CN107544285B - 一种用于架车机组的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于架车机组的控制方法，该控制方法包括上升控制，所述上升控制包括在每台架车机中循环进行步骤S10～S20：步骤S10：架车机获得自身的托架当前的高度信息以及与其分别相连的两台架车机的托架当前的高度信息；步骤S20：根据根据设计的一致性算法计算出上升调控速度计算出上升调控速度，将托架的上升速度调至上升调控速度。该控制方法是一种分布式的控制方法，不存在中心节点，容易扩展。通过建立架车机之间的通信拓扑、设计一致性算法，可以实现精度较高的高度同步控制，同时对初始高度偏差和累积高度偏差具有较好的纠偏能力。

Description

一种用于架车机组的控制方法

技术领域

本发明涉及架车机控制技术领域。

背景技术

随着铁路六次提速的完成，中国进入了高铁时代。为保障高速动车组的安全、可靠的运行，需要定期对动车组车辆进行检修。架车机作为检修过程的必备设备，负责将列车架起到一定高度，方便检修人员的车下作业，检修完成后，将列车降回地面，实现完全落车。架车机在使用时，一般以四个为一组进行一节列车的架车。动车组列车由8节或16节车厢组成，车厢之间连接机构复杂，因此在检修时均以8节或16节车厢整列编组进行架车，同时需要多组架车机的配合工作。在架车过程中，架车机之间升降高度的同步控制至关重要，将直接影响到列车和人员的安全。

目前的架车机同步控制方法均属于集中式控制，即存在一个中心节点，接收各架车机的高度信息，根据高度差计算控制量，再发送给相应架车机。集中式的控制方式对中心节点的依赖较高，一旦中心节点发生问题，会导致整个系统的瘫痪。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于架车机组的控制方法，该控制方法基于架车机组实施，所述架车机组包括n台架车机，n≥4，每台架车机可以获得自身托架当前的高度信息，此外，通过设计的通信拓扑可以获取与其相连的架车机托架的当前的高度信息，所述控制方法包括上升控制，所述上升控制包括在每台架车机中循环进行步骤S10～S20：步骤S10：架车机获得自身的托架当前的高度信息以及与其分别相连的两台架车机的托架当前的高度信息；步骤S20：根据以下算式计算出上升调控速度u_i，将托架的上升速度调至上升调控速度，

式中，

u_i是第i号架车机的上升调控速度，i∈{1，2，3,...,n}；

v₀是架车机的托架的上升速度阈值；

x_i是i号架车机的托架高度；

x_j是j号架车机的托架高度，j∈{1，2，3,...,n}；

如果i号架车机和j号架车机之间不进行高度信息交流则a_ij＝0；

如果i号架车机和j号架车机之间进行高度信息交流则a_ij＝1；

γ＞0。

在一个具体的实施例中，上升速度阈值小于或等于架车机的电机在额定转速时托架的上升速度。

在一个具体的实施例中，所述控制方法还包括下降控制，

所述下降控制包括在每台架车机中循环进行步骤S30～S40：

步骤S30：架车机获得自身的托架当前的高度信息以及与其分别相连的两台架车机的托架当前的高度信息；

步骤S40：根据以下算式计算出下降调控速度w_i，将托架的下降速度调至下降调控速度，

式中，

w_i是第i号架车机的下降调控速度，i∈{1，2，3,...,n)；

v₁是架车机的托架的下降速度阈值；

x_i是i号架车机的托架高度；

x_j是j号架车机的托架高度；

如果i号架车机和j号架车机之间不进行高度信息交流则a_ij＝0；

如果i号架车机和j号架车机之间进行高度信息交流则a_ij＝1；

γ＞0。

在一个具体的实施例中，下降速度阈值小于或等于架车机的电机在额定转速时托架的下降速度。

在一个具体的实施例中，0＜γ≤2。

在一个具体的实施例中，架车机组中的n台架车机按次序依次相连，并且第一台架车机与最后一台架车机相连。

在一个具体的实施例中，架车机包括用于检测托架高度的高度传感器。

在一个具体的实施例中，架车机包括变频器，电连接变频器的电机、传动连接电机的减速器、传动连接减速器且用于驱动托架上升或下降的丝杠副，通过改变变频器输出电流的频率来改变托架的速度。

