CN107472292A - 基于速度的分段制动力控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于速度的分段制动力控制方法，包括步骤为：100%制动级位时减速度与速度曲线；绘制其他制动级位时减速度与速度曲线；速度信号采集；制动级位施加；减速度确定和电制动力计算与施加步骤。本发明将电制动的能力曲线作为分段制动力控制的依据，通过速度传感器输出的速度信号及车辆制动施加级位，制动系统自动按照制动曲线上对应的减速度进行制动控制能够有效解决高速段滑行及过渡磨耗的问题。
Description
技术领域
本发明涉及轨道车辆制动系统设计领域，特别是一种基于速度的分段制动力控制方法。
背景技术
随着国内地铁车辆运营速度不断提高，部分城市已开通运营时速120km/h的城际线路，然而，目前车辆制动均采用恒制动力施加的控制方法，这样，将存在着如下问题：
1.由于轮轨粘着系数随着速度的增加而减小，列车在高速段轮轨粘着系数降低，此时，以恒定制动力的控制方法易发生滑行。
2.在国内120km/h地铁滑行试验时发现在95km/h到110km/h速度区段内滑行次数占比较高，且高速段列车发生滑行对制动距离的延长非常明显。
3.由于高速时电机的恒功特性，电制动能力降低，导致高速制动时一直补充空气制动，增加了闸片的磨耗和维护成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于速度的分段制动力控制方法，该基于速度的分段制动力控制方法将电制动的能力曲线作为分段制动力控制的依据，通过速度传感器输出的速度信号及车辆制动施加级位，制动系统自动按照制动曲线上对应的减速度进行制动控制能够有效解决高速段滑行及过渡磨耗的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于速度的分段制动力控制方法，包括如下步骤。
步骤1，绘制电制动等效减速度曲线：先以速度V为横轴，且速度的取值范围为0-120km/h；再以减速度a为纵轴，绘制电制动恒功特性下的电制动等效减速度曲线；电制动等效减速度曲线绘制时采用100％电制动力；绘制完成后的电制动等效减速度曲线中，速度V在0-95km/h区间为低速区段，列车以等效减速度a1运行，速度V在95-120km/h区间为高速区段，列车以变减速运行，其中，在120km/h所对应的等效减速度为a2。
步骤2，绘制100％制动级位时等效减速度与速度曲线：在与步骤1相同的坐标轴下，按照如下公式(1)，绘制100％制动级位时等效减速度与速度曲线；绘制后曲线存储在制动系统或牵引系统中。
式中，a1和a0均为常数，a0为100％制动级位时等效减速度与速度曲线中120km/h所对应的等效减速度，a1>a0，且a0为a2的0.9-0.95倍。
步骤3，绘制其他制动级位时等效减速度与速度曲线：其他制动级位包括90％制动级位、70％制动级位、50％制动级位和30％制动级位；在与步骤1相同的坐标轴下，按照如下公式(2)，依次绘制其他制动级位中每个制动级位所对应的减速度与速度曲线；绘制后曲线存储在制动系统或牵引系统中；
式中，k为对应制动级位的比例值。
步骤4，速度信号采集：地铁列车上设置有速度传感器，且速度传感器分别与信号系统、制动系统和牵引系统相连接；速度传感器对地铁列车的速度信号进行实时采集，并将采集的速度信号同时传送给信号系统、制动系统和牵引系统。
步骤5，制动级位施加：列车控制单元VCU根据司控器或信号系统发出的制动指令及电流模拟量信号，要求制动系统及牵引系统根据制动级位施加制动。
步骤6，减速度确定：减速度确定方法，包括如下步骤。
步骤61，选择制动级位减速度与速度曲线：制动系统或牵引系统根据步骤5施加的制动级位，按照制动级位中比例值相等原则，从步骤2和步骤3存储的制动级位减速度与速度曲线中选择所需要的制动级位减速度与速度曲线。
步骤62，减速度确定：根据步骤4采集的速度信号，从步骤61选择的制动级位减速度与速度曲线中，选择与速度信号相对应的减速度值，即为所需确定的减速度。
步骤7，电制动力计算与施加：制动系统或牵引系统根据步骤62确定列车所处的实时减速度，同时根据载荷信号计算整车所需的制动力，并向牵引系统发送经计算后的电制动力请求值，使地铁列车按步骤62确定的减速度运行。
步骤7中，电制动力计算时：以步骤2和步骤3存储的制动级位减速度与速度曲线为依据，在95-120km/h的高速区段时，将变减速度斜线拟合成一个上升阶跃曲线，台阶宽度为0.5-1.5km/h。
