CN108984970B - 一种轨道列车防空转防滑黏着优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道列车防空转防滑黏着优化控制方法，根据当前轨面黏着情况，在线实时调整阈值及转矩下降斜率和上升斜率；一个防空转防滑调节周期内，下降斜率根据当前轴加速度、转速差采用快降、慢降两步执行；上升斜率根据前一调节周期触发阈值时刻的锁存转矩采用快升、慢升两步执行。本发明以易于提取的加速度、速度差作为判断条件，实时在线调整阈值、斜率，使得输出转矩可根据轨面情况自适应调整，3～5个调节周期后输出转矩趋于平稳，黏着利用率得到有效提高，车辆平稳性及乘客舒适度得到显著提升。

Description

一种轨道列车防空转防滑黏着优化控制方法

技术领域

本发明属于轨道车辆控制技术领域，涉及轨道列车防空转防黏着控制技术，具体地说，涉及一种轨道列车防空转防滑黏着优化控制方法，用于控制轨道车辆与轨面之间的黏着力，防止轨道车辆运行过程中空转和滑行。

背景技术

轨道列车在运行过程中是通过车轮和钢轨之间的有效黏着区域来传递牵引力或制动力。因此轨面的黏着特性直接影响到列车输出的实际牵引力和制动力。通常，轨面干燥时，可用黏着系数没有太大变化；但在遇到雨、雪、大雾天气，或轨道上有落叶、油污等时，轨面变得湿滑，可用黏着系数降低，轨道车辆的牵引力和制动力急剧下降。若动作不及时将引起列车车轮空转或列车滑行现象发生，严重导致擦轮、擦轨甚至冲标等安全问题。

现有工程化应用的方法中，通常采用速度差、加速度及加速度微分相结合的组合校正法来进行列车防空转或防滑行判断。根据初期现场防空转或防滑行实验效果，设定一组合适的阈值及斜率参数。但是列车在实际运行过程中，轨面黏着情况会随着外界环境实时改变，固定的参数难以完全满足现场情况。

参考速度通常来自于网络，网络根据当前工况选取列车所有轴速中合适的轴速作为参考速度传输给牵引系统。由于传输延时，牵引系统实际接收到的参考速度为几百毫秒前的数据。延时引起的参考速度误差随着车辆有效加速度变化而变化，最大可达几km/h。而现有方法中，大部分并未考虑延时引起的参考速度误差；即使考虑也是将参考速度误差设为固定值。

加速度微分，理论上虽然可以加快防空转或防滑行判断、提前动作，但是加速度微分信号包含噪声太大，工程上难于精确实时提取，噪声信号将严重影响输出转矩控制精度。

待优化的防空转或防滑行参数设置、控制方法，轻则导致调节过程中转矩波动大、黏着利用率低、乘客舒适度差，重则导致调节失败从而引起轮轨擦伤。

发明内容

本发明针对现有技术存在的调节过程中转矩波动大、黏着利用率低、乘客舒适度差、不易于工程化等上述问题，提供一种能够根据轨面情况自适应调整牵引或制动转矩输出、黏着利用率高、易于工程化的轨道列车防空转防滑黏着优化控制方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种轨道列车防空转防滑黏着优化控制方法，其具体步骤为：

S101、根据加速度、速度差阈值初值判断是否触发空转或滑行，若触发，则执行步骤S102，否则，下一时刻执行步骤S101继续进行判断；

S102、通过公式(1)计算若干个采样周期内输出转矩有效值，公式(1)表示为：

式中，T_e为输出有效转矩，T_i为采样时刻输出转矩，n为采样数，n个采样周期之和应包含3～5个防空转防滑调节周期；

S103、根据输出有效转矩及车辆载荷信息计算列车有效加速度，忽略相关阻力即可获得黏着不足时当前轨面的近似可用黏着系数，表示为：

μ_e≈a_e＝ρ*T_e/M (2)

式中，μ_e为当前轨面的近似可用黏着系数，a_e为列车有效加速度，ρ为转矩换算到力系数，M为轴重；

S104、计算加速度阈值a_th、速度差阈值ΔV_th、转矩快降斜率η₁、转矩慢降斜率η₂、转矩快升斜率η₃、转矩慢升斜率η₄以及补偿后的参考速度V_r；

S105、判断同一逆变器上并联的所有电机，加速度是否超过加速度阈值a_th，速度差是否超过速度差阈值ΔV_th，调节过程中实际输出转矩是否小于目标给定转矩；若上述三个判断条件中任一一个判断条件满足，则执行步骤S106，否则，返回步骤S101；

