CN106184192B - 机车的电子速度控制 - Google Patents

Abstract

一种用于机器的传动系统包括发动机、刹车和操作地耦合至该发动机和刹车的控制器。该控制器被配置为基于第一速度命令信号和第一地面速度信号生成第一速度误差；基于该第一速度误差生成第一发动机速度命令信号；将该第一发动机速度命令信号发送至该发动机；将该第一速度误差与上限阈值进行比较；在该第一速度误差的大小大于该上限阈值的大小时将刹车命令信号设置为实施值；响应于将该刹车命令信号设置为实施值而实施刹车；并且在该刹车命令信号被设置为实施值的同时响应于该第一发动机速度命令信号提高发动机的速度。

Description

机车的电子速度控制

技术领域

本专利公开一般地涉及用于控制机器的地面速度的系统和方法，尤其是涉及一种用于使用操作地耦合至发动机和刹车系统的控制器对机车的地面速度进行控制的系统和方法。

背景技术

闭环控制已知被用于控制机器传输输出的速度，诸如机器的地面速度，机器组件或者其它速度受控的机器部件的旋转速度。一般而言，闭环速度控制通过使得所关心的机器部件的所期望速度和实际速度之间的差值最小化而进行操作。通常，受控实体的实际速度被反馈至控制器中，后者可以实施比例-积分-微分(PID)控制方案来生成功率命令信号。当被应用时，该功率命令信号可以减小实际速度和所期望速度之间的差值。

该控制器通常基于各种增益参数生成功率控制信号。虽然较高的增益最初会针对速度变化输入导致更快的响应，但是这些增益可能导致不稳定性，诸如连续的过冲或振铃。为了更为稳定的速度控制，系统可以从较低的增益值获益。然而，所产生的系统会变得对于操作人员的控制输入响应较差，这会导致操作人员的焦躁和不满，并且在一些情况下还会导致操作人员的错误和低效。

题为“Aggressive and Stable Speed Control”的美国专利申请公开No.2014/0316664(’664公开)提出了解决控制系统中的稳定性问题。’664公开中所描述的系统包括PID控制模块，其被配置为基于速度误差值定期改变比例、微分和积分增益值。然而，’664公开中所描述的系统可能并不适用于一些类型的机器或者一些机器工作条件的速度控制。因此，需要一种有所改进的地面速度控制系统和方法来解决上述问题和/或本领域已知的其它问题。

将会意识到的是，形成该背景技术部分的描述是为了帮助读者，而并非被理解为认可任何所提到的问题本身是本领域已知的。

发明内容

根据本公开的一个方面，一种用于机器的传动系统包括操作地耦合至用于在工作表面上推进该机器的装置的发动机，操作地耦合至用于在该工作表面上推进该机器的装置的刹车，和操作地耦合至该发动机和刹车的控制器。该控制器被配置为基于第一速度命令信号和第一地面速度信号生成第一速度误差，基于该第一速度误差生成第一发动机速度命令信号，将该第一发动机速度命令信号发送至该发动机，将该第一速度误差与上限阈值进行比较，在该第一速度误差的大小大于该上限阈值的大小时将刹车命令信号设置为实施值，响应于将该刹车命令信号设置为实施值而实施刹车，并且在该刹车命令信号被设置为实施值的同时响应于该第一发动机速度命令信号提高发动机的速度。

根据本公开的另一个方面，一种用于控制机器的地面速度的方法包括基于第一速度命令信号和第一地面速度信号生成第一速度误差，基于该第一速度误差生成第一发动机速度命令信号，将该第一发动机速度命令信号从发动机速度控制器发送至该机器的发动机，经由刹车控制器将该第一速度误差与上限阈值进行比较，在该第一速度误差的大小大于该上限阈值的大小时经由该刹车控制器将刹车命令信号设置为实施值，响应于将该刹车命令信号设置为实施值而实施刹车，并且在该刹车命令信号被设置为实施值的同时响应于该第一发动机速度命令信号提高该发动机的速度。