公式(1)中，a1＝1.074和a0＝0.88。
步骤4中的速度传感器为三通道传感器。
步骤4中，司控器或信号系统对制动系统进行制动级位施加，制动系统通过接口与牵引系统相连接，牵引系统向制动系统发送基于转向架的“电制动力能力值”以及“电制动状态”；制动系统向牵引系统发送基于有效动力转向架的“电制动力请求”；牵引系统接收到“电制动力请求”信号后，施加制动系统所请求的电制动力；同时，牵引系统需向制动系统反馈“电制动力实际值”。
制动系统将通过列车控制网络MVB向牵引系统发送基于有效动力转向架的“电制动力请求”。
制动系统将通过列车控制网络MVB向牵引系统发送基于有效动力转向架的“电制动力请求”。
本发明具有如下有益效果：
1、不再单一根据车辆制动级位按照恒定减速度进行控制，而是增加速度信号，根据速度的变化施加不同的减速度。
2、根据轮轨可用粘着情况，将速度分为0km/h-95km/h低速区段及95km/h-120km/h高速区段，低速区段采用恒减速度控制，高速区段采用变减速度控制，以速度95km/h为分界点，实现制动减速度的效率和轮轨粘着利用的平衡，提供对电制动能力的充分利用，减少闸片的磨耗和后期维护成本。
3、信号系统、牵引系统及制动系统所采用的速度来源一致，避免由于速度不一致带来的各系统需求的车辆减速度的不吻合。
4、对不同的制动指令采用了跟制动级位等比例的方式进行制动减速度控制。
5、分段制动力曲线中减速度定义同时根据轮轨间粘着及电制动能力曲线，原则是100％利用电制动，高速区段制动减速度曲线依据电制动恒功特性曲线，在高速度段不在进行空气制动的补充，减少闸片磨耗。
6、分段制动力曲线在高速段在充分利用电制动的同时，由于空气制动实时计算滞后于电制动的施加及反馈，随着速度的降低，空气制动对减速度的需求逐渐增加，本方面在高速区段分段制动力采用下切电制动恒功特性曲线，以使制动减速度需求小于电制动能力5-10％，保证高速段完全利用电制动进行制动。
7、在电空制动混合时，在电制动力足以满足制动需求的情况下为防止空气制动系统补充不必要的空气制动力。
附图说明
图1显示了本发明中100％制动级位时减速度与速度曲线。
图2显示了不同制动级位对应的分段制动力曲线。
图3显示了分段制动力曲线和电制动恒功特性曲线的关系图。
图4显示了本发明中分段制动力控制方法的数据接口框图。
图5显示了上升阶跃拟合曲线的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明中，将速度分为0-95km/h的低速区段及95-120km/h的高速区段。
如图1、图2、图3和图4所示，一种基于速度的分段制动力控制方法，包括如下步骤。
步骤1，绘制电制动等效减速度曲线。
先以速度V为横轴，且速度的取值范围为0-120km/h；再以减速度a为纵轴，绘制如图3所示的电制动恒功特性下的电制动等效减速度曲线。
电制动等效减速度曲线绘制时采用100％电制动力，也即采用最大电制动力。
绘制完成后的电制动等效减速度曲线中，速度V在0-95km/h区间为低速区段，列车以等效减速度a1运行，速度V在95-120km/h区间为高速区段，列车以变减速运行，其中，在120km/h所对应的等效减速度为a2，如图3所示，a2＝0.93。
步骤2，绘制100％制动级位时制动等效减速度与速度曲线。
在与步骤1相同的坐标轴下，按照如下公式(1)，绘制100％制动级位时等效减速度与速度曲线；绘制后曲线存储在制动系统或牵引系统中。
式中，a1和a0均为常数，a0为100％制动级位时等效减速度与速度曲线中120km/h所对应的等效减速度，a1>a0，且a0为a2的0.9-0.95倍。
本发明中，a1优选为1.074，a0优选为a2的0.94倍，也即a0＝0.88，绘制完成后的100％制动级位时等效减速度与速度曲线如图1所示。
从图1可知，低速区段采用恒减速度控制，高速区段采用变减速度控制，从初速度120km/h开始制动，减速度随着速度的降低逐渐增大。
将绘制完成后的100％制动级位时等效减速度与速度曲线与步骤1绘制的电制动等效减速度曲线放置在一张表中，如图3所示，可以看出，在95-120km/h高速区段，100％制动级位时等效减速度与速度曲线位于电制动等效减速度曲线的下方，也即电制动力保留有10％左右的余量，体现了充分利用电制动的原则。