S106、在每次转矩上升恢复过程中，当加速度超过加速度阈值a_th或速度差超过速度差阈值ΔV_th时锁存并赋值触发时刻转矩T_lock；

S107、阈值设置滞回区间，具体步骤为：当轴加速度a_n>λ₁*a_th时转矩采用转矩快降斜率η₁下降，当速度差(V_n-V_r)>λ₂*ΔV_th时转矩采用转矩慢降斜率η₂下降；转矩恢复过程中，当输出转矩上升到λ₃*T_lock前采用转矩快升斜率η₃上升，之后按照转矩慢升斜率η₄上升；其中，a_n为轴加速度，V_n为轴速，λ₁为加速度阈值系数，λ₂为速度差阈值系数，λ₃为转矩恢复系数；

S108、输出转矩下降、上升时按照步骤S107进行下降、上升，并返回步骤S102继续执行，直至输出转矩趋于平稳。

优选的，步骤S104中，加速度阈值a_th的计算公式表示为：

a_th＝k₁*a_e+b₁ (3)

式中，k₁、b₁为换算系数；

速度差阈值ΔV_th的计算公式表示为：

ΔV_th＝k₂*μ_e+b₂ (4)

式中，k₂、b₂为换算系数；

转矩快降斜率η₁、转矩慢降斜率η₂、转矩快升斜率η₃、转矩慢升斜率η₄的计算公式表示为：

式中，k₃、k₄、k₅、k₆、b₃、b₄、b₅、b₆为换算系数；

补偿后的参考速度V_r的计算公式表示为：

V_r＝V_tms+a_e*Δt (6)

式中，V_tms为接收到网络的参考速度，Δt为参考速度延时时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的轨道列车防空转防滑黏着优化控制方法，可根据当前轨面黏着情况，在线实时调整阈值及转矩下降斜率和上升斜率；一个防空转防滑调节周期内，下降斜率根据当前轴加速度、转速差采用快降、慢降两步执行；上升斜率根据前一调节周期触发阈值时刻的锁存转矩采用快升、慢升两步执行。相对于现有组合校正法中使用固定阈值、固定斜率，本发明可使输出转矩根据轨面情况自适应调整，3～5个调节周期后输出转矩趋于平稳，黏着利用率得到有效提高，车辆平稳性及乘客舒适度得到显著提升。

(2)本发明仅适用容易提取的加速度、速度差作为保护条件，并实时考虑网络传输延时对参考速度带来的影响，使得速度差阈值设置更加合理，转矩调节过程中波动减小，易于工程化实现。

附图说明

图1为本发明实施例轨道列车防空转防滑黏着优化控制方法的流程图；

图2为本发明实施例不同轨面状态下轮轨间的黏着特性曲线图；

图3为本发明实施例不同可用黏着下输出转矩调节示意图；

图4为本发明实施例防空转防滑调节过程中输出转矩及下降、上升斜率示意图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

参见图1，本发明揭示了一种轨道列车防空转防滑黏着优化控制方法，其具体步骤为：

S101、根据加速度、速度差阈值初值判断是否触发空转或滑行，若触发，则进行防空转防调节，执行步骤S102，否则，下一时刻执行步骤S101继续进行判断。

S102、通过公式(1)计算若干个采样周期内输出转矩有效值，公式(1)表示为：

式中，T_e为输出有效转矩，T_i为采样时刻输出转矩，n为采样数。

输出转矩采用滑动平均滤波法进行有效值计算。为了保证计算的可靠性，设定的n个采样周期之和应包含3～5个调节周期，采样点太少会引起计算结果误差偏大，太多则会导致延时增大，黏着变化时来不及快速反应。

S103、根据输出有效转矩及车辆载荷信息计算列车有效加速度，忽略相关阻力即可获得黏着不足时当前轨面的近似可用黏着系数，表示为：

μ_e≈a_e＝ρ*T_e/M (2)