根据本公开的又另一个方面，一种制造品包括在其上进行编码的非瞬态机器可读指令，该指令使得控制器基于第一速度命令信号和第一地面速度信号生成第一速度误差，基于该第一速度误差生成第一发动机速度命令信号，将该第一发动机速度命令信号从发动机速度控制器发送至机器的发动机，经由刹车控制器将该第一速度误差与上限阈值进行比较，在该第一速度误差的大小大于该上限阈值的大小时经由该刹车控制器将刹车命令信号设置为实施值，响应于将该刹车命令信号设置为实施值而实施刹车，并且在该刹车命令信号被设置为实施值的同时响应于该第一发动机速度命令信号提高该发动机的速度。

附图说明

图1是根据本公开的一个方面的机器的侧视图。

图2是根据本公开的一个方面的传动系统的示意图。

图3是根据本公开的一个方面的控制器的示意图。

图4是根据本公开的一个方面的传动系统的处理的流程图。

图5是根据本公开的一个方面的发动机速度控制器的处理的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图对本公开进行详细描述，除非以其它方式有所指定，否则其中同样的附图标记始终指代同样的元素。

图1图示了根据本公开的一个方面的机器100。机器100可以是轨道车辆；“长途运输(over-the-road)”车辆，诸如在运输中使用的卡车；越野车辆；或者可以是执行与诸如采矿、建筑、农业、运输之类的行业或者本领域已知的任意其它行业相关联的操作的任意其它类型的机器。例如，机器100可以是非公路使用的卡车、轨道机车和土方运输机器，诸如装载机、挖掘机、自动倾卸卡车、铲斗机、自动平地机、物料处理机，等等。图1所示的具体机器100是轨道机车。

机器100包括操作地耦合至控制器104的发动机102。发动机102可以是内燃发动机，其包括诸如压缩点火发动机或火花点火发动机的往复式活塞发动机，诸如燃气轮机的涡轮机，它们的组合，或者本领域已知的任意其它内燃发动机。

发动机102可以被配置为生成驱动主发电机108从而产生电力的机械输出。来自主发电机108的电力可以被用来经由一个或多个牵引马达112而沿着工作表面110推进机器100，上述牵引马达112与车轮114操作地耦合。牵引马达112和/或车轮114可以操作地耦合至刹车116以在牵引马达112和/或车轮114上提供制动力。在其它方面，发动机102还可以操作地耦合本领域已知的用于跨工作表面110推进机器100的其它装置。来自主发电机108的电力还可以被引向机器100内的其它辅助性负载，诸如控制系统、加热器、灯光、风扇等。

机器100可以包括操作员驾驶室118，其包括操作地耦合至控制器104的一个或多个控制输入设备120。控制输入设备120可以包括被配置为将来自驾驶室118中的操作人员的人工控制输入传输至控制器104的人工控制输入设备；诸如开环控制器、闭环控制器、可编程逻辑控制器等的自动控制输入设备；诸如有线或无线遥测设备的远程控制输入设备；它们的组合；或者本领域已知的任意其它控制输入设备。

机器100还可以包括至少一个发动机速度传感器122，其与控制器104进行电子通信。发动机速度传感器122可以操作地耦合至发动机102并且被配置为确定发动机102的速度，诸如发动机102的曲轴速度、发动机102的凸轮轴速度或者它们的组合。发动机速度传感器122可以是曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、霍尔效应传感器、光学传感器、电感传感器，或者本领域已知的另一类型的传感器。发动机速度传感器122可以定期向控制器104提供发动机速度信号238(参见图3)。例如，发动机速度传感器122可以每隔20毫秒向控制器104输出当前的发动机速度。发动机速度传感器122还可以被配置为在其接收到来自控制器104的请求信号时发送发动机速度信号238。

机器100还可以包括至少一个地面速度传感器124，其与控制器104进行电子通信。地面速度传感器124可以操作地耦合至牵引马达112和/或车轮114，并且被配置为确定机器100的地面速度。地面速度传感器124可以是包括无轴承车轮速度传感器、光学传感器、磁力传感器，或者本领域已知的其它传感器的车轮速度传感器。地面速度传感器124还可以定期向控制器104提供地面速度信号216(参见图2)。地面速度传感器124还可以被配置为在其接收到来自控制器104的请求信号时发送地面速度信号216。

