Predictive Function Control for Communication-Based Train Control (CBTC) Systems

ARTICLE International Journal of Advanced Robotic Systems Predictive Function Control   for Communication-Based Train   Control (CBTC) Systems Regula...
Author: Pierce Ramsey
1 downloads 1 Views 422KB Size
ARTICLE International Journal of Advanced Robotic Systems

Predictive Function Control   for Communication-Based Train   Control (CBTC) Systems Regular Paper

Bing Bu1,*, Jingwei Yang2, Shuhuan Wen2,1 and Li Zhu1

  1 State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, China 2 Key Lab of Industrial Computer Control Engineering of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao, China * Corresponding author E-mail: [email protected]

  Received 11 Jun 2012; Accepted 18 Sept 2012 DOI: 10.5772/53514 © 2013 Bu et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract  In  Communication‐Based  Train  Control  (CBTC)  systems,  random  transmission  delays  and  packet  drops  are  inevitable  in  the  wireless  networks,  which  could  result in unnecessary traction, brakes or even emergency  brakes  of  trains,  losses  of  line  capacity  and  passenger  dissatisfaction.  This  paper  applies  predictive  function  control  technology  with  a  mixed  H 2 / H  control 

approach  to  improve  the  control  performances.  The  controller  is  in  the  state  feedback  form  and  satisfies  the  requirement  of  quadratic  input  and  state  constraints.  A  linear  matrix  inequality  (LMI)  approach  is  developed  to  solve  the  control  problem.  The  proposed  method  attenuates  disturbances  by  incorporating  H 2 / H  into 

the  control  scheme.  The  control  command  from  the  automatic  train  operation  (ATO)  is  included  in  the  reward  function  to  optimize  the  train’s  running  profile.  The influence of transmission delays and packet drops is  alleviated  through  improving  the  performances  of  the  controller.  Simulation  results  show  that  the  method  is  effective  to  improve  the  performances  and  robustness  of  CBTC systems.    www.intechopen.com

Keywords  Predictive  Function  Control,  H 2   norm, 

H

norm, Communication‐Based Train Control. 

  1. Introduction    In 1964 the first high‐speed train started operating in Japan  [1].  Since  then,  this  type  of  rail  system  has  made  great  progress  mainly  in  Japan,  France,  Germany,  Italy,  Britain,  and lately in China. It is mandatory for rail systems to have a  reliable and safe automatic train control (ATC) system.    The  ATC  system  plays  a  vital  role  in  the  rail  system  to  ensure  safety  and  efficiency.  ATC  systems  have  been  studied for many years [2,3],  from the earlier track‐based  train  control  (TBTC)  systems  to  the  modern  communication‐based train control (CBTC) systems [4–6].  A  CBTC  system  consists  of  automatic  train  supervision  (ATS),  automatic  train  operation  (ATO),  automatic  train  protection  (ATP),  zone  controller  (ZC),    data  communication  system  (DCS),  database  storage  unit  (DSU) and computer interlocking (CI). 

Int JJingwei Adv Robotic 2013, Vol. Bing Bu, Yang,Sy, Shuhuan Wen10, and79:2013 Li Zhu: Predictive Function Control for Communication-Based Train Control (CBTC) Systems

1

Intelligent  control  strategies  emerged  in  the  1980s  to  satisfy  such  real‐time  multi‐objective  dynamic  operational  requirements  [7,8].  PID  control,  genetic  algorithms [9–11], fuzzy logic [12–14], expert systems [15]  and  artificial  neural  networks  [16,17]  have  been  used  to  improve  the  safety,  efficiency  and  accuracy  of  train’s  profile  tracking  [18].  Recently,  iterative  learning  control  and  hybrid  control  approaches  have  been  proposed  [19– 21].  ATO  algorithms  for  high‐speed  trains  are  now  also  attracting more and more attentions [22, 23].    The  method  of  combining  the  H 2 norm  with  the  H 

closely  related  to  the  transmission  delays  in  the  CBTC  systems.  The  control  command  u ( k ) from  ATO  is  included  in  the  reward  function  to  optimize  the  ATO  speed/distance profile of the train. Thus, we decrease the  influence  of  transmission  delays  and  packet  drops  through improving the performances of the controller.    Disturbance

