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原文传递高速列车准点节能优化操纵研究

论文题名：	高速列车准点节能优化操纵研究
关键词：	高速列车;操纵控制;节能效率;准点运行
摘要：	随着我国高速铁路运营里程的逐年快速增加，节能环保、提高运营效能就越发重要。列车轻量化、减少运行阻力的车头设计、牵引传动系统的优化设计等是实现新研制列车节能的重要环节，而对于在线服役的高速列车要实现节能，必须在优化操纵控制上下功夫。本论文研究高速列车运行优化操纵控制策略，在确保高速列车安全准点运行的前提下，充分利用列车区间运行的富裕时间，实现列车节能运行优化操纵。该选题对高速列车节能运行具有重要的理论意义和实用价值。　　本文首先介绍影响列车运行的主要参数和特性，在模型假设及其合理性分析基础上，提出一种满足多约束条件下的高速列车非线性节能最优控制模型。该模型将列车的控制量视为连续量，为有效描述列车制动时的空电联合制动过程，首次将电制动和空气制动从综合制动中分离;为准确计算牵引网侧电能消耗，目标函数中同时引入牵引动力系统效率和再生制动能量利用率。　　基于最优控制理论，通过引入哈密尔顿函数处理目标函数积分项、状态方程等式约束，引入互补松弛因子处理车速不超限速的状态量不等式约束，得到系统的哈密尔顿正则方程。在此基础上，应用极大值原理分析得出了由最大牵引、恒速牵引、惰行、恒速电制动、最大电制动、恒速综合制动、最大综合制动等7种控制工况组成的列车节能最优控制工况集。将各工况下控制变量以及伴随变量的取值范围，结合正则方程，推导得出3种奇异工况下恒速运行最优速度的代数方程式，以及4种非奇异工况对应的伴随变量微分方程式，为优化操纵的数值求解提供理论依据。　　控制工况之间的最优切换可能性多达98种，分析并确定最优切换规则的数量和最优切换时机，有利于降低解空间，减小计算量，这是设计实现列车准点节能优化操纵快速求解算法的关键。为方便分析，首次引入最优切换集和最优切换方向概念，并将最优切换按车速是否触及限速进行分类。在具体分析各工况之问的最优切换时，充分利用伴随变量在车速不触及限速时应连续和伴随变量在车速触及限速时不可发生负跳变这两大特性，最终得到可能发生的最优切换共43种，包括车速不触及限速时的13种最优切换和车速触及限速时的30种最优切换，并明确了各最优切换的发生时机。　　针对模型中新增的两种局部最优连接，部分电制动恒速区之间存在单个大下坡道时应用最大电制动工况的连接，以及存在单个非大下坡道时应用惰行工况的连接，应用变分法，分析局部最优连接的必要条件，通过恒速区之间车速的分段积分获得局部最优连接的目标函数，通过引入拉格朗日乘子求解极值条件，获得坡道始端和终端车速应满足的两个关键等式。在此基础上，结合坡道两端车速的边界约束，证明局部最优连接的存在性，以及唯一性的充分条件，并从几何角度给出唯一性的分析，是对列车节能最优控制理论的补充和完善。　　在上述研究基础上，提出了一种基于局部最优连接的全局寻优算法，该算法有效处理了电分相存在时对原最优连接的“强迫打断”问题，对模型中最大牵引工况、最大电制动工况和最大综合制动工况3种非奇异工况给出了相应的等效工况逼近方法。设计线路条件复杂的列车虚拟运行区间，开展列车准点节能优化操纵策略的多因素影响分析，验证了模型的正确性以及算法在理论上的普适性。为验证模型和算法在工程应用上的有效性，选取了沪昆客运专线贵阳北至怀化南上行区间的高速列车、邯长线豆庄至南蛟下行区间的重载货运列车进行了实车数据验证。结果表明，本文提出的列车准点节能最优控制算法适用于高速列车满足安全准点约束的节能优化操纵，对重载货运列车平稳节能优化操纵具有一定的适用性。
作者：	王青元
专业：	轨道交通电气化与自动化
导师：	冯晓云
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文