基于模糊控制算法的城市轨道交通信号控制系统设计分析

安徽交通职业技术学院 城市轨道交通与信息工程系,安徽 合肥 230051)

城市轨道交通的信号控制是保障轨道交通安全稳定运行的关键.研究该系统的优化设计方法具有很好的应用价值[1].针对传统方法存在误差大和失真等问题，提出基于模糊控制算法的城市轨道交通信号控制系统设计方法，通过改进控制算法设计和嵌入式设计以及仿真实验分析，展示该方法在提高城市轨道交通信号控制智能性和精准性方面的优越性能.

1 被控对象描述和控制单元参量模型

1.1 城市轨道交通信号控制对象描述

为了实现对城市轨道交通信号的鲁棒性控制，首先分析城市轨道交通信号控制的参量体系模型，对被控对象进行建模，优化设计城市轨道交通信号控制系统，提高控制精准性，确保交通指挥信号的有效执行.城市轨道交通信号的控制单元模型由DC/AC 逆变器模型、信号调制解调器、信号检测器以及信号反馈电路等模块组成[2]，用Smith结构设计城市轨道交通信号控制系统的信号输入输出结构模型，如图1所示.

图1 城市轨道交通信号控制系统的信号输入输出结构模型

图1中，s描述城市轨道交通控制系统的输入信号，G0(s)eτs是城市轨道交通信号控制系统的信号滤波传递函数，Gc(s)是控制执行器的输出传递函数，信号控制器的DC/AC逆变器模型可描述成

(1)

假设Y(s)与e-tms是交通信号控制系统的输出响应特征函数和冲击响应函数，利用异步同相控制思想进行被控对象的控制约束参量分析.当城市轨道交通信号控制系统的输出信号满足高斯平稳性时，得到Gm(s)=G0(s)，tm=γ，由此得到轨道交通控制的输出反馈系统函数为

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

(2)

结合二自由度反馈调节模型，得到轨道交通信号控制系统的被控约束参量模型描述为

(3)

上式中，从Gm(s)的输出端引出反馈信号，构建城市轨道交通信号控制对象，结合模糊自适应控制律优化设计控制算法，以提高城市轨道交通信号控制的输出调制性能[3].

1.2 控制约束参量优化

通过前馈时滞耦合方式进行控制约束参量的自整性处理，提高信号输出的平稳性，得到控制信号的二阶平稳性传递函数为

(4)

控制系统的开环传递特征方程为

(5)

采用QAM调制方法进行城市轨道交通控制信号的衰减抑制，设计目的是保持轨道交通信号的平稳定，然后结合扩频码调制技术，得到城市轨道交通信号内环控制函数描述为

(6)

(7)

其中，KP1、K11、KP2、K12分别表示城市轨道交通信号控制系统的驱动轴输出模糊控制参数，由此实现对控制参量的模糊融合处理，提高了控制参量的自整定性[4].

2 模糊控制算法改进设计

在上文被控对象描述基础上采用模糊控制算法进行控制优化设计，采用变结构PID模糊神经网络控制方法进行城市轨道交通信号控制规则的改进[5].在模糊控制规则约束下，交通信号的辨识判决函数描述为

(8)

式中，x′(t)和s′(t)分别为

x′(t)=x(t)×hw(t),

(9)

s′(t)=s(t)×hw(t).

(10)

交通信号输出的多径信号采用扩频编码方法进行控制信号的自适应均衡处理[6]，得到输出信号均衡分量为

(11)

如果S0(t)=a0δ(t)到达轨道交通信号控制器的信道具有平稳性，得到输出的控制调制信号S(t)为

(12)

根据交通信号的传输信道模型进行控制系统的信道均衡设计[7]，得到城市交通信号的模糊控制迭代式

f(k+1)=f(k)-μ·ρ·eMDMMA(k)S(t),

(13)

上式中，

(14)

当模糊决策系数满足

(15)

表示城市轨道交通信号的控制输出具有平稳性，控制过程是线性均衡和稳定的.根据上述模糊控制算法设计，实现了城市轨道交通信号控制规则和控制算法的优化设计.

3 控制系统的硬件设计部分

通过程序加载模块将上述城市轨道交通信号的控制算法加载到控制器中，嵌入式优化设计控制系统，信息处理器采用TMS32010DSP芯片，控制系统的智能信息处理采用51单片机，来实现交通信号分析和轨道交通调度.城市轨道交通控制信号的最大时钟频率可达45 MHz，并采用半双工的时钟电路进行信号采集，外部总线输出接口采用PPI模式，由1个专用时钟引脚、3个帧同步引脚进行上位机通信，以实现对轨道交通控制信号的多线程输出调度，最后得到本文设计的城市轨道交通信号控制系统的硬件部分,如图2所示.

图2 控制系统的硬件电路设计

图3 城市轨道交通信号输出

4 实验测试

下面对控制系统的应用性能进行仿真实验，模糊控制算法采用Matlab 7 编程设计，硬件仿真平台建立在Visual DSP++基础上，设定轨道交通信号的采集频率为24 KHz，采样时长为1 000 s，波特间隔宽度为12 Bps，调制信号采用LMF信号，得到的城市轨道交通控制信号输出如图3所示.

接着对图3轨道交通采样信号的控制性能进行测试，测试结果如图4所示.可以看出，采用本文方法进行的城市轨道交通信号控制的收敛性较好，时延较低，具有很好的交通信号调度和传输控制能力.

图4 控制性能对比测试

5 结语

通过城市轨道交通的信号输出控制，结合交通调度算法，实现城市轨道交通的智能调度，可以提高交通运行的安全性.本文采用变结构PID模糊神经网络控制方法对城市轨道交通信号的控制规则进行改进，在嵌入式环境下进行城市轨道交通信号控制系统的硬件设计，结果发现城市轨道交通信号控制的稳定性较好，时延较短，整体性能优越.