Train Dynamic Model

u(k)

norm  can  be  a  desirable  measure  to  improve  the  robust  performance of the system with uncertainties in its model  [24].  Thus,  the  mixed  H 2 / H  performance  criterion  provides  an  interesting  measure  to  evaluate  controllers.  The  theoretic  motivation  for  the  mixed  H 2 / H  control 

method  has  been  extensively  discussed  in  [25–28].  Some  important  results  about  output  feedback  control  can  be  found in [29–31].    Introduced by Richalet and ADERSA, predictive function  control  (PFC)  is  efficiently  applied  in  industrial  systems,  especially  in  fast  systems  [32].  Generalized  predicative  control  (GPC)  [33],  dynamic  matrix  control  (DMC)  [34],  PFC  [35,36]  and  model  predictive  heuristic  control  (MPHC) [37] follow the same principles, but differ in the  model  structure  and  computational  complexity.  However,  DMC  and  GPC  need  high  computational  complexity  due  to  matrix  computations  and  inversions.  The  control  command  of  PFC  does  not  minimize  a  cost  function.  PFC  avoids  high  dimensional  matrix  computations  and  inversions,  which  can  reduce  the  computational  time  [38],  and  this  is  especially  important  for  a  fast  dynamic  system.  The  robustness  in  PFC  controllers  is  also  important  for  time  varying  dynamical  systems such as CBTC systems.    A  CBTC  system  is  an  automatic  train  control  system  using  bidirectional  train‐ground  communications  to  transmit train status and control commands to ensure the  safe operation of trains. The train‐ground data should be  transferred accurately, reliably and in real time. However,  transmission  delays  and  packet  drops  are  inevitable  in  train‐ground  transmission  which  could  result  in  unnecessary traction, brakes or even emergency brakes of  trains, loss of line capacity and passenger dissatisfaction.  So we need to develop control algorithms to improve the  system  performances  under  transmission  delays  and  packet  drops.  In  this  paper,  we  propose  a  PFC  scheme  based  on  a  mixed  H 2 / H  control  algorithm  to  improve  the  performances  and  robustness  of  CBTC  systems.  The  proposed  method  attenuates  disturbances  by  incorporating  the  well‐known  robustness  guaranteed  H 2 / H    into  a  PFC  scheme.  The  reward  function  is 

2

Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 79:2013

PFC Controller

Wr(k)

Reference Trajectory

Service Brake Emergency Brake

_ + r(k)

Traction

ATO

ATP

Figure 1. The PFC based on a mixed  H 2

 

/ H   train control model. 

  This paper is organized as follows. In Section II we model  the  communication‐based  train  control  (CBTC)  system  and  describe  the  problem  of  the  PFC  based  on  a  mixed  H 2 / H  . We derive sufficient conditions, in the form of 

LMIs,  for  the  existence  of  control  law  to  achieve  the  design  specifications.  In  Section  III  we  present  an  example  of  CBTC  systems  to  illustrate  our  algorithm.  Finally, we conclude this study in Section IV.    2. Communication‐based Train Control System Design    2.1 System Description    The train control model in CBTC systems is presented in  Fig.1. According to the dynamic of communication‐based  train, the train’s state space equation can be written as    1 u (k ) 2 1 wi (k )+wr (k )+ww (k ) 2  T  q (k +1)=q (k )+v(k )  T + 2 M T  2 M  (1)  v (k +1)=v (k )+ u (k )  T  wi (k )+wr (k )+ww (k ) T  M M                where  T is  the  sampling  rate,  which  depends  on  the  communication period,  q (k )  is the train position at time 