图2是根据本公开的一个方面的传动系统控制系统200的示意图。传动系统控制系统200可以包括操作连接至发动机102的控制模块202。控制模块202可以包括发动机速度控制器204和刹车控制器206。传动系统控制系统200还可以包括操作地耦合至发动机102的车辆动态模块210和节气阀208。控制模块202、发动机速度控制器204、刹车控制器206和车辆动态模块210可以是在控制器104上进行编程和/或与之进行通信的模块。

传动系统控制系统200可以在求和组块214接收速度命令信号212。速度命令信号212可以表示机器100跨工作表面110的所期望速度值。速度命令信号212可以在求和组块214与车辆动态模块210所生成的地面速度信号216进行叠加。根据本公开的一个方面，求和组块214可以在将地面速度信号216与速度命令信号212进行叠加之前将地面速度信号216的符号取反。车辆动态模块210可以操作地连接至一个或多个地面速度传感器124以便确定地面速度信号216。

求和组块214根据速度命令信号212和地面速度信号216确定速度误差信号218。速度误差信号218可以表示机器100的当前地面速度与机器100的所期望地面速度之间的差值。图2图示了通过将速度命令信号212与地面速度信号216的逆进行叠加而生成速度误差信号218。在其它方面，速度误差信号218可以通过速度命令信号212和地面速度信号216的其它组合形式来生成。另外，如将会意识到的，例如，速度命令信号212和地面速度信号216的逆的叠加可以通过模拟信号的直接叠加来实现，或者基于模拟信号、数字信号或者它们的组合的大小通过数学运算来实现。

速度误差信号218可以被发动机速度控制器204所接收，并且发动机速度控制器204可以基于速度误差信号218而生成发动机速度命令信号220。发动机速度命令信号220可以对应于发动机102的所期望速度，诸如发动机102的曲轴和/或凸轮轴的特定每分钟转数(RPM)。随后参考图3对用于生成发动机速度命令信号220的处理进行更为详细的描述。发动机速度命令信号220被发动机102所接收并且被用来控制发动机102的速度。

如之前所提到的，节气阀208可以操作地耦合至发动机102，并且被配置为向发动机102发送燃料命令信号222。该燃料命令信号222可以对注入发动机102的燃料数量进行调节。燃料命令信号222可以被用来控制发动机102的速度。当传动系统控制系统200工作时，发动机速度命令信号220可以覆盖(override)燃料命令信号222。

速度误差信号218还可以在刹车控制器206处被接收。刹车控制器206可以根据速度误差信号218生成刹车命令信号224。刹车命令信号224可以对应于分别被配置为实施或解除实施刹车116的实施值或解除实施值。刹车命令信号224还可以对应于可变刹车力度信号。例如，刹车116所施加的刹车力度的大小可以与刹车命令信号224的大小成比例。可替换地，刹车控制器206可以将刹车力度在两种离散状态—即解除实施状态和实施状态—之间进行切换。随后参考图3对用于生成刹车命令信号224的处理进行更为详细的描述。刹车命令信号224随后从刹车控制器206发送至车辆动态模块210以控制刹车116。

机器100的地面速度可能由于发动机速度命令信号220和刹车命令信号224而发生变化。例如，如果发动机速度命令信号220大于发动机102的当前发动机速度并且刹车命令信号224被设置在解除实施值，则机器100的地面速度例如可以作为发动机102的功率输出增大的结果而有所提高。可替换地，如果发动机速度信号220小于发动机102的当前发动机速度并且刹车命令信号224被设置在实施值，则机器100的地面速度可以作为刹车116的制动力、发动机102的功率输出减小或者它们的组合的结果而有所下降。车辆动态模块210可以使用地面速度传感器124确定机器100跨工作表面110的地面速度并且将地面速度信号216发送至求和组块214。

