基于模糊控制算法的城市軌道交通信號控制系統設計分析

安徽交通職業技術學院 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控制是保障軌道交通安全穩定運行的關鍵.研究該系統的優化設計方法具有很好的應用價值[1].針對傳統方法存在誤差大和失真等問題，提出基于模糊控制算法的城市軌道交通信號控制系統設計方法，通過改進控制算法設計和嵌入式設計以及仿真實驗分析，展示該方法在提高城市軌道交通信號控制智能性和精準性方面的優越性能.

1 被控對象描述和控制單元參量模型

1.1 城市軌道交通信號控制對象描述

為了實現對城市軌道交通信號的魯棒性控制，首先分析城市軌道交通信號控制的參量體系模型，對被控對象進行建模，優化設計城市軌道交通信號控制系統，提高控制精準性，確保交通指揮信號的有效執行.城市軌道交通信號的控制單元模型由DC/AC 逆變器模型、信號調制解調器、信號檢測器以及信號反饋電路等模塊組成[2]，用Smith結構設計城市軌道交通信號控制系統的信號輸入輸出結構模型，如圖1所示.

圖1 城市軌道交通信號控制系統的信號輸入輸出結構模型

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

(1)

假設Y(s)與e-tms是交通信號控制系統的輸出響應特征函數和沖擊響應函數，利用異步同相控制思想進行被控對象的控制約束參量分析.當城市軌道交通信號控制系統的輸出信號滿足高斯平穩性時，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函數為

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

(2)

結合二自由度反饋調節模型，得到軌道交通信號控制系統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，構建城市軌道交通信號控制對象，結合模糊自適應控制律優化設計控制算法，以提高城市軌道交通信號控制的輸出調制性能[3].

1.2 控制約束參量優化

通過前饋時滯耦合方式進行控制約束參量的自整性處理，提高信號輸出的平穩性，得到控制信號的二階平穩性傳遞函數為

(4)

控制系統的開環傳遞特征方程為

(5)

采用QAM調制方法進行城市軌道交通控制信號的衰減抑制，設計目的是保持軌道交通信號的平穩定，然后結合擴頻碼調制技術，得到城市軌道交通信號內環控制函數描述為

(6)

(7)

其中，KP1、K11、KP2、K12分別表示城市軌道交通信號控制系統的驅動軸輸出模糊控制參數，由此實現對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 模糊控制算法改進設計

在上文被控對象描述基礎上采用模糊控制算法進行控制優化設計，采用變結構PID模糊神經網絡控制方法進行城市軌道交通信號控制規則的改進[5].在模糊控制規則約束下，交通信號的辨識判決函數描述為

(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)

交通信號輸出的多徑信號采用擴頻編碼方法進行控制信號的自適應均衡處理[6]，得到輸出信號均衡分量為

(11)

如果S0(t)=a0δ(t)到達軌道交通信號控制器的信道具有平穩性，得到輸出的控制調制信號S(t)為

(12)

根據交通信號的傳輸信道模型進行控制系統的信道均衡設計[7]，得到城市交通信號的模糊控制迭代式

f(k+1)=f(k)-μ·ρ·eMDMMA(k)S(t),

(13)

上式中，

(14)

當模糊決策系數滿足

(15)

表示城市軌道交通信號的控制輸出具有平穩性，控制過程是線性均衡和穩定的.根據上述模糊控制算法設計，實現了城市軌道交通信號控制規則和控制算法的優化設計.

3 控制系統的硬件設計部分

通過程序加載模塊將上述城市軌道交通信號的控制算法加載到控制器中，嵌入式優化設計控制系統，信息處理器采用TMS32010DSP芯片，控制系統的智能信息處理采用51單片機，來實現交通信號分析和軌道交通調度.城市軌道交通控制信號的最大時鐘頻率可達45 MHz，并采用半雙工的時鐘電路進行信號采集，外部總線輸出接口采用PPI模式，由1個專用時鐘引腳、3個幀同步引腳進行上位機通信，以實現對軌道交通控制信號的多線程輸出調度，最后得到本文設計的城市軌道交通信號控制系統的硬件部分,如圖2所示.

圖2 控制系統的硬件電路設計

圖3 城市軌道交通信號輸出

4 實驗測試

下面對控制系統的應用性能進行仿真實驗，模糊控制算法采用Matlab 7 編程設計，硬件仿真平臺建立在Visual DSP++基礎上，設定軌道交通信號的采集頻率為24 KHz，采樣時長為1 000 s，波特間隔寬度為12 Bps，調制信號采用LMF信號，得到的城市軌道交通控制信號輸出如圖3所示.

接著對圖3軌道交通采樣信號的控制性能進行測試，測試結果如圖4所示.可以看出，采用本文方法進行的城市軌道交通信號控制的收斂性較好，時延較低，具有很好的交通信號調度和傳輸控制能力.

圖4 控制性能對比測試

5 結語

通過城市軌道交通的信號輸出控制，結合交通調度算法，實現城市軌道交通的智能調度，可以提高交通運行的安全性.本文采用變結構PID模糊神經網絡控制方法對城市軌道交通信號的控制規則進行改進，在嵌入式環境下進行城市軌道交通信號控制系統的硬件設計，結果發現城市軌道交通信號控制的穩定性較好，時延較短，整體性能優越.