一种基于分布式采样观测器的高速列车协同控制方法

1.一种基于分布式采样观测器的高速列车协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、按照列车运行方向，对同向运行的多列车进行受力分析，并建立多列车的纵向动力学模型；S2、根据前后两车之间的位移误差和速度误差建立领导列车和跟随列车的误差状态空间模型；S3、构建具有采样和延迟输出测量的分布式采样观测器；S31、假设由 列高速列车组成的多智能体有向图是强连通的，增广矩阵 是可观的，但 不一定可观，则具有采样和延迟输出测量的分布式观测器为：其中， 为列车误差状态的估计向量， 为 列列车组成的多智能体的邻接矩阵 的第 项， 为耦合增益， 和 为增益矩阵， 为由上式确定的内部状态变量， 在时间间隔 上连续；S32、建立如下误差估计状态方程：其中， ， ， ， 为 列高速列车组成的多智能体Laplacian矩阵， 表示 维单位矩阵；S33、对矩阵对 进行正交变换，以实现对矩阵对的可观测性；定义正交矩阵 ， ，矩阵 和 通过一个可行的状态空间变换 进行变换：其中， 和 为正交分解后的可观部分子矩阵， 为不可观部分子矩阵， 为不确定部分子矩阵；S4、构建基于通信网络和分布式采样观测器的高速列车分布式控制器，允许领导列车由未知控制输入驱动；所述高速列车分布式控制器具体是为每一列跟随列车设计一个不同的控制器，第 列跟随列车控制输入为：其中， 为领导列车的加速度， 为控制器增益系数， 表示第 列跟随列车与领导列车的通信情况，若第 列车能与领导列车进行通信，则 ，否则 ， 为领导列车的状态向量；S5、确定能够使得列车安全平稳运行的观测器增益和反馈控制器增益；S51、设置参数的条件约束如下：A、对于所有列车，计算 个独立的正交矩阵 ，使得所有的 是可观测的；B、计算矩阵 的特征向量 ，从而得到使得 满足的一组行向量 ；C、令 ，在初始范围内采用二分查找寻找一个正数 ，使得 ，其中 ， ， 为二维单位矩阵， 为 维单位矩阵，若初始范围内未找到满足条件的 ，则扩大查找范围；D、在初始范围内采用二分查找寻找一个正数 ，使得所有列车满足：其中， 为与 相同维数的单位矩阵， 为正数，用以限制收敛速度，若初始范围内未找到满足条件的 ，则扩大查找范围，如扩大至（0,10）；S52、计算观测器增益 、 和控制器增益系数 ；构造列车系统的Lyapunov-Krasovskii泛函 ：其中， 、 均为正定对称矩阵， 为第 列跟随列车与领导列车的误差状态向量；对 求其一阶导函数，利用舒尔补引理整理得到 的必要条件，转化为一组线性矩阵不等式；利用MATLAB中的LMI工具箱函数feasp求解后，得到 和 ，且保证 的特征值收敛到区域 ，并求解得到观测器增益 、 。 2.根据权利要求1所述的基于分布式采样观测器的高速列车协同控制方法，其特征在于，所述多列车的纵向动力学模型为：其中， 为列车运行时刻， 表示第 列列车， ， 为列车车厢总节数， 表示第 列列车的实际位移， 表示第 列列车的实际速度， 表示第 列列车的质量， 表示第 列列车的实际牵引/制动力， 表示来自外部环境的干扰， 、 和 为每列列车的戴维斯系数， 、 和 均为正数， 表示第 列列车的实际加速度。 3.根据权利要求2所述的基于分布式采样观测器的高速列车协同控制方法，其特征在于，为确保相邻两列车之间维持安全间距，避免碰撞，各列车的位移与速度存在如下限制：其中， 为列车的最大允许位移误差， 为列车的最大允许追踪速度， 表示第 列列车与领导列车之间的间距， 为相邻两车之间的期望间距， 表示领导列车的位移参考曲线， 表示领导列车的速度参考曲线。 4.根据权利要求3所述的基于分布式采样观测器的高速列车协同控制方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：S21、构建领导列车和跟随列车的动力学模型；领导列车的动力学模型为：跟随列车的动力学模型为：定义：其中， 为第 列跟随列车的状态向量， 为第 列跟随列车的控制输入， 为第 列跟随列车受到的干扰， 为领导列车的状态向量， 为领导列车受到的干扰， 为领导列车的加速度；S22、构建领导列车和跟随列车的误差状态空间模型；存在观测延迟的输出测量的跟随列车的状态空间模型为：其中， ， ， ， 为单位矩阵， 为输出矩阵， 表示不同时刻获取的延迟输出测量值， 表示延迟时间， 为最大延迟的正常数， 为最大采样时间的上限，且 ， ， ， ， 表示第 列跟随列车的第 个采样时刻；存在观测延迟的输出测量的领导列车的状态空间模型为：令 ，得到领导列车和跟随列车的误差状态空间模型为：其中， 为第 列跟随列车与领导列车的误差状态向量。