式中，μ_e为当前轨面的近似可用黏着系数，a_e为列车有效加速度，ρ为转矩换算到力系数，M为轴重。

上述忽略的相关阻力包括基本阻力、坡道阻力及弯道阻力等阻力。

S104、计算加速度阈值a_th、速度差阈值ΔV_th、转矩快降斜率η₁、转矩慢降斜率η₂、转矩快升斜率η₃、转矩慢升斜率η₄以及补偿后的参考速度V_r。

不同黏着特性下列车有效加速度不同，加速度阈值设置偏小易误触发，设置偏大防空转或防滑行动作不及时，导致转矩波动剧烈。因此，加速度阈值应根据当前列车有效加速度进行实时调整。图2所示为不同轨面状态下轮轨间的黏着特性曲线，由图2可知，不同黏着特性下的可用黏着点所对应的蠕化速度不同。

不同黏着特性下黏着利用率应基本保持一致，即转矩波动值与有效黏着转矩比值应基本相同。因此，不同黏着特性下转矩波动幅度不一样，输出转矩如图3所示，转矩下降、上升斜率亦不同。因此，不同黏着下，加速度阈值、速度差阈值及转矩下降、上升斜率应根据当前黏着进行实时调整。具体实施步骤如下：

加速度阈值a_th的计算公式表示为：

a_th＝k₁*a_e+b₁ (3)

式中，k₁、b₁为换算系数。

为了减小输出转矩波动幅度，提高列车平稳性，加速度阈值应随列车有效加速度减小而减小。需注意的是，在高速运行时由于车辆自身及轮轨关系将导致车辆存在一定抖动，加速度计算值也会存在不规则波动。因此，当有效加速度较小时，防止误触发，加速度阈值应设置限幅。

速度差阈值ΔV_th的计算公式表示为：

ΔV_th＝k₂*μ_e+b₂ (4)

式中，k₂、b₂为换算系数。

由图2可知，黏着较差的轨面所对应蠕化速度较黏着较好的大，同样为了保证黏着利用率，防止转矩提前卸载，速度差阈值应随黏着减小而增大。同时出于系统稳定性考虑，速度差阈值设置上、下限幅。

转矩快降斜率η₁、转矩慢降斜率η₂、转矩快升斜率η₃、转矩慢升斜率η₄的计算公式表示为：

式中，k₃、k₄、k₅、k₆、b₃、b₄、b₅、b₆为换算系数。

防空转或防滑行调节时，不同黏着下转矩波动值与有效黏着转矩比值应基本一致，低黏着下转矩下降、上升幅度较高黏着小。因此，转矩下降、上升斜率随可用黏着减小而相应减小。

参考速度通常来自于网络，网络根据当前工况选取列车所有轴速中合适的轴速作为参考速度传输给牵引。由于传输延时，牵引系统实际接收到的参考速度为几百毫秒前的数据。延时引起的参考速度误差随着车辆有效加速度变化而变化，最大可达几km/h。因此，用作蠕化速度计算的参考速度需进行实时补偿修正。

补偿后的参考速度V_r的计算公式表示为：

V_r＝V_tms+a_e*Δt (6)

式中，V_tms为接收到网络的参考速度，Δt为参考速度延时时间。

S105、判断同一逆变器上并联的所有电机，加速度是否超过加速度阈值a_th，速度差是否超过速度差阈值ΔV_th，调节过程中实际输出转矩是否小于目标给定转矩；若上述三个判断条件中任一一个判断条件满足，则执行步骤S106，否则，返回步骤S101。

S106、在每次转矩上升恢复过程中，当加速度超过加速度阈值a_th或速度差超过速度差阈值ΔV_th时锁存并赋值触发时刻转矩T_lock。

触发时刻所用黏着为当前轨面可用黏着临界值，对应的转矩为黏着临界转矩。因此，锁存触发时刻转矩值，在下一时刻转矩恢复过程中作为参考黏着转矩。当输出转矩接近前一时刻锁存转矩时，采用慢升斜率缓慢上升，逐渐趋近轨面可用黏着。

S107、阈值设置滞回区间，防止触发与恢复之间来回波动。调节过程中输出转矩及下降、上升斜率参见图4所示，其具体步骤为：当轴加速度a_n>λ₁*a_th时转矩采用转矩快降斜率η₁下降，当速度差(V_n-V_r)>λ₂*ΔV_th时转矩采用转矩慢降斜率η₂下降；转矩恢复过程中，当输出转矩上升到λ₃*T_lock前采用转矩快升斜率η₃上升，之后按照转矩慢升斜率η₄上升；其中，a_n为轴加速度，V_n为轴速，λ₁为加速度阈值系数，λ₂为速度差阈值系数，λ₃为转矩恢复系数。