该控制方法是一种分布式的控制方法，不存在中心节点，容易扩展。通过建立架车机之间的通信拓扑、设计一致性算法，可以实现精度较高的高度同步控制，同时对初始高度偏差和累积高度偏差具有较好的纠偏能力。另外，针对意外停机的这种致命性故障，分布式一致性控制方法可实现自动保护能力，为架车机的故障保护增加了一项安全措施，使设备更加稳定可靠。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明的一个实施例中的架车机分布式一致性控制结构示意图；

图2为本发明的一个实施例中的控制方法采用的通信拓扑图；

图3为本发明的一个实施例中的控制方法测试中采用的通信拓扑图；

图4为本发明的一个实施例中的采用控制方法在测试1下架车机1与其他架车机的高度偏差图；

图5为本发明的一个实施例中的采用控制方法在测试2下架车机之间最大高度偏差图；

图6为本发明的一个实施例中的采用控制方法在测试3下架车机之间最大高度偏差图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，架车机组包括至少三台架车机。架车机可以是移动式架车机。每个架车机包括滑轨、托架、驱动机构、高度传感器以及控制器。滑轨沿竖直方向延伸。托架能沿着滑轨在竖直方向滑动。驱动机构用于驱动托架抬升或降低。高度传感器连接于控制器。高度传感器用于测量托架的高度并将高度信息发送到控制器。控制器用于根据托架的高度信息控制驱动机构驱动托架升降的速度。架车机的托架用于抬起列车车厢。

驱动机构包括变频器、电机、减速器和丝杠副。丝杠副包括丝杠轴以及套装在丝杠螺母。丝杠轴竖直设置。丝杠螺母套装在丝杠轴上，并固定在托架上。电机与减速器传动连接。减速器与丝杠轴传动连接。减速器用于提高电机输出的转矩的大小，并将该转矩传递到丝杠轴上。丝杠轴正转或反转时驱动托架沿滑轨抬升或降低。变频器电连接电机，用于通过改变输出电流的频率对电机调速。控制器连接于变频器，变频器根据控制器输出的控制信号来调节电机的转速进而调节托架的升降速度。控制器可以是PLC控制器。

在本实施例中，多个架车机之间建立通讯拓扑。架车机组中的每个控制器能与其他两台控制器相连接。架车机组中的每个架车机为一个通讯节点。控制器能获取本架车机自身的当前高度信息。控制器还能获取与之相连接的架车机的托盘的当前高度信息。

将每个架车机作为一个节点，可以采用有向图G@(v,ε)表示各个架车机之间的通信拓扑。v＝{v₁,v₂,L,v_n}表示节点集合n为架车机的台数，n≥4；

表示边集合，其中ε_ij＝(v_i,v_j)，ε_ij∈ε表示v_i节点的高度信息可以传递给v_j节点，同时v_i节点称为v_j节点的邻居，

表示v_i节点的信息无法传递给v_j节点，i∈{1，2，3,...,n}，j∈{1，2，3,...,n}。矩阵A∈R^n×n记为有向图G的邻接矩阵，定义为：当ε_ji∈ε时，a_ij＞0；当

时，a_ij＝0。无向图可以看成是有向图的特例，无向图的邻接矩阵是对称的。

有向图G中含有一簇有向生成树当且仅当G中至少有一个节点存在一条有向路径通往其他所有节点，无向图中存在一簇无向生成树等价于无向图是连通的。

将每个架车机当做一个节点，建立多个架车机之间的通信拓扑，并保证通信拓扑包含一簇有向生成树，每个架车机仅获取其邻居节点架车机的当前高度信息。

优选地，架车机组中的多台架车机按次序依次相连，并且第一台架车机与最后一台架车机相连，如图2所示。

用于架车机组的控制方法包括上升控制以及下降控制，上升控制用于控制托架抬升，下降控制用于控制托架下降。

上升控制包括在每台架车机中循环进行步骤S10～S20。

S10：架车机获得自身的托架当前的高度信息以及与之相连的两台架车机的托架当前的高度信息；

单台架车机的控制器从该架车机上的高度传感器获得本台架车机的托架当前的高度信息，该控制器还从与该架车机相连的两台架车机上的高度传感器获得这两台架车机的托架当前的高度信息。

