CN103010229B - 基于转速控制的机车防空转滑行方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于转速控制的机车防空转滑行方法，根据机车运行状态生成牵引力（或制动力）控制值VTout；检测各轴的转速值；计算机车速度；检测牵引力（或制动力）反馈值；计算速度差给定值VDref和最大加速度给定值VAref；计算速度差反馈值VDfdb和加速度反馈值VAfdb；将VDref及VDfdb送入速度差PID闭环控制器VD，得出VDout；将VAref及VAfdb送入加速度PID闭环控制器VA，得出VAout；按VDout、VAout、VTout三者中最小值控制机车牵引力（制动力）。可实现机车全天候的防空转防滑行控制。既能够最大限度的利用粘着力，又能够有效的防止牵引空转或制动滑行的发生。

Description

基于转速控制的机车防空转滑行方法

技术领域

本发明涉及一种基于转速控制的机车防空转滑行方法，属于铁路机车技术领域。

背景技术

轮对产生的轮周牵引力或制动力大于轮轨间的粘着力时车轮就会发生空转或打滑，轮轨间的粘着力受轮轨表面状况(轨面有凹坑、水、雪、霜、油)、线路状况(坡道、路基、曲线、道岔)、机车轴重分配等因素的影响，并且与司机操纵方式及机车运行速度有关。空转或打滑会使轮轨发热、轮轨擦伤，严重时还会影响机车的安全运行，危害极大。轮轨之间的粘着是一个具有不确定性的复杂时变系统，最大化地利用轮轨粘着力，并且有效防止牵引空转或制动滑行，已经成为世界铁路机车车辆制动领域发展的方向。

在防止牵引空转方面，一种常用的方案是在机车主电路中配装有3个差动继电器，每个差动继电器与两台牵引电机相连，以它们作为空转信号的检测装置，机车正常运行时，两台牵引电机相连的差动继电器两端的电压是平衡的。当有一个车轮发生空转时，该车轮的牵引电机与另一个车轮的牵引电机之间的电位差就会发生变化，使差动继电器得电，使串联在该差动继电器常开触点电路中的声光报警器接通，发出空转报警。司机发现空转报警后，手动撒沙、降功率。通过差动继电器与两台牵引电机相连，由于牵引电动机在低速和高速情况下电机反电势相差非常大，相同的电压差并不能表明不同的机车速度下不同电压等级下，牵引电机反电势的变化率，利用电压差并不能准确判断牵引电机在不同机车速度下是否真的发生空转以及发生空转的严重程度，当发生严重的同步空转的情况下，差动继电器两端电压会十分接近，致使空转继电器不动作。当司机看到空转指示灯亮之后再脚踏撒砂，同时通过手动操作削减机车牵引功率来制止空转。这个操作过程时间比较长，而且很难把握减多少功率合适。

进一步的方案是在上述基础上，差动继电器得电动作，在差动继电器常开触点电路中串入中间继电器，利用该中间继电器控制机车自动减载及撒沙。但是一方面如上所述，差动继电器并不能准确判断机车空转；另一方面，差动继电器控制中间继电器，亦不能准确控制机车自动减载的大小和持续时间，很难收到良好的控制效果；再者，该方案无法实现空转的预判并通过撒沙缓解空转，只能实现撒沙控制与减载控制同步进行，不能最大的利用粘着牵引力。

