CN104228851A - 一种城市轨道列车的速度跟踪控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种城市轨道列车的速度跟踪控制系统，包括依次连接的驱动电路、三相逆变桥和牵引电机，还包括电流检测模块、处理器和速度检测模块；电流检测模块检测三相逆变桥的输出电流并将电流信号发送给处理器；处理器根据速度信息得到牵引电机的实际转速信息，根据电流信号得到牵引电机的目标速度信息，并根据牵引电机的目标速度信息及实际转速信息，向所述驱动电路发送PWM控制信号，进而控制牵引电机的转速；速度检测模块检测城市轨道列车的行驶速度，并将速度信息发送给处理器。本发明能够实时计算列车行驶的速度轨迹，使得被控量目标值能够连续的给出调整后的速度，控制过程更精细，并且具有控制精度高、硬件简单、可靠性高、成本低的特点。

Description

一种城市轨道列车的速度跟踪控制系统
技术领域
本发明涉及一种用于城市轨道交通的自动控制系统，特别涉及一种城市轨道列车的速度跟踪控制系统。
背景技术
随着我国城市化进程的不断加快，城市规模越来越大，城市人口不断增多，现有的城市交通网络已经难以满足城市发展的要求。我国迫切需要自主建设高效率轨道交通系统以缓解日益严峻的城市交通问题。而如何增加列车的运输密度、提高列车行车速度、改善列车运行质量，一直是我国铁路行业发展所面临的重要难题。对于上述轨道交通的要求来说，采用先进的列车自动控制(ATC，Automatic Train Control)技术对于轨道交通的全面发展是至关重要的。
列车自动控制系统一般包括三个子系统：列车自动监控(ATS，AutomaticTrain Supervision)系统、列车自动防护(ATP，Automatic Train Protection)系统以及列车自动驾驶(ATO，Automatic Train operation)系统。
ATS子系统可以实现对列车运行的监督和控制，辅助行车调度人员对全线列车运行进行管理，ATP子系统则根据地面传递的信息计算出列车运行的允许安全速度，保证列车间隔，实现超速防护。ATO子系统根据ATS提供的信息，在ATP正常工作的基础上，实现最优驾驶，提高舒适度、降低能耗、减少磨损。其中，ATO系统最为重要。它负责在无人驾驶的情况下，依据自身的运行特点及当前线路状况等外界信息自动选择合理的运行方式和运动轨迹，并在规定条件下自动完成行车任务，并达到准时性、舒适性、高效性、定点停车等性能指标。
因此对于ATO系统来说，要实现上述目标，关键是对控制算法的优化，给出最优控制力来控制列车的运行。对ATO系统的控制算法来说，首先是要根据已知信息得到优化的速度距离曲线，它综合体现了舒适性、准时性、节能等性能指标，同时也是进行列车驾驶控制的依据。其次是要根据控制算法给出合力值使列车沿最优运行曲线运行。
列车自动驾驶系统受到列车机械结构、电力驱动系统和ATP所提出的速度要求的影响，基于传统控制理论的PID控制器已不能适应列车运行参数的非线性和时变性，很难反映真实情况，从而使速度控制的平滑性受到破坏，牵引和制动频繁切换影响了系统舒适性的要求，同时也影响了列车的高效运行和停车精度。而速度轨迹的选择对于轨道列车运行时间也有着至关重要的影响。
因此，设计一套能根据ATP限制速度时刻更新快速运行轨迹和采用智能控制算法的速度跟踪的自动控制系统和能应用该算法的硬件系统十分必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种列车速度实时采集及实现闭环控制的城市轨道列车的速度跟踪控制系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种城市轨道列车的速度跟踪控制系统，包括驱动电路、三相逆变桥和牵引电机，所述驱动电路的输出端与所述三相逆变桥连接，所述三相逆变桥的输出端与牵引电机的控制端连接，还包括电流检测模块、处理器和速度检测模块；
所述电流检测模块，用于检测三相逆变桥的输出电流，得到电流信号，并将检测到的电流信号发送给处理器；
所述处理器，用于根据接收到的速度信息得到牵引电机的实际转速信息，根据接收到的电流信号得到三相逆变桥的输出电流，进而得到牵引电机的目标速度信息，并根据牵引电机的目标速度信息及实际转速信息，向所述驱动电路发送PWM控制信号，控制三相逆变桥的输出电流，进而控制牵引电机的转速；
所述速度检测模块，用于检测城市轨道列车的行驶速度，得到速度信息，并将检测到的速度信息发送给处理器。
本发明的有益效果是：本发明能够实时计算列车行驶的速度轨迹，使得被控量目标值能够连续的给出，控制过程更精细，并且具有控制精度高、硬件简单、可靠性高、成本低的特点。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述检测到的速度信息发送给处理器中的正交编码电路，正交编码电路的方向检测逻辑用于确定脉冲序列中超前的相位，并产生一个方向信号，将方向信号发送给处理器中的通用定时器，通用定时器根据方向信号得到牵引电机的实际转速信息。
