广义预测控制隐式算法在ATO系统中的应用

行 为 的基 础 模 型 ，称 为 预 测 模 型 。通 常 Ｇ Ｃ采 用 Ｐ 如 下 的 Ｃ Ｒ ＭＡ模型 作为预 测模 型 ： Ａ Ｉ
Ａ（一） （ ） ＝Ｂ （ ） （ ｚ Ｙ ｋ ｚ ｕ ｋ一１ （ ） Ａ ）＋ ｋ ／
（） １
ｎⅡ
测基 础上 ，可 降低对 基础模 型 的要求 ，提 高控制 的
性能。 ２ ２ Ｇ Ｃ 隐式算 法 ． Ｐ
其 中 Ａ ｚ ＝ １ ＋ （ 一）
ｎ ｂ
Ｏｚ ；Ｂ （ ） ＝ ； ） ｉ
ｊ
∑ｂ～ｕ ）Ｙｋ 为被控对象的 ｉ ；（ 、（） 输入和输出； ｎ、
ｉ＝０
由式 （ ） 可知 ，如果 要 求 最 优 控 制 律 △ ， ５
蒲 松 芝 顾 桂 梅
摘 要 ：Ａ Ｏ 系统 具有 时滞性 、非 线 性 、 时 变性 等 特 点 ，使 用 传 统 的 ＰＤ控 制 器难 以取得 理 想 Ｔ Ｉ
的控 制效 果。根 据 Ａ Ｏ 系统的特 点 ，设 计 了基 于广 义预 测 控 制 隐 式算 法 的 速度 控 制 器 ，并 对被 Ｔ
２ １ 年 ５月 ０１ 第４ ７卷 第 ５期
铁 道 通 信 信 号
ＲＡＩ Ｗ ＡＹ Ｓ ＧＮＡ Ｌ ＮＧ ＆ Ｃ Ｌ Ｉ Ｌ Ｉ ０ＭＭＵ ＣＡ １ ＮＩ Ｔ ０Ｎ
Ｍａ ０ １ ｙ ２ １
Ｖｏ． ７ Ｎｏ ５ １４ ．
广 义预 测 控 制 隐式 算 法 在 Ａ Ｏ 系 统 中 的应 用 Ｔ
和列 车 自动监 控 系统 （ ｕｏ ａｉ ＴａｎＳ ｐ ｒｉｏ ， Ａ ｔｍ ｔ ｒｉ ｕ ｅ ｓ ｎ ｃ ｖｉ
影响 的 Ａ Ｏ 系 统 。但 由 于 Ｇ Ｃ算 法 中 需 要 递 推 Ｔ Ｐ Ｄｏ ｈｎｉｅ方程 和矩 阵求逆 ，计算 量 较大 ，而 采用 ｉ ａｔ ｐ ｎ 隐式算 法可 以克服 上述 弊端 。 因此 本 文通 过 Ｍａｌ ｔｂ ａ
ｉ ｄＰｅ ｉ ｉ ｏ ｔ １ ｎ ，ｔｅｓ ｕａｉ ｆ ｏ ｔ ｌ ｄｏｊｃｓ ｎＭａ ａ ｎ ｘ ｅｉ ｅ ｔ ｓｌ － ｚ ｒｄ ｔ ｅＣ ｎ ｏ．Ａ ｄ ｈ ｉ ｌｔ ｎｏ ｎｒ ｌ ｂｅｔ ｉ ｅ ｃｖ ｒ ｍ ｏ ｃ ｏｅ ｔ ｂａ ｄｅｐ ｒ ｎａ ｒ ｕｔ ｉ ｌ ｍ ｌｅ ｓｎ
（ 责任编辑 ：陈宝安）
一
１ — ７
铁道 通信信号
２１ ０ １年第 ４ ７卷第 ５期
性 能指标 ，结 合辨 识 和 自校 正机制 ，具有 较强 的鲁 棒 性 、模 型要 求低 等特 点 。 ２ １ ＧＰ ． Ｃ基本 算法
控 制律 ：
ａ ＝ （ Ｕ Ｇ Ｇ＋Ａ ） Ｗ —Ｆ Ｉ 一Ｇ （ ） （） ５
一
是跟 踪参 考轨迹 ：
Ｗ（ Ｊ ＝ ｙ ｋ ｋ＋ ） （ ）＋（ ） １一 Ｙ ， ＝１ ２ ， ， ，。 Ｊ
（） ２
都 在最 后一个 方 程 中出现 ，因此 仅 对 上式 进 行
辨识 可得矩 阵 Ｇ和 向量 Ｆ ，从 而可求 出最优 控制律
△ 。