S20：架车机根据各自的托架的高度信息、与其相连的两台架车机的托架的高度信息以及托架的上升速度阈值来获得托架的上升调控速度，将自身托架的上升速度调至上升调控速度。在控制器中计算上升调控速度。

第i号架车机的托架上升调控速度u_i按以下算式计算：

在(1)式中，

v₀是架车机的托架的上升速度阈值，单位mm/min；

x_i是i号架车机的托架高度，单位mm；

x_j是j号架车机的托架高度，单位mm；

如果i号架车机和j号架车机之间不进行高度信息交流则a_ij＝0；

如果i号架车机和j号架车机之间进行高度信息交流则a_ij＝1；

γ是一致性控制里的参数设计，其为预设值，γ＞0。

托架的上升速度阈值是一个预设值，是为了确保托架平稳上升的最大限速。托架的上升速度阈值小于或等于架车机的电机在额定转速时托架的上升速度。优选地，托架的上升速度阈值等于架车机的电机在额定转速时托架的上升速度。这样，当架车机的升降速度不能超过预设的上升速度阈值时，架车机的电机的转速不会超过电机的额定转速，从而避免因变频器进入恒功率状态而导致的架车不稳。

优选地，0＜γ≤2，这样既有较高的纠偏速度，又可以避免因过大的γ值而造成输入信号的抖振。

变频器输出电流的频率与架车机的托架的升降速度成正比，并且该频率与升降速度之间的比例系数已知。通过控制器改变变频器输出电流的频率来使得托架的上升速度调至上升调控速度。

下降控制包括在每台架车机中循环进行步骤S30～S40。

S30：架车机获得自身的托架当前的高度信息以及与之相连的两台架车机的托架当前的高度信息；

单台架车机的控制器从该架车机上的高度传感器获得本台架车机的托架当前的高度信息，该控制器还从与该架车机相连的两台架车机上的高度传感器获得这两台架车机的托架当前的高度信息。

S40：架车机根据各自的托架的高度信息、与其相连的两台架车机的托架的高度信息以及托架的下降速度阈值来获得托架的下降调控速度，将自身托架的下降速度调至下降调控速度。在控制器中计算下降调控速度。

第i号架车机的托架下降调控速度w_i按以下算式计算：

在(2)式中，

v₁是架车机的托架的下降速度阈值，单位mm/min；

x_i是i号架车机的托架高度，单位mm；

x_j是j号架车机的托架高度，单位mm；

如果i号架车机和j号架车机之间不进行高度信息交流则a_ij＝0；

如果i号架车机和j号架车机之间进行高度信息交流则a_ij＝1；

γ是一致性控制里的参数设计，其为预设值，γ＞0。

托架的下降速度阈值是一个预设值，是为了确保托架平稳下降的最大限速。托架的下降速度阈值小于或等于架车机的电机在额定转速时托架的下降速度。优选地，托架的下降速度阈值等于架车机的电机在额定转速时托架的下降速度。这样，当架车机的下降速度不能超过预设的下降速度阈值时，架车机的电机的转速不会超过电机的额定转速，从而避免因变频器进入恒功率状态而导致的架车不稳。

优选地，0＜γ≤2，这样既有较高的纠偏速度，又可以避免因过大的γ值而造成输入信号的抖振。

由于变频器输出电流的频率与架车机的托架的下降速度成正比，并且该频率与下降速度之间的比例系数已知。通过控制器改变变频器输出电流的频率来使得托架的下降速度调至下降调控速度。

在本实施例中，通过设计多个体之间的通信拓扑和一致性算法，使多个体对所关心的变量达成共识。由于其结构简单，易于实现，一致性理论在诸多领域中都有广泛的应用。本实施例中将一致性理论应用到架车机的控制中，并考虑到执行器的饱和现象，设计一种饱和约束下的一致性算法，实现架车机的分布式高度同步控制。该控制方法是一种分布式的控制方法，不存在中心节点，容易扩展。通过建立架车机之间的通信拓扑、设计一致性算法，可以实现精度较高的高度同步控制，同时对初始高度偏差和累积高度偏差具有较好的纠偏能力。另外，针对意外停机的这种致命性故障，分布式一致性控制方法可实现自动保护能力，为架车机的故障保护增加了一项安全措施，使设备更加稳定可靠。

