（交通信息工程及控制专业论文）编组站驼峰推峰机车优化控制的研究.pdf

铁道科学研究院学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本文声明的法 律成果由本人承担。 论文作者签名： 孑渤 日期：两年7 月1 日 铁道科学研究院硕士学位论文 摘要 驼峰无线机车遥控系统是编组站自动化的重要组成部分。现有的机车遥 控系统是在总结系统多年经验的基础上引入的自适应控制，这种固定不变的 控车模式在应对编组站错综复杂的地形和天气情况，必然缺少灵活性和应变 能力。本文提出一种基于模糊神经网络的机车控制系统，利用模糊理论可以 模拟人的逻辑这一特点，把现场和专家给予的大量宝贵经验加到控制系统中， 刹用神经网络的自学习和自适应能力不断修正系统的控制参数，从而使其能 够适应编组站复杂的天气和地形条件。本文将从如何建立系统模型，到具体 模型的实施，并给出仿真的结果，以证明该系统的可行性。计算机仿真结果 表明，网络经学习后可以达到很好的控制效果，在减少换档频率的情况下能 够更加平稳的控制机车，车体速度波动基本上控制在l k m h 的范围内。 关键词：编组站；机车遥控；模糊神经网络 铁道科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t h u m pr a d i ol o c o m o t i v er e m o t ec o n t r o ls y s t e mi st h ei m p o r t a n tp a r ta n d p a r c e l o fh u m py a r da u t o m a t i z a t i o n i m p o r t i n gt h e a d a p t i v ec o n t r o lt h e o r y b a s e do ns om a n yy e a r s e x p e r i e n c e ，t h eh u m pr a d i ol o c o m o t i v er e m o t e c o n t r o ls y s t e mu s e dn o ws e e m sn o tf l e x i b l ee n o u g hw i t hf i x e dc o n t r o lm o d et o a d a p tt h ec o m p l i c a t e dc o n d i t i o n so ft h eh u m py a r d t h i sp a p e rp r e s e n t sak i n do f l o c o m o t i v ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r kt h e o r y i tc a n s y n t h e s i z et h ee x p e r i e n c e f r o me x p e r t sa n dp e o p l eo ft h e h u m py a r dt ot h e c o n t r o lo nl o c o m o t i v eb yu s i n gt h ef u z z yt h e o r yf o ri t sa b i l i t yo fs i m u l a t i o no f p e o p l e si d e a t i o n i tc a na l s oa m e n d t h es y s t e mp a r a m e t e r sc o n t i n u a l l yb yu s i n g t h en e u r a ln e t w o r kt h e o r yf o ri t sa b i l i t yo fs e l f - l e a r n i n ga n da d a p t i n gt of a c et h e c o m p l i c a t e dw e a t h e ra n dl a n d f o r m c o n d i t i o n so ft h eh u m py a r d t h is p a p e r i n t r o d u c e sh o wt oc o n s t r u c tt h es y s t e mm o d e la n dh o wi tw o r k st op r o v et h e f e a s i b i l i t yo ft h i ss y s t e m ，t h er e s u l to fe m u l a t o rs h o w st h en e tc a nc o n t r o lt h e l o c o m o t i v em o r es t e a d i l ya tt h ec o n d i t i o n so fl e s s e n i n gt h es h i f t i n gf r e q u e n c y a f t e rl e a r n i n ga n dl i m i tt h ev e l o c i t ye r r o rw i t h i nl k m h k e y w o r d s ：h u m py a r d ；l o c o m o t i v er e m o t ec o n t r o l ；f u z z yn e u r a ln e t w o r k 2 铁道科学研究院硕士学位论文 引言 驼峰编组站设立于铁路枢纽内，是铁路货物运输的重要环节。