基于預(yù)測(cè)控制理論的機(jī)車節(jié)能運(yùn)行控制系統(tǒng)

1 引言

鐵路運(yùn)輸消耗能源巨大，鐵路行業(yè)節(jié)能任務(wù)艱巨。如何使鐵路列車更節(jié)能具有重要意義?；?strong>預(yù)測(cè)控制理論的機(jī)車節(jié)能運(yùn)行控制系統(tǒng)通過(guò)建立機(jī)車節(jié)能運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)列車節(jié)能運(yùn)行的速度-距離曲線，從而建立列車節(jié)能系統(tǒng)，機(jī)車司機(jī)根據(jù)提示信息控制機(jī)車節(jié)能運(yùn)行。該機(jī)車節(jié)能運(yùn)行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，對(duì)電力機(jī)車乃至工業(yè)控制具有實(shí)用參考價(jià)值。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1給出基于預(yù)測(cè)控制理論的機(jī)車節(jié)能運(yùn)行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。信息采集單元負(fù)責(zé)采集供信息實(shí)時(shí)計(jì)算單元使用的開(kāi)關(guān)量、模擬量、數(shù)字量，并通過(guò)軟件調(diào)理數(shù)據(jù)，最終將有用信息發(fā)送到CAN總線上供其他單元接收；信息實(shí)時(shí)計(jì)算單元接收CAN總線上的有用數(shù)據(jù)，并處理數(shù)據(jù)，以便計(jì)算軟件調(diào)用，循環(huán)計(jì)算機(jī)車牽引力、制動(dòng)力、列車阻力等參數(shù)，預(yù)測(cè)機(jī)車節(jié)能運(yùn)行速度，最后將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線，供信息顯示單元接收數(shù)據(jù)顯示相關(guān)信息。

2.1 基于預(yù)測(cè)控制的速度預(yù)測(cè)模型

預(yù)測(cè)控制模型是根據(jù)被控對(duì)象的歷史信息和未來(lái)輸入預(yù)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)未來(lái)輸出。預(yù)測(cè)機(jī)車節(jié)能運(yùn)行速度是根據(jù)預(yù)測(cè)控制算法，建立一個(gè)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性模型。在建立機(jī)車運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型中，根據(jù)模型預(yù)測(cè)控制的功能分為：

(1)歷史信息 機(jī)車進(jìn)行速度預(yù)測(cè)所依據(jù)的線路縱斷面信息包括區(qū)間坡度、區(qū)間長(zhǎng)度、區(qū)間彎道半徑和長(zhǎng)度、區(qū)間起點(diǎn)終點(diǎn)標(biāo)高、隧道情況、岔道信號(hào)等，還包括系統(tǒng)本身采集的機(jī)車參數(shù)、眾多的模擬量、開(kāi)關(guān)量和數(shù)字量信號(hào)等。

(2)未來(lái)輸入 被控對(duì)象為機(jī)車的速度，在速度預(yù)測(cè)的一個(gè)過(guò)程或者一個(gè)周期中，將區(qū)間劃分為初始區(qū)間、中間區(qū)間、末區(qū)間3個(gè)區(qū)間，且根據(jù)限速條件設(shè)定末區(qū)間的終點(diǎn)速度，而這個(gè)自行設(shè)定的終點(diǎn)速度即為被控對(duì)象的未來(lái)輸入。

(3)未來(lái)輸出 機(jī)車節(jié)能運(yùn)行控制系統(tǒng)的主旨是通過(guò)已知的歷史信息，根據(jù)牽引計(jì)算模型實(shí)時(shí)計(jì)算，并結(jié)合機(jī)車優(yōu)化操縱策略預(yù)測(cè)速度。預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)輸出則是在計(jì)算區(qū)間后預(yù)測(cè)出速度曲線。

