طراحی سیستم کنترل خودکار سرعت قطار با استفاده از کنترل کننده LQR؛ مطالعه موردی: قطارهای مسافری مشهد تا نیشابور

افزایش ایمنی و سرعت قطارها و کاهش مصرف انرژی در آن ها، همواره دغدغه اصلی در سیستم های حمل و نقل ریلی بوده است. در این زمینه، سیستم عملکرد خودکار قطار (ATO)1 مطرح گردید که وظیفه آن هدایت خودکار قطار بدون نیاز به راهبر با حداکثر کارایی و ایمنی است. در این مقاله، هدف ارایه سیستمی است که بتواند وظیفه هدایت خودکار قطارهای مسافری از روی یک پروفایل سرعت آفلاین را بر عهده گیرد. برای بررسی دقیق تر، یک پروفایل سرعت از ایستگاه مشهد (مبدا) تا ایستگاه نیشابور (مقصد) در نظر گرفته شده است. در این پروفایل سرعت، دانش کارشناسان، قواعد کنترلی، وضعیت ایستگاه ها، زمان سیر مطلوب و حداکثر مجاز سرعت و شتاب (حرکت و ترمزگیری) لحاظ گردیده است. سپس مدل دینامیکی یک لوکوموتیو با پارامترهای لوکوموتیو ER24PC زیمنس (ایران سفیر) بیان شده و یک تنظیم کننده خطی مرتبه دوم (LQR)2 ، با هدف ردیابی پروفایل سرعت و حداقل کردن تلاش کنترلی (در نتیجه حداقل کردن میزان مصرف انرژی) برای آن طراحی گردیده است. شبیه سازی ها با استفاده از نرم افزار MATLAB انجام گرفته و کارایی کنترل کننده پیشنهادی در برابر اغتشاش و تغییر جرم لوکوموتیو بررسی شده است. همچنین یک کنترل کننده PI با شرایط یکسان نیز به منظور مقایسه طراحی شده است. نتایج نشان می دهند که هر دو کنترل کننده پروفایل سرعت را بخوبی دنبال می کنند اما کنترل کننده LQR تا دو برابر کمتر از PI انرژی مصرف می کند. با اعمال کنترل کننده طراحی شده بر روی یک مسیر متفاوت (دامغان تا سمنان) و دریافت مجدد پاسخ های مطلوب، اعتبار نتایج مورد تایید قرار گرفته است.