k ,  v(k )   is  the  train  velocity,  M is  the  train  mass,  wi (k ) is  the  slope  resistance,  wr (k ) is  the  curve  resistance,  ww (k )  is the wind resistance and  u (k ) is the  train control command from the train controller.    Eq. (1) can be rewritten as   

 x(k  1)  Ax(k )  Bu(k )  Cw(k )            (2)    z (k )  C1 x(k )  D12u (k ) www.intechopen.com

x(k )  {q(k ) v(k )}   is  the  state  space,  w(k )  wi (k )  wr (k )  ww (k )  is the extra resistance  acting  on  the  train,  z(k ) is  the  controlled  output  and  A, B, C , C1   and  D12   are  matrices  of  appropriate 

where 

3)  Feedback  correction:  in  order  to  overcome  the  imprecise of the model, we introduce feedback correction.  Feedback  correction  of  the  predicted  output  is  based  on  the  error  between  the  actual  y(k)  and  the  predicted  output 

k  1 is: 

dimensions  based  on  system  dynamics  and  physical  constraints. 

 

 

 1 2  1 2  2M T   2M T  1 T  C  B  A ,   ,     .   1   1  0 1  T   T     M  M    2.2 PFC Based on a Mixed  H 2 / H   as a CBTC Controller  

  Kuntze and Richalet proposed the PFC in [32].    1)  Referenced  profile:  the  referenced  profile  of  PFC  is  given by   

yr (k  i / k )  r (k )  [r (k )  y(k )]eTs / Tr

i  0 

yˆ p (k ) at  time k ,  the  predictive  output  at  time 

yˆ p ( k  1)  y ( k  1)  h[ y ( k )  yˆ p ( k )]    

where  of 

h  is the ratio for error modification. The purpose 

this 

is 

to 

find 



J   zT (k ) z (k )                             (5)  k 0

 

If disturbance rejection 

desired closed‐loop system response time constant.    2)  Base  Function:  the  future  control  variable  of  PFC  is  associated  with  specific  base  functions  which  are  set  according  to  the  process  nature  and  set  points,  namely  the  linear  combination  of  the  base  functions.  The  base  function  may  be  a  step  function,  ramp  function,  exponential  function,  etc.  The  base  function  makes  the  controller’s  output  more  regular  and  improves  the  rapidity  of  the  system  response.  Both  the  base  function  and  its  sampled  value  can  be  computed  offline.  A  little  linear  weighting  coefficient  is  optimized  to  reduce  the  computational complexity. The control variable of PFC is   

N

u (k  i )    j f j (i)                         (3)  j 1

Tzw

 

                                   (6) 

H1 ,, H mu  nh  nu

and 

u1 ,, umu  0 , 

the 

quadratic input constraints are satisfied.    T

u (k ) H Tj H j u (k )  u j2 ,  k ; for  j  1,, mu

,    (7) 

 

For  given 

E1, Emx  ne n and  x1 ,, xm x  0 ,  the 

quadratic state constraints are satisfied.    T

x (k  1) E Tj E j x(k  1)  x 2j ,  k , for  j  1,, mx (8)   

Adding (2) and (5) , we can get   

       J



   x (k )C T

T 1

k 0

 C x(k )  u (k ) D   1   D12u (k )  T

 

T 12



  [ xT (k )C1T C1 x (k )  u T (k ) D12T D12u (k )] (9)  k 0

 

We assume that the disturbance is bounded with 

N

 

u (k )    j f j (0)                            (4) 



w

j 1

T

(k ) w(k )  w 2  

k 0

 

The  parameters  of  the  PFC  controller  can  influence  the  performance of the system.  www.intechopen.com



where  Tzw  is the transfer matrix from  w  to z . For given 

f j (i ) is the  ith  sampled value of 

 0 , it has 



 

 j  is weighting coefficient, N is the number of 

the base function. For PFC, when  i

 0  exists, then 

 

r (k ) is  the  expected  output, y(k ) is  the  current  measured  output,  Ts   is  sample  time  and  Tr   is  the 

the base functions and

strategy 

 

where 

where 

control 

  u (k )    j f j (0)   in L2   to  minimize  the  H 2 cost  j 1   function  J  , where   

 

 

the 

N

 

where 

w  0 . 

