CN103818393A - 列车牵引制动系统时间滞后特性的补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种列车牵引制动系统时间滞后特性的补偿方法，其特征是它包括（1）建立分析列车牵引制动系统特性的模块；（2）得出具体的时间滞后性参数值；（3）采用Smith预估控制方法进行时间滞后补偿。与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用Smith预估控制方法补偿列车牵引制动系统的纯滞后特性和惯性特性，提高列车自动驾驶系统控车的准确性。

Description

列车牵引制动系统时间滞后特性的补偿方法

技术领域

本发明涉及一种轨道交通技术，尤其是一种轨道交通牵引制动控制技术，具体地说是一种列车牵引制动系统时间滞后特性的补偿方法。

背景技术

目前，列车自动驾驶系统ATO（Automatic Train Operation）是提高地铁列车高效运行的关键设备之一。但ATO控制命令下达后其控制作用不能被实时反映，存在一定的滞后。该滞后特性对控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。为做到ATO精确控车，必须先补偿该时间滞后性产生的影响。时间滞后补偿的方法主要有PID控制、内模控制、大林控制偿等，但它们均存在灵活性不高，精度较差、控制复杂等一系列问题。由于列车牵引制动系统的纯滞后时间τ与惯性时间常数T之比，即τ/T≥0.5，甚至τ/T≥1，因此采用Smith预估控制具有较好的补偿效果，但据申请人所知，目前尚无一个行之有效的Smith预估控制法可供使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的补偿方法存在灵活性差的问题，发明一种灵活方便、基于Smith预判控制技术的列车牵引制动系统时间滞后特性的补偿方法。

本发明的技术方案是：

一种列车牵引制动系统时间滞后特性的补偿方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，设立一个列车牵引制动系统特性分析模块；

其次，利用列车牵引制动系统特性分析模块获得具体的时间滞后性参数值；

第三，根据所获得的参数值建立列车牵引制动系统各环节的时间滞后特性传递函数；

第四，根据所得的传递函数得到列车实际速度与牵引/制动力之间的传递函数；

第五，将所获得的传递函数作为Smith预估补偿方法的输入值进行补偿量计算，获得预估补偿后的速度；

最后，用所获得的预估补偿后的速度代替当前周期列车速度作为输入，减小甚至消除列车牵引/制动系统的时间滞后性给ATO控车带来的影响，提高可控性。

所述的传递函数包括：

（1）系统指令传输形成的纯滞后特性传递函数：G₁(s)=e^-τs；

（2）牵引力或制动力不能瞬间达到指令所要求值形成的惯性传递函数： $G_2\left(s\right)\frac{1}{1+\mathrm{Ts}};$

（3）加速度与速度之间的物理关系形成的传递函数：

式中T——惯性迟延时间；τ——纯滞后时间。

所述的列车实际速度与牵引/制动力之间的传递函数：

$G\left(s\right)=G_1\left(s\right)G_2\left(s\right)G_3\left(s\right)=\frac{e^{-\mathrm{\τs}}}{s(1+\mathrm{Ts})}.$

式中T——惯性迟延时间；τ——纯滞后时间。

本发明的有益效果：

本发明采用Smith预估控制方法补偿列车牵引制动系统的纯滞后特性和惯性特性，提高了列车自动驾驶系统控车的准确性。

本发明通过研究列车自动驾驶系统ATO的控制对象列车牵引制动系统特性，根据其纯滞后特性和惯性特性建立传递函数，为减小该时间滞后性对ATO精确控车的影响，比较各滞后补偿方法，根据纯滞后特性参数和惯性特性参数的比值，确定选用Smith预估控制方法进行补偿，将补偿后的带误差的预判速度代替当前时刻实测速度作为系统输入从而补偿滞后特性，能取得较好的补偿效果。

附图说明

图1是本发明的列车自动驾驶控制模型示意图。

图2是负反馈控制系统示意图。

图3是预判补偿后的控制系统示意图。

图4是采用本发明控制方法后的牵引转制动工况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-4所示。

一种列车牵引制动系统时间滞后特性的补偿方法，它包括以下步骤：

首先，利用现有技术建立一个如图1所示的列车牵引制动系统特性分析模块；

其次，利用列车牵引制动系统特性分析模块获得具体的时间滞后性参数值；

第三，根据所获得的参数值建立列车牵引制动系统各环节的时间滞后特性传递函数；

其中，系统指令传输存在延时，故根据纯滞后特性可得其传递函数为：

G₁(s)=e^-τs

由于牵引/制动力不能瞬间达到指令所要求的值，存在惯性特性。并且根据动态列车模型，电机只能运行于牵引或制动的一个状态，两者的动态特性完全相同。故传递函数为：

$G_2\left(s\right)\frac{1}{1+\mathrm{Ts}};$

根据加速度与速度之间的物理关系可得到此阶段的传递函数：

$G_3\left(s\right)=\frac{1}{s}$

式中T——惯性迟延时间；τ——纯滞后时间。

第四，根据所得的传递函数得到列车实际速度与牵引/制动力之间的传递函数；即根据牵引/制动系统动力学模型可知列车实际速度与期望牵引/制动力之间的关系由传递函数表示为：

