CN104057980B - 一种列车牵引控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种列车牵引控制方法，首先设定要达到的加速度目标值a₁并测试所述列车的当前速度v，根据所述加速度目标值a₁和当前速度v，得到理想转矩F₁(v)和所述列车受到的实际阻力n，进而根据F₂(v)＝F₁(v)+nr计算出要达到加速度目标值a₁时，列车实际需要的牵引转矩F₂(v)，并将实际需要的牵引转矩F₂(v)分配给列车的各个牵引传动装置。通过上述过程，不断调整牵引电机的输出功率，以保证列车以恒定的加速度运行，避免因加速度不断变化导致的列车在运行中丧失平稳性、舒适性并增加司机的负担。

Description

一种列车牵引控制方法及系统

技术领域

本发明属于一种列车运行控制技术领域，特别涉及一种列车牵引控制技术领域。

背景技术

列车在加/减速行驶过程中，由于其内在特性(牵引传动系统机械转换效率的变化)和不断变化的外在干扰(大风、路破、列车重量、钢轨粘着系数)的影响，列车在不同的运行工况下，同一级位的牵引力无法保证列车以恒定的加速度运行。列车牵引加速度的不断变化会导致三个问题，一是时变的加速会恶化列车运行的平稳性与舒适性；二是在时变的加速度下，为了保持列车平稳性，司机需不断调整手柄级位，增加司机负担；三是无法精确控制列车全程的运行时间。

发明内容

为了解决上述技术问题，提供一个实时变化的牵引转矩，以补偿各种复杂运行工况对加速度的影响，本发明提供了一种基于恒加速度的列车牵引控制系统，包括初始化装置，加速度控制装置，中央控制器以及多个牵引传动装置。

上述初始化装置用于设置恒定的加速度目标值a₁和目标速度V₀。

上述加速度控制装置包括转速传感器，并通过转速传感器计算当前时刻列车运行速度v和实际加速度a₂，加速度控制装置将a₁、a₂及(a₁-a₂)的值输入到中央控制器中。

上述中央控制器根据目标加速度值a₁、实际加速度a₂及其差值计算出列车在考虑其内在特性和外在干扰的情况下的整个列车要达到目标加速度值a₁而实际需要的牵引转矩，并将该牵引转矩平均分配给列车的各个牵引传动装置。

上述牵引传动装置，对分配的牵引转矩进行处理，通过计算逆变器输出的电压与频率，变频器根据电压与频率进行变频变压控制，最终向牵引电机输出功率，以实现分配给该牵引传动装置的牵引转矩。

本发明涉及到两个计算方法，第一个计算方法是：基于转速传感器计算列车当前速度，例如转速传感器可以是安装于列车轮对上的转速传感器，该转速传感器用于采集当前时刻列车车轴的转速度，加速度控制装置可以结合列车轮对半径计算出列车运行速度v，进而计算出列车此时刻的加速度a₂。

第二个计算方法：计算列车牵引转矩F(v)，具体如下：

当给定列车质量等因素后，其内在特性(牵引传动系统机械转换效率的变化)一般是恒定的，因此考虑列车内在特性后的转矩与加速度计算公式为：

$a=\frac{F\left(v\right)/r}{M}-{\mathrm{\ω}}_0\left(v\right)g$

其中，a是加速度，v是列车速度，r是列车轮对半径，ω₀(v)表示车辆每吨产生的阻力，可以表示为ω₀(v)＝A+Bv+Cv²，A,B，C为已知量，则整列车运行的阻力可以表示为ω₀(v)Mg，M是列车总质量，g是质量到重量的转换g＝9.8，则整列车运行的阻力可以表示为ω₀(v)Mg。

当列车恒加速度设定为a₁时，在没有任何外在干扰的情况下，我们可以得到理想转矩F₁(v)是

F₁(v)/r＝a₁M+ω₀(v)Mg(1)

当存在外在干扰时，我们把外在干扰对列车造成的阻力设为n，则在列车施加理想转矩F₁(v)时，列车能够实现的加速度a₂为

$a_2=\frac{F_1\left(v\right)/r-{\mathrm{\ω}}_0\left(v\right)\mathrm{Mg}-n}{M}---\left(2\right)$

为了补偿附加的阻力n，我们得到列车实际需要的牵引转矩F₂(v)为

F₂(v)/r＝F₁(v)/r+n(3)