由于加速度判断较速度差判断更快，触发空转或滑行时绝大多数为加速度判断先动作。为了尽快达到再黏着，加速度恢复过程转矩采用快降模式；为了防止转矩下降太多，加速度恢复后，速度差恢复过程转矩采用慢降模式。即下降斜率采用快降、慢降两段式，η₁>η₂，同时出于系统稳定性考虑，下降斜率阈值设置上、下限幅。

为了尽快恢复转矩，当转矩上升到上一触发时刻转矩T_lock的λ₃倍前，此时与可用黏着转矩差值相对较大，处于相对安全区域，采用快升模式；当转矩继续上升到接近可用黏着转矩时，避免再次触发空转/滑行，采用慢升模式。即上升斜率采用快升、慢升两段式，η₃>η₄，λ₃<1，同时出于系统稳定性考虑，上升斜率阈值设置上、下限幅。

S108、输出转矩下降、上升时按照步骤S107进行下降、上升，并返回步骤S102继续执行，直至输出转矩趋于平稳。参见图4，几个调节周期后输出轨距趋于平稳，逐渐趋近轨面可用黏着。

本发明上述方法，根据当前轨面黏着情况，以易于提取的加速度、速度差作为判断条件，实时在线调整阈值、斜率，使得输出转矩可根据轨面情况自适应调整。

以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，并非对本发明保护范围的限制，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。

Claims (1)

1.一种轨道列车防空转防滑黏着优化控制方法，其特征在于，其具体步骤为：

S101、根据加速度、速度差阈值初值判断是否触发空转或滑行，若触发，则执行步骤S102，否则，下一时刻执行步骤S101继续进行判断；

S102、通过公式(1)计算若干个采样周期内输出转矩有效值，公式(1)表示为

式中，T_e为输出有效转矩，T_i为采样时刻输出转矩，n为采样数，n个采样周期之和应包含3～5个防空转防滑调节周期；

S103、根据输出有效转矩及车辆载荷信息计算列车有效加速度，忽略相关阻力即可获得黏着不足时当前轨面的近似可用黏着系数，表示为：

μ_e≈a_e＝ρ*T_e/M (2)

式中，μ_e为当前轨面的近似可用黏着系数，a_e为列车有效加速度，ρ为转矩换算到力系数，M为轴重；

S104、计算加速度阈值a_th、速度差阈值ΔV_th、转矩快降斜率η₁、转矩慢降斜率η₂、转矩快升斜率η₃、转矩慢升斜率η₄以及补偿后的参考速度V_r；加速度阈值a_th的计算公式表示为：

a_th＝k₁*a_e+b₁ (3)

式中，k₁、b₁为换算系数；

速度差阈值ΔV_th的计算公式表示为：

ΔV_th＝k₂*μ_e+b₂ (4)

式中，k₂、b₂为换算系数；

转矩快降斜率η₁、转矩慢降斜率η₂、转矩快升斜率η₃、转矩慢升斜率η₄的计算公式表示为：

式中，k₃、k₄、k₅、k₆、b₃、b₄、b₅、b₆为换算系数；

补偿后的参考速度V_r的计算公式表示为：

V_r＝V_tms+a_e*Δt (6)

式中，V_tms为接收到网络的参考速度，Δt为参考速度延时时间；

S105、判断同一逆变器上并联的所有电机，加速度是否超过加速度阈值a_th，速度差是否超过速度差阈值ΔV_th，调节过程中实际输出转矩是否小于目标给定转矩；若上述三个判断条件中任意 一个判断条件满足，则执行步骤S106，否则，返回步骤S101；

S106、在每次转矩上升恢复过程中，当加速度超过加速度阈值a_th或速度差超过速度差阈值ΔV_th时锁存并赋值触发时刻转矩T_lock；

S107、阈值设置滞回区间，具体步骤为：当轴加速度a_n>λ₁*a_th时转矩采用转矩快降斜率η₁下降，当速度差(V_n-V_r)>λ₂*ΔV_th时转矩采用转矩慢降斜率η₂下降；转矩恢复过程中，当输出转矩上升到λ₃*T_lock前采用转矩快升斜率η₃上升，之后按照转矩慢升斜率η₄上升；其中，a_n为轴加速度，V_n为轴速，λ₁为加速度阈值系数，λ₂为速度差阈值系数，λ₃为转矩恢复系数；

S108、输出转矩下降、上升时按照步骤S107进行下降、上升，并返回步骤S102继续执行，直至输出转矩趋于平稳。

Images