其中心任 务是进行列车改编的大量编解调车作业。编组站解编能力的大小和质量直接 关系到铁路网能否畅通无阻、安全正点、保质保量的完成运输计划。从l9 5 8 年我国全面推广驼峰调车以来的四十多年，编组站调车技术取得了长足的发 展经历了从简易驼峰、非机械化驼峰、机械化驼峰、半自动化、自动化到 编组站综合自动化的各个发展阶段，目前我国的编缎站调车技术在研究和应 用上均不亚于发达国家水平，已经建立了一大批半自动化、自动化和综合自 动化的编组站。 作为编组站自动化系统的重要组成部分，驼峰无线机车遥控系统于1 9 8 9 年在郑州编组站通过国家鉴定，于1 9 9 0 年获铁道部科技进步一等奖，1 9 9 1 年作为编组站自动化的主要系统之一获国家科技进步一等奖，该系统是实现 推峰速度自动控制与提高推送效率。降低机车乘务员劳动强度的重要手段。 对推峰机车的速度控制是驼峰无线机车遥控系统的核心部分。机车的走 行过程实际上是一个有纯延迟的多变量的控制过程，并且，大多数的输入量 是无法测量的，现有的机车遥控系统是在总结多年经验的基础上引入自适应 控制理论。而本文是在原有理论的基础上对机车遥控系统进行了进一步的优 化，引入智能控制理论中的模糊控制和神经网络理论，模仿人的思维来控制 机车，使机车的控制更合理，效率更高，从而提高编组站的解编效率。系统 具有一定的自学习功能。 铁道科学研究院硕士学位论文 第1 章综述 凡是办理大量货物列车的解体、编组作业并为此而设有专用调车设备的 车站叫编组站。它的任务是将到达到达场的一列要改编的货物列车，推到峰 顶后，根据调车作业通知单将单节或几节车辆组成的车组，按照它们的不同 去向进行解体，将同一去向的车组溜到同一股道，然后根据编组计划，进行 各种货物列车的编组，重新编成新的列车，开往它们需要去的目的地。所以 编组站又有“制造货物列车工厂”之称。我国的编组站驼峰编组作业经历了非 机械化、机械化、半自动化、自动化和综合自动化几个阶段。驼峰无线机车 遥控系统是编组站综合自动化的重要组成部分，本章将介绍机车遥控系统的 发展现状，并通过介绍系统的工作原理提出对推峰机车速度控制要解决的问 题。 1 1 驼峰无线机车遥控系统的发展现状 驼峰推峰机车无线遥控系统是实现推峰速度自动控制与提高推送效率， 降低机车乘务员劳动强度的重要手段，是编组站综合自动化的一个重要组成 部分。也适用于半自动驼峰编组站。在编组站驼峰应用此项技术，能明显提 高解体效率，改善调车人员及乘务人员的劳动条件，提高作业的安全性能。 采用t y 型推峰机车无线遥控系统，司机只负责单机挂车和试牵，其它操 作全部由系统自动完成。系统能自动起车、调速、停车，推峰速度准确平稳。 预推时自动实现定距离停车，主推时自动变速推送、解体。提高了推峰的平 均速度，比人工操作提高解体效率9 l5 左右，尤其是在雾、雨、雪等不 良天气中，司机无法了望信号，作业效率往往达不到日常的5 0 ，遥控系统 彻底改变了这种状况。 作为自动化系统的主要组成部分，t y 系列驼峰推峰机车遥控系统在七 十年代列为铁道部重点科研项目，由铁道部铁道科学研究院通信信号研究所 主持进行了开发研制，采用数字电路芯片硬件逻辑电路技术，于1 9 8 3 年通过 铁道部鉴定。该系统是我国第一个将数字逻辑电路方式的自动控制系统应用 4 铁道科学研究院硕士学位论文 在内燃机车上。是国内首创达到国际先进技术的系统，因此，在1 9 8 5 年第一 届科技大会上被评为国家科学技术进步三等奖。 系统于1 9 8 3 年至1 9 8 4 年，在丰台西编组站分别对司机手动控制机车进行 推峰作业、采用机车遥控系统进行推峰作业及利用推峰作业表进行变速推峰 作业进行了解体效率的测试及分析。其中共测试司机控制机车进行推峰仟、弘 8 7 列、机车遥控系统进行推峰作业17 0 y 4 、采用变速推峰作业表进行遥控机车 推峰作业1 4 3 y 0 。根据当时的“丰西车站行车工作细则”确定的作业要求，对三 种作业情况的纯推峰速度进行了计算及分析，其结果为：采用遥控系统进行 推峰解体与司机手动控制机车进行推峰作业比较，可提高解体效率6 9 ，按 变速推峰作业表采用遥控系统进行推峰作业与司机手动控制机车进行推峰作 业比较，可提高解体效率9 9 。 随着计算机技术的迅速发展，在八十年代后期，车载计算机技术已渐成 熟，将计算机控制技术应用于内燃机车的控制己具备条件。因此，1 9 8 7 年在 国家“七五”重点攻关项目“编组站管理作业自动化技术的研究”中，将采用计 算机控制方式的“驼峰推峰机车无线遥控系统”列为四个子系统之一立项研 究，该项研究于1 9 8 9 年完成。