进一步的，由式(3)我们可以得到列车实际需要的牵引转矩F₂(v)为

F₂(v)＝F₁(v)+nr(4)

由式(1)、式(2)式我们可以计算出

n＝(a₁-a₂)M(5)

由式(4)、式(5)，为了实现目标加速度a₁，列车实际需要的牵引转矩F₂(v)为

F₂(v)＝F₁(v)+(a₁-a₂)Mr(6)

本发明还提供了一种基于恒加速度的列车牵引控制方法，包括以下步骤：

1)首先设置恒定的加速度目标值a₁，是列车轮对半径值r和目标速度V₀；

2)利用转速度传感器测量并计算列车当前的运行速度v和当前实际加速度a₂；

3)比较恒加速度目标值与实际加速度值，并将差值(a₁-a₂)输入列车牵引传动系统的中央控制器中；

4)中央控制器根据已知量A,B，C、列车当前的运行速度v、列车总质量M利用ω₀(v)＝A+Bv+Cv²计算出列车运行的阻力ω₀(v)Mg；

5)中央控制器根据恒定加速度目标值a₁、列车轮对半径值r、列车总质量M和列车运行的阻力ω₀(v)Mg，利用公式F₁(v)/r＝a₁M+ω₀(v)Mg计算出在不考虑干扰的情况下的理想牵引转矩F₁(v)；

6)根据恒定加速度目标值与实际加速度值的差值a₁-a₂和列车总质量M利用公式n＝(a₁-a₂)M，计算出需要补偿的外在干扰对列车造成的阻力n；

7)中央控制器根据理想转矩F₁(v)、列车轮对半径值r、加速度目标值a₁、当前实际加速度a₂和列车总质量M，利用公式F₂(v)＝F₁(v)+(a₁-a₂)Mr计算出为了达到恒定加速度目标值a₁，列车实际需要的牵引转矩F₂(v)；

8)中央控制器根据列车当前实际需要的牵引转矩F₂(v)，计算出各牵引传动装置应该实现的牵引转矩：这里的m就是牵引电机的数量，且m大于等于1；

9)牵引传动装置对各自应该实现的牵引转矩进行处理，计算出变频器的输出电压与频率，并将该电压与频率输入至变频器中；

10)变频器根据电压与频率进行变频变压控制，最终由牵引电机输出功率，以实现分配给该牵引传动装置的牵引转矩

11)各个牵引传动装置都实现了分配给各自的牵引转矩，进而实现了列车为达到恒定加速度目标值a₁实际需要的牵引转矩F₂(v)。

通过上述过程，每隔一定时间，特别是每隔0.001秒，检测列车当前实际加速度，调整输出功率，以保证列车以恒定的加速度运行，避免加速度变化导致的列车在运行中丧失平稳性、舒适性增加司机的负担同时也无法精确控制列车全程的运行时间。

附图说明

下面结合附图对本发明所述的一种基于恒加速度的列车牵引控制系统及方法进行具体说明。

图1是本发明牵引控制系统示意图；

图2是本发明牵引控制系统的结构图；

图3是本发明的流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图2所示，一种基于恒加速度的列车牵引控制系统，包括初始化装置1，加速度控制装置2，中央控制器3以及至少1个牵引传动装置4，其中，初始化装置1用于设置恒定的加速度目标值a₁、列车轮对半径值r和目标速度V₀；加速度控制装置2包括转速传感器5，并通过转速传感器计算出列车当前运行速度v和当前实际加速度a₂，并将(a₁-a₂)的值输入到中央控制器中3中；上述中央控制器根据(a₁-a₂)计算出列车在考虑其内在特性和外在干扰的情况下的整个列车的实际需要实现的牵引转矩F₂(v)，并将该牵引转矩F₂(v)分配给列车的各个牵引传动装置4，上述牵引传动装置4，将分配的牵引转矩进行处理，通过计算逆变器7输出的电压与频率，变频器8根据电压与频率进行变频变压控制，最终由牵引电机输出功率，以实现分配给该牵引传动装置需要实现的牵引转矩。

其中上述速度传感器5是加速度传感器或雷达传感器或GPS测量速度的传感器单元。

优选的，速度传感器可以是安装于列车轮对上的转速传感器，该转速传感器用于采集当前时刻列车车轴的转速度，加速度控制装置可以结合列车轮的轮径值计算出列车运行速度v，进而根据加速度公式a₂＝Δv/Δt计算出列车此时刻的加速度a₂。