现有技术中还有一种防空转方案，即检测机车各个牵引电机转速和电流，通过计算转速差、车轮加速度、加速度微分信号及电流差、电流变化率等参数，并且设定这些参数的限定值，当超过或低于这些限制值时，即判断为空转，根据这些参数的大小，判断减载率百分比及减载持续时间，并判断是否执行撒沙及撒沙执行时间。该方案逐渐成为目前防空转控制的主流技术方案。但是在实际应用中，存在以下很多缺点：在不同机车速度、不同牵引电机电流下，不同的转速差、车轮加速度、加速度微分值及电流差、电流变化率，机车减载率百分比、减载持续时间、撒沙执行时间存在很大差异，尤其是当空转处于不同阶段时，即使是相同的反馈参数，减载率百分比、减载持续时间、撒沙执行时间仍存在很大差异，因此，采用该技术方案，要想实时获得合适的减载率百分比、减载持续时间、撒沙执行时间几乎是不可能的，不是不能充分利用粘着牵引力，就是空转不能得到有效抑制；控制系统软件非常复杂，控制环节太多，而且各个环节相互影响，经常是调节某个环节，又给其他环节带来影响；会给现场调试带来相当大的难度，不断的控制减载，空转缓解后再加载，在此过程中，如果加载率太快，会使牵引电机的输出转矩处于上下波动状态，容易引起更大的空转，如果加载率太慢，则机车会很快因丧失足够的牵引力而使机车速度迅速下降，甚至停在坡道上；在机车牵引电机发生空转时，很难根据转速差、车轮加速度、加速度微分信号及电流差、电流变化率等参数，选取合适的减载时刻、减载率百分比及减载持续时间，无法最大限度利用粘着牵引力。

在防止制动滑行方面，主要是以速度差、减速度、滑移率为检测对象，只要有一个检测参数超过设定值，就立即降低制动力并撒砂，比如电阻制动时立即降低励磁电流，空气制动时对制动缸进行大量排气。判断滑行的依据大多以经验公式或经验数据值来判断，但很难适应于不同的轮轨表面状况、线路状况、司机操纵方式、机车运行速度等外部条件，很难准确的判断滑行时刻，滑行判断提前，会使制动力损失过大，无法充分利用轮轨间的粘着，滑行判断滞后，就会产生滑行，造成踏面擦伤，起不到防滑作用，即使判断滑行的时刻比较准确，降低多少制动力，持续多长时间仍极难把握，很难实现既能充分利用粘着，又能防止滑行。

进一步的方案是用速度差、减速度及减速度微分联合控制，不再采用只要有一个检测参数超过设定值，就立即降低制动力并撒砂，而是同时观测多个参数，对粘着利用状况进行综合评估，然后综合判断滑行。滑行时刻判断的准确度虽然有所提高，但是降低多少制动力，持续多长时间仍极难把握，很难给出一个定量的合理值，因此，难以实现既能充分利用粘着，又能防止滑行。

还有一种防止制动滑行的方案是采用模糊控制法。模糊控制法不需要详细了解防滑系统的精确数学模型，而是充分利用人的经验，模仿人的思维方式，将人的控制经验形式化并引入控制过程，模糊控制系统通常由输入输出接口、模糊控制器、执行机构、传惑器和被控对象五个部分构成，其中模糊控制器是模糊控制系统的核心。由于模糊控制器的设计很大程度上依赖于现场人员的实际经验，这就要求在实际过程中要大量结合实际来选择控制量和设计控制规则。选取控制量是否合理以及控制规则的效果如何，必须编制大量的程序来进行仿真分析，或者等到控制器设计完成后通过实验来分析验证。显然，这两种方法都需要相当多的时间和精力，而且需要反复的实验分析才能最终确定，整个过程繁琐并且工作量较大。

发明内容

本发明的目的就是克服上述现有技术之不足，提供一种基于转速控制的机车防空转滑行方法，最大化地利用轮轨粘着力，并且有效防止牵引空转或制动滑行。

本发明的目的是这样实现的：一种基于转速控制的机车防空转滑行方法，其特征在于采取下列步骤：

A.根据机车运行状态生成牵引力或制动力控制值VTout，且限制VTmin≤VTout≤VTmax；

B.检测各轴的转速值，计算平均轮周线速度Vavr、最大轮周线速度Vmax及最小轮周线速度Vmin；

C.将平均轮周线速度Vavr换算为机车速度Lspd；

D.检测机车牵引力或制动力反馈值；

E.计算速度差给定值VDref和最大加速度给定值VAref；

F.计算速度差反馈值：牵引模式时VDfdb＝Vmax–Vavr或制动模式时VDfdb＝Vavr-Vmin；

G.计算各轴转速加速度值：牵引模式时VAfdb1～VAfdbn或制动模式时各轴转速减速度值VAfdb1～VAfdbn；

H.计算加速度反馈值：牵引模式时VAfdb等于各轴转速加速度值VAfdb1～VAfdbn中的最大值或制动模式时减速度反馈值VAfdb等于各轴转速减速度值VAfdb1～VAfdbn中的最大值；