该系统地面控制及车载设备均为计算机控制， 也是在我国第一个将计算机控制技术应用于机车控制，鉴定认为该系统为国 内首创达到世界先进技术水平。于1 9 9 0 年获铁道部科技进步一等奖，l9 9 1 年 作为编组站管理作业自动化系统的主要子系统获国家科技进步一等奖。随着 计算机技术的迅速发展，系统得到了不断的改善，使得系统的功能更加完善、 性能更加稳定可靠。该系统自鉴定后根据现场使用要求及计算机技术的不断 发展，与当前的计算机技术的发展同步前进，一直保持技术先进水平。由于 系统经过几次升级改进，铁道部于2 0 0 3 年结合驼峰自动化系统，对升级后的 t y 5 型系统进行了技术鉴定。自系统鉴定推广以来，系统进行了多次改进，如 选用的工业计算机控制模板进行了两次升级、车载设备不断小型化、系统改 进简化了工程设计及施工工作，实现了与微机联锁设备的计算机接口技术， 利用点式应答器设备替代音频股道报号设备等。在我国世行贷款招标项目的 “徐州编组站自动化系统”及京九铁路亚行招标项目的“向塘西编组站自动化 系统”、“阜阳编组站自动化系统”中，中标的美国u s s 公司在编组站自动化系 5 铁道科学研究院硕士学位论文 统中最终选用的机车遥控系统均为我们研制改进的驼峰推峰机车无线遥控系 统。 t y 系列驼峰推峰机车无线遥控系统适用于电气化及非电气化区段的各 类编组站，目前已在各大中型编组站得到广泛应用。该系统鉴定后先后在全 国1 0 多个大型编组站推广、安装使用，安装了近5 0 台机车。该系统自鉴定 后根据现场使用要求及计算机技术的不断发展，先后进行了几次改进，与当 前的计算机技术的发展同步前进，一直保持技术先进水平。 1 2 系统的组成和工作原理 t y 系列驼峰机车无线遥控系统应用在驼峰编组站对推峰机年实行推送 速度控制。其工作范围是从推峰机车与到达场即将进行解体作业的车列连挂、 试牵之后开始。直到列车解体完毕为止的整个推送作业过程。包括列车解体 过程的预先推送作业及主推送作业。 该系统与地面信号设备及推峰进路具有联锁关系，可作为独立系统使 用，也可与溜放速度控制及进路控制系统进行联网，构成驼峰自动化控制系 统。 t y 驼峰无线机车遥控系统的作业方式是遥控为主，手动优先，遥控过程 中随时可以司机手动干预。系统应用于驼峰编组站对推峰机车实行变速推送 控制。其工作范围为机车进入推峰股道与列车连挂完毕、值班员办理了驼峰 机车推峰作业且司机按下遥控按钮后开始，直到驼峰解体作业结束，无线信 道停止传送遥控命令。在此过程中设备可完全按照值班员发出的控制指令或 计算机送出的自控命令对机车进行变速控制与低恒速控制。 1 2 1 系统的组成 驼蜂无线机车遥控系统由地面设备及车上设备两部分组成。地面设备由 机车遥控主机及有关接口设备组成。机车设备采用车载微处理机及有关接口 电路构成，在一个站场，选用一个无线频点，可同时控制四台机车进行主推 送及预先推送作业。 l 、地面设备 6 铁道科学研究院硕士学位论文 地面设备包括地砸主机柜、定向天线、回执显示器、股道号应答器地面 点，其配置框图如图1 1 所示。 2 、车上设备 机车遥控 主机 自动控制 系统 电台 丰f 日j 至垂蔓匦k 砖圈 控制台显示 图1 1地面设备配置框图 车上设备包括控制主机箱、遥控显示器、天线、空气制动控制接口设备、 控制采样接口箱、股道信号应答器和机车速度传感器等设备。机车设备配置 框图如图1 2 所示。 1 2 2 系统工作原理 图1 2 机车设备配置框图 系统的工作过程分为预推作业和主推作业两部分。 当到达场同意办理某股道推峰作业时，驼峰值班员按下t 1 ( t 2 ) 峰预推 作业按钮，联锁条件电路接通，自动发送遥控预推命令。当车列运行到定距 离点时，由于轨道电路条件控制，自动发出遥控预推减速命令；当列车进入 7 铁道科学研究院硕士学位论文 峰顶区段，由于该区段轨道电路及联锁条件控制，自动发出遥控预停命令， 要求列车在驼峰信号机前方所允许的范围内停车。 当列车完成预推作业，可直接进入主推作业由峰顶值班员办理主推作 业，当列车进路正确时，首先办理主推作业按钮，再办理控制命令按钮，此 时驼峰信号开放的同时，也送出了遥控控制命令。 驼峰无线机车遥控系统的工作原理如图1 3 所示。 图1 3 机车遥控系统工作原理示意图 地面主机通过继电器接点或通过与驼峰控制系统联网，把实时采集的值 班员给出的推峰控制命令，转换成无线信号不断发送给机车。机车控制计算 机不断从车载电台接收控制命令，并从查询器接收到股道编码信息，取得机 车所在股道编码信息。这两个信息在机车控制计算机中进行比较判别，取得 本股道的控制命令，显示在显示器上，并根据命令控制机车执行工作接口， 从执行工作接口采样比较，使机车按控制命令工作，同时向地面设备送出执 行结果的正确表示。 遥控系统发送的控制命令、驼峰信号显示及车上显示的对应关系如表il 所示。 