CN109455203A

CN109455203A - 列车运行速度自动控制方法、装置、设备、系统及介质

Info

Publication number: CN109455203A
Application number: CN201910077359.1A
Authority: CN
Inventors: 刘佳政; 任颖; 陈昕; 鲍旭红; 徐娟; 田昌宇; 杨晓荣; 李澎东; 谭力天; 姜宏阔
Original assignee: Hunan CRRC Times Signal and Communication Co Ltd
Current assignee: Hunan CRRC Times Signal and Communication Co Ltd
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2019-03-12
Anticipated expiration: 2039-01-28
Also published as: CN109455203B

Abstract

本申请公开了一种列车运行速度自动控制方法，包括：接收速度传感器发送的实际速度和加速度传感器发送的实际加速度；根据目标速度和实际速度计算速度误差；根据速度误差计算参考加速度；根据参考加速度和实际加速度计算加速度误差；采用预设控制算法根据加速度误差进行计算；输出对应的列车控制量至列车的牵引系统或者制动系统，以调节实际速度。本申请基于加速度误差而对列车的运行速度进行了自动控制，可有效提高控制精度和鲁棒性，一定程度上抑制了列车行驶速度的大震荡与突变，提高了乘客们的乘坐舒适性。本申请还提供了一种列车运行速度自动控制装置、设备、系统及计算机可读存储介质，同样具有上述有益效果。

Description

列车运行速度自动控制方法、装置、设备、系统及介质

技术领域

本申请涉及列车控制技术领域，特别涉及一种列车运行速度自动控制方法、装置、设备、系统及计算机可读存储介质。

背景技术

随着我国轨道交通的高速发展，列车高效率、高密度的运营需求不断增长，对轨道交通中列车控制技术的要求也越来越高，基于通信的列车控制系统（Communication BasedTrain Control System，CBTC）应运而生。列车自动驾驶系统（Automatic TrainOperation，ATO）是列车控制系统中的核心系统之一，可对列车运行速度进行实时调控等，实现列车自动驾驶，从而提高列车运行效率并降低运输成本和司机工作中的劳动强度。现有技术中，列车自动驾驶系统一般均是直接基于列车的速度误差进行牵引或制动调控的，而由于速度信号一般会有延迟问题，因此会影响到最终的控制精度，并且，该控制方法的鲁棒性较差，当速度发生突变或者出现较大扰动时，会严重降低乘客的乘坐舒适性。鉴于此，提供一种解决上述问题的方法，是本领域技术人员目前所亟需关注的。

发明内容

本申请的目的在于提供一种列车运行速度自动控制方法、装置、设备、系统及计算机可读存储介质，以便有效地提高控制精度和鲁棒性，保障乘客的乘坐舒适性。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请提供一种列车运行速度自动控制方法，包括：