为了验证用于架车机组的控制方法在高度同步控制上的有效性，以四个移动式架车机1、2、3、4为例，进行了仿真分析，仿真平台为MATLAB。架车机1、2、3、4依次两两相连。架车机基准速度为300mm/min，此时对应变频器50Hz的额定频率。首先设计四个架车机的无向通信拓扑如图3所示。

进行了如下三组仿真：

(1)初始高度偏差下的纠偏能力

仿真设置：γ＝0.4，架车机2，3，4保持相同的初始高度，架车机1有一个+4mm的高度偏差。在此初始高度条件下，采用本发明所述方法进行了仿真。架车机1与其他架车高度偏差曲线如图4所示，可见在本发明所述控制方法下可以实现初始高度偏差的纠偏。

(2)累积高度偏差下的纠偏能力

仿真设置：γ＝0.4，所有架车机在初始高度相同，架车机2，3，4以50Hz对应的速度上升，架车机1以30Hz对应的速度上升，30s后恢复到50Hz对应的速度。采用本发明所述方法进行了仿真，架车机之间最大高度偏差曲线如图5所示，可见在本发明所述控制方法下可以实现累积高度偏差下的纠偏。

(3)故障停机下的自动保护能力

仿真设置：γ＝1，设置1号架车机的高度为0mm，其他架车机在一致性算法下进行上升。采用本发明所述方法进行了仿真，架车机之间最大高度偏差曲线如图6所示，可见在本发明所述控制方法下可以实现架车机的自动停机，从而避免出现较大的高度偏差。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种用于架车机组的控制方法，所述控制方法基于架车机组实施，

所述架车机组包括n台架车机，n≥4，每台架车机能获得自身托架当前的高度信息以及与其相连的架车机托架的当前的高度信息，

所述控制方法包括上升控制，所述上升控制包括在每台架车机中循环进行步骤S10～S20：

步骤S10：架车机i获得自身的托架当前的高度信息以及与其分别相连的两台架车机的托架当前的高度信息；

步骤S20：根据以下算式计算出上升调控速度u_i，将托架的上升速度调至上升调控速度，

式中，

u_i是第i号架车机的上升调控速度，i∈{1，2，3,...,n}；

v₀是架车机的托架的上升速度阈值；

x_i是i号架车机的托架高度；

x_j是j号架车机的托架高度，j∈{1，2，3,...,n}；

如果i号架车机和j号架车机之间不进行高度信息交流则a_ij＝0；

如果i号架车机和j号架车机之间进行高度信息交流则a_ij＝1；

γ＞0。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，上升速度阈值小于或等于架车机的电机在额定转速时托架的上升速度。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括下降控制，

所述下降控制包括在每台架车机中循环进行步骤S30～S40：

步骤S30：架车机i获得自身的托架当前的高度信息以及与其分别相连的两台架车机的托架当前的高度信息；

步骤S40：根据以下算式计算出下降调控速度w_i，将托架的下降速度调至下降调控速度，

式中，

w_i是第i号架车机的下降调控速度，i∈{1，2，3,...,n}；

v₁是架车机的托架的下降速度阈值；

x_i是i号架车机的托架高度；

x_j是j号架车机的托架高度，j∈{1，2，3,...,n}；

如果i号架车机和j号架车机之间不进行高度信息交流则a_ij＝0；

如果i号架车机和j号架车机之间进行高度信息交流则a_ij＝1；

γ＞0。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，下降速度阈值小于或等于架车机的电机在额定转速时托架的下降速度。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，0＜γ≤2。

6.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，架车机组中的n台架车机按次序依次相连，并且第一台架车机与最后一台架车机相连。

7.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，架车机包括用于检测托架高度的高度传感器。

8.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，架车机包括变频器，电连接变频器的电机、传动连接电机的减速器、传动连接减速器且用于驱动托架上升或下降的丝杠副，通过改变变频器输出电流的频率来改变托架的速度。

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