Bing Bu, Jingwei Yang, Shuhuan Wen and Li Zhu: Predictive Function Control for Communication-Based Train Control (CBTC) Systems

3

Adding (4) and (2) gives   

Consider a quadratic function V ( x ) N

x(k  1)  Ax(k )  B   j f j (0)  cw(k )      (10)  

the state  x(k ) of (2). Then      

j 1

 

 xT Px ,  P  0  of 

V [ x(k  1)]  V [ x(k )]  xT (k  1) Px(k  1)  xT ( k ) Px( k )           Based on  (2) and (4), it has 

  T

 xT ( k )   x (k )  2 T T T V [ x(k  1)]  V [ x(k )]   T  K     w (k ) w(k )  x (k )C1 C1 x(k )  QM  ZN w ( k ) w k ( )     N

N

j 1

j 1

 ( B   j f j (0))T P ( B   j f j (0))T

(11) 

         

  N N    xT (k )  Q   AT PB   j f j (0) C T PB   j f j (0)  M T  j 1 j 1  w (k )                

 

N  N   x( k )  Z  ( B   j f j (0))T PA ( B   j f j (0))T PC  N   j 1  w(k )               j 1

 

 AT PA  P  C1T C1 AT PC  K                                                           (12)  C T PA C T PC   2 I     Consider the sum of (11) from   

k  0  to k   , to get 

x (k 1)Px(k 1)  x (k)Px(k)  x Px ,                                                     (13)  

T

T

k 0

  Assuming that   

lim x(k )  0

k 

N

feedback  control  law 

 

2





T

T

  where  K is  defined  in  (12).  An  application  of  the  bounded real lemma [30] shows that  A is stable and (6) is  satisfied if and only if  K  

u (k )    j f j (0) ,  to  minimize  j 1

 x(k )   x(k )  J  x Px0    w (k ) w(k )     K  w(k ) k 0 k  0  w( k )    

 0  and  P  0 . Thus 

this  upper  bound  and  the  computed  inputs  are  implemented.    Theorem 2.1 Consider the system defined in (2). Then, if  N

the  linear  combination  of  base  functions

 

min 

k 0

 

 

This  is  an  upper  bound  on  the  mixed  H 2 / H    performance objective. Thus the goal of the robust mixed  Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 79:2013

j 1

j

f j (0)  

2

N

j 1



 



exists of the following LMI minimization problem: 

  j f j (0)

J  x0T Px0   2  wT (k ) w(k )  x0T Px0   2 w 2   2

4

0

H 2 / H    PFC  is  to  compute,  at  each  time  step,  a  state‐

      Adding (9) and (13) gives    T 0

T 0

*  1  2 2 2 2 2   w Subject to   w   x0 0

 

* *   0                      (14)  Q  www.intechopen.com

 2   is  a  parameter  that  can  be  tuned  using  simulations,   2 is  the  measure  of  the  contribution  of  the  H 2 cost,  2 while   measures the contribution of the  H  cost, and  determines  the  disturbance  rejection  level  of  the  control  system.    Condition  (14)  might  be  considered  as  the  normalized  mixed  objective  function.  This  is  a  more  natural  combination of the control objectives since it emphasizes 

 

35

25

H 2 cost  and  the 

normalized  H  bound.    3. Simulations and Discussions    In our simulation, we consider the discrete‐time model of  a  CBTC  given  by  (2),  with  sampling  time  Ts

C1   7.2 0; 0 10; 0 0    and  D12   0; 0;1 .  We 

select a low disturbance rejection level by setting   =2.5.  MATLAB is used to simulate the CBTC system, while the  PFC based on a mixed  H 2

0

0

100

200

300

400 500 Time(s)

600

700

800

 

Figure 2. The velocity tracking curve of the train (the predictive  lengths H1=8, H2=9).    4

2.5

x 10

the guidance trajectory the tracking trajectory

/ H   process is implemented. 