8 铁道科学研究院硕士学位论文 表1 1 信号对照表 作业 驼峰遥控 要求机车 控制命令 方式信号显示控制命令走行速度 车上显示 预推 1 0k m h 预推 预拦红灯 预减减速推送预减距离18 0 米 预停 预推停车坝俘距禺8 0 米 绿闪9 15k m h9 15k m h9 15 k n l h 绿灯 6 8k m h6 8k m h 6 8k m h 黄闪 3 5k m h3 5k m h3 5k m h 禁快 5k m h 禁快 主推白闪 禁慢3k m h 禁慢 红闪后退 7k m h 后退 红灯停车停车停车 白灯下峰手动 下峰 1 3 推峰机车速度控制要解决的问题 本文主要讨论的是主推过程中对推峰机车进行速度控制的问题。 对于无线机车遥控机车设备来说，机车走行控制的输出量是速度v ，控 制器即为档位控制电路，输入量有柴油机转速n 、机车本身机械、动力状况、 前方坡度、列车质量以及各车辆闸瓦缓解情况、前方车辆脱钩情况、轨面结 冰情况等，因此，这是一个多变量的控制过程。另外，对档位的调整( 即柴 油机转速h 的调整) 并不能及时反映在输出量速度v 上，视其余输入量的大小， 延迟时间一般有l 一8 秒，因此，这也是一个有纯延迟的控制过程。 一辆机车是有许多子系统组成的复杂的系统，它们之间很难用某个定量 的公式来描述。除了柴油机转速刀外，其余的输入量都是无法测量的。目前 采用的驼峰无线机车遥控系统，引入自适应控制理论，采用模型参考自适应 控制系统。通过对输入量、输出量的观测，逐渐地增加对被控对象地了解， 根据不同的准则，综合出一种控制律，再根据环境或条件的变化，修正控制 器的参数，以保证综合出的控制律在系统中得到实现。自适应控制的原理框 图如图1 4 所示。 一一 堡堂壁堂堡塞堕堡主堂堡堡奎 图1 4 自适应控制原理框图 新型的驼峰无线机车遥控系统结合内燃机车牵引特性，较好地解决了上 述问题。但是在控车部分，当机车超过了某一速度就要使档位进行相应的调 整，这样就造成了换档比较频繁。系统没有把质量等因素的变化考虑在内， 因此在接近峰顶的区段，由于列车大部分已解体，列车质量比主推开始时减 少了很多，列车对于控制的反应过于灵敏，造成换档频繁，给峰顶的摘钩 作带来一定的困难。 这种固定不变的控车模式在应对编组站错综复杂的地形和天气情况，必 然缺少灵活性和应变能力，而一个有经验的司机不仅要考虑不能频繁换档， 还要考虑一些非速度因素例如，顺风时他们会保守地提升机车速度，在加 速推蜂时他们可能会考虑延迟换档，接近蜂顶时他们也会保守地换档等，他 们会把未来地变化也考虑在现在的控制上用一种更平稳的方式来控制机车， 而这些都是人的思维。 近年来，对模糊控制理论和神经网络理论的研究及其在许多领域的广泛 应用表明：模糊控制和神经网络能在一定程度上模拟人的思维过程，实现对 难以用数学模型精确描述的复杂的、实时的、具有不确定性的系统进行控制， 并具有良好的控制效果。模糊逻辑具有模拟人脑逻辑思维的特点，而神经网 络从模拟人脑的内部结构出发，试图在模拟推理、自学习等方面更接近人脑 的e i 组织和并行处理能力。控制的实施无需知道系统精确的数学模型，这对 于控制像机车这样复杂多变的系统来说是具有很大优越性的。 智能控制是控制理论领域新兴发展起来的门学科，模糊控制和神经网 1 0 铁道科学研究院硕士学位论文 络均属于智能控制的范畴。目前，自动控制己经在航空航天、机器人、工! 世 生产、农产品深加工、士木工程、能源生产和利用等领域得到了广泛的应用， 并发挥着重要的作用。对具有多输入多输出、非线性、大滞后、参数强耦合 特性的现代设备和被控过程的控制要求，自动控制理论和技术将不断地- ：一好 典控制向现代控制、向人工智能控制方向推进和发展。丽铁路运输工业作为 国民经济的基础和支柱产业，也必将顺应时代的潮流，不断向高科技、智能 化的方向发展。 铁道科学研究院硕士学位论文 第2 章机车走行过程的动力模型 机车模型的建立对整个系统的仿真起着至关重要的作用，机车模型建立 的精确与否直接关系到控制作用的效果是否符合实际的情况，从而关系到沦 文结论的真实性。因此，机车走行过程的模型建立是完成本文的先决条件。 机车在运动过程中是一个复杂而庞大的系统，机车本身是一个由各种装置综 合作用的系统，车体在走行过程中不仅要受到牵引力的作用，还会或多或少 的受到各种外力和惯性的影响，如空气阻力，摩擦力，坡道附加阻力等等， 而摩擦力又分为轴颈与轴承间的摩擦力和车轮与钢轨之f s 的滑动摩擦力和滚 动摩擦力等等，另外，列车在运行中，由于钢轨表面的不平，特别是钢轨连 接处的接缝引起的冲击和振动，都会引起阻力。这些外力大部分是不能够精 确测量的，实际上，他们在理论是也没有一个精确的值。因此，我们只能根 据列车牵引计算的有关理论模拟理想情况下的机车运动情况，在根据实际现 场采集的数据修正仿真模型，使之尽可能的与实际情况相符台。在这里，我 们只能建立一个与实际情况相似的模型，因为原始数据本身也有一定的误差。 2 1 机车走行动力学分析 我们从机车预停时开始到车列解体完毕，来分析车体的受力图。 车体在推峰过程可分为两部分，我们假设到达场位于的平面即为水平 面，则可以把车体分为峰下和峰上两部分，我们把每一部分各视为一个质点 分别分析其受力情况，则车体走行时运动方向的受力图2 1 所示： 图中，处于水平面的车体在运动时，在运动方向受到牵引力和阻力的作 用，牵引力和运动方向一致，阻力和运动方向相反，处于峰上的车体在运动 时，受到的阻力中还要考虑反坡的影响。图中g 为位于峰上车体的质量，口为 反坡的角度。 