接收速度传感器发送的实际速度和加速度传感器发送的实际加速度；

根据目标速度和所述实际速度计算速度误差；

根据所述速度误差计算参考加速度；

根据所述参考加速度和所述实际加速度计算加速度误差；

采用预设控制算法根据所述加速度误差进行计算；

输出对应的列车控制量至列车的牵引系统或者制动系统，以调节所述实际速度。

可选地，所述根据所述速度误差计算参考加速度包括：

根据输入的列车基准加速度指令确定基准加速度；

根据所述列车当前的运行路况信息确定坡度加速度；

将所述速度误差与预设牵引制动补偿增益的乘积作为补偿加速度；

将所述基准加速度与所述坡度加速度与所述补偿加速度之和作为所述参考加速度。

可选地，所述采用预设控制算法根据所述加速度误差进行计算包括：

采用PID控制算法根据所述加速度误差计算PID控制量，以便根据所述PID控制量输出对应的所述列车控制量至列车的牵引系统或者制动系统。

可选地，所述采用PID控制算法根据所述加速度误差计算PID控制量包括：

采用积分分离的PID控制算法根据所述加速度误差计算所述PID控制量。

可选地，在所述采用PID控制算法根据所述加速度误差计算PID控制量之后，还包括：

对所述PID控制量进行低通滤波。

可选地，所述根据所述PID控制量输出对应的列车控制量包括：

根据所述PID控制量计算本控制周期的所述列车控制量；

判断所述列车控制量相对于上个控制周期的变化量是否超出预设控制变化量限值；

若否，则输出所述列车控制量；

若是，则对所述列车控制量进行修正并输出。

第二方面，本申请还提供了一种列车运行速度自动控制装置，包括：

接收模块，用于接收速度传感器发送的实际速度和加速度传感器发送的实际加速度；

计算模块，用于根据目标速度和所述实际速度计算速度误差；根据所述速度误差计算参考加速度；根据所述参考加速度和所述实际加速度计算加速度误差；

控制模块，用于采用预设控制算法根据所述加速度误差进行计算；

调整模块，用于输出对应的列车控制量至列车的牵引系统或者制动系统，以调节所述实际速度。

第三方面，本申请还提供了一种列车运行速度自动控制设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序以实现如上所述的任一种列车运行速度自动控制方法的步骤。

第四方面，本申请还提供了一种列车运行速度自动控制系统，包括安装在列车上的速度传感器、加速度传感器、以及如上所述的列车运行速度自动控制设备。

第五方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用以实现如上所述的任一种列车运行速度自动控制方法的步骤。

本申请所提供的列车运行速度自动控制方法包括：接收速度传感器发送的实际速度和加速度传感器发送的实际加速度；根据目标速度和所述实际速度计算速度误差；根据所述速度误差计算参考加速度；根据所述参考加速度和所述实际加速度计算加速度误差；采用预设控制算法根据所述加速度误差进行计算；输出对应的列车控制量至列车的牵引系统或者制动系统，以调节所述实际速度。可见，本申请基于加速度误差而对列车的运行速度进行了自动控制，可有效提高控制精度和鲁棒性，一定程度上抑制了列车行驶速度的大震荡与突变，提高了乘客们的乘坐舒适性。本申请所提供的列车运行速度自动控制装置、设备、系统及计算机可读存储介质可以实现上述列车运行速度自动控制方法，同样具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。

图1为本申请所提供的列车运行速度自动控制方法中一种具体实施方式的流程图；

图2为本申请所提供的列车运行速度自动控制方法中另一种具体实施方式的流程图；

图3为本申请所提供的一种列车运行速度自动控制方法的控制原理图；

图4为本申请所提供的一种列车运行速度自动控制装置的结构框图；

图5为本申请所提供的一种列车运行速度自动控制设备的结构框图。

具体实施方式

本申请的核心在于提供一种列车运行速度自动控制方法、装置、设备、系统及计算机可读存储介质，以便有效地提高控制精度和鲁棒性，保障乘客的乘坐舒适性。

为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例公开了一种列车运行速度自动控制方法，参照图1所示，该方法主要包括以下步骤：

S1：接收速度传感器发送的实际速度realSpeed和加速度传感器发送的实际加速度realAcceleration。

S2：根据目标速度targetSpeed和实际速度realSpeed计算速度误差errVelocity。

本申请所提供的列车运行速度自动控制方法可应用于列车控制系统中的列车自动驾驶系统中。具体地，不同于现有技术中基于速度误差直接进行速度控制，本申请所提供的列车运行速度自动控制方法，具体是基于加速度误差进行速度控制的。显然地，加速度是速度的微分信号，基于加速度误差进行控制，可有效防止在单个控制周期内列车速度的剧烈变化，避免列车速度的大震荡和大超调，有效提高控制精度，并提高乘客们的乘坐舒适性。