图3是根据本公开的一个方面的控制模块202的示意图。如之前所描述的，控制模块202包括发动机速度控制器204和刹车控制器206。发动机速度控制器204可以包括PD控制模块226和可变增益模块228。PD控制模块226可以从求和组块214接收速度误差信号218。速度误差信号218可以在PD控制模块226通过比例增益(Kp)230进行缩放。速度误差模块218还可以在PD控制模块226通过微分增益(Kd)232进行缩放。比例增益230和微分增益232可以被存储在控制模块202的存储器中。另外，比例增益230和微分增益232可以由用户进行配置。在其它方面，控制模块202可以基于机器100的各种参数来确定比例增益230和微分增益232。基于比例增益230和微分增益232，PD控制模块226可以生成经调节的速度误差信号234。在另外的方面，PD控制模块226可以是PID控制器，其被配置为除了比例增益230、微分增益232或者它们的组合之外还利用积分增益(Ki)来生成经调节的速度误差信号234。

可变增益模块228可以从PD控制模块226接收经调节的速度误差信号234。可变增益模块228可以将该经调节的速度误差信号234调节为可以由发动机102进行处理的发动机速度调节信号236。根据本公开的一个方面，经调节的速度误差信号234对应于机器100的地面速度误差并且具有多个速度单位。发动机速度调节信号236可以具有发动机速度的多个单位，诸如每分钟转数(PRM)。可变增益模块228可以将经调节的速度误差信号234的单位改变为相对应的发动机速度值。该缩放可以基于机器100多个的校准因数，包括齿轮比、机器负载或者机器100的其它属性。

发动机速度调节信号236可以在求和组块240与发动机速度信号238进行叠加以生成发动机速度命令信号220。如之前关于图2所提到的，发动机速度命令信号220可以是发动机102的所期望发动机速度。发动机速度信号238可以从操作连接至发动机102的发动机速度传感器122接收。发动机速度命令信号220可以被包含在SAE J1939数据总线通信标准的扭矩/速度控制#1(TSC1)消息的速度数据字段之中。发动机速度命令信号220随后可以被发送至发动机102以控制发动机速度。

如之前所提到的，图3的控制模块202进一步包括刹车控制器206。类似于发动机速度控制器204，刹车控制器206可以从求和组块214接收速度误差信号218。逆增益模块242可以被应用于速度误差信号218以生成经修改的速度误差信号244。该经修改的速度误差信号224可以在刹车控制器206被接收。在其它方面，可以不实施逆增益模块242。刹车控制器206还可以接收上限阈值246和下限阈值248。刹车控制器206可以被配置为基于经修改的速度误差信号244与上/下限阈值246、248之间的比较而生成刹车命令信号224。刹车控制器206可以在经修改的速度误差信号244的大小大于上限阈值246的大小时将刹车命令信号224设置为实施值。刹车控制器可206可以在经修改的速度误差信号244的大小小于下限阈值248的大小时将刹车命令信号224设置为解除实施值。另外，刹车命令信号224可以在经修改的速度误差信号244处于下限阈值248和上限阈值246之间时保持之前值不变。

通过使得上限阈值246大于下限阈值248，传动系统控制系统200可以实施滞后回路，这可以有助于避免可能由于过快地开启和关闭刹车所导致的不稳定性。上限阈值246和下限阈值248可以是控制模块202内预先编程的值。在其它方面，上限阈值246和下限阈值248可以基于在控制输入设备120所接收的用户输入进行配置。

工业应用性

本公开能够应用于用于控制机器100的地面速度的系统和方法，尤其能够应用于用于使用控制器控制机车的地面速度的系统和方法，该控制器操作地耦合至发动机102和刹车系统116。参考图1，机器100可以被配置为经由与车轮114相关联的一个或多个牵引马达112而沿着工作表面110被推进。该牵引马达112可以由来自发动机102的机械输出直接或间接供电。将要意识到的是，例如，牵引马达112可以在牵引马达112从发电机接收电力时由来自发动机102的机械输出间接供电，上述发电机由来自发动机102的轴功率进行驱动。