进一步，所述通用定时器用于根据方向信号进行递增计数或递减计数，进而得到牵引电机的实际转速信息。
进一步，所述电流检测模块与处理器之间还包括信号调理电路，所述信号调理电路将检测到的电流信号进行信号转换，得到电压信号，并将电压信号发送给处理器中的A/D转换模块，将经过A/D转换模块转换的电压信号发送给处理器中的事件管理器。
进一步，所述事件管理器根据经过A/D转换模块转换的电压信号生成PWM控制信号，将PWM控制信号发送给驱动电路，通过驱动电路控制三相逆变桥中的IGBT的导通和关断。
进一步，还包括多功能车辆总线，所述多功能车辆总线用于使速度跟踪控制系统与列车自动监控系统与列车自动防护系统通信。
进一步，所述处理器根据牵引电机的目标速度信息及实际转速信息，利用模糊推理参数及PID算法，向所述驱动电路发送PWM控制信号。
进一步，还包括用于存储模糊推理参数及PID算法的数据信息的存储器。
附图说明
图1为本发明装置结构图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、驱动电路，2、三相逆变桥，3、牵引电机，4、电流检测模块，5、处理器，6、速度检测模块，7、信号调理电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种城市轨道列车的速度跟踪控制系统，包括驱动电路1、三相逆变桥2和牵引电机3，所述驱动电路1的输出端与所述三相逆变桥2连接，所述三相逆变桥2的输出端与牵引电机3的控制端连接，还包括电流检测模块4、处理器5和速度检测模块6；
所述电流检测模块4，用于检测三相逆变桥2的输出电流，得到电流信号，并将检测到的电流信号发送给处理器5；
所述处理器5，用于根据接收到的速度信息得到牵引电机的实际转速信息，根据接收到的电流信号得到三相逆变桥2的输出电流，进而得到牵引电机3的目标速度信息，并根据牵引电机3的目标速度信息及实际转速信息，向所述驱动电路1发送PWM控制信号，控制三相逆变桥2的输出电流，进而控制牵引电机3的转速；
所述速度检测模块6，用于检测城市轨道列车的行驶速度，得到速度信息，并将检测到的速度信息发送给处理器5。
所述检测到的速度信息发送给处理器5中的正交编码电路，正交编码电路的方向检测逻辑用于确定脉冲序列中超前的相位，并产生一个方向信号，将方向信号发送给处理器5中的通用定时器，通用定时器根据方向信号得到牵引电机的实际转速信息。
所述通用定时器用于根据方向信号进行递增计数或递减计数，进而得到牵引电机的实际转速信息。
所述电流检测模块4与处理器5之间还包括信号调理电路7，所述信号调理电路7将检测到的电流信号进行信号转换，得到电压信号，并将电压信号发送给处理器5中的A/D转换模块，将经过A/D转换模块转换的电压信号发送给处理器5中的事件管理器。
所述事件管理器根据经过A/D转换模块转换的电压信号生成PWM控制信号，将PWM控制信号发送给驱动电路，通过驱动电路控制三相逆变桥中的IGBT的导通和关断。
还包括多功能车辆总线，所述多功能车辆总线用于使速度跟踪控制系统与列车自动监控系统与列车自动防护系统通信。
所述处理器5根据牵引电机3的目标速度信息及实际转速信息，利用模糊推理参数及PID算法，向所述驱动电路1发送PWM控制信号。
还包括用于存储模糊推理参数及PID算法的数据信息的存储器。
通常来讲，城市轨道交通路况较长途列车更为单一，站间距离较近，对行驶时间的要求更加严格。列车可根据车上传感器和与轨道应答器获取速度、时间和位置信息。由于列车速度控制存在无法避免的误差，自动驾驶系统不可能严格按照事先设计好的策略运行，这就需要不断对未来的运行策略进行计算和修正。基本运行策略如下：
(1)发车阶段，系统输出最大牵引电流，使列车采用最大加速度在最短时间达到区间堕行速度(即最大牵引加速度)。考虑到乘客舒适性要求，各个地区、路段的地铁设计标准会对最大加速度有所限制(即最大限制加速度)，该最大加速度选取列车最大牵引加速度和该路段的最大限制速度这两者的最小值。若列车不同速度下加速度值不同，则通过分段线性差值得到全速度范围对应的最大加速度；
(2)匀速行驶阶段，列车以允许的最大运行速度行驶，若收到ATP限速指令，则以限速行驶。从较低限速到较高限速加速过程同样采取最大加速度，从较高限速到较低限速采取最大制动力减速；
(3)制动阶段，根据站间总行驶时间T、当前行驶时间t1、当前速度Vt、里程s1和站间总距离S可唯一确定制动时刻t2和减速度a2，即：
由于加速过程均采取最大加速度，因此减速度较加速度较小，时间较长，可以为定点停车留出充足时间和裕度。
