交通流跟驰模型的控制理论分析

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随着经济的快速发展,交通问题已变得越来越严重。尤其是在大城市中,交通拥堵问题更为突出。在1961年Newell提出了一个由一阶微分方程描述的车辆跟驰模型,并且首次定义了优化速度函数(简称OV)。之后,优化速度模型得到了众多学者的关注。耦合映射跟驰模型(简称CM模型)在抑制交通拥堵的研究中占有很重要的地位。近些年来,涌现出大量通过控制理论解决耦合映射跟驰模型中交通拥堵问题的研究。反馈控制信号在抑制交通堵塞中起到了重要的作用,但是,运用控制理论分析跟驰模型的研究并不多见。本文研究的主要内容是运用控制理论解决跟驰模型中的交通堵塞问题。给出单车道连续型优化速度模型的微分方程形式,基于全速度差模型和双速度差模型,利用反馈控制理论进行稳定性分析,通过赵晓梅和高自友提出的反馈控制方法,分别给出了系统无拥堵的条件。另外,我们考虑前车和后方车辆对当前车辆速度的影响,对其进行相应的理论分析和数值模拟,得到了交通流保持稳定的条件。论文安排如下:第一章简单介绍了交通流研究的背景意义,现状及发展情况,最后阐述几个典型的交通流微观跟驰模型。第二章运用控制理论解决跟驰模型中的交通堵塞问题。给出了单车道连续型优化速度模型的微分方程形式,基于姜瑞等人考虑前车速度相对跟驰车速度大的情形下提出的全速度差模型,运用赵晓梅和高自友提出的反馈控制方法,考虑了前方车辆对当前车速度的影响,并利用反馈控制理论,给出了系统无拥堵的条件。通过数值模拟,与无控制项的结果进行比较。第三章在葛红霞等人提出的双速度差模型的基础上,考虑双速度差效应的跟驰模型,即当前车辆与前方两辆车速度的影响,利用反馈控制理论,给出了在开放边界条件下系统无拥堵的条件,最后进行数值模拟,通过Matlab给出的时空斑图和无控制的情况进行比较。第四章结合赵晓梅和高自友提出的反馈控制方法,提出了一种改进的跟驰模型,不仅考虑前车速度对当前车的影响,还加上后方车辆对当前车辆的影响,给出改进后跟驰模型的微分方程形式。并利用反馈控制理论,给出系统在发生扰动情况下仍保持稳定以及整个道路无堵塞的条件。最后通过数值模拟与之前的结果进行对比和分析,得出抑制交通效果更好地控制方法。
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