机器100可以具有稳态空闲地面速度，其对应于发动机102以空闲条件进行工作并且刹车116被解除实施。例如，机器100可以在发动机102在700rpm空闲并且刹车116被解除实施时具有5km/hr的稳态空闲地面速度。

在一些应用中，可能想要将机器100的地面速度控制为低于该稳态空闲地面速度的值。在之前的示例中，可能想要将机器100的地面速度控制为4km/hr的地面速度值，其小于示例性的5km/hr的空闲地面速度。因此，为了将机器100的地面速度控制为低于稳态地面速度，可能期望将刹车命令信号224设置为实施值并且提高机器100的发动机速度直至达到所期望的地面速度。

图4是根据本公开的一个方面的用于传动系统控制系统200的处理400的流程图。处理400可以由控制器104执行。处理400在步骤402开始。在步骤404，确定速度误差信号218。如图3所示，速度误差信号218可以基于求和组块214处的速度命令信号212和地面速度信号216之间的差值来确定。

在步骤406，刹车控制器206确定速度误差信号218的大小是否大于上限阈值246的大小。如果速度误差信号218的大小大于上限阈值246的大小，则处理400进行至步骤408，并且刹车控制器206将刹车命令信号224设置为实施值。如果速度误差信号218的大小小于上限阈值246的大小，则处理400进行至步骤410。在步骤410，刹车控制器206确定速度误差信号218的大小是否小于下限阈值248的大小。如果速度误差信号218的大小小于下限阈值248的大小，则处理400进行至步骤412，并且刹车控制器206将刹车命令信号224设置为解除实施值。如果速度误差信号218的大小并不小于下限阈值248的大小，则该处理进行至步骤414，并且刹车控制器206可以不改变刹车命令信号224。在其它方面，刹车控制器206可以在步骤406之前完成步骤410。

从步骤408、步骤412和/或步骤414，控制器104可以进行至步骤416。在步骤416，发动机速度控制器204生成发动机速度命令信号220。用于生成发动机速度命令信号220的处理在之前已经参考图3进行了描述。在其它方面，步骤416可以独立于步骤404-414完成。例如，控制器104可以在生成刹车命令信号224之前或同时生成发动机速度命令信号220。处理400随后进行至步骤418。在步骤418。可以通过发动机速度命令信号220、刹车命令信号224或者其二者对机器100的地面速度进行调节。因此，在机器100的目标地面速度小于机器100的稳态空闲地面速度时，控制器104可以实施刹车116并且同时提高或降低发动机102的速度。在步骤418之后，处理400在步骤420结束。

图5是根据本公开的一个方面的用于发动机速度控制器204的处理500的流程图。处理500在步骤502开始。在步骤504，可以在PD控制模块226接收速度误差信号218。如图3所示，速度误差信号218可以基于求和组块214处的速度命令信号212和地面速度信号216之间的差值来确定。在步骤506，发动机速度控制器204对速度误差信号218应用比例增益230和微分增益232以生成经调节的速度误差信号234。

在步骤508，可变增益模块228可以对经调节的速度误差信号234应用各种参数以生成发动机速度调节信号236。在步骤510，可以通过将发动机速度调节信号236与发动机速度信号238进行叠加而生成发动机速度命令信号220。在步骤510之后，处理500在步骤512结束。

处理400和处理500可以由控制器104所执行。如将会意识到的，控制器104可以是具有处理器以及诸如存储器、转换器等的可选的其它资源以实施一种或多种控制功能的固态设备。控制器104可以接收一个或多个信号和/或命令输入，它们可以是数字的或模拟的，并且提供一个或多个与控制器104所实施的控制处理相符的输出控制信号。

如这里所使用的，控制器104可以是基于处理器的设备，其通过执行从非瞬态计算机可读介质所读取的计算机可执行指令而进行操作。该非瞬态计算机可读介质可以是硬盘、闪存、RAM、ROM、光学存储器、磁性存储器、它们的组合，以及本领域已知的任意其它机器可读介质。控制器104可以是单个设备或多个设备。此外，控制器104可以是专用控制器或者可以在还提供例如发动机或机器速度控制的一种或多种其它功能的现有控制器内实施。将要意识到的是，这里所描述的任意处理或功能都可以由控制器104所实施或控制。