1 2 铁道科学研究院硕士学位论文 一兰斗 牵引力、阻力、制动力都是列车速度的函数，当列车处于牵引运行状态 时，根据牛顿第二运动定律，作用于列车上的合力可表示为： 凡力2 f 牵引力一女2 m d 式( 2 1 ) 内燃机车的动力装置是柴油机。柴油机的扭矩、功率一转速特性是：当 每循环供油量一定时，柴油机的扭矩随转速的变化不大# 柴油机的功率与转 速近似正比变化，只有在标定转速下才可能达到标定功率。为了使柴油机的 功率得到充分发挥和合理利用，实现机车牵引特性的要求，内燃机车设置了 传动装簧，作为柴油机曲轴和机车动轴的中间环节，将柴油机的扭矩、功率 一转速特性转换为内燃机车的牵引特性：即机车起动和低速牵引时有较大牵 引力；列车起动后，当机车主控制器手柄处于给定位置，柴油机转速、功率 一定，列车运行阻力小于机车推力时( 加速力为正值) ，机车速度沿牵引特性 曲线提高( 牵引力随之减小) ；当列车阻力大于机车推力时( 加速力为负值) ， 机车速度沿牵引特性曲线下降( 牵引力随之加大) ；同时，机车换囱也是通过 传动装置来实现的。 东风7 c 型内燃机车采用了1 2 v 2 4 0 z j 6 型柴油机，该柴油机为1 2 缸、v 形、 四冲程。柴油机标定转速1 0 0 0 r m i n ，最低空转稳定转速4 3 0 r m i n ，标定功率 1 6 2 0 k w ，最大运用功率1 4 7 0 k w ，传动方式为交真流电传动。采用一台 t q f r 3 0 0 0 x 型交流同步牵引发电机，它产生的三相交流电经硅整流柜三相 桥式全波整流后，输送给6 台并联的z q d r 4 1 0 型直流牵引电动机。再由它通 过传动齿轮驱动车轮旋转。从硅整流柜到牵引电动机之间，设有6 个主接触器， 铁道科学研究院硕士学位论文 分别控制6 台牵弓 电动机的通断。另外，还设有两个转换开关，用它转换牵引 电动机励磁绕组电流的方向，从而改变牵引电动机转向，控制机车的前进或 后退。机车采用z q d r 一8 0 型直流电机作为起动发电机，在柴油机运转之前， 该电机由蓄电池组供电，作为串励电动机使用，来起动柴油机：在柴油机运 转时，该电机由柴油机驱动，作为他励发电机运行。通过电压调整器对他励 电流的控制，起动发电机发出衡压为l l o v 2 v 的直流电，机车遥控饥1 i ：；j 的电源及机车控制电路的用电即由它供给。 由此可知，虽然东风7 型内燃机车的动力来源是柴油机，但它是由六个 并联的串励直流电动机所驱动的，机车牵引特性表现为直流电动机的牵引特 性。在这里，我们只考虑机车牵引运行的状态，机车受到的牵引力由机车的 牵引特性曲线上近似求得，东风7 c 型内燃机车的牵引特性曲线如图2 ，2 所示： 图2 2 东风7 c 型内燃机车的牵引特性曲线 下一步我们要考虑的是车体受到的阻力，根据列车牵引计算理论中有关 阻力计算部分的理论，得出车体受到的总阻力为： 1 4 铁道科学研究院硕士学位论文 女= 【( 尸威) + g x ；+ ( p + g ) i x g x l 0 4 单位：k n式( 2 2 ) 其中：l 、g 为机车的牵引质量，即机车牵引的所有车辆的质量和单位：t 。 在系统建模时，该值由本次推峰的作业单来决定。 2 、p 为一台机车的计算质量，单位：t 。式中用p 表示，是指所有 机车的质量和，用于多机重联。在本系统中，推峰机车只有一台， 对于东风7 c 型机车，尸= 1 3 8 。 3 、：为机车的单位基本阻力，单位：n k n 。试验表明，作用在机乍 车辆上的阻力都与它受到的重力成正比，牵引计算中将以n 计的阻 力与以k n 计的重力之比称为单位阻力。由东风7 c 型机车的资料可知， 当速度小于1 0 k m h 时， 成= 威= 5 n k n 。 4 、“为车辆的单位基本阻力，单位：n k n 。由东风7 c 型机车的资料 可知，当速度小于1 0 k m h 时，舐= m ：= 3 5 n k n 。 5 、j 为加算坡道的坡度千分数，i = 1 0 0 0 t a n 口，顺破为正，反坡为负。 在本系统中，机车基本上处于起动以后的低速状态，由于机车预停时 处于峰下，只有一部分车辆处于峰上，因此。受反坡影响的并不是整个连挂 车列，而只是处于峰上的那部分车体，如图2 1 所示，并且随着推峰过程的进 行，处于峰顶的车体会不断增加，当车体全部进入驼峰场以后，随着列车的 解体，处于峰顶的车列则会不断减少。因此，在系统建模的过程中，受反坡 影响的车体质量实际是在不断变化的，我们设处于峰上部分的车体质量为 g ，所以对于此仿真系统，列车运行的总阻力为： 力= p ：+ g x a j ：+ g 。j 】g x l 0 。3 单位：k n式( 2 3 ) 2 2 祝车走行模型的建立 我国大中型驼峰运用的推峰机车，一般是东风7 或东风7 c 型机车，少量东 风5 型机车。其司机控制器上均有方向手柄和档位手柄，司机控制机车走行， 通过方向手柄处于前进、后退或中立位来控制机车方向，通过档位手柄分别 1 5 铁道科学研究院硕士学位论文 处于o 位、1 位、降位、保位、升位来控制柴油机的功率，从而控制机车加速 或减速。