Fig.  2‐Fig.  7  show  the  performances  comparison  of  different prediction lengths and the effect of disturbance.  Fig. 2 and  Fig. 4 show the velocity tracking performance  of  the  proposed  method  under  different  prediction  lengths.  As  we  can  see  from  Fig.  2,  the  tracking  speed  profile  almost  coincides  with  the  ATO’s  speed  profile,  which  means  an  improved  CBTC  performance.  The  prediction length influences the real‐time performance of  the  system.  Fig.  4  shows  that  the  system  can  track  the  ATO’s speed profile after a long time when the prediction  length becomes large. In addition, we can also see there is  some overshoot under large prediction length which may  lead  to  the  train  exceeding  the  protected  speed  and  affecting safety. A properly selected prediction length can  ensure  that  the  proposed  method  provides  better  real‐ time and safety performances. The train position tracking  performance under different prediction lengths are given  in  Fig.  3  and  Fig.  5,  respectively. As  it  is  shown,  with  an  appropriate  prediction  length,  the  proposed  method  can  always track the ATO’s position profile accurately to meet  the requirement of accurate train parking in a station. But  as  the  prediction  length  increases,  the  position  tracking  performance  decreases  which  may  affect  the  accuracy  of  train  parking.  In  conclusion,  the  choice  of  prediction  length  in  the  proposed  method  is  important  and  the  appropriate  prediction  length  can  optimize  the  performances  of  CBTC.  For  the  disturbance  consideration,  we  introduce  a  disturbance  in  the  form  of  w =2  when  the  sampling  time  is  between  90s  and  100s.  www.intechopen.com

15

5

 0.001s  

kg . For the cost function, we set 

20

10

2

Train position(m)

and train mass M= 10

5

the guidance trajectory the tracking trajectory

30

Velocity(m/s)

the  trade‐off  between  the  normalized 

Fig.  6  and  Fig.  7  give  the  results  of  the  velocity  tracking  curve  of  the  train  with  disturbance  under  different  prediction  lengths.  The  simulation  results  show  that  the  system can reach stability quickly under the disturbance,  meaning that the proposed method has good robustness. 

1.5

1

0.5

0

0

100

200

300

400 500 Time(s)

600

700

800

 

Figure 3. The position tracking curve of the train (the predictive  lengths H1=8, H2=9).   

4. Conclusion and Future Work   

In  CBTC  systems,  it  is  very  important  to  improve  the  controller  of  ATC  systems  to  mitigate  the  impact  of  transmission  delays  and  packet  drops.  In  this  paper,  we  proposed a novel PFC based on a mixed  H 2

/ H   control 

approach for CBTC systems. Different prediction lengths  were studied to optimize the performance of the system.  The  proposed  control  method  showed  the  capability  of  achieving  a  more  complicated  CBTC  control  and  good  balance  between  different  or  even  conflicting  performance  requirements.  A  challenging  future  work  is  to  design  and  implement  an  adaptive  PFC  based  on  a  mixed 

H 2 / H  control to  increase  the  dynamic  range  of 

the controller. 

Bing Bu, Jingwei Yang, Shuhuan Wen and Li Zhu: Predictive Function Control for Communication-Based Train Control (CBTC) Systems

5

35

35 the guidance trajectory the tracking trajectory

30

25 Velocity(m/s)

Velocity(m/s)

25 20 15

5

5 0

100

200

300

400 500 Time(s)

600

700

0

800

 

4

2.5

x 10

the guidance trajectory the tracking trajectory

Train position(m)

2

1.5

1

0.5

0

0

100

200

300

400 500 Time(s)

600

700

800

 

Figure 5. The position tracking curve of the train (the predictive  lengths H1=18, H2=35). 