另外，95km/h处的变减速度曲线与电制动等效减速度曲线点保持一致，即满足整车1.074的减速度要求，从95km/h开始变减速度的曲线为直线，与电制动等效减速度曲线(弧线)从95km/h开始相切，到120km/h的减速度为0.88，保证变减速度曲线在电制动等效减速度曲线下方，在制动过程中，整车制动力可由电制动完全施加，避免使用空气制动，减少闸瓦磨耗。
步骤3，绘制其他制动级位时制动等效减速度与速度曲线：其他制动级位包括90％制动级位、70％制动级位、50％制动级位和30％制动级位；在与步骤1相同的坐标轴下，按照如下公式(2)，依次绘制如图2所示的其他制动级位中每个制动级位所对应的减速度与速度曲线；绘制后曲线存储在制动系统或牵引系统中。
式中，k为对应制动级位的比例值，k取值分别为90％、70％、50％或30％。
如图2所示，以列车施加50％制动级位为例，全速度区段内制动减速度均为100％制动级位对应的减速度的50％。
步骤4，速度信号采集：地铁列车上设置有速度传感器，且速度传感器信号分别与信号系统、制动系统和牵引系统相连接；速度传感器对地铁列车的速度信号进行实时采集，并将采集的速度信号同时传送给信号系统、制动系统和牵引系统。
进一步，上述速度传感器优选为三通道传感器。
上述司控器或信号系统优选对制动系统进行制动级位施加，如图4所示制动系统通过接口与牵引系统相连接，牵引系统向制动系统发送基于转向架的“电制动力能力值”以及“电制动状态”；制动系统优选通过列车控制网络MVB向牵引系统向牵引系统发送基于有效动力转向架的“电制动力请求”；牵引系统接收到“电制动力请求”信号后，施加制动系统所请求的电制动力；同时，牵引系统需向制动系统反馈“电制动力实际值”。
上述制动系统也即空气制动系统。
本发明100％利用电制动，高速区段制动减速度曲线依据电制动恒功特性曲线，在高速度段不在进行空气制动的补充，减少闸片磨耗。
上述制动系统的设置方式，能为牵引系统中的电制动提供保障，防止停电或电路故障。
步骤5，制动级位施加：列车控制单元VCU根据司控器或信号系统发出的制动指令及电流模拟量信号(4-20mA)，要求制动系统及牵引系统根据制动级位(电流模拟量信号)施加制动。
步骤6，减速度确定：减速度确定方法，包括如下步骤。
步骤61，选择制动级位减速度与速度曲线：制动系统或牵引系统根据步骤5施加的制动级位，按照制动级位中比例值相等原则，从步骤2和步骤3存储的制动级位减速度与速度曲线中选择所需要的制动级位减速度与速度曲线。
步骤62，减速度确定：根据步骤4采集的速度信号，从步骤61选择的制动级位减速度与速度曲线中，选择与速度信号相对应的减速度值，即为所需确定的减速度。
步骤7，电制动力计算与施加：制动系统或牵引系统根据步骤62确定列车所处的实时减速度，同时根据载荷信号计算整车所需的制动力，并向牵引系统发送经计算后的电制动力请求值，使地铁列车按步骤62确定的减速度运行。
本发明中，优选为制动系统根据步骤62确定列车所处的实时减速度，同时根据载荷信号计算整车所需的制动力，制动系统将根据图4向牵引系统发送电制动力请求值，电制动将根据自身能力尽力发挥电制动力，牵引系统并实时向制动系统发送电制动力实际值，如电制动实际值能够满足电制动力请求值，则空气制动不补充，整车减速度将按变减速度曲线进行制动；如电制动实际值不能够满足电制动力请求值，则空气制动补充剩余制动力，整车减速度仍将按变减速度曲线进行制动。
步骤7中，电制动力计算时：以步骤2和步骤3存储的制动级位减速度与速度曲线为依据，在95-120km/h的高速区段时，将变减速度斜线拟合成一个上升阶跃曲线，如图5所示，台阶宽度优选为0.5-1.5km/h。
这样，电制动力能够有充足的时间响应并施加，实际变减速度的曲线是由图5所示的上升阶跃曲线拟合而成。这样制动系统在一个台阶起点根据当前速度计算整车制动力，在台阶范围内由足够的时间发送电制动请求值和接受电制动实际值，并让电制动充分施加，当达到下一个台阶起点时，制动系统将再次根据实际车速计算整车制动力，这样可以降低牵引和制动的数据处理量，因为制动速度采样为32ms，若不设置台阶宽度，制动力的变化周期将为32ms，整车制动力将一直处于抖动状态，电制动未完全建立，新的电制动需求值已经发生变化，不利于车辆抖动和平稳性控制。