影响列车恒定加速度运的因素有：列车内在特性，如牵引传动系统机械转换效率变化和外在干扰，如大风、路破、列车乘车率、钢轨粘着系数的不断变化等。

列车每节车厢可以设置一个牵引传动装置，上述中央控制器可以将列车实际需要实现的牵引转矩F₂(v)平均分配给各个牵引传动装置。

本发明涉及到列车牵引转矩F(v)的计算方法，具体如下：

由于列车内在特性(牵引传动系统机械转换效率的变化)在给定列车质量等内在因素后，其一般是恒定的，因此考虑列车内在特性后的目标转矩与加速度计算公式为：

$a=\frac{F\left(v\right)/r}{M}-{\mathrm{\ω}}_0\left(v\right)g$

其中，a是加速度，v是列车速度，r是列车轮对半径，ω₀(v)表示车辆每吨产生的阻力，可以表示为ω₀(v)＝A+Bv+Cv²，A,B，C为已知量，例如CRH2型列车中A＝8.63，B＝0.07295，C＝0.000677，则列车运行的阻力可以表示为ω₀(v)Mg，M是列车总质量，g是质量到重量的转换g＝9.8。

当列车恒加速度设定为a₁时，在没有任何外在干扰的情况下，我们可以得到理想转矩F₁(v)是

F₁(v)/r＝a₁M+ω₀(v)Mg(1)

当存在外在干扰时，我们把外在干扰对列车造成的阻力设为n，则在列车施加理想转矩F₁(v)时，列车能够实现的加速度a₂为

$a_2=\frac{F_1\left(v\right)/r-{\mathrm{\ω}}_0\left(v\right)\mathrm{Mg}-n}{M}---\left(2\right)$

为了补偿附加的阻力n，我们得到列车实际需要的牵引转矩F₂(v)为

F₂(v)/r＝F₁(v)/r+n(3)

进一步的，由式(3)我们可以得到列车实际需要的牵引转矩F₂(v)为

F₂(v)＝F₁(v)+nr(4)

由式(1)、式(2)式我们可以计算出

n＝(a₁-a₂)M(5)

由式(4)、式(5)，为了实现目标加速度a₁，列车实际需要的牵引转矩F₂(v)为

F₂(v)＝F₁(v)+(a₁-a₂)Mr(6)

如附图3所示，本发明的一种基于恒加速度的列车牵引控制方法包括以下步骤：

首先设置恒定的加速度目标值a₁和目标速度V₀，

1)首先设置恒定的加速度目标值a₁、列车轮对半径值r和目标速度V₀；

2)利用转速度传感器测量并计算列车当前的运行速度v和当前实际加速度a₂；

3)比较恒加速度目标值与实际加速度值，并将差值(a₁-a₂)输入列车牵引传动系统的中央控制器中；

4)中央控制器根据已知量A,B，C、列车当前的运行速度v、列车总质量M利用ω₀(v)＝A+Bv+Cv²计算出列车运行的阻力ω₀(v)Mg；

5)中央控制器根据恒定加速度目标值a₁、列车轮对半径值r、列车总质量M和列车运行的阻力ω₀(v)Mg，利用公式F₁(v)/r＝a₁M+ω₀(v)Mg计算出在不考虑干扰的情况下的理想牵引转矩F₁(v)；

6)根据恒定加速度目标值与实际加速度值的差值a₁-a₂和列车总质量M利用公式n＝(a₁-a₂)M，计算出需要补偿的外在干扰对列车造成的阻力n；

7)中央控制器根据理想转矩F₁(v)、列车轮对半径值r、加速度目标值a₁、当前实际加速度a₂和列车总质量M，利用公式F₂(v)＝F₁(v)+(a₁-a₂)Mr计算出为了达到恒定加速度目标值a₁，列车实际需要的牵引转矩F₂(v)；