  35 the guidance trajectory the tracking trajectory

30 25 20 15 10 5 0

0

100

200

300

400 500 Time(s)

600

700

800

 

Figure  6.  The  velocity  tracking  curve  with  disturbance  of  the  train (the predictive lengths H1=8, H2=9) 

 

Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 79:2013

0

100

200

300

400 500 Time(s)

600

700

800

 

Figure  7.  The  velocity  tracking  curve  with  disturbance  of  the  train (the predictive lengths H1=18, H2=35) 

 

Velocity(m/s)

15 10

Figure 4. The velocity tracking curve of the train (the predictive  lengths H1=18, H2=35). 

6

20

10

0

the guidance trajectory the tracking trajectory

30

  5. Acknowledgments    This research was supported by the project of the State Key  Laboratory of Rail Traffic Control and Safety (contract no.  RCS2011K007, RCS2010ZZ003 and RCS2011ZZ007), Beijing  Jiaotong  University.  It  was  supported  by  the  National  Natural Science Founds (contract no. 61132003). It was also  supported by the National High Technology Research and  Development  Programme  of  China  (contract  no.  2011AA110502‐1),  the  project  of  the  Beijing  Municipal  Science  and  Technology  (contract  no.  I12H00020)  and  project ‐ contract no. 2011JBZ014). Bing Bu and Li Zhu are  with the State Key Lab. of Rail Traffic Control and Safety,  Beijing  Jiaotong  University,  Beijing,  China  (e‐mail:  [email protected]).  Shuhuan  Wen  and  Jingwei  Yang  are  with  the  Key  Lab  of  Industrial  Computer  Control  Engineering  of  Hebei  Province,  Yanshan  University,  Qinhuangdao 066004, China. Shuhuan Wen is also with the  State  Key  Lab.  of  Rail  Traffic  Control  and  Safety,  Beijing  Jiaotong  University,  Beijing,  China  (e‐mail:  [email protected]).     6. References    [1] Y.  Shirai  and  Y.  Ishihara,  “Teito  rapid  transit  authority’s  automatic  train  operation,”  Proc.  IEEE,  vol. 56, no. 12, pp. 605–615, 1968.  [2] C. Binard and M. Van Liefferinge, “ATBL‐A first step  towards a European vital computer (EVC) for ATC,”  Proc.  IEEE  Electric  Railways  in  a  United  Europe,  pp.116–120, Mar.1995.  [3] M.  Banerjee  and  N.  El  Hoda,  “Review  of  the  automatic  train  control  system  for  Cairo  Metro  Line  2,” Power Eng., pp. 217–228, Oct. 1998.   [4] R.D.  Pascoe  and  T.N.    Eichorn,  “What  is  communication‐  based  train  control,”  IEEE  Veh.  Technol.  Mag.,  pp.  16–21,  Dec.  2009.  June  7,  2006  DRAFT 10 