由此可见，本发明构思奇巧、控制简单，实现方便。一方面降低高速区段对轮轨间粘着需求，极大程度上减低了列车的滑行，降低列车滑行后的冲标风险，另一方面充分利用电制动能力，做到在高速区段制动力需求值不超过电制动恒功特性曲线，高速区段不补充空气制动，降低闸片的磨耗。本发明在时速100km/h以上高架线路地铁或城际列车可以有很广泛的应用。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于速度的分段制动力控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，绘制电制动等效减速度曲线：先以速度V为横轴，且速度的取值范围为0-120km/h；再以减速度a为纵轴，绘制电制动等效减速度曲线；电制动等效减速度曲线绘制时采用100％电制动力；绘制完成后的电制动等效减速度曲线中，速度V在0-95km/h区间为低速区段，列车以等效减速度a1运行，速度V在95-120km/h区间为高速区段，列车以电制动恒功特性下的变减速曲线运行，其中，在120km/h所对应的等效减速度为a2；
步骤2，绘制100％制动级位时制动等效减速度与速度曲线：在与步骤1相同的坐标轴下，按照如下公式(1)，绘制100％制动级位时等效减速度与速度曲线；绘制后曲线存储在制动系统或牵引系统中；
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式中，a1和a0均为常数，a0为100％制动级位时等效减速度与速度曲线中120km/h所对应的等效减速度，a1>a0，且a0为a2的0.9-0.95倍；
步骤3，绘制其他制动级位时制动等效减速度与速度曲线：其他制动级位包括90％制动级位、70％制动级位、50％制动级位和30％制动级位；在与步骤1相同的坐标轴下，按照如下公式(2)，依次绘制其他制动级位中每个制动级位所对应的减速度与速度曲线；绘制后曲线存储在制动系统或牵引系统中；
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式中，k为对应制动级位的比例值；
步骤4，速度信号采集：地铁列车上设置有速度传感器，且速度传感器信号分别与信号系统、制动系统和牵引系统相连接；速度传感器对地铁列车的速度信号进行实时采集，并将采集的速度信号同时传送给信号系统、制动系统和牵引系统；
步骤5，制动级位施加：列车控制单元VCU根据司控器或信号系统发出的制动指令及电流模拟量信号，要求制动系统及牵引系统根据制动级位施加制动；
步骤6，减速度确定：减速度确定方法，包括如下步骤：
步骤61，选择制动级位减速度与速度曲线：制动系统或牵引系统根据步骤5施加的制动级位，按照制动级位中比例值相等原则，从步骤2和步骤3存储的制动级位减速度与速度曲线中选择所需要的制动级位减速度与速度曲线；
步骤62，减速度确定：根据步骤4采集的速度信号，从步骤61选择的制动级位减速度与速度曲线中，选择与速度信号相对应的减速度值，即为所需确定的减速度；
步骤7，电制动力计算与施加：制动系统或牵引系统根据步骤62确定列车所处的实时减速度，同时根据载荷信号计算整车所需的制动力，并向牵引系统发送经计算后的电制动力请求值，使地铁列车按步骤62确定的减速度运行。
2.根据权利要求1所述的基于速度的分段制动力控制方法，其特征在于：步骤7中，电制动力计算时：以步骤2和步骤3存储的制动级位减速度与速度曲线为依据，在95-120km/h的高速区段时，将变减速度斜线拟合成一个上升阶跃曲线，台阶宽度为0.5-1.5km/h。
3.根据权利要求1所述的基于速度的分段制动力控制方法，其特征在于：公式(1)中，a1＝1.074和a0＝0.88。
4.根据权利要求1所述的基于速度的分段制动力控制方法，其特征在于：步骤4中的速度传感器为三通道传感器。
5.根据权利要求1所述的基于速度的分段制动力控制方法，其特征在于：步骤4中，司控器或信号系统对制动系统进行制动级位施加，制动系统通过接口与牵引系统相连接，牵引系统向制动系统发送基于转向架的“电制动力能力值”以及“电制动状态”；制动系统向牵引系统发送基于有效动力转向架的“电制动力请求”；牵引系统接收到“电制动力请求”信号后，施加制动系统所请求的电制动力；同时，牵引系统需向制动系统反馈“电制动力实际值”。
6.根据权利要求5所述的基于速度的分段制动力控制方法，其特征在于：制动系统将通过列车控制网络MVB向牵引系统发送基于有效动力转向架的“电制动力请求”。
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