I.将VDref及VDfdb送入速度差PID闭环控制器VD，得出转速差控制值VDout，且限制Vmin≤VDout≤Vmax；

J.将VAref及VAfdb送入加速度PID闭环控制器VA，得出加速度控制值VAout，且限制Vmin≤VAout≤Vmax；

K.按转速差控制值VDout、加速度控制值VAout、牵引力或制动力控制值VTout三者中的最小值控制机车牵引力或制动力。

采用本发明的方案，可实现机车全天候的防空转防滑行控制。由于PID调节器的作用使得系统在偏差较大时具有快速调节特性，在偏差较小时具有连续的稳定调节特性，在偏差信号快速变化时具有超前调节特性，既能够最大限度的利用粘着力，又能够有效的防止牵引空转或制动滑行的发生。

附图说明

图1为本发明实施例的交直流电传动内燃机车牵引主电路原理图。

图2为本发明实施例的交直流电传动内燃机车电阻制动主电路原理图。

图3为本发明实施例的中断子程序流程框图。

图4为本发明实施例的牵引力控制子程序流程框图。

图5为本发明实施例的制动力控制子程序流程框图。

图6。在牵引模式下计算转速差给定值VDref和最大加速度给定值VAref的子程序流程框图。

图7。在制动模式下计算转速差给定值VDref和最大减速度给定值VAref的子程序流程框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

实施例一为对交直流电传动内燃机车的防空转防滑行控制。

参看图1，本发明实施例的交直流电传动内燃机车牵引主电路，通过微机控制主发电机励磁机的励磁电流，实现对主发电机整流后直流电压的控制。Rlt为励磁电阻，D1为续流二极管，Q1为场效应管，EXC为励磁发电机，ERC为励磁整流器，MG为主发电机，MRC为主整流器，M1～M6为牵引电机，SD1～SD6为牵引电机转速传感器。机车微机控制器输出的PWM信号通过控制Q1的导通占空比，控制流过EXC的励磁线圈的励磁电流，EXC发出的三相交流电通过ERC整流后，为主发电机励磁绕组供电，主发电机发出的三相交流电经MRC主整流柜整流后向M1～M6供电。通过调节PWM信号的脉冲宽度值即可调整牵引电机的直流端电压，进而调整牵引电机牵引力，因此，PWM信号的脉冲宽度值即等效于牵引力控制值。

参看图2，本发明实施例的交直流电传动内燃机车电阻制动主电路，牵引电机M1～M6分别以Rz为负载以发电机方式运行。SD1～SD6为牵引电机转速传感器。主发电机发出的三相交流电经MRC主整流柜整流后向牵引电机M1～M6串联的励磁绕组供电。通过调节PWM信号的脉冲宽度值即可调整流过六个牵引电机的励磁绕组的励磁电流，实现牵引电机制动电流的调整，进而实现制动力的调整。因此，PWM信号的脉冲宽度值即等效于牵引电机制动力控制值。

参看图3。本实施例应用定时器1中断产生10mS定时中断。中断子程序首先在框1.1关闭定时器1中断，在框1.2清除定时器1中断标志。然后进入框1.3，判断牵引指令是否为真：如果是，则进入框1.4，执行牵引力控制子程序，否则进入框1.5。在框1.5，判断制动指令是否为真：如果是，则进入框1.6执行制动力控制子程序；否则进入框1.7。在框1.7，打开定时器1中断，为下一次定时器1中断作好准备。然后中断子程序运行结束。