其 中 、（ ）分别 为 设 定 值 和 输 出 值 ； Ｌ Ｙｋ Ｏ为柔
必须 知矩 阵 Ｇ和预 测 向量 Ｆ ，隐式 算 法 利用 输入 、 输 出数据 ，根据 预测 方程 直接辨 识 Ｇ和 Ｆ。
＾
ｎ 表示输 出及 输入 阶 次 ； ＝ １一。 表 示 差 分 算 Ａ 子； ｋ （ ）是均值 为零 的 白噪声 序列 。 ２ １ ２ 滚 动优化 ．． 预测 控制 的 目的是使被 控对 象 的输 出值 尽可 能 地靠 近 目标 曲线 的设 定值 。在 实际 的系统 中 ，为使 输 出值 有更 好 的跟 随性 ，通 常对 输入 的 目标 曲线进 行柔 化控 制 ，使 控制 输 出不 直接 跟踪 目标 曲线 ，而
随着 我 国城市 化进程 的 加快 ，城轨 交通 列 车运
仿 真实 验 ，证 明广 义 预测 控 制 隐式 算 法 在 Ａ Ｏ 系 Ｔ
统 上具 有可行 性 。
行 速度 和运输 密度 的提 高 ，传 统 的人工 驾驶 模式 已 难 以满足 社会 发展要 求 ，而列 车 Ａ动运 行技 术能 够 模拟 最佳 司机进 行驾 驶 ，保证列 车 运行 的安 全性 和 准 时性 。 目前 ，Ａ Ｏ 系 统 大 多 采 用 传 统 的 ＰＤ控 Ｔ Ｉ
ｄ ｃ ｔｄ ｔ ａ ｝ ｓｃ ｎ ｒ ｌ ｒｈ ｓｍ ｕ ｈ ｂ ｔｅ ｆｅ ｔ ｈ ｎ Ｐ Ｄ ｏ ｔｏｌ ｒ ． ｉ ａｅ ｈ ｔｔ ｉ ｏ ｔｏｌ ａ ｃ ｅ ｔｒ ｅｆｃ ｓｔ ａ Ｉ ｃ ｎ ｒ ｌｅ ｓ １ ｅ Ｋ ｅ ｏ ｄｓ： Ａｕ ｏ ｔ ｒ ｉ ｅ ａｉ ｎ；Ｇｅ ｒ ｌｚ ｄ Ｐｒ ｄｃ ｉｅ Ｃｏ ｔｏ ；Ｉ ｌｃｔａｇ ｒｔ ｍ ；Ｓ ｍｕ ａ ｉｎ ｙｗ ｒ ｔ ｍａ ｉ Ｔ ａｎ Ｏｐ ｒ ｔ ｃ ｏ ｎｅａ ｉｅ ｅ ｉｔｖ ｎｒ ｌ ｍｐ ｉ ｉ ｌ ｏ ｉｈ ｉ ｌ ｔｏ
在 实 际的控制 过程 中 ，每次仅 将第一 个分 量加 入 受控 系统 。
２ １ ３ 反 馈校 正 ．．
Ｇ Ｃ算 法 的基本 思 想 和机 理 可 以用 预测 模 型 、 Ｐ 滚 动优 化 、反 馈校 正 ３个 基本 特征来 概括 。
２ １ １ 预 测模 型 ．．
在 预测控 制理 论 中 ，需要 有一个 描述 系统 动态
兰州交通大学 自动化与电气 工程学 院， ３００ 兰州 ７０７
硕士研究生 副教授 收稿 日期 ： ０１ １ １ ２ １－ ． ０２
Ａ Ｓ 。这 ３个 子 系 统 通 过 信 息 交 换 网构 成 一 个 以 Ｔ） 行 车安 全 为基础 ，集 行 车指挥 、列 车 自动运 行等 功 能为一 体 的列车 自动 控制 系统 。
备事 先 预 申请 资 源 ，不 需 要 修 改 ＢＯ Ｉ Ｓ或 Ｕ Ｏ Ｔ ＢＯ
［ ］ ＰＣ ． １０ ＰＣ Ｇ Ｃ ｍ ａｔＣ ｏ Ｓ ａ ｐ ｃ — １ ＩＭＧ２ １Ｒ ． ，Ｉ Ｍ ｏ ｐ ｃ Ｉ ｔ ｗ ｐＳ ｅｉ Ｐ Ｈ ｉ ｆ