确定速度轨迹之后，将其作为被控速度的目标值输入自动控制系统，完成列车速度跟踪任务。针对PID和模糊控制各自的优缺点，提出在常规PID基础上，以被控对象的反馈值与目标值的误差E和误差变化率Ec作为输入，用模糊推理的方法对PID参数Kp、Ki、Kd进行在线自整定，以满足不同的E和Ec，从而使受控对象具有良好的动态性能和静态性能。
我们采用模糊控制中的模糊推理完成PID参数调整，整定规则如下：
1)当E绝对值较大时，Kp应取较大值，以提高响应的快速性；而为了防止Ec瞬时过大，Kd应取较小的值；同时为了避免出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取Ki＝0；
2)当E绝对值处于中等大小时，为使系统响应超调较小，Kp应取小些。在这种情况下，Kd的取值对系统响应影响较大，Ki取值要适当；
3)当E绝对值较小时，为使系统具有较好的稳定性，Kp与Ki均应适当取大些，同时为了避免系统在设定值附近出现震荡，并考虑系统的抗干扰性能，应适当地选取Kd值。Kd值的选择根据|Ec|较大时，Kd取较小值；当|Ec|较小时，Kd取较大值。通常情况下，Kd为中等大小。
考虑到算法实现的快速性和有效性，其硬件系统应采用高速数字信号处理器为核心，能够完成电流环、速度环、位置环的实现与控制，具备相应的外围电路实现信号采集和处理、数字模拟输入输出、通信等功能。因此，硬件采用以TMS320F28335为核心的方案。这是TI公司的一款TMS320C280X系列32位浮点DSP控制器，与以往的定点DSP相比，具有精度高、成本低、功耗小、性能高，外设集成度高、数据以及程序存储量大、A/D转换更精确快速等特点，时钟频率达到150MHz，得益于32位浮点运算单元，用户可以快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多精力和时间，与前代DSP相比，平均性能提高50％，并且兼容定点C28x软件，开发周期短。
使用事件管理器控制三相逆变桥，通过正交编码脉冲外围接口电路处理位置传感器信号，采用A/D单元和I/O单元处理电流电压信号以及操作指令，同时具备MVB通信接口和USB数据接口等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种城市轨道列车的速度跟踪控制系统，包括驱动电路(1)、三相逆变桥(2)和牵引电机(3)，所述驱动电路(1)的输出端与所述三相逆变桥(2)连接，所述三相逆变桥(2)的输出端与牵引电机(3)的控制端连接，其特征在于：还包括电流检测模块(4)、处理器(5)和速度检测模块(6)；
所述电流检测模块(4)，用于检测三相逆变桥(2)的输出电流，得到电流信号，并将检测到的电流信号发送给处理器(5)；
所述处理器(5)，用于根据接收到的速度信息得到牵引电机的实际转速信息，根据接收到的电流信号得到三相逆变桥(2)的输出电流，进而得到牵引电机(3)的目标速度信息，并根据牵引电机(3)的目标速度信息及实际转速信息，向所述驱动电路(1)发送PWM控制信号，控制三相逆变桥(2)的输出电流，进而控制牵引电机(3)的转速；
所述速度检测模块(6)，用于检测城市轨道列车的行驶速度，得到速度信息，并将检测到的速度信息发送给处理器(5)。
2.根据权利要求1所述的速度跟踪控制系统，其特征在于：所述检测到的速度信息发送给处理器(5)中的正交编码电路，正交编码电路的方向检测逻辑用于确定脉冲序列中超前的相位，并产生一个方向信号，将方向信号发送给处理器(5)中的通用定时器，通用定时器根据方向信号得到牵引电机的实际转速信息。
3.根据权利要求2所述的速度跟踪控制系统，其特征在于：所述通用定时器用于根据方向信号进行递增计数或递减计数，进而得到牵引电机的实际转速信息。
4.根据权利要求1所述的速度跟踪控制系统，其特征在于：所述电流检测模块(4)与处理器(5)之间还包括信号调理电路，所述信号调理电路将检测到的电流信号进行信号转换，得到电压信号，并将电压信号发送给处理器(5)中的A/D转换模块，将经过A/D转换模块转换的电压信号发送给处理器(5)中的事件管理器。
5.根据权利要求4所述的速度跟踪控制系统，其特征在于：所述事件管理器根据经过A/D转换模块转换的电压信号生成PWM控制信号，将PWM控制信号发送给驱动电路，通过驱动电路控制三相逆变桥中的IGBT的导通和关断。
6.根据权利要求1至5任一所述的速度跟踪控制系统，其特征在于：还包括多功能车辆总线，所述多功能车辆总线用于使速度跟踪控制系统与列车自动监控系统与列车自动防护系统通信。
7.根据权利要求1至5任一所述的速度跟踪控制系统，其特征在于：所述处理器(5)根据牵引电机(3)的目标速度信息及实际转速信息，利用模糊推理参数及PID算法，向所述驱动电路(1)发送PWM控制信号。
8.根据权利要求7所述的速度跟踪控制系统，其特征在于：还包括用于存储模糊推理参数及PID算法的数据信息的存储器。
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