基于預測控制理論的機車(chē)節能運行控制系統

1 引言

鐵路運輸消耗能源巨大，鐵路行業(yè)節能任務(wù)艱巨。如何使鐵路列車(chē)更節能具有重要意義。基于預測控制理論的機車(chē)節能運行控制系統通過(guò)建立機車(chē)節能運行速度預測模型來(lái)預測列車(chē)節能運行的速度-距離曲線(xiàn)，從而建立列車(chē)節能系統，機車(chē)司機根據提示信息控制機車(chē)節能運行。該機車(chē)節能運行控制系統簡(jiǎn)單可靠，對電力機車(chē)乃至工業(yè)控制具有實(shí)用參考價(jià)值。

2 系統設計

圖1給出基于預測控制理論的機車(chē)節能運行控制系統結構框圖。信息采集單元負責采集供信息實(shí)時(shí)計算單元使用的開(kāi)關(guān)量、模擬量、數字量，并通過(guò)軟件調理數據，最終將有用信息發(fā)送到CAN總線(xiàn)上供其他單元接收；信息實(shí)時(shí)計算單元接收CAN總線(xiàn)上的有用數據，并處理數據，以便計算軟件調用，循環(huán)計算機車(chē)牽引力、制動(dòng)力、列車(chē)阻力等參數，預測機車(chē)節能運行速度，最后將這些數據發(fā)送到CAN總線(xiàn)，供信息顯示單元接收數據顯示相關(guān)信息。

2.1 基于預測控制的速度預測模型

預測控制模型是根據被控對象的歷史信息和未來(lái)輸入預測系統實(shí)現未來(lái)輸出。預測機車(chē)節能運行速度是根據預測控制算法，建立一個(gè)描述系統動(dòng)態(tài)特性模型。在建立機車(chē)運行速度預測模型中，根據模型預測控制的功能分為：

(1)歷史信息 機車(chē)進(jìn)行速度預測所依據的線(xiàn)路縱斷面信息包括區間坡度、區間長(cháng)度、區間彎道半徑和長(cháng)度、區間起點(diǎn)終點(diǎn)標高、隧道情況、岔道信號等，還包括系統本身采集的機車(chē)參數、眾多的模擬量、開(kāi)關(guān)量和數字量信號等。

(2)未來(lái)輸入 被控對象為機車(chē)的速度，在速度預測的一個(gè)過(guò)程或者一個(gè)周期中，將區間劃分為初始區間、中間區間、末區間3個(gè)區間，且根據限速條件設定末區間的終點(diǎn)速度，而這個(gè)自行設定的終點(diǎn)速度即為被控對象的未來(lái)輸入。

(3)未來(lái)輸出 機車(chē)節能運行控制系統的主旨是通過(guò)已知的歷史信息，根據牽引計算模型實(shí)時(shí)計算，并結合機車(chē)優(yōu)化操縱策略預測速度。預測系統的未來(lái)輸出則是在計算區間后預測出速度曲線(xiàn)。

2.2 速度預測模型的滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正

預測控制的最主要特征是在線(xiàn)優(yōu)化。由于司機操縱機車(chē)水平的差異，可能導致運行一段距離后機車(chē)的實(shí)際運行速度與預測速度誤差很大，所以應及時(shí)修正誤差，再次預測當前速度下的前方速度運行曲線(xiàn)。雖然實(shí)際速度與預測速度偏差較大，但經(jīng)再次預測后，司機又能按照當前速度行車(chē)。該系統通過(guò)滾動(dòng)方式優(yōu)化速度預測曲線(xiàn)，可使機車(chē)在任何位置，系統都能計算出當前狀態(tài)的最佳節能運行預測速度。其中，不同時(shí)刻的速度預測指標，其相對形式是相同的，但絕對形式(即所含的時(shí)間區域和位置區域)是不同的。系統可提供任何時(shí)刻、任何位置的節能運行操作方案，其內部是一個(gè)實(shí)時(shí)計算過(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，在系統速度預測過(guò)程中，一個(gè)周期預測輸出一條預測曲線(xiàn)，而機車(chē)不同位置的實(shí)際速度與預測速度存在偏差，系統的反饋校正就是將與預測速度有偏差的實(shí)際速度反饋到速度預測模型中重新預測速度曲線(xiàn)，使其實(shí)際速度與預測曲線(xiàn)的偏差變小。當機車(chē)的實(shí)際運行曲線(xiàn)與預測曲線(xiàn)重合度越來(lái)越大時(shí)，機車(chē)的節能效果則更加明顯。

3 硬件電路設計

系統的硬件電路主要由信息采集單元、信息實(shí)時(shí)計算單元、信息顯示單元三部分組成。所有單元都通過(guò)CAN總線(xiàn)相連。其中，信息采集單元是根據牽引計算模型采集所需機車(chē)信號；信息實(shí)時(shí)計算單元則通過(guò)CAN總線(xiàn)接收采集數據，并對其處理后，根據文獻[2]的牽引計算公式，并結合已存儲的線(xiàn)路縱斷面信息循環(huán)計算，預測節能運行速度曲線(xiàn)，上述計算是通過(guò)軟件實(shí)現的。圖2為數據存儲的CF卡與單片機P89C591的接口電路。CF卡體積小，存儲容量大，易于數據保存，可存儲大量的線(xiàn)路縱斷面數據，運行可靠，功耗較小，且易于和單片機連接。信息顯示模塊通過(guò)CAN總線(xiàn)和節能控制信息實(shí)時(shí)計算單元進(jìn)行通信，判別分析CAN總線(xiàn)上接收信息采集單元和信息實(shí)時(shí)計算單元發(fā)送到CAN總線(xiàn)上的數據，顯示出機車(chē)運行的重要數據及速度預測曲線(xiàn)。該系統采用P87C591單片機作為核心控制器，其內部集成有一個(gè)強大的CAN控制器模塊。圖3為P87C591與CAN總線(xiàn)通信電路。

4 速度預測功能軟件設計

在機車(chē)節能運行速度的預測過(guò)程中，需要線(xiàn)路縱斷面數據以及所計算的列車(chē)作用力數據、列車(chē)運行工況等狀態(tài)量信號。其中，線(xiàn)路縱斷面信息被預先存放到程序中，供隨時(shí)檢索。圖4給出機車(chē)節能運行速度預測程序流程圖。

5 結語(yǔ)

采用P87C591作為核心控制器，并以預測控制理論為基礎對機車(chē)節能運行控制系統進(jìn)行總體設計。該預測控制的主要特點(diǎn)是預測模型、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正。利用該預測控制準確預測機車(chē)的節能運行速度，從而更好地指導機車(chē)司機采取節能方式操作機車(chē)。該系統在機車(chē)節能控制方面具有很好的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)對相關(guān)節能系統的研究也有一定的參考意義。