高速列車準(zhǔn)點節(jié)能優(yōu)化操縱研究.pdf

1、隨著我國高速鐵路運營里程的逐年快速增加，節(jié)能環(huán)保、提高運營效能就越發(fā)重要。列車輕量化、減少運行阻力的車頭設(shè)計、牽引傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計等是實現(xiàn)新研制列車節(jié)能的重要環(huán)節(jié)，而對于在線服役的高速列車要實現(xiàn)節(jié)能，必須在優(yōu)化操縱控制上下功夫。本論文研究高速列車運行優(yōu)化操縱控制策略，在確保高速列車安全準(zhǔn)點運行的前提下，充分利用列車區(qū)間運行的富裕時間，實現(xiàn)列車節(jié)能運行優(yōu)化操縱。該選題對高速列車節(jié)能運行具有重要的理論意義和實用價值。
　　本文首先介

2、紹影響列車運行的主要參數(shù)和特性，在模型假設(shè)及其合理性分析基礎(chǔ)上，提出一種滿足多約束條件下的高速列車非線性節(jié)能最優(yōu)控制模型。該模型將列車的控制量視為連續(xù)量，為有效描述列車制動時的空電聯(lián)合制動過程，首次將電制動和空氣制動從綜合制動中分離;為準(zhǔn)確計算牽引網(wǎng)側(cè)電能消耗，目標(biāo)函數(shù)中同時引入牽引動力系統(tǒng)效率和再生制動能量利用率。
　　基于最優(yōu)控制理論，通過引入哈密爾頓函數(shù)處理目標(biāo)函數(shù)積分項、狀態(tài)方程等式約束，引入互補(bǔ)松弛因子處理車速不超限速的

3、狀態(tài)量不等式約束，得到系統(tǒng)的哈密爾頓正則方程。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用極大值原理分析得出了由最大牽引、恒速牽引、惰行、恒速電制動、最大電制動、恒速綜合制動、最大綜合制動等7種控制工況組成的列車節(jié)能最優(yōu)控制工況集。將各工況下控制變量以及伴隨變量的取值范圍，結(jié)合正則方程，推導(dǎo)得出3種奇異工況下恒速運行最優(yōu)速度的代數(shù)方程式，以及4種非奇異工況對應(yīng)的伴隨變量微分方程式，為優(yōu)化操縱的數(shù)值求解提供理論依據(jù)。
　　控制工況之間的最優(yōu)切換可能性多達(dá)98種

4、，分析并確定最優(yōu)切換規(guī)則的數(shù)量和最優(yōu)切換時機(jī)，有利于降低解空間，減小計算量，這是設(shè)計實現(xiàn)列車準(zhǔn)點節(jié)能優(yōu)化操縱快速求解算法的關(guān)鍵。為方便分析，首次引入最優(yōu)切換集和最優(yōu)切換方向概念，并將最優(yōu)切換按車速是否觸及限速進(jìn)行分類。在具體分析各工況之問的最優(yōu)切換時，充分利用伴隨變量在車速不觸及限速時應(yīng)連續(xù)和伴隨變量在車速觸及限速時不可發(fā)生負(fù)跳變這兩大特性，最終得到可能發(fā)生的最優(yōu)切換共43種，包括車速不觸及限速時的13種最優(yōu)切換和車速觸及限速時的30種

5、最優(yōu)切換，并明確了各最優(yōu)切換的發(fā)生時機(jī)。
　　針對模型中新增的兩種局部最優(yōu)連接，部分電制動恒速區(qū)之間存在單個大下坡道時應(yīng)用最大電制動工況的連接，以及存在單個非大下坡道時應(yīng)用惰行工況的連接，應(yīng)用變分法，分析局部最優(yōu)連接的必要條件，通過恒速區(qū)之間車速的分段積分獲得局部最優(yōu)連接的目標(biāo)函數(shù)，通過引入拉格朗日乘子求解極值條件，獲得坡道始端和終端車速應(yīng)滿足的兩個關(guān)鍵等式。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合坡道兩端車速的邊界約束，證明局部最優(yōu)連接的存在性，以及唯

6、一性的充分條件，并從幾何角度給出唯一性的分析，是對列車節(jié)能最優(yōu)控制理論的補(bǔ)充和完善。
　　在上述研究基礎(chǔ)上，提出了一種基于局部最優(yōu)連接的全局尋優(yōu)算法，該算法有效處理了電分相存在時對原最優(yōu)連接的“強(qiáng)迫打斷”問題，對模型中最大牽引工況、最大電制動工況和最大綜合制動工況3種非奇異工況給出了相應(yīng)的等效工況逼近方法。設(shè)計線路條件復(fù)雜的列車虛擬運行區(qū)間，開展列車準(zhǔn)點節(jié)能優(yōu)化操縱策略的多因素影響分析，驗證了模型的正確性以及算法在理論上的普適性。