控制理论与应用

• 智轨电车虚拟联挂控制系统关键技术研究

  黄强;袁希文;胡云卿;李程;黄瑞鹏;唐享;

  随着智轨电车的广泛应用，面对成网运营和潮汐客流等需求，其运能压力迅速增大，并造成交通拥堵问题。为提升智能轨道快运系统（ART）的道路通行率，缓解交通拥堵，文章借鉴汽车协作式自适应巡航控制与列车虚拟联挂的概念，提出一种智轨电车虚拟联挂控制系统和与之相适应的双向跟随信息流拓扑，首创性地运用智轨电车安全制动模型推导出联挂编组最小安全防护跟车间距，并采用基于最优控制的协同规划和MPC协同控制算法，确保联挂编组运行的安全、准点、舒适和高效。仿真结果表明，采用本文所提虚拟联挂控制系统，智轨电车可在0～60 km/h车速范围内实现10 m以下跟车间距的虚拟联挂，有效提升了ART的运力和运营效率。

  2023年03期 No.483 1-10页 [查看摘要][在线阅读][下载 2102K]
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• 汽车直接横摆力矩控制系统综述

  廉宇峰;黄嘉南;冯文焕;刘帅师;董冰;

  汽车直接横摆力矩控制（direct yaw moment control,DYC）系统用于有效避免车辆遇到非预计危险时的侧向运动，以保证汽车运行的稳定性和驾驶的安全性。目前，DYC系统大多采用分层结构。文章首先从车辆状态估计与环境感知、直接横摆力矩控制器设计和力矩分配法这3个角度分析了汽车DYC系统架构，接着重点阐述了其对车速、车间距离、路面信息、横摆角速率以及车辆质心侧偏角等状态信息的获取与处理方法；然后介绍了上层控制器中车辆动力学参考模型、控制结构及不同变量控制的设计方法以及下层控制器中车辆横摆力矩的分配方式；最后总结了汽车直接横摆力矩控制系统现存的问题以及将来发展的方向。

  2023年03期 No.483 11-20页 [查看摘要][在线阅读][下载 1511K]
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• 系统飘频特性与波征图及其稳定性判据

  朱明;郁镓瑄;缪宇辉;朱嘉慧;

  在经典控制理论中，频域法是非常重要的分析方法之一，其中对数频率特性是系统分析最为常用的特性。采用半对数坐标系时，其特性曲线就是著名的伯德图。其既不方便作图又较为抽象；同时由于基本环节样式不全、开环频率特性在不同反馈形式下表达式不同，从而导致理解的困难与应用的麻烦。文章首先对系统的基本环节进行了完整地分类，并基于对数频率特性构建了益相频率特性；再通过函数变换，在线性分度的直角坐标系上得到与伯德图同样的特性曲线，益相频率特性因此演变为飘频特性，从而解决了伯德图采用半对数坐标系带来的作图不便与理解分析上的困难；在此基础上，提出了环路飘频特性的概念，解决了开环频率特性易被误解与使用不便的问题。飘频特性在分析计算、系统校正等工程应用时更为便捷，同时还由此衍生出了波征特性和稳定性判据等新特性，从而完善了频域法及其知识体系。

  2023年03期 No.483 21-33页 [查看摘要][在线阅读][下载 2583K]
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• 基于模糊自适应PID算法的列车自动驾驶系统研究

  周锐霖;雷成健;刘泽;苏辉亮;

  既有列车自动驾驶（automatic train operation,ATO）系统使用的传统PID算法囿于参数固定，在强耦合、高度非线性的实际运行场景中，难以很好地克服非线性干扰问题，控车效果不佳。对此，文章提出一种基于模糊自适应PID算法的列车自动驾驶方法，其可以根据预先制定的模糊规则实时调整比例、积分和微分系数，使PID控制器具有更强的速度跟踪性能，从而改善列车控制效果。以长沙轨道交通4号线线路数据为算例进行半实物仿真，实验结果显示，采用该算法后，列车真实速度与推荐速度的平均均方根误差为18.876 cm/s，小于传统PID控制器的35.200 cm/s；列车站间旅行贴合度为1.69 m/s，小于传统PID控制器的2.25 m/s，这表明文章所提算法能有效优化推荐速度曲线跟踪能力，提升系统运营效率。

  2023年03期 No.483 34-38页 [查看摘要][在线阅读][下载 1532K]
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• 基于BP神经网络的捣固卫星小车制动距离预测方法研究

  卓海军;肖鑫;胡震凡;王建宏;张燕磊;