8)中央控制器根据列车当前实际需要的牵引转矩F₂(v)，计算出各牵引传动装置应该实现的牵引转矩：这里的m就是牵引电机的数量，且m大于等于1；

9)牵引传动装置对各自应该实现的牵引转矩进行处理，计算出变频器的输出电压与频率，并将该电压与频率输入至变频器中；

10)变频器根据电压与频率进行变频变压控制，最终由牵引电机输出功率，以实现分配给该牵引传动装置的牵引转矩

11)各个牵引传动装置都实现了分配给各自的牵引转矩，进而实现了列车为达到恒定加速度目标值a₁实际需要的牵引转矩F₂(v)。

通过上述过程，每隔一定时间(可以是0.0005秒到0.001秒之间任意一个时间长度)，特别是每隔0.001秒，检测检测列车当前实际加速度，调整输出功率，以保证列车以恒定的加速度运行。当列车的速度达到目标速度时，列车停止加速，退出本系统，保持匀速前进。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (8)

1.一种列车牵引控制方法，首先设定要达到的加速度目标值a₁并测试所述列车的当前速度v，其特征在于，根据所述加速度目标值a₁和当前速度v，得到理想转矩F₁(v)和所述列车受到的实际阻力n，进而根据F₂(v)＝F₁(v)+nr计算出要达到加速度目标值a₁时，所述列车实际需要的牵引转矩F₂(v)，并将所述实际需要的牵引转矩F₂(v)分配给列车的各个牵引传动装置，其中r是列车轮对半径，根据F₁(v)/r＝a₁M+ω₀(v)Mg计算出理想转矩F₁(v)，其中，ω₀(v)表示车辆每吨产生的阻力，M是列车总质量，g是质量到重量的转换，ω₀(v)Mg是整个列车运行的阻力。

2.根据权利要求1所述的列车牵引控制方法，其特征在于，所述牵引传动装置根据各自得到的牵引转矩，经过计算得到逆变器的输出电压与频率，然后，变频器根据所述逆变器的输出电压与频率进行变频变压控制，最终由牵引电机输出功率，以实现分配给所述牵引传动装置的牵引转矩。

3.根据权利要求1所述的列车牵引控制方法，其特征在于：利用a₂＝Δv/Δt计算当前速度v下，列车实际达到的加速度a₂,进而根据n＝(a₁-a₂)M计算出外界干扰对列车造成的阻力n。

4.根据权利要求1所述的列车牵引控制方法，其特征在于：每隔0.0005秒到0.001秒之间任意一个时间长度，测量列车当前运行速度v，并判断当前列车运行速度v是否等于列车目标速度V₀，如果v＝V₀则停止执行所述牵引控制方法，所述列车以V₀匀速行驶；反之继续执行所述牵引控制方法。

5.一种列车牵引控制系统，包括速度传感器(5)，中央控制器(3)以及至少1个牵引传动装置(4)，其中，速度传感器(5)提供列车当前速度v，其特征在于：所述中央控制器(3)计算出在当前速度下要达到加速度目标值a₁时，列车的理想转矩F₁(v)、列车受到的实际阻力n，以及要达到加速度目标值a₁时，列车实际需要的牵引转矩F₂(v)，并且，所述中央控制器(3)将所述实际需要的牵引转矩F₂(v)分配给所述牵引传动装置(4)，其中，F₂(v)＝F₁(v)+nr，r是列车轮对半径，所述中央控制器(3)根据F₁(v)/r＝a₁M+ω₀(v)Mg，计算出在没有任何外在干扰的情况下，列车的理想转矩F₁(v)，其中ω₀(v)表示车辆每吨产生的阻力，M是列车总质量，ω₀(v)Mg是整个列车运行的阻力。

6.根据权利要求5所述的列车牵引控制系统，其特征在于：还包括加速度控制装置(2)，所述速度传感器(5)位于所述加速度控制装置(2)中，所述加速度控制装置(2)可以根据a₂＝Δv/Δt计算所述速度传感器(5)提供的列车当前时刻运行速度v下所述列车当前实际加速度a₂。

7.根据权利要求5所述的列车牵引控制系统，其特征在于：所述中央控制器(3)根据n＝(a₁-a₂)M计算出列车当前受到的阻力n。

8.根据权利要求5所述的列车牵引控制系统，其特征在于：所述牵引传动装置(4)包括牵引电机(6)、逆变器(7)和变频器(8)，所述牵引传动装置(4)，对分配给所述牵引传动装置(4)的应该实现的牵引转矩进行处理，计算所述逆变器(7)的输出电压与频率，所述变频器(8)根据所述逆变器(7)的输出电压与频率进行变频变压控制，最终由牵引电机输出功率，以实现分配给所述牵引传动装置(4)的牵引转矩。