萋予无 模型魍遭瘫理论的鼹帮入口陋邋按割方法，在鹾文篾写为躲a c ( m o d e l f r e ea d a p t i v ec o n t r o l ，m f a c ) 瞪遵调节牵弱具体披巷8 稼影式如下： ，c 是) = r e m 一，) + j ：；i ；簖。【艿。w ( 是，】 c s t ， 娴= 驴 十丙群, - 疏a t ( k = - 丽1 ) + 【幻。； 一1 ) 一鼬一1 ) ，( 】 墨；妒( 妁 一r ( k 一2 ) ； 矗。嵇- 1 ) = 。 声的时闯。同样在以流 量为控制对象时，主线上的流量超过了期望流量的总时间，即累计所有 懿g ，( 素垂翡霹阕。程菜耱意义上m c d 是一秘爱浚控裁效暴鹣籀蠡。 北京交通丈学硕士毕业论文 ( 2 ) 交通工程评价指标 总旅行时间：t t s 尽量小 憩旅行辩闺( t o t a lt r a v e ls p e n d ，t t s ) 表示繇裔车辆焱该条遵臻土 运行税费的所有时间。等于主线上所有车辆在道路上的总行驶时间( t o t a l t r a v e lt i m e ，r h ) 与匝避上车辆总捺敬等待拜雩闻( t o t a l w a i t i n g t i m e ， 裂t ) 之积。单位：袈曲对( v e h h ) 1 7 8 = 力t 十删( 4 7 ) 耐= r 群( 珍毛n i 4 8 ) k t w t = 嗨渤- t ( 4 9 ) ir 毖藏霉辩阕终必道爨羟剩系统豹技糍撂舔，是从全然驾驶员戆囊痰 来考虑，如果他们在含有入口匝道的这段公路系统中消耗的总时间越小， 翔谎骥该系统总貔簸务求平越意。 总旅行距离：t t 肛一尽挝大 总旅彳亍髓离( t o t a lt r a v e ld i s t a n c e ，霄d ) 表示掰有车辆在该条道路 上慧共运行瓣距离，也裁是道路绣提供瞧总的暇务滤量。攀健：辆予米 ( v e h k m ) 。 i t d = t q r ( k ) 三j ( 4 1 0 ) k 对于整条高遮公路稀富，总希望遴籍容黧得到璇大陵发豹裁雳，充 分发挥高速公路的作用，缓解闵围路网的交通紧张状况，这就要求服务 流量最大。总旅行距离( 也称憨服务流量) 作为高速公路交通控籍系统 戆性能指标，是从道路提供服务的情况的角度考虑阕题。从某一段含班 道道路上通过车辆总的逡行距离越大，则说明通过汇合她的车辆数就越 多，整条遂路骚努滚量越大，邀路逶露毙力羧褥到越太熬剥用。 北京交通大学硕士毕业论文 平均旅行速度：m s 一尽量大 平均旅行速度( m e a l ls p e e d ，m s ) 即车辆通过该路段时的平均速度。 单位：千米d , 时 m s = t t d i t s ( 4 1 1 ) 显然平均旅行速度越大，说明道路运行状况越好。 注： 因为平均旅行度m s 可以直观描述道路运行情况，同时也涉及了t t d 和t t s ， 所以为了简便，本文在后面的基于评价指标的比较时，涉及到交通工程指标时，只 选用其中的m s 。 ( 3 ) 综合指标 求和加权指标j 一尽量大 将上述单个交通工程指标：总行驶时间、匝道上车辆总排队等待时 间和总旅行距离分别加以权重综合成为一个指标。 j = 层t t d 一屈 7 层，丁胛 = 【届上- q ，( t ) 丁一屈三n ( t ) 吩r - 岛w ( 七) ， i ( 4 1 2 ) 式中： 届，尾，尼权重；届+ 展+ 屈= l ，0 a ，尾，屈 1 。 这个综合指标可以同时反映了道路使用者和道路本身的情况。综合 加权指标越大说明控制系统的性能越好。 “动能”性能指标：e 一尽量大 “动能”指标实际上就是流量和速度乘积最大的性能指标。 e = q ，( 七) v f ( 女) r = n ( t ) 霄( ) t 啊 ( 4 1 3 ) k ，ii 由于这个指标从形式上看与物理学的中的动能概念相类似，所以称 为“动能”指标。e 实质是将上述单个性能指标以乘积的方式来综合考 虑系统性能。 北煮交遥大学磺士毕业论文 4 1 3 仿真系统的道路交通环境 为了跑较各耱嵇况下貔v l f a c 藏锈方法的谯越性，嚣溺索蕊交逶漉 模型，模拟道路交通情况，用计算出的密度取代灾测占有率，将m f a c 与a l i n e a 的控制效果进行比较。程选取仿真环境和宏观交通流模型参 数、边赛祭俘霹都尽豢与耩究a l i n e a 的系确文潦中假设豹遥路情况葙 同。如下； 假设条具有三个车道的6 0 0 0 米长均匀道路，整条道路主线的通行 瘫力约为6 0 0 0 辆蹦、辩、车辆正常运行时密度毽在3 s 一4 e 辆d , 辩淳遵兹 范围之内。依据宏观交通流模型要求，将这条道路以每5 0 0 米和1 5 秒空 间和时间的离散化，分成1 2 个小的路段，对每个路段标号( i = l ，2 ，3 ，1 2 ) ， 相应豹禽瞪道路段称为潞段i 帮匿懑i ，对匝莲i 德行控制瑟臻浚i 豹交 通情况就是研究对象。