驼峰无线机车遥控系统机车设备也正是利用这一原理，通过电信号 控制机车换向状态和五个档位，从而控制机车换向及其柴油机功率。 建立机车走行的模型，目的在于通过对机车的控制输入，得到系统的输 出从而体现出控制的作用和效果。它的输入参数包括系统本身的参数和 窖 制作用参数两部分，系统本身的参数有机车的柴油机转速，车体运行的速度， 车体的质量( 包括处于峰上的部分和峰下的部分) 等，系统通过这些参数计 算机车的牵引力和车体受到的阻力，从而得出车体的加速度：而控制作用参 数主要是柴油机转速的改变，在实际的控制中，司机或是遥控系统是通过控 制升降保档位的时间来实现柴油机转速的变化的，试验结果表明，通过控制 档位的时间来实现柴油机转速变化的值是固定的，对于东风7 c 型机车，升( 降) 1 0 m s 大约可使柴油机转速升高( 降低) l 一1 5 转，因此，我们可以把档位的 控制转化为柴油机转速的改变，作为控制参数输入机车模型。系统的输出参 数主要是机车的速度，加速度和柴油机转速都可以通过和上一时刻的对比计 算出来。 该系统是一个有纯延迟的控制系统。因此，我们首先建立一个机车走行 的动力模型，然后再根据现场采回的大量数据作对比，不断修正系统的参数， 使之与实际系统不断接近，因此，这一模型不是单纯的理论模型或数据模型， 而是二者的结合。对于系统的延迟时间，由于受到各种不可测量力的影响 我们设之为一随机数，但它又不是完全的随机，它又和系统本身的质量有关， 质量越大，惯性越大，延迟就越大；质量越小，惯性越小，延迟也就越小， 所以我们设延迟的时间为一个与车体质量成正比的随机数，最大不超过8 秒， 比例因子可调。 1 6 铁道科学研究院硕士学位论文 第3 章智能控制理论 现代控制理论从理论上解决了系统的可观、可控、稳定性以及许多复杂 系统的控制，但是仍存在许多问题，如对难以建立数学模型的被控对象难以实 施有效的控制，不能适合高层决策问题等，造成这类结果的原因主要是：( 1 1 现 代控制理论依赖理想化的数学模型；( 2 ) 设计方法数学化，控制算法理想化；( 3 ) 缺乏人类思维的智能化。基于以上的原因，控制理论逐步走向智能化，由此逐 渐形成较为完善的智能控制的思想。 模糊控制和神经网络是智能控制的两大分支。模糊控制不需要被控对象 的精确数学模型，而是基于专家的知识和操作者的经验建立模糊控制模型， 通过模糊逻辑推理完成控制决策过程，最后实现对被控对象的调节控制。而 神经网络则是模拟了入脑的并行和分布式的信息处理网络，具有自学习、自 适应等功能，并有很强的非线性逼近能力。 随着智能控制的不断发展，一个控制系统不再单纯地采用模糊控制或神 经网络等理论，而是按照需要将某几种理论结合起来，实现相互之间地互补。 模糊控制秘神经网络相结合并用于控制推峰毒凡车，既可以结合专家和操作员 丰富的经验知识，又使系统具有自学习、自适应的能力。以下只将本文中用 到的模糊理论和神经网络理论等有关知识加以介绍。 3 1 模糊理论 3 1 1 模糊数学原理 1 、模糊集合和隶属函数 对经典集合来说，设a 是论域u 上的一个子集，v x u ，则有x a 或 x 荏a ，二者必居且仅居其一。经典集合如图3 1 所示。 若把x a 的情况记做“1 ”，把xga 的情况记做0 ，则u 中的每一个子 集a 都和u 中的一个二值函数厶相对应，即存在映射 ：u 寸 0 ，1 ) 1 7 铁道科学研究院硕士学位论文 聃，= 以鬟 兀( x ) 称为集合一的隶属函数( 或称特征函数) ，如图3 2 所示。 厶酝) 图3 1 经典集合图3 2 隶属函数 经典集合充分体现了“非此即彼”的特征，在处理确定性问题时，达到 了高度的严密性和精确性。但是对于不确定性或模糊性问题，人们无法用经 典集合的隶属函数来断然确定其归属问题，于是，l h a z a d e h 把隶属函数的 取值范围从 o ，1 扩大到【0 ，l 】，这样就可以用0 到l 之间无穷多个数来表示事物 的归属了，于是就产生了模糊集合的概念( l a z a d e h 于l9 6 5 年提出) 。 所谓给定论域u 上的一个模糊集合4 是指，对v x u 都存在一个数 以( x ) 【0 l 】与z 对应，这个数叫做z 对a 的隶属度，即存在映射 ：u 专【0 , 1 】 该映射称为模糊集合a 的隶属函数，用u 。( x ) 或4 ( 石) 表示。隶属度表示x 隶 属于模糊集合4 的程度，当a ( x ) 斗l 时，表示x 属于a 的程度越来越高：当 爿( x ) 呻0 时，表示刊属于a 的程度越来越低；当一( 工) = 1 时，则x 绝对属了二a 爿( x ) = 0 时，则z 绝对不属于a 。 由此可以看出，经典集合只是模糊集合的个特例，模糊集合更能反映 事物的本质。例如，青年是一个集合，该集合用经典集合可以表示为： a ：a = & 1 1 5 岁x 2 5 岁，x 表示年龄 ，其隶属函数如图3 3 所示：若用模糊集合 1 8 铁道科学研究院硕士学位论文 r j 一2 0 、 则可表示为：a ( x ) = pl7 ，其隶属函数如图3 4 所示。 