基于预测控制理论的机车节能运行控制系统

1 引言

铁路运输消耗能源巨大，铁路行业节能任务艰巨。如何使铁路列车更节能具有重要意义。基于预测控制理论的机车节能运行控制系统通过建立机车节能运行速度预测模型来预测列车节能运行的速度-距离曲线，从而建立列车节能系统，机车司机根据提示信息控制机车节能运行。该机车节能运行控制系统简单可靠，对电力机车乃至工业控制具有实用参考价值。

2 系统设计

图1给出基于预测控制理论的机车节能运行控制系统结构框图。信息采集单元负责采集供信息实时计算单元使用的开关量、模拟量、数字量，并通过软件调理数据，最终将有用信息发送到CAN总线上供其他单元接收；信息实时计算单元接收CAN总线上的有用数据，并处理数据，以便计算软件调用，循环计算机车牵引力、制动力、列车阻力等参数，预测机车节能运行速度，最后将这些数据发送到CAN总线，供信息显示单元接收数据显示相关信息。

2.1 基于预测控制的速度预测模型

预测控制模型是根据被控对象的历史信息和未来输入预测系统实现未来输出。预测机车节能运行速度是根据预测控制算法，建立一个描述系统动态特性模型。在建立机车运行速度预测模型中，根据模型预测控制的功能分为：

(1)历史信息 机车进行速度预测所依据的线路纵断面信息包括区间坡度、区间长度、区间弯道半径和长度、区间起点终点标高、隧道情况、岔道信号等，还包括系统本身采集的机车参数、众多的模拟量、开关量和数字量信号等。

(2)未来输入 被控对象为机车的速度，在速度预测的一个过程或者一个周期中，将区间划分为初始区间、中间区间、末区间3个区间，且根据限速条件设定末区间的终点速度，而这个自行设定的终点速度即为被控对象的未来输入。

(3)未来输出 机车节能运行控制系统的主旨是通过已知的历史信息，根据牵引计算模型实时计算，并结合机车优化操纵策略预测速度。预测系统的未来输出则是在计算区间后预测出速度曲线。

2.2 速度预测模型的滚动优化和反馈校正

预测控制的最主要特征是在线优化。由于司机操纵机车水平的差异，可能导致运行一段距离后机车的实际运行速度与预测速度误差很大，所以应及时修正误差，再次预测当前速度下的前方速度运行曲线。虽然实际速度与预测速度偏差较大，但经再次预测后，司机又能按照当前速度行车。该系统通过滚动方式优化速度预测曲线，可使机车在任何位置，系统都能计算出当前状态的最佳节能运行预测速度。其中，不同时刻的速度预测指标，其相对形式是相同的，但绝对形式(即所含的时间区域和位置区域)是不同的。系统可提供任何时刻、任何位置的节能运行操作方案，其内部是一个实时计算过程。从控制的全过程看，该优化过程是动态的。

另外，在系统速度预测过程中，一个周期预测输出一条预测曲线，而机车不同位置的实际速度与预测速度存在偏差，系统的反馈校正就是将与预测速度有偏差的实际速度反馈到速度预测模型中重新预测速度曲线，使其实际速度与预测曲线的偏差变小。当机车的实际运行曲线与预测曲线重合度越来越大时，机车的节能效果则更加明显。

3 硬件电路设计

系统的硬件电路主要由信息采集单元、信息实时计算单元、信息显示单元三部分组成。所有单元都通过CAN总线相连。其中，信息采集单元是根据牵引计算模型采集所需机车信号；信息实时计算单元则通过CAN总线接收采集数据，并对其处理后，根据文献[2]的牵引计算公式，并结合已存储的线路纵断面信息循环计算，预测节能运行速度曲线，上述计算是通过软件实现的。图2为数据存储的CF卡与单片机P89C591的接口电路。CF卡体积小，存储容量大，易于数据保存，可存储大量的线路纵断面数据，运行可靠，功耗较小，且易于和单片机连接。信息显示模块通过CAN总线和节能控制信息实时计算单元进行通信，判别分析CAN总线上接收信息采集单元和信息实时计算单元发送到CAN总线上的数据，显示出机车运行的重要数据及速度预测曲线。该系统采用P87C591单片机作为核心控制器，其内部集成有一个强大的CAN控制器模块。图3为P87C591与CAN总线通信电路。

4 速度预测功能软件设计

在机车节能运行速度的预测过程中，需要线路纵断面数据以及所计算的列车作用力数据、列车运行工况等状态量信号。其中，线路纵断面信息被预先存放到程序中，供随时检索。图4给出机车节能运行速度预测程序流程图。

5 结语

采用P87C591作为核心控制器，并以预测控制理论为基础对机车节能运行控制系统进行总体设计。该预测控制的主要特点是预测模型、滚动优化、反馈校正。利用该预测控制准确预测机车的节能运行速度，从而更好地指导机车司机采取节能方式操作机车。该系统在机车节能控制方面具有很好的实用价值，同时对相关节能系统的研究也有一定的参考意义。