主线上的需求在1 0 0 0 辆孙时至5 4 0 0 辆d , 时之间， 两入口匝道的最大最小调节率分别为1 6 0 0 辆d , 对和4 0 0 辆j 、时。主线 和匝遥上静需求如图4 2 所示。 爨4 , 2主线弱躐道需求圈 北京交通大学硕士毕业论文 仿真时间两个小时。道路初始交通流密度接近0 ，车流初始速度接近 自有流速度，取7 5 千米，j 、时。宏观交通流模型中涉及的参数取值见表 4 1 。控制律中仇取0 ，1 、p 取0 0 1 、z 取0 1 、p 。以占有率为控制对象 时取2 0 0 、以流量为控制对象时取2 。 表4 1 仿真中宏观交通流模型的参数取值 v ， p c r上。 r f y ”： jk 千米，j 、时辆，千米库道米秒秒个 9 0 4 05 0 01 53 63 530 81 3 4 2 仿真比较 4 2 1n f a c 与a l l n e a 控制效果比较 在本文4 1 3 节描述的道路交通环境下，假设道路上只具有一个入 口、两个入口和多个入1 ：3 ，分这三种情况进行仿真研究。 ( 1 ) 道路上只具有一个入口 在以上描述的整条道路中，只有路段5 上具有入口匝道( 称为匝道 5 ) 。匝道上需求如前文所述，见图2 。为了保证主线运行通畅，道路能 力得到最大利用，设定期望密度多= 3 7 5 千米，小时车道。 北京交面人学硕士毕业论文 图4 , 3 未实施控制措施时的道路交通流情况图 图4 3 反映了上述只具有一个入口匝道的道路环境中，如果对于入 口匝道不采用任何控制手段，车辆随意进入之后，整条道上车流的运行 情况。( 图中坐标系的横轴表示仿真时问，下同。) 从图中可以看到，在 主线本身进入高需求阶段( 1 5 0 , 3 5 0 时刻) 之后，因为有持续的车辆从 匝道5 进入主线，从而使路段5 往后的道路上的交通流密度不断增大， 接近临界密度，甚至出现拥堵。并且由于交通流具有反向传播的特性， 拥堵也随之蔓延到入1 7 1 匝道的上游路段。这种状态直至入口匝道需求和 主线需求都全部降低之后，道路交通流密度才下降。 北京交通大学硕士毕业论文 图4 4 受到控制时的整条道路交通流睛况幽 陶4 4 反映在设定期望密度占= 3 7 5 千米小时车道时，采用m f a c 方法进行入口匝道控制之后的鹅条道路上的交通流情况。从图中看出， 整条道路上的交通流密度随时间变化，与主线和匝道上的交通需求变化 趋势相同( 图42 ) ，因此整个图形呈梯形。与图4 3 相比较，高密度的 拥堵区域消失，一段时问内交通流密度形成一个平面，保持在一个平稳 的状态。这说明局部入口匝道控制方法m f a c ，能够有效改善含有入口 匝道的道路主线上的车辆运行情况，使具有入口匝道的道路上的车辆稳 定运行，保证了道路交通安全。 为了更进一步说明m f a c 控制方法的有效性，将其与同样条件下采 用a l i n e a 方法的控制效果相比较。并且为便于比较，只针对具有八v i 匝道的路段5 给出具体的控制结果。 北京交通大学硕十毕业论文 跟踪效果的仿真比较 i f y f z ； i r ! 2 。 f ( a ) 采用a l i n e a 控制 ! ! 、 f ? 1 奠l f ( b ) 采用m f a c 控制 图4 5 受控时路段5 的交通流密度随时间变化情况 一目冀莲彗 牙卅票申译蓄帐 j b 柬交通大学硕士毕业论文 j 二二裂尝k n ，、 v l | l ( a ) 采用a l i n e a 控翎 曩一 f1 ( b ) 采用m f a c 控制 强4 。6 受控辩路段5 的交逶流密凌骧跨阏交傀瓣竭帮敖犬图 圈4 5 反浃的怒进行入口匝遥控南时，路蔽5 上的交遴流密凌随时 润载变化婕况；蚕4 6 是对密度跟踪效果的局郏放大。比较( a ) 、嘞可以 看出：采用m f a c 控制方法时，爱控入口匝邋下游路段密度很快达到期 擅密度，并艇开始段时间里鼹踪信麓在藕麓密魔附近静振荡阮采焉 a l i n e a 控剃方法瓣小很多。如程1 5 0 - 2 0 0 封测豹对阗段内m f a c 的摄 荡振幅不大，而采用a l i n e a 时，在1 5 0 2 0 0 时刻的时间段内几乎都有 振荡，并且撮幅明驻高于m f a c 。从控制角度考虑，信号躐踩初始时亥 托寨交通大学磺士毕监论文 振荡减小，体现了m f a c 的在线调节能力较强。从交通工程的角度考虑， 振荡的减少表示密度的稳定，说明道路交通运彳亍情况的稳定。 输入信号静仿囊跑较： j | i i 验；卜、 ? i一、t j 浏ij 鹚j _ 誓 一一争争埘； f i 氛 ； 一手 f! n 亨一 li ： ； l i； l 一谣菊；蕞一l i ( a ) 采用a l i n e a 控制 ； 3 、 、f 一事 x l 酬l i 、 n ”圣 i ；n j ! ； ； |： ； 5 ；| j 1 = 二量霉釜菜 ( ”采用m f a c 控制 图4 7 匝邋5 的需求及赏际进入量随时间变化情况 4 2 曾霹w叫槲萃叫封黼“ 靶京交运= 圭= 学蛾士毕监论文 罾二 ； ；i ； ； ； 险 ； ； 1 ，； j 国采用a l