将要意识到的是，以上描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，所预见到的是，本公开的其它实施方式在细节上可能与之前示例有所不同。针对本公开及其示例的所有引用都意在是指那时所讨论的特定示例而并非意在更为一般地暗示有关本公开范围的任何限制。有关某些特征加以区别和贬低的全部语言都意在指示针对那些特征并无偏好，但是并非完全从本公开的范围对其加以排除，除非另外有所指示。

除非这里另外有所指示，否则这里对数值范围的应用仅是意在用作对落入该范围之内的每个个体值进行单独引用的便捷方法，并且每个个体值都像其在这里被单独引用一样被结合在该说明书中。除非这里另外有所指示或者根据上下文明显存在矛盾，否则本文所描述的所有方法都能够以任意适当顺序来执行。

Claims (10)

1.一种用于机器的传动系统，所述传动系统包括：

发动机，其操作地耦合至用于在工作表面上推进所述机器的装置；

刹车，其操作地耦合至用于在所述工作表面上推进所述机器的装置；和

控制器，其操作地耦合至所述发动机和所述刹车，所述控制器被配置为：

基于第一速度命令信号和第一地面速度信号生成第一速度误差；

基于所述第一速度误差生成第一发动机速度命令信号；

将所述第一发动机速度命令信号发送至所述发动机；

将所述第一速度误差与上限阈值进行比较；

在所述第一速度误差的大小大于所述上限阈值的大小时将刹车命令信号设置为实施值；

响应于将所述刹车命令信号设置为实施值而实施刹车；以及

在所述刹车命令信号被设置为实施值的同时响应于所述第一发动机速度命令信号提高所述发动机的速度。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器进一步被配置为：

基于第二速度命令信号和第二地面速度信号生成第二速度误差；

基于所述第二速度误差生成第二发动机速度命令信号；

将所述第二发动机速度命令信号发送至所述发动机；

将所述第二速度误差与下限阈值进行比较；

在所述第二速度误差的大小小于所述下限阈值的大小时将刹车命令信号设置为解除实施值；

响应于将所述刹车命令信号设置为解除实施值而解除实施刹车；以及

在所述刹车命令信号被设置为解除实施值的同时响应于所述第二发动机速度命令信号调节所述发动机的速度。

3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括操作地耦合至所述控制器的节气阀输入设备，其中所述控制器进一步被配置为：

基于所述机器的节气阀设置生成燃料命令信号；以及

利用所述第一发动机速度命令信号覆盖所述燃料命令信号。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述上限阈值的值等于所述下限阈值的值。

5.根据权利要求2所述的系统，其中所述上限阈值的大小大于所述下限阈值的大小。

6.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一地面速度信号的值等于所述第二地面速度信号的值，并且所述第一速度命令信号的值不等于所述第二速度命令信号的值。

7.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一地面速度信号的值不等于所述第二地面速度信号的值，并且所述第一速度命令信号的值等于所述第二速度命令信号的值。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一速度命令信号的值低于所述机器的稳态空闲地面速度。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其中所述第一速度命令信号对应于所述机器的所期望地面速度。

10.一种用于控制机器的地面速度的方法，所述方法包括：

基于第一速度命令信号和第一地面速度信号生成第一速度误差；

基于所述第一速度误差生成第一发动机速度命令信号；

将所述第一发动机速度命令信号从发动机速度控制器发送至所述机器的发动机；

经由刹车控制器将所述第一速度误差与上限阈值进行比较；

在所述第一速度误差的大小大于所述上限阈值的大小时经由所述刹车控制器将刹车命令信号设置为实施值；

响应于将所述刹车命令信号设置为实施值而实施刹车；以及

在所述刹车命令信号被设置为实施值的同时响应于所述第一发动机速度命令信号提高所述发动机的速度。

Images