等 引导程序 ，所 以对 于 已经 开发 出来 的 Ｃ Ｃ 系统 ＰＩ 板 ，不 需要 做修 改就 可 以支持 本 文 提 供 的 Ｃ Ｃ 热 ＰＩ
程控 制设 备 的热插 拔 ，以及 远程 查询 设备 的信 息 。
参
ｃｔｎ Ｓ ． ａｏ［ ］ ｉ ［ ］ 舒 剑 ． Ｐ Ｉ 台 热 切 换 原 理 和 实 现 ［ ］ 电 子 技 术 应 ２ ＣＣ 平 Ｊ．
用 ，ａ ５ （ ） ２ ２ ． ２ Ｈ ， ８ ：５— ７ Ｄ
考
文
献
同类 型 的设 备 。 同时 ，能 够 自动 为 Ｃ Ｃ 热插 拔 设 ＰＩ
控 对 象进行 了仿 真 。Ｍ ｔ ｂ仿 真 和 实验 结 果证 明 ，该控 制 策略 比 ＰＤ控 制 具有 更好 的控 制效 果。 ａｌ ａ Ｉ
关 键词 ：Ａ Ｏ；广义预 测控 制 ；隐式 算 法 ；仿 真 Ｔ
Ａｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ： Ａｕ ｏ ｔ ｒ ｉ ｅ ａｉ ｎ Ｓ ｓｅ ｆａ ｕ ｅ ｉ ａ ｔ ｍａ ｉ Ｔ ａｎ Ｏｐ ｒｔｏ ｙ ｔ ｍ ｅ ｔ ｒ ｓｔｍｅ ｌｇ， ｎ ｎ ｉｅ ｒ，ａ ｄ ｔｍｅ ｖ ｒａｉ ｎ Ｓ ｃ ｏ ｌｎ ａ ｎ ｉ ａ ｉｔｏ ． ｏ， ｉ ｉ ｔｓ ｄ ｆ ｃ ｌ ｔ ｃ ｉｖ ｄ ａ ｏ ｔｏ ｆｅ ｔ ｉ ｇ ｔａ ｔｏ ｌＰＩ ｃ ｎ ｒｌｅ ｓ Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓ ｉ ｕ ｔ ｏ ａ ｈ ｅ ｅ ｉ ｅ ｌｃ ｎ ｒ ｌｅ ｆｃ ｓｕｓｎ ｒ ｄｉ ｎａ Ｄ ｏ ｔｏｌ ｒ ． ｉ ｉ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｃ
２ 隐 式 广 义 预 测 控 制 算 法 的简 述
隐式广 义预 测算 法是 以受 控 自回归 积分 滑动平 均模 型 （ ＡＲ Ｍ Ｃ Ｉ Ａ） 为 基础 ，采 用 了长 时段 的优化
要求 的热 捅拔 系统 ，能够 同时支持 基本 热插 拔 、完 全热捕 拔 和高可 靠性 热捕 拔 ，方 便用 户兼 容 ３种不
预测 控制是 一种 闭环 控制算 法 ，广义 预测控 制
Ａ
的每一 步都要 检测 实际输 出 Ｙ并 与 预测 值 ｙ比较 ， 依此 修 正 预测 的不 确 定 性 。 当实 际 系 统存 在 非 线 性 、时 变 、模 型失 配 、干 扰等 因素 时 ，这 种反馈校 正 就能 及时修 正预 测值 ，使优 化建立 在较 准确 的预
化 系数 ， ＜Ｏ １。 ０ ｌ＜
综 上所 述 ，隐式 Ｇ Ｃ算 法 的具体 步骤 如下 ： Ｐ １ 置 初值 Ｐ ｍ、 ｔ 、 ． 、 ／ 、， Ａ； － ／ ｔ ６
为 了增 强 系统 的性能 ，在 目标 函数 中考 虑 了现