2.2 速度預(yù)測(cè)模型的滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正

預(yù)測(cè)控制的最主要特征是在線優(yōu)化。由于司機(jī)操縱機(jī)車水平的差異，可能導(dǎo)致運(yùn)行一段距離后機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行速度與預(yù)測(cè)速度誤差很大，所以應(yīng)及時(shí)修正誤差，再次預(yù)測(cè)當(dāng)前速度下的前方速度運(yùn)行曲線。雖然實(shí)際速度與預(yù)測(cè)速度偏差較大，但經(jīng)再次預(yù)測(cè)后，司機(jī)又能按照當(dāng)前速度行車。該系統(tǒng)通過(guò)滾動(dòng)方式優(yōu)化速度預(yù)測(cè)曲線，可使機(jī)車在任何位置，系統(tǒng)都能計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)的最佳節(jié)能運(yùn)行預(yù)測(cè)速度。其中，不同時(shí)刻的速度預(yù)測(cè)指標(biāo)，其相對(duì)形式是相同的，但絕對(duì)形式(即所含的時(shí)間區(qū)域和位置區(qū)域)是不同的。系統(tǒng)可提供任何時(shí)刻、任何位置的節(jié)能運(yùn)行操作方案，其內(nèi)部是一個(gè)實(shí)時(shí)計(jì)算過(guò)程。從控制的全過(guò)程看，該優(yōu)化過(guò)程是動(dòng)態(tài)的。

另外，在系統(tǒng)速度預(yù)測(cè)過(guò)程中，一個(gè)周期預(yù)測(cè)輸出一條預(yù)測(cè)曲線，而機(jī)車不同位置的實(shí)際速度與預(yù)測(cè)速度存在偏差，系統(tǒng)的反饋校正就是將與預(yù)測(cè)速度有偏差的實(shí)際速度反饋到速度預(yù)測(cè)模型中重新預(yù)測(cè)速度曲線，使其實(shí)際速度與預(yù)測(cè)曲線的偏差變小。當(dāng)機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行曲線與預(yù)測(cè)曲線重合度越來(lái)越大時(shí)，機(jī)車的節(jié)能效果則更加明顯。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路主要由信息采集單元、信息實(shí)時(shí)計(jì)算單元、信息顯示單元三部分組成。所有單元都通過(guò)CAN總線相連。其中，信息采集單元是根據(jù)牽引計(jì)算模型采集所需機(jī)車信號(hào)；信息實(shí)時(shí)計(jì)算單元?jiǎng)t通過(guò)CAN總線接收采集數(shù)據(jù)，并對(duì)其處理后，根據(jù)文獻(xiàn)[2]的牽引計(jì)算公式，并結(jié)合已存儲(chǔ)的線路縱斷面信息循環(huán)計(jì)算，預(yù)測(cè)節(jié)能運(yùn)行速度曲線，上述計(jì)算是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的。圖2為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的CF卡與單片機(jī)P89C591的接口電路。CF卡體積小，存儲(chǔ)容量大，易于數(shù)據(jù)保存，可存儲(chǔ)大量的線路縱斷面數(shù)據(jù)，運(yùn)行可靠，功耗較小，且易于和單片機(jī)連接。信息顯示模塊通過(guò)CAN總線和節(jié)能控制信息實(shí)時(shí)計(jì)算單元進(jìn)行通信，判別分析CAN總線上接收信息采集單元和信息實(shí)時(shí)計(jì)算單元發(fā)送到CAN總線上的數(shù)據(jù)，顯示出機(jī)車運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)及速度預(yù)測(cè)曲線。該系統(tǒng)采用P87C591單片機(jī)作為核心控制器，其內(nèi)部集成有一個(gè)強(qiáng)大的CAN控制器模塊。圖3為P87C591與CAN總線通信電路。

4 速度預(yù)測(cè)功能軟件設(shè)計(jì)

在機(jī)車節(jié)能運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)過(guò)程中，需要線路縱斷面數(shù)據(jù)以及所計(jì)算的列車作用力數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行工況等狀態(tài)量信號(hào)。其中，線路縱斷面信息被預(yù)先存放到程序中，供隨時(shí)檢索。圖4給出機(jī)車節(jié)能運(yùn)行速度預(yù)測(cè)程序流程圖。

5 結(jié)語(yǔ)

采用P87C591作為核心控制器，并以預(yù)測(cè)控制理論為基礎(chǔ)對(duì)機(jī)車節(jié)能運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。該預(yù)測(cè)控制的主要特點(diǎn)是預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正。利用該預(yù)測(cè)控制準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)車的節(jié)能運(yùn)行速度，從而更好地指導(dǎo)機(jī)車司機(jī)采取節(jié)能方式操作機(jī)車。該系統(tǒng)在機(jī)車節(jié)能控制方面具有很好的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)對(duì)相關(guān)節(jié)能系統(tǒng)的研究也有一定的參考意義。