  针对目前D09-32型捣固车自动捣固系统存在的卫星小车制动距离预测算法复杂以及工程实现难度较高等问题，文章提出一种基于BP神经网络的制动距离预测方法。该方法通过BP神经网络建立卫星小车制动速度、位置与对应的制动距离的关系模型，并利用所采集的卫星小车实时速度和位置数据预测卫星小车在当前速度与位置下的制动距离。对该预测方法关键模型进行Matlab仿真并与样本值进行对比分析，结果表明，采用所提出的基于BP神经网络的制动距离预测方法能够很好地对卫星小车制动距离进行预测，与现有的线性拟合预测方法相比，其预测误差平均减小了48.4%，有效提高了捣固车自动捣固的精度，且该方法具有良好的适用性和稳健性。

  2023年03期 No.483 39-44页 [查看摘要][在线阅读][下载 1742K]
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电力与传动控制

• 船舶直流电网母联开关的优化设计与试验研究

  钱正彦;胡家喜;林丽;周志宇;邓建华;

  船舶直流电网具有短路电流大、电气特性易受电网杂散参数影响等特点，且受舱室空间限制，直流电网母联开关在故障关断保护性能不变的前提下需实现小型化和对称型拓扑。为解决船舶直流电网短路保护问题，文章通过典型直流电网多工况点仿真与试验相结合的方法，分析得出支撑电容器和母排的杂散参数影响短路电流的规律，即为保证器件安全，固态断路器关断时间应不大于200μs，且需解决母联开关关断时的瞬态过压抑制问题。根据分析结果，文章提出一种适用于船舶应用场景的固态断路器，其采用镜像对称型母联开关拓扑，并借助相应仿真分析对拓扑进行了性能优化。实际短路试验结果证实，所设计的母联开关能满足母排和支路短路时正常侧直流电网连续性供电条件。实船试验结果显示，固态断路器可实现100μs级关断，所设计的母联开关拓扑能满足船舶直流电网短路保护需要，且母联开关短路故障关断控制延时减小了关断过压波动，系统更安全。

  2023年03期 No.483 45-51页 [查看摘要][在线阅读][下载 1827K]
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• 基于ICEEMDAN与Teager能量算子的牵引供电系统谐波检测算法

  谢泽恩;

  针对传统的谐波检测算法无法分析牵引供电系统中的非线性、非平稳谐波的问题，文章提出一种基于改进自适应噪声的完整集合经验模态分解（ICEEMDAN）与Teager能量算子（TEO）相结合的谐波检测算法。其先将待测信号经ICEEMDAN得到一组固有模态函数（IMF）分量，再通过筛除虚假分量，得到真实的IMF分量；然后，对各个IMF分量进行Teager能量算子（TEO）解调，得到谐波分量的幅值与频率随时间变化的图像。经分析得出，ICEEMDAN作为希尔伯特-黄变换（HHT）中的重要步骤经验模态分解（EMD）的改进算法，相较EMD的其他改进算法，其抑制模态混叠的效果最佳，并具有良好的自适应性，在处理非线性非平稳信号时有着很好的表现；而TEO能准确检测出谐波的瞬时幅值与频率，并快速响应信号的变化。通过构造牵引网特性中的谐波信号对该算法进行仿真分析，结果显示，分析稳态电流谐波时，幅值与频率的平均检测误差分别为3.56%和1.74%；分析暂态电流谐波时，幅值与频率的平均检测误差分别为3.39%和2.44%。这表明文章所提算法能够对牵引供电系统谐波的幅值与频率进行准确的检测，并可以准确定位谐波信号的突变点。

  2023年03期 No.483 52-61页 [查看摘要][在线阅读][下载 3171K]
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• 电机模拟器的电感选型及控制技术研究

  刘丽;刘博;孙璐;徐立恩;陈柳松;

  电机模拟器耦合电感参数对系统性能影响大，但其参数选型被详细分析研究得较少。对此，文章提出电机模拟器耦合电感参数快速选型方法。其首先通过理论分析，计算出电感参数的大致选型范围；然后对系统控制器设计进行分析，同时在某典型电机上进行仿真验证，并结合计算参数范围及仿真结果选择最优电感参数；最后在选定电感参数下对不同开关频率对系统电流误差的影响进行研究，解决了开关频率的快速选择问题。仿真及分析结果显示，在合理选取解耦电感参数的前提下，当模拟器开关频率达到被测变流器开关频率的10～20倍时，能保证全速度段下的电流误差不超过5%。

