基于模糊控制算法的城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市軌道交通與信息工程系,安徽 合肥 230051)

城市軌道交通的信號(hào)控制是保障軌道交通安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵.研究該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有很好的應(yīng)用價(jià)值[1].針對(duì)傳統(tǒng)方法存在誤差大和失真等問(wèn)題，提出基于模糊控制算法的城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)改進(jìn)控制算法設(shè)計(jì)和嵌入式設(shè)計(jì)以及仿真實(shí)驗(yàn)分析，展示該方法在提高城市軌道交通信號(hào)控制智能性和精準(zhǔn)性方面的優(yōu)越性能.

1 被控對(duì)象描述和控制單元參量模型

1.1 城市軌道交通信號(hào)控制對(duì)象描述

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通信號(hào)的魯棒性控制，首先分析城市軌道交通信號(hào)控制的參量體系模型，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行建模，優(yōu)化設(shè)計(jì)城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)，提高控制精準(zhǔn)性，確保交通指揮信號(hào)的有效執(zhí)行.城市軌道交通信號(hào)的控制單元模型由DC/AC 逆變器模型、信號(hào)調(diào)制解調(diào)器、信號(hào)檢測(cè)器以及信號(hào)反饋電路等模塊組成[2]，用Smith結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的信號(hào)輸入輸出結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示.

圖1 城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的信號(hào)輸入輸出結(jié)構(gòu)模型

圖1中，s描述城市軌道交通控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，G0(s)eτs是城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的信號(hào)濾波傳遞函數(shù)，Gc(s)是控制執(zhí)行器的輸出傳遞函數(shù)，信號(hào)控制器的DC/AC逆變器模型可描述成

(1)

假設(shè)Y(s)與e-tms是交通信號(hào)控制系統(tǒng)的輸出響應(yīng)特征函數(shù)和沖擊響應(yīng)函數(shù)，利用異步同相控制思想進(jìn)行被控對(duì)象的控制約束參量分析.當(dāng)城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)滿足高斯平穩(wěn)性時(shí)，得到Gm(s)=G0(s)，tm=γ，由此得到軌道交通控制的輸出反饋系統(tǒng)函數(shù)為

H(s)+Y(s)=Gm(s)U(s).

(2)

結(jié)合二自由度反饋調(diào)節(jié)模型，得到軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的被控約束參量模型描述為

(3)

上式中，從Gm(s)的輸出端引出反饋信號(hào)，構(gòu)建城市軌道交通信號(hào)控制對(duì)象，結(jié)合模糊自適應(yīng)控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)控制算法，以提高城市軌道交通信號(hào)控制的輸出調(diào)制性能[3].

1.2 控制約束參量?jī)?yōu)化

通過(guò)前饋時(shí)滯耦合方式進(jìn)行控制約束參量的自整性處理，提高信號(hào)輸出的平穩(wěn)性，得到控制信號(hào)的二階平穩(wěn)性傳遞函數(shù)為

(4)

控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞特征方程為

(5)

采用QAM調(diào)制方法進(jìn)行城市軌道交通控制信號(hào)的衰減抑制，設(shè)計(jì)目的是保持軌道交通信號(hào)的平穩(wěn)定，然后結(jié)合擴(kuò)頻碼調(diào)制技術(shù)，得到城市軌道交通信號(hào)內(nèi)環(huán)控制函數(shù)描述為

(6)

(7)

其中，KP1、K11、KP2、K12分別表示城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)軸輸出模糊控制參數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參量的模糊融合處理，提高了控制參量的自整定性[4].

2 模糊控制算法改進(jìn)設(shè)計(jì)

在上文被控對(duì)象描述基礎(chǔ)上采用模糊控制算法進(jìn)行控制優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用變結(jié)構(gòu)PID模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法進(jìn)行城市軌道交通信號(hào)控制規(guī)則的改進(jìn)[5].在模糊控制規(guī)則約束下，交通信號(hào)的辨識(shí)判決函數(shù)描述為

(8)

式中，x′(t)和s′(t)分別為

x′(t)=x(t)×hw(t),

(9)

s′(t)=s(t)×hw(t).

(10)

交通信號(hào)輸出的多徑信號(hào)采用擴(kuò)頻編碼方法進(jìn)行控制信號(hào)的自適應(yīng)均衡處理[6]，得到輸出信號(hào)均衡分量為

(11)

如果S0(t)=a0δ(t)到達(dá)軌道交通信號(hào)控制器的信道具有平穩(wěn)性，得到輸出的控制調(diào)制信號(hào)S(t)為

(12)

根據(jù)交通信號(hào)的傳輸信道模型進(jìn)行控制系統(tǒng)的信道均衡設(shè)計(jì)[7]，得到城市交通信號(hào)的模糊控制迭代式

f(k+1)=f(k)-μ·ρ·eMDMMA(k)S(t),

(13)

上式中，

(14)

當(dāng)模糊決策系數(shù)滿足

(15)

表示城市軌道交通信號(hào)的控制輸出具有平穩(wěn)性，控制過(guò)程是線性均衡和穩(wěn)定的.根據(jù)上述模糊控制算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通信號(hào)控制規(guī)則和控制算法的優(yōu)化設(shè)計(jì).

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分

通過(guò)程序加載模塊將上述城市軌道交通信號(hào)的控制算法加載到控制器中，嵌入式優(yōu)化設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，信息處理器采用TMS32010DSP芯片，控制系統(tǒng)的智能信息處理采用51單片機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)分析和軌道交通調(diào)度.城市軌道交通控制信號(hào)的最大時(shí)鐘頻率可達(dá)45 MHz，并采用半雙工的時(shí)鐘電路進(jìn)行信號(hào)采集，外部總線輸出接口采用PPI模式，由1個(gè)專用時(shí)鐘引腳、3個(gè)幀同步引腳進(jìn)行上位機(jī)通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通控制信號(hào)的多線程輸出調(diào)度，最后得到本文設(shè)計(jì)的城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的硬件部分,如圖2所示.

圖2 控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

圖3 城市軌道交通信號(hào)輸出

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

下面對(duì)控制系統(tǒng)的應(yīng)用性能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，模糊控制算法采用Matlab 7 編程設(shè)計(jì)，硬件仿真平臺(tái)建立在Visual DSP++基礎(chǔ)上，設(shè)定軌道交通信號(hào)的采集頻率為24 KHz，采樣時(shí)長(zhǎng)為1 000 s，波特間隔寬度為12 Bps，調(diào)制信號(hào)采用LMF信號(hào)，得到的城市軌道交通控制信號(hào)輸出如圖3所示.

接著對(duì)圖3軌道交通采樣信號(hào)的控制性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示.可以看出，采用本文方法進(jìn)行的城市軌道交通信號(hào)控制的收斂性較好，時(shí)延較低，具有很好的交通信號(hào)調(diào)度和傳輸控制能力.

圖4 控制性能對(duì)比測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)城市軌道交通的信號(hào)輸出控制，結(jié)合交通調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通的智能調(diào)度，可以提高交通運(yùn)行的安全性.本文采用變結(jié)構(gòu)PID模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法對(duì)城市軌道交通信號(hào)的控制規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)，在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)城市軌道交通信號(hào)控制的穩(wěn)定性較好，時(shí)延較短，整體性能優(yōu)越.