www.intechopen.com

[5] V.A.  Minin,  V.A.  Shishliakov,  J.N.  Holyoak,  D.A.  Johnston  and  N.A.  Lepsky,  “Development  of  the  communications‐based  train  control  system  for  Moscow metro,” in Proc.ASME/IEEE Railroad Conf.,  pp. 201–210, 1997.  [6] M.  Heddebaut,  “Leaky  waveguide  for  train‐to‐ wayside  communication  based  train  control,”  IEEE  Trans. Veh. Technol., vol. 58, pp. 1068–1076, Mar. 2009.   [7] S.  Chen,  Y.  Zheng,  C.  Cattani  and  W.  Wang,  “Modeling of biological intelligence for SCM system  optimization,”  Computational  and  Mathematical  Methods in Medicine, vol. 2012, p. AID 769702, 2012.  [8] S. Chen, W. Huang, C. Cattani and G. Altieri, “Traffic  dynamics  on  complex  networks:  A  survey,”  Mathematical  Problems  in  Engineering,  vol.  2012,  p.  AID 732698, 2012.   [9] C.  Chang  and  S.  Sim,  “Optimising  train  movements  through  coast  control  using  genetic  algorithms,”  Proc. IEEE Electric Power Applications, vol. 144, pp.  65–73, 1997.  [10] S.H. Han, Y.S. Byen, J.H. Baek, T.K. An, S.G. Lee and  H.J.  Park,  “An  optimal  automatic  train  operation  (ATO) control using genetic algorithms,” in Proc. IEEE  Region 10 Conf. TENCON.  [11] S.  Chen  and  Y.  Li,  “Automatic  sensor  placement  for  model‐based  robot  vision,”  IEEE  Transactions  on  Systems,  Man  and  Cybernetics,  Part  B,  vol.  34,  pp.  393–408, 2004.  [12] L.M.  Jia,  X.D.  Zhang  and  Z.T.  Xie,  “Automatic  train  control:  an  intelligent  approach,”  Proc.  IEEE  Computer,  Communication,  Control  Power  Engineering, vol. 4, pp. 338–342, 1993.  [13] Y. Huang and S. Yasunobu, “A practical design method  of fuzzy controller based on control surface,” J. Jpn. Soc.  Fuzzy Theory Syst, vol. 11, no. 5, pp. 841–847, 1999.  [14] S.  Chen  and  Y.  Li,  “Intelligent  lighting  control  for  vision‐based robotic manipulation,” IEEE Transactions  on Industrial Electronics, vol. 59, pp. 3254–3263, 2012.  [15] S.  Yasunobu,  S.  Saitou  and  Y.  Suryana,  “Intelligent  vehicle control in narrow area based on human control  strategy,”  Proc.  World  Multi  Conf.  Systemics  Cybernetics and Informatics, vol. 7, pp. 309–314, 2000.   [16] S.  Sekine,  N.  Imasaki  and  T.  Endo,  “Application  of  fuzzy  neural  network  control  to  automatic  train  operation and tuning of its control rules,” in Proc. IEEE  Int. Conf. Fuzzy Systems, vol. 4, pp. 1741–1746, 1995.   [17] S.  Sekine  and  M.  Nishimurat,  “Application  of  fuzzy  neural network control to automatic train operation,” in  Proc. IEEE Int. Conf. Fuzzy Systems, vol. 5, pp. 39–40.  [18] S.  Gordon  and  D.  Lehrer,  “Coordinated  train  control  and  energy  management  control  strategies,”  in  Proc.ASME/IEEE Railroad Conf., pp. 165–176, 1998.   [19] Y.  Wang,  Z.‐S.  Hou  and  X.‐Y.  Li,  “A  novel  automatic  train  operation  algorithm  based  on  iterative  learning  control theory,” in Proc. IEEE Conf. Service Operations,  Logistics and Informatics, pp. 1766–1770, 2008. 

www.intechopen.com

[20] J.  Zhang,  L.  Jia  and  X.  Zhang,  “On  a  novel  fuzzy  predictive control,” in Proc. American Control Conf.,  vol. 2, pp. 1251–1255, 1997.  [21] B. Ning, H. Dong, and Y. Zhang, “Speed adjustment  brake  of  automatic  train  operation  system  based  on  fuzzy‐PID  switching  control,”  in  Proc.  6th  Int.  Conf.  Fuzzy  Systems  and  Knowledge  Discovery,  (China),  pp. 14–16, 2009.   [22] W. Shangguan, B. Cai, J. Wang and C. Gou, “Research  of  MRM‐based  CTCS‐3  level  train  operation  control  system simulation support technology,” in Proc. Asia‐  Pacific Conf., (Shenzhen, China), pp. 418–421, 2009.   [23] M.  Matsumoto,  A.  Hosokawa,  S.  Kitamura,  D.  Watanabe  and  A.  Kawabata,  “The  new  ATC  system  with  an  autonomous  speed  control  with  on‐board  equipment,”  Proc.  Autonomous  Decentralized  Systems, pp. 235–238, 2001.   [24] K.  Zhou,  K.  Glover,  B.  Bodenheimer  and  J.  Doyle,  “Mixed 