  2023年03期 No.483 62-67页 [查看摘要][在线阅读][下载 2223K]
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• 标准化地铁的牵引及网络控制系统国产化设计

  易荣武;周斌;武彬;陈冬;李益;

  随着网络和信息安全、国际贸易摩擦等问题的不断出现，产品国产化及自主可控需求越来越强烈，在轨道交通领域的关键控制系统中将逐步采用国产化软硬件方案替代国外的方案。文章简要阐述了标准化地铁平台的国产化牵引及网络控制系统架构，重点描述了其国产化处理器、嵌入式操作系统、图形化开发软件等软硬件选型，详细介绍了牵引及网络控制系统的硬件方案、软件结构以及软硬件移植适配过程，对国产操作系统与VxWorks在功能和性能方面进行对比分析，并开展了牵引/电制动特性验证和网络组网等各项软件功能测试。结果表明，该国产化牵引及网络控制系统性能参数优良，运行稳定可靠，牵引/电制动特性正常，系统网络延时处于微秒级，抖动处于亚微秒级，满足标准化地铁平台需求，可实现100%国产化对等替代。

  2023年03期 No.483 68-74页 [查看摘要][在线阅读][下载 1587K]
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人工智能技术与应用

• 基于智能巡检检修系统的铁路设备检修计划优化

  马云龙;

  为克服传统铁路设备检修过程中精度差、无卡控和难落实的缺点，文章提出一种智能巡检检修系统方案。其首先将智能检修采集器、智能巡检仪和视频监控融入智能巡检检修系统中，并利用微控制器、上位机、组网通信等技术及所研发的设备检修软件，实现设备巡检检修的信息化和智能化，使系统具备通过算法计算和软件分析来生成检修计划的功能；然后分析铁路检修中设备故障机理及成因，依据故障模式建模分析实现故障率的估计和预测，并根据故障率进行巡检计划的动态安排；最后通过采集现场数据进行实证分析，完成对巡检计划的合理性评估。某实际应用案例结果显示，采用该方案后，根据所安排的巡检计划，在大部分故障发生前可以完成4次巡检，占比为89.1%，同时第一次和第二次巡检被100%安排在故障前，第三次巡检有97.4%被安排在故障前；按照频次计算，可减少35%的巡检次数和46%的辅修/小修次数，这充分论证了该智能巡检检修系统能提高工作效率并降低检修成本，实现设备保养和检修能力的提升。

  2023年03期 No.483 75-81页 [查看摘要][在线阅读][下载 1726K]
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• 语音技术在矿山运输车辆中的应用研究

  刘悦;罗潇;褚伟;陈竞先;刘任;

  在露天矿山运输车辆智慧化过程中，为使司机的工作更加便捷和安全，文章提出一种将语音技术应用于矿山运输车辆司机室及地面指挥中心的方案。其包含基于阵列麦克风语音降噪、语音唤醒、语音识别和语音合成等功能；并依托车辆显示器平台及地面服务器平台，开发了语音交互组件、语音播报组件，实现了矿卡车辆驾驶员关键词识别和危险情况紧急播报。实验室及矿山现场测试结果显示，采用该方案后，驾驶室回声抑制前后满足20 dB的抑制效果，声谱图底噪可控制在200～300 sample内，满足后续对音频质量的识别需求；在正常车载环境下，拾音距离为80 cm，模型识别准确率大于85%，实时率小于500 ms，验证了其语音降噪、语音识别和语音合成功能及性能均满足矿山运输车辆技术要求，表明语音技术的应用提升了司机工作中与车辆设备交互的便捷性及危险状况预警的及时性。

  2023年03期 No.483 82-88页 [查看摘要][在线阅读][下载 1692K]
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• 基于改进DeepSORT的路侧感知方法在露天矿山中的应用

  岳伟;林军;康高强;游俊;徐阳翰;仝皓;

  在露天矿山无人驾驶运输作业系统中，路侧感知系统可为无人驾驶车辆提供辅助路况信息。目前的矿卡无人驾驶系统采用基于摄像头、激光雷达和毫米波雷达的多传感器融合技术的路侧感知方法，存在系统成本高、结构复杂、鲁棒性差等问题。对此，文章提出一种基于改进DeepSORT的路侧感知方法。该方法首先使用摄像头采集矿山中车辆和行人数据，采用YOLOv5s算法对摄像头画面中的车辆、行人进行精准识别；然后结合改进的DeepSORT算法对所识别的车辆与行人进行实时跟踪；最后，对跟踪目标进行统计分析，完成车流量统计、车辆异常停车判定和行人侵入判定等功能。在神延西湾露天煤矿矿区8号十字路口对该方法进行了测试，结果表明，采用单一传感器可以很好地实现对矿山十字路口车辆和行人的识别与跟踪，相比基于多传感器融合的路侧感知技术，其有效降低路侧感知系统复杂度并节约了成本。