$G\left(s\right)=G_1\left(s\right)G_2\left(s\right)G_3\left(s\right)=\frac{e^{-\mathrm{\τs}}}{s(1+\mathrm{Ts})}.$

式中T——惯性迟延时间；τ——纯滞后时间。

第五，将所获得的传递函数作为Smith预估补偿方法的输入值进行补偿量计算，获得预估补偿后的速度；

列车时间滞后特性虽根据不同的运行工况列车的时间滞后特性参数有所不同，但减少其对控制系统的影响的原理和措施是一样的，利用Smith预估控制方法，根据不同工况配置不同的数值，补偿时间滞后特性，减小对精确控车的影响。

根据上述分析，ATO牵引/制动控制的传递函数为

其中G'(s)不包含纯滞后特性。负反馈控制系统如图2所示。

根据Smith预判控制的思想，确定预判补偿后的控制系统为图3所示。

根据发动机参数，先对在工况切换过程中的滞后时延内列车的运行做相应的处理。如图4所示为牵引转制动工况示意图，用以说明牵引制动的切除和施加时的滞后时延的处理。针对纯时间滞后，处理成继续保持转工况前的牵引加速度值T_c0+T_c1时间，而针对制动施加过程中的惯性时延时间等效于惰行T_c2时间，之后完全减速度值施加在列车上。同理，制动切除和牵引加载也采用相同的处理方法。

如表1所示，选取列车运行过程中的四个时间点T₀、T₁、T₂、T₃对滞后补偿方法进行具体说明。

表1

假设列车运行到当前时刻T₂，其中τ=T₃-T₂=T₂-T₀为传输时延等引起的纯滞后时间，Δt=T₂-T₁=50ms为运行周期。

通过已测得的速度时间数据计算得到前一周期加速度为

在预判规则中，定义未来某时刻会对当前时刻的参数有一定的保持性，故预判时当前时刻的加速度延续为a₂=a₁，继而根据延时性预判到当前时刻的速度应为

（其中τ为延时时间，T为牵引制动惯性时间）；根据当前T₂时刻实测的列车速度v₂和T₀时刻的带误差预判速度即可得到预判误差

从而得到当前时刻T₂的带误差预判速度 $\stackrel{\‾}{v_2^{\′}}=\stackrel{\‾}{v_2}+{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δv}}}_0.$

将带误差的预判速度代替当前时刻实测速度作为系统输入从而补偿纯滞后特性，减小甚至消除列车牵引/制动系统的时间滞后性给ATO控车带来的影响，提高可控性。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种列车牵引制动系统时间滞后特性的补偿方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，设立一个列车牵引制动系统特性分析模块；

其次，利用列车牵引制动系统特性分析模块获得具体的时间滞后性参数值；

第三，根据所获得的参数值建立列车牵引制动系统各环节的时间滞后特性传递函数；

第四，根据所得的传递函数得到列车实际速度与牵引/制动力之间的传递函数；

第五，将所获得的传递函数作为Smith预估补偿方法的输入值进行补偿量计算，获得预估补偿后的速度；

最后，用所获得的预估补偿后的速度代替当前周期列车速度作为输入，减小甚至消除列车牵引/制动系统的时间滞后性给ATO控车带来的影响，提高可控性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的传递函数包括：

（1）系统指令传输形成的纯滞后特性传递函数：G₁(s)=e^-τs；

（2）牵引力或制动力不能瞬间达到指令所要求值形成的惯性传递函数： $G_2\left(s\right)\frac{1}{1+\mathrm{Ts}};$

（3）加速度与速度之间的物理关系形成的传递函数：

式中T——惯性迟延时间；τ——纯滞后时间；s——复变量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的列车实际速度与牵引/制动力之间的传递函数： $G\left(s\right)=G_1\left(s\right)G_2\left(s\right)G_3\left(s\right)=\frac{e^{-\mathrm{\τs}}}{s(1+\mathrm{Ts})}.$

式中T——惯性迟延时间；τ——纯滞后时间。

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