２ ．由式 （ ）辨Leabharlann Baidu 控 制器 参 数 ，并 计 算矩 阵 Ｇ ６
制 。Ａ Ｏ系统 是一 个 多变 量 、非 线 性 的 复 杂 系统 ， Ｔ
１ Ａ ｏ 系统 组 成 Ｔ
Ａ Ｏ系 统 由车 载 设 备 和 轨 旁 设 备 组 成 。列 车 Ｔ
自动 运 行 系 统 是 列 车 自动 控 制 系 统 （ ｕｏ ｔ Ａｔ ｉ ｍａ ｃ Ｔａ ｏｔ ｌ Ｔ ｒｉ Ｃ ｎｒ ，Ａ Ｃ） 的一 个 非 安 全 子 系 统 ，它 需 ｎ ｏ
根 据最优 预测 值 Ｙ＝ＧＡＵ十Ｆ，得 到未来 第 Ｐ
个输 出预 测值 为 ：
ｙ ｋ＋ ）：ｇ 一ａｕ ｋ （ Ｐ 。 （ ）＋Ｌ＋ｇ （ Ｐ一１ ｌ ｏ Ａ“ ｋ＋ ） ＋ ｋ＋Ｐ ）＋ （ ｐ ｋ＋ ） （） ６
由式 （ ）可 知 ，矩阵 Ｇ中所 有元 素 ｇ ，，Ｌ ６ 。ｇ ，，
和 向量 Ｆ ；
在时刻 的控制 Ｍ ｋ （ ）对 系 统未 来 时刻 的影 响 ，采用
以下 目标 函数 ：
Ｐ
３ ．由式 （ ）及 当前 时刻 的输 出 Ｙ值 和 给定值 ２
Ｊ ：Ｅ｛
［ （ ）一Ｗ（ ） ＋ Ｙ ｋ＋ ｋ＋ ］
Ｙ 求得 该 时刻 以后 的 Ｐ个参 考轨迹 Ｗ ； ， ４ ．由式 （ ）计算 控制 律 Ａ ５ Ｕ； ５ 返 回计算 步 骤 ２ ． 。
插拔 功能 。还提 供有 Ｃ Ｃ 设 备 管 理程 序 ，用 户 能 ＰＩ
［ ］ 王永刚 ， ３ 张祯 ． ｉ ｘ Ｃ ｍ ａｔＣ 热插拔驱 动程序设 Ｌｎ 下 ｏ ｐｃ Ｉ ｕ Ｐ
计 ［ ］工 业 控 制计 算 机 ，０ ５ １ （ ） ３ Ｊ． ２０ ，８ １ ：６—３ ． ７
够直 观地 了解每 个 Ｃ Ｃ 设 备 槽 上 的设 备 信 息 。另 ＰＩ 外 ，提供 了远程设 备控 制查 询接 口 ，能够 让用 户远
ｏ ｆＡＴＯ ｙ ｔ ｍ ，ｔ ｉ ａ ｅ ｎ ｒ ｄ ｃ ｓ ａｄ ｓｇ ｆｓ ｅ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌｅ ａ ｅ ｎ ｉ ｌｃｔＡｌｏ ｉｈ ｏ ｎ ｒ ｌ ｓ ｓｅ ｈ ｓｐ ｐ ｒｉ ｔｏ ｕ ｅ ｅ ｉｎ ｏ ｐ ｅ ｏ ｔｏｌｒｂ ｓ ｄ ｏ ｍｐ ｉｉ ｇ ｒｔ ｍ ｆＧｅ ｅ ａ－
很难 建立 其精确 的数 学模 型 ，因此 传统 的 ＰＤ控 制 Ｉ 难 以达到 理想 的控制 效果 。Ｃａｋ ｌ ｅ等人 提 出 的基 于 ｒ 参数模 型 的广义 预 测 控 制 （ Ｐ ，具 有 很 好 的抗 Ｇ Ｃ）
干扰 、抗 时变滞 后 的能力 ，适用 于极 易受 外部 因素
要 与 Ａ Ｃ 的另 外 ２个 子 系统 一 起 协 调 合 作 ，即列 Ｔ 车 自动 防护 系统 （ ｕ ｍ ｔ ｒｉ Ｐｏｅｔ ｎ Ｔ ） Ａ ｔ ａｉ Ｔ ａ ｒｔ ｉ ，Ａ Ｐ ｏ ｃ ｎ ｃｏ