H 2   and 

H  performance 

objectives 

I:Robust  Analysis,”  IEEE  Transactions  on  Automatic  Control, vol. 39, no. 8, pp. 1564–1574, 1994.  [25] D.S. Bernstein and W.M. Haddad, “LQG control with  an 

H  Performance 

Bound:  A  Riccati  Equation 

Approach,” IEEE  Transactions on Automatic Control,  vol. 34, no.3, pp.293–305, 1989. June 7, 2006 DRAFT11  [26] J.  Doyle,  K.  Zhou,  K.  Glover  and  B.  Bodenheimer,  “Mixed  H 2   and 

H  Performance 

Objectives  II: 

Optimal  Control,”  IEEE  Transactions  on  Automatic  Control, vol.39, no. 8,p p. 1575–1586, 1994.  [27] P.P.  Khargonekar  and  M.A.  Rotea,  “Mixed  H 2 / H  control:  A  convex  optimization  approach,”  IEEE  Transactions  on  Automatic  Control,  vol.36,  no.7,  pp.  824–837, 1991.  [28] C.  Scherer,  “Multiobjective  H 2 / H  control,”  IEEE  Transactions  on  Automatic  Control,  vol.40,  no.6,  pp.1054–1062, 1995. 

[29] M.  Chilali  and  P.  Gahinet,  “ H    design  with  pole 

[30]

[31]

[32]

[33]

placement  constraints:  An  LMI  Approach,”  IEEE  Transactions  on  Automatic  Control,  vol.41,  no.3,  pp.  358–367, 1996.  M.  Chilali,  P.  Gahinet  and  P.  Apkarian,  “Robust  pole  placement  in  LMI  Regions,”  IEEE  Transactions  on  Automatic Control, vol. 44, no. 12, pp. 2257–2270, 1999.  C. Scherer, P. Gahinet and M. Chilali, “Multiobjective  output‐feedback  control  via  LMI  optimization,”  IEEE  Transactions  on  Automatic  Control,  vol.42,  no.  7,  pp.  896–911, 1997.  J. Richalet, E. Abu, C. Arber, H. Kuntze, A. Jacubasch  and  W.  Schill,  “Predictive  functional  control  application to fast and accurate robot,” in Tenth IFAC  world congress., 1997.  D.W.  Clarke,  C.  Mohtadi  and  P.  Tuffs,  “Generalized  predictive  control‐part  I,  the  basic  algorithm,”  Automatica, vol. 23, no. 2, 1987. 

Bing Bu, Jingwei Yang, Shuhuan Wen and Li Zhu: Predictive Function Control for Communication-Based Train Control (CBTC) Systems

7

[34] C. Cutler and P. Ramaker, “Dynamic matrix control of  a computer algorithm, ” in proc. joint auto. cont. conf.,  1980.  [35] J. Richalet, S. Doss, C. Arber, H. Kuntze, A. Jacubasch  and  W.  Schill,  Predictive  Functional  Control:  Applications  to  Fast  and  Accurate  Robots.  Oxford:  Pergamon Press, 1988.  [36] J.  Richalet,  “Industrial  applications  of  model‐based  predictive control,” Automatica, vol. 29, no. 5, 1993.  [37] J.  Richalet,  A.  Rault,  J.  Testud  and  J.  Papon,  “Model  predictive  heuristic  control:  application  to  industrial  processes,” Automatica, 1978.                                                                                         

8

Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 79:2013

[38] J. Richalet and D. O’Donovan, “Elementary predictive 

functional  control:  A  Tutorial,”  in  Proceeding  of  the  2011  4th  International  Symposium  on  Advanced  Control  of  Industrial  Processes,  (Thousand  Island  Lake, Hangzhou, P. R. China), pp. 306–312, May. 2011. 

www.intechopen.com