  2023年03期 No.483 89-94页 [查看摘要][在线阅读][下载 2086K]
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• 列车车载远距离感知系统设计

  黄文宇;潘文波;李源征宇;陈志伟;杨振宇;袁超;

  针对列车制动距离长、感知距离远以及列车运行前方限界难以实时构建等问题，文章提出一种基于毫米波雷达检测道路边界和列车的远距离感知系统。该系统采用一套定制的适应轨道交通强散射环境的高分辨率、远距离毫米波雷达和一种基于感兴趣区域以及速度连续性假设的自身车速精准解算方法，根据自身车速将雷达检测目标点区分为动目标点和静目标点，并在此基础上，采用种子方法实现轨道限界特征点的稳定提取和边界曲线拟合；同时，使用位置和速度作为聚类参数提出了一种改进DBSCAN聚类方法，对不同维度赋予不同的权重，通过对雷达输出的目标航迹信息进行聚类和形状估计来识别列车，并根据边界信息判断碰撞风险。装车试验结果表明，该系统能够在400 m范围内稳定拟合前方轨道边界以及列车轮廓，相比传统乘用车雷达探测距离提升了4倍，并对侵界的列车可做出碰撞预警，从而避免事故的发生。

  2023年03期 No.483 95-101页 [查看摘要][在线阅读][下载 1743K]
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通信与信号技术

• 全自动运行信号系统的人员防护开关与门禁系统联动方案设计

  李勇;

  在全自动运行轨道交通线路中，为保障进入自动化区域作业人员的安全，其信号系统需设置作业人员防护开关（staff protecting key switch,SPKS）。文章分别说明正线和车辆段SPKS防护区域划分的原则和方法，并分析其相关作业流程；针对目前因作业人员在仅取得门禁卡后即可通过刷开门禁进入自动化区域的待作业区而存在的安全隐患，提出一种作业人员防护开关方案，其在联锁系统中引入SPKS与门禁系统联动的功能，并分别设计了全电子联锁和传统计算机联锁两种联锁系统中SPKS与门禁系统的接口电路，有效规避了因人员违规误入自动化区域非防护区的安全风险。

  2023年03期 No.483 102-108页 [查看摘要][在线阅读][下载 1848K]
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• 空轨集疏运系统运行控制技术研究

  王向阳;熊凯;王业流;张欣;文碧望;

  为了解决空轨集疏运系统自动化控制流程中的空轨行车控制问题以及空轨车与自动导向运输车（automated guided vehicle,AGV）自动装卸箱的问题，文章提出一种空轨集疏运系统运控技术模块化设计方法。首先，其通过独立模块对接相应外部系统的信息处理流程，保证各模块业务信息处理流程清晰；其次，其通过公共资源管理模块，统一集中处理共享信息，保证了共享信息的全局可见性。现场测试结果显示，采用此项运控技术的空轨集疏运系统已通过全长655 m示范线、为期3个月的试运行考核，运单执行全自动完成率不低于98%，这表明，该方案可以解决空轨车自动行车控制和自动装卸箱两大核心问题。目前，采用本方案的空轨集疏运系统顺利进入了正式运营阶段。

  2023年03期 No.483 109-114页 [查看摘要][在线阅读][下载 1654K]
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RAMS技术

• 基于物理统计模型的车载IGBT振动疲劳寿命评估研究

  禹辉;卢圣文;陈彦;刘敏安;

  在新能源乘用车车载环境中，受路面不平整度和发动机转动的影响，IGBT模块面临着振动疲劳失效的风险。为保证IGBT模块在使用过程中的可靠性，对其振动疲劳寿命进行评估具有重大意义。IGBT模块内部结构复杂，无法直接对其进行纯物理模型上的振动疲劳寿命评估。为此，文章提出了一种IGBT模块振动疲劳寿命的评估方法，其首先通过加速试验获取IGBT模块在高振动量级下失效的寿命数据；再基于威布尔分布的寿命分布统计模型获得模块在实际工况下的可靠性寿命分布，进而获取模块在实际应用中的可靠性寿命数据。试验结果表明，该方法可以有效预估IGBT模块在批量投入使用过程中的失效率，为合理管控应用风险提供保障。

  2023年03期 No.483 115-120页 [查看摘要][在线阅读][下载 1624K]
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