参看图4。牵引力控制子程序在框2.1计算控制值Vtout，且限制Vmin≤VTout≤Vmax，即：在机车速度/功率给定值、牵引电机限压值、牵引电机限流值所形成的给定牵引曲线的控制下，通过实时检测机车速度/功率、牵引电机电压、牵引电机电流等反馈值，计算出牵引电机端电压控制值VTout，在框2.2实时检测各轴的转速值，在框2.3计算最大轮周线速度Vmax；在框2.4计算平均轮周线速度Vavr，在框2.5计算速度Lspd＝Vavr/300(在本实施例中，机车速度Lspd的单位为km/h，轮周线速度计算值为轮周线速度实际值的300倍)，在框2.6检测被控对象反馈值，即检测可以反映牵引力状况的主发机输出电流Curr，在框2.7计算速度差给定值VDref，在框2.8最大加速度给定值VAref，在框2.9计算速度差反馈值VDfdb＝Vmax-Vavr，在框2.10计算各轴转速加速度值VAfdb1～VAfdbn，在框2.11计算加速度反馈值VAfdb，在框2.12计算VDout，且限制Vmin≤VDout≤Vmax，在框2.13计算VAout，且限制Vmin≤VAout≤Vmax，在框2.14取Vtout、Vaout、VDout三者中最小值。在框2.15按上述最小值计算PWM脉冲宽度控制值。然后牵引力控制子程序运行结束。

参看图5。制动力控制子程序在框3.1计算控制值Vtout，且限制Vmin≤VTout≤Vmax，即：在机车速度、制动电流给定值、励磁电流给定值所形成的给定制动曲线的控制下，通过实时检测机车速度反馈值、制动电流反馈值、励磁电流反馈值，计算出制动电流控制值VTout，在框3.2实时检测各轴的转速值，在框3.3计算最小轮周线速度Vmin，在框3.4计算平均轮周线速度Vavr,在框3.5计算机车速度Lspd＝kVavr(k＝1/300)，在框3.6检测被控对象反馈值，即检测可以反映制动力状况的制动电流Curr，在框3.7计算速度差给定值VDref，在框3.8最大加速度给定值VAref，在框3.9计算速度差反馈值VDfdb＝Vavr-Vmin，在框3.10计算各轴转速减速度值VAfdb1～VAfdbn，在框3.11计算减速度反馈值VAfdb，在框3.12计算VDout，且限制Vmin≤VDout≤Vmax，在框3.13计算VAout，且限制Vmin≤VAout≤Vmax，在框3.14取Vtout、Vaout、VDout三者中最小值。在框3.15按上述最小值计算PWM脉冲宽度控制值。然后制动力控制子程序运行结束。

参看图6。在牵引模式下，计算转速差给定值VDref和最大加速度给定值VAref。在框4.1中判断是否Lspd＞60:如果是，则进入框4.2，VAref＝800+Lspd*10；否则进入框4.4。进入框4.2后再接着进入框4.3，VDref＝600+Lspd*10，该子程序运行结束。在框4.4中判断是否60＞Lspd＞20，如果是，则进入框4.5，否则进入框4.13。在框中4.5判断是否Curr＞2000，如果是，则进入框4.6，VAref＝800+Lspd*10，否则进入框4.8。进入框4.6后再接着进入框4.7，VDref＝600+Lspd*10,该子程序运行结束。在框4.8中判断是否2000＞Curr＞1500，如果是，则进入框4.9，VAref＝1000+Lspd*10，否则进入框4.11，VAref＝1200+Lspd*10。进入框4.9后再接着进入框4.10，VDref＝800+Lspd*10，该子程序运行结束。进入框4.11后再接着进入框4.12，VDref＝1000+Lspd*10，该子程序运行结束。在框4.13中判断是否Curr＞2000，如果是，则进入框4.14，VAref＝900+Lspd*5，否则进入框4.16。进入框4.14后再接着进入框4.15，VDref＝700+Lspd*5,该子程序运行结束。在框4.16中判断是否2000＞Curr＞1500，如果是，则进入框4.17，VAref＝900+Lspd*10，否则进入框4.19。进入框4.17后再接着进入框4.18，VDref＝700+Lspd*10,该子程序运行结束。在框4.19中判断是否1500＞Curr＞1000，如果是，则进入框4.20，VAref＝900+lspd*15，否则进入框4.22。进入框4.20后再接着进入框4.21，VDref＝700+lspd*15,该子程序运行结束。在框4.22中判断是否1000＞Curr＞800，如果是，则进入框4.23，VAref＝1000+Lspd*15，否则进入框4.25，VAref＝1100+Lspd*15。进入框4.23后再接着进入框4.24，VDref＝800+Lspd*15,该子程序运行结束。进入框4.25后再接着进入框4.26，VDref＝900+Lspd*15,该子程序运行结束。