月( 曲 ( 力 e 二口二二 51 01 5 2 0 0 53 0 1 06 d 1 3 o 图3 3 经典集合下的“青年” 图3 4 模糊集合下的“青年” 2 、隶属函数的确定 用模糊集合描述的现象的特征通常是模糊的，如“接近于0 的数”就是 一个不精确的描述。因此，可以用不同的隶属函数来描述同一对象。令z 表 示模糊集合“接近于0 的数”，则z 的隶属度函数可能是：= e 。( 高斯型) ， 也可能是心( 工) = 0 工- i l x 一+ x l 苫主要( 三角姒它们的图形分别如弘5 棚 0 x l 3 6 所示。我们还可以选择许多其他的隶属函数来描述“接近于0 的数”。 丛 0 图3 ，5 “接近于o 的数”的隶属圈3 ，6 “接近于0 的数”的隶函数的一 种可能形式属函数的另一种可能 的形式 虽然模糊集合描述的对象特征是模糊的，但隶属函数本身并不是模糊的 一一它们是精确的数学函数，一旦隶属函数表征了模糊的性质，如用图35 和图3 6 所示的隶属函数表征了“接近于0 的数”，则一切都将不再模糊了。 因此，用隶属函数表征一个模糊描述后，实质上就将模糊描述的模糊消除了。 从概念上讲，隶属函数的确定有两种方法。第一种方法是利用人类专家 的知识，也就是说请该领域的专家来指定隶属函数。由于模糊集合通常用丁二 铁道科学研究院硕士学位论文 描述人类知识，所以，隶属函数也就代表了部分人类知识。通常，这种方法 仅能够给出隶属函数的个粗略的公式，还必须对其进行“微调”：第二种方 法是从各种传感器中收集数据来确定隶属函数。具体地讲，首先要指定隶属 函数的结构，然后根据数据对隶属函数的参数进行“微调”。 目前常用的隶属函数有高斯型、三角形、梯形等。 3 1 2 模糊控制系统 在工程应用中的模糊控制系统，通常采用的是如图3 7 所示的具有模糊 器和解模糊器的模糊系统。 图3 7 具有模糊器和解模糊器的模糊系统的基本框图 l 、模糊规则库 模糊规则库是由模糊i f t h e n 规则集合组成的。它是模糊系统的核心， 从这个意义上讲，模糊系统的其他组成部分都是以一种合理而有效的方式来 执行这些规则的。具体地讲，模糊规则库是由以下模糊i f t h e n 规则组成的： r ：。：如果气为：且且z 。为 ：，则y 为日7 式( 3 1 ) 其中，a j 和分别是u ，cr 和v cr 上的模糊集合，善= ( x 1 ，x 2 ，x 。) 7 u 和 y v 分别是模糊系统的输入和输出( 语言) 变量。令m 为模糊规则库式( 3 1 ) 中的规则数目，即，= 1 , 2 ，m 。将形如式( 3 、1 ) 的规则叫做标准模糊i f t h e n 规则。在这里，我们只考虑多维输入一维输出的情况，因为一个多维输出的 2 0 铁道科学研究院硕士学位论文 系统总是可以分解成多个一维输出的系统。 在模糊系统体系中，人类知识是不得不以模糊i f t h e n 规则的形式表达 的，也就是说，只有用模糊i f t h e n 规则的形式来描述人类知识，才能利用 人类的知识。模糊规则库是由规则集会组成的，它们之间的关系涉及到以下 几个概念： ( 1 ) 完备性 直观地讲，一个规则集合的完备性表明，输入空间中的任意点上都至少 存在一条可用规则。也就是说，对于系统的每一个输入，都必须至少有一条 模糊规则与之对应。 ( 2 ) 一致性 如果模糊i f - t h e n 规则集合不存在“i f 部分相同，t h e n 部分不同”的 规则，则认为这个模糊i f t h e n 规则集合是一致的。 ( 3 ) 连续性 当邻近规则的t h e n 部分的模糊集的交集不为空集时，称该模糊 i f t h e n 规则集合是连续的。直观上讲，连续性表明，模糊系统的输入一输 出行为应该是平滑的。 模糊规则的获取可以通过以下途径：1 ) 将专家的知识或操作者的经验 直接转换为模糊语言规贝4 ；2 ) 根据对模糊控制器控制过程的监督进行归纳总 结：3 ) 利用模糊集合理论对被控过程进行建模；4 ) 在控制系统运行中。实 现规则的自组织。 2 、模颧推理机 模糊推理机要解决的问题就是如何将模糊规则库中的模糊“i f t h e n ” 规则转换成某种映射，即将u = u 。x u 。上的模糊集合映射成v 上的模糊集 合。按规则引用方式分类的推理方法有两种：组合推理和独立推理。 组合推理是将模糊规则库中的所有规则都组合到u x v 中的单一模糊关 系中，并将这一模糊关系看作单独的模糊1 f - t h e n 规则。规则的组合可采 用“交”或“并”的方式。 独立推理是将模糊规则库中的每条规则都确定一个输出模糊集合，整个 模糊推理机的输出是这肘个独立模糊集合的组合，这一组合既可以用并集得 2 l 一一 堡堂型堂堑窒堕堡主! 鲎笙兰 到，也可以用交集得到。 常用的模糊推理机有以下几种： ( 1 ) 乘机推理机 使用模糊并组合的独立推理和m a m d a n i 积含义可得如下乘机推理机： ( y ) - m 。a x s ，u ，p ( u 一( x ) n p ，口渺) ) 】 式( 3 2 ) 4 1 x e u 一f ” 式( 3 2 ) 中：s u p 为最大运算算子。 ( 2 ) 最小推理机 使用模糊并组合的独立推理和m a m d a n i 最小含义可得如下最小推理机： ( y ) 2 四擎【鬻m i n ( p ( 善) ，2 一一) ，a a ：( x o ) ，( _ y ) ) 】 式( 33 ) 乘机推理机和最小推理机是模糊系统最常用的推理机。它们的主要优势 在于运算的简便性和直观性。另外还有l u k a s i e w i c a 推理机、z a d e h 推理机、 d i e n e s r e s c h e r 推理机等。 3 、模糊器 模糊器可定义为由一实值点x u cr 4 向u 上的模糊集爿1 的映射。模糊 器的设计应符合以下几个准则：1 ) 在点x 处模糊集a 应该有一个更大的隶 属度值：2 ) 模糊器有助于克服噪声的影响；3 ) 模糊器应有助于简化模糊推 理机的计算。 常用的模糊器有以下几种： ( 1 ) 单值模糊器 单值模糊器将一个实值点x + u 映射成u 上的一个模糊单值彳，硝在x 点上的隶属度值为1 ，在u 中的其他所有点上的隶属度为0 即： 啪) = 器蠹 式( 3 4 ) ( 2 ) 高斯模糊器 高斯模糊器将x u 映射成u 上的个模糊集a ，它具有如下高斯隶属 度函数： 铁道科学研究院硕士学位论文 一( z i - - x r一( 量二叠) z ( x ) = e q e “ 式( 3 5 ) 其中，参数a ，是正数，t 一范数通常选用代数积算子或最小( m i n ) 算子。 ( 3 ) 三角形模糊器 三角形模糊器将x u 映射成u 上的一个模糊集爿，它具有如下i 角形 聃斗一i x , q - x ：1 ) i x r - x i ) k 叫卜翁1 2 ，”) 却。) 0 。 其中，参数6 ( f = 1 , 2 ，n ) 正数，t - 范数通常选用代数积算子或最小( r a i n ) 以上三种模糊器均满足。( x ) = 1 。对任意形式的隶属度函数，单值模糊 器均可以简化模糊推理机的计算；当规则中的隶属度函数分别为高斯型或三 角形时，高斯模糊器或三角形模糊器也能简化模糊推理机的计算。高斯模糊 器或三角形模糊器能克服输入变量中包含的噪声。 解模糊器可定义为由矿仁r 上模糊集b ( 模糊推理机的输出) 向清晰点 y v 的一种映射。从概念上讲，解模糊器的任务是确定一个最能代表模糊 集b 的y 上的点。所以它的选择要遵循以下几个原则：1 ) 点y 可直观地代表 br ，例如，它在b 中要有很大的隶属度值或位于f 的支撑集的中心附近；2 ) 计算简便；3 ) 连续性，即b 。的微小变化不会造成y 的大幅度变动。下面提 出三种解模糊器： 重心解模糊器所确定的y 是b 。的隶属度函数所涵盖区域的中心。即 y ：毕丝却7 )。 i ，b ( y ) 方 式( 3 7 中，f 是常规积分。 鐾望整兰笪窒堕堡主兰焦笙茎 重心解模糊器的优点在于其直观合理，缺点在于其计算要求高。 ( 2 ) 中心平均解模糊器 中心平均解模糊器是对莺心解模糊器的一个较好的逼近，是m 个模糊集 中心的加权平均，权重等于相应模糊集的高度。令y 为第f 个模糊集的中心， q 为其高度，则中心平均解模糊器可由式( 3 8 ) 确定y m 一， y c o t y = q 式( 3 8 ) 中心平均解模糊器是在模糊系统中最为常用的解模糊器，它的特点是计 算简便、直观合理。 ( 3 ) 最大值解模糊器 从概念上讲，最大值解模糊器把y 确定为矿上，( ，) 取得其最大值的点。 定义集合 h g t ( 鳓= p 圳脚c y ，= s 印磐c y ，) 即，h g t ( b ) 是v 上所有。( y ) 取得其最大值的点的集合。最大值解模糊器定 义y 为h g t ( 口) 中的任意元素，即： y = h g t ( 8 。) 中的任意一点式( 3 9 ) 如果h g t ( b ) 中仅包含一个点，则y + 唯一确定。如果h g t ( b ) 包含一个以上的点， 则仍可采用式( 3 9 ) ，或者大中取小，或者大中取大，或者大中取平均值，选 择其一构造解模糊器。 最大值解模糊器直观合理且运算简便，但f 的微小变化可能会造成y + 的 很大变化。 铁道科学研究院硕士学位论文 3 2 神经网络理论 3 2 1 神经元模型 神经网络的基本单元称为神经元，它是对生物神经元的简化和模拟。种 经元的特性在某种程度上决定了神经网络的总体特性。大量简单神经元的相 互连结即构成了神经网络。一个典型的具有r 维输入的神经元模型可以用图 3 8 来加以描述。 输入神经元 广_ 、，_ 、 a 一w p + b ) 图3 8 神经元模型 图中，p l , p ：，p 。代表神经元的r 个输入：w l , l ，w 1 2 ，w ”表示网络权值， 它们代表了输入与神经元之间的连接强度；b 为神经元阈值，代表求和单 r 元，它完成对输入信号的加权求和，朗n = p ，w u + 6 ：f 表示神经元的传递 函数，它用于对求和单元的计算结果进行函数运算，得到神经元的输出a 常用的传递函数有线性函数( ，( x ) = 缸) 、闽值函数( 厂( x ) = 器：) 、对数 s i g m 0 d 函数( m ) = 专) 等。 网络的权值和阈值都是可调的，也正是基于二者的动态调节，神经网络 才得以表现出某种