参看图7。在制动模式下，计算转速差给定值VDref和最大减速度给定值VAref。在框5.1中判断是否Lspd＞60，如果是，则进入框5.2，VAref＝Lspd*34-600；否则进入框5.4。进入框5.2后再接着进入框5.3，VDref＝Lspd*34-800，该子程序运行结束。在框5.4中判断是否60＞Lspd＞20，如果是，则进入框5.5；否则进入框5.13。在框5.5中判断是否Curr＞500，如果是，则进入框5.6，VAref＝500+Lspd*15；否则进入框5.8。进入框5.6后再接着进入框5.7，VDref＝300+Lspd*15，该子程序运行结束。在框5.8中判断是否500＞Curr＞300，如果是，则进入框5.9，VAref＝700+Lspd*15；否则进入框5.11，VAref＝800+Lspd*15。进入框5.9后再接着进入框5.10，VDref＝500+Lspd*15，该子程序运行结束。进入框5.11后再接着进入框5.12，VDref＝600+Lspd*15，该子程序运行结束。在框5.13中判断是否Curr＞500，如果是，则进入框5.14，VAref＝800；否则进入框5.16。进入框5.14后再接着进入框5.15，VDref＝600，该子程序运行结束。在框5.16中判断是否500＞Curr＞300，如果是，则进入框5.17，VAref＝900；否则进入框5.19，VAref＝1000。进入框5.17后再接着进入框5.18，VDref＝700，该子程序运行结束。进入框5.19后再接着进入框5.20，VDref＝800，该子程序运行结束。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种基于转速控制的机车防空转滑行方法，其特征在于采取下列步骤：

A.根据机车运行状态生成牵引力或制动力控制值VTout，且限制VTmin≤VTout≤VTmax；

B.检测各轴的转速值，计算平均轮周线速度Vavr，最大轮周线速度Vmax及最小轮周线速度Vmin；

C.将平均轮周线速度Vavr换算为机车速度Lspd；

D.检测机车牵引力或制动力反馈值；

E.计算速度差给定值VDref和最大加速度给定值VAref；

F.计算速度差反馈值：牵引模式时VDfdb＝Vmax–Vavr或制动模式时VDfdb＝Vavr-Vmin；

G.计算各轴转速加速度值：牵引模式时VAfdb1～VAfdbn或制动模式时各轴转速减速度值VAfdb1～VAfdbn；

H.计算加速度反馈值：牵引模式时VAfdb等于各轴转速加速度值VAfdb1～VAfdbn中的最大值或制动模式时减速度反馈值VAfdb等于各轴转速减速度值VAfdb1～VAfdbn中的最大值；

I.将VDref及VDfdb送入速度差PID闭环控制器VD，得出转速差控制值VDout，且限制Vmin≤VDout≤Vmax；

J.将VAref及VAfdb送入加速度PID闭环控制器VA，得出加速度控制值VAout，且限制Vmin≤VAout≤Vmax；

K.按转速差控制值VDout、加速度控制值VAout、牵引力或制动力控制值VTout三者中的最小值控制机车牵引力或制动力。