为此，本申请利用速度传感器检测列车的实际速度，并利用加速度传感器检测列车的实际加速度。根据列车控制系统中被设定的模式指令，可以确定出当前列车的目标速度，从而可计算出目标速度与实际速度的差值，即所说的速度误差：

errVelocity=targetSpeed-realSpeed。

利用加速度误差进行速度控制的目标即是消除速度误差，令实际速度稳定在目标速度。

S3：根据速度误差errVelocity计算参考加速度refAcceleration。

S4：根据参考加速度refAcceleration和实际加速度realAcceleration计算加速度误差errAcceleration。

具体地，当列车还存在速度误差时，即意味着还需要进行相关的控制调整，并且，最终输出的控制量的大小可具体与速度误差的大小相关。因此，可具体根据速度误差计算出对应参考加速度，并与实际加速度作差，得到当前列车的加速度误差：

errAcceleration=refAcceleration-realAcceleration。

S5：采用预设控制算法根据加速度误差errAcceleration进行计算。

在得到加速度误差后，便可以根据加速度误差进行控制，以计算出对应的控制量。至于具体采用何种控制算法，本领域技术人员可以自行选择并设置实现，例如可选择工程应用中最常用的PID控制算法，也可选择其他一些智能控制算法，如模糊控制、自抗扰控制、神经网络控制、遗传控制算法等，本申请对此并不进行限定。

S6：输出对应的列车控制量至列车的牵引系统或者制动系统，以调节实际速度。

具体地，列车速度调控的执行机构为列车的牵引系统和制动系统。其中，牵引系统可输出牵引力，用于进行列车加速或者维持恒定车速，制动系统可输出制动力，用于进行列车减速。牵引系统和制动系统均可在列车控制系统的控制信号的作用下进行输出调节。

由此列车控制系统可根据预设控制算法的计算结果而生成对应的列车控制量，并输出至牵引系统或者制动系统。容易理解的是，当计算结果显示需要增大速度时，列车控制系统将列车控制量输出至牵引系统，由牵引系统输出牵引力以提高列车的实际速度；当计算结果显示需要减小速度时，列车控制系统将列车控制量输出至制动系统，由制动系统输出制动力以降低列车的实际速度。

还需要说明的是，由于牵引力和制动力的大小均直接取决于电流大小，因此牵引系统和制动系统一般均采用电流环驱动结构。由此，由预设控制算法基于加速度误差计算得到的计算结果一般需要经过一定的转换处理（例如基本的放大处理等）过程才能得到适用于电流环驱动结构的列车控制量。具体过程可根据实际使用中由列车的系统结构、型号参数等决定的牵引特性和制动特性而进行计算。

本申请通过接收速度传感器发送的实际速度和加速度传感器发送的实际加速度；根据目标速度和实际速度计算速度误差；根据速度误差计算参考加速度；根据参考加速度和实际加速度计算加速度误差；采用预设控制算法根据加速度误差进行计算；输出对应的列车控制量至列车的牵引系统或者制动系统，以调节实际速度。可见，本申请基于加速度误差而对列车的运行速度进行了自动控制，可有效提高控制精度和鲁棒性，一定程度上抑制了列车行驶速度的大震荡与突变，提高了乘客们的乘坐舒适性。

请参考图2，图2为本申请所提供的列车运行速度自动控制方法中另一种具体实施方式的流程图。如图2所示，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，根据速度误差计算参考加速度包括：

S23：根据输入的列车基准加速度指令确定基准加速度basicAcceleration；根据列车当前的运行路况信息确定坡度加速度gradeAcceleration；将速度误差errVelocity与预设牵引制动补偿增益gain的乘积作为补偿加速度errAcceleration。

S24：将基准加速度与坡度加速度与补偿加速度之和作为参考加速度。

具体地，在本实施例中，参考加速度refAcceleration包括了三部分：

refAcceleration=basicAcceleration+gradeAcceleration+errAcceleration。

其中，基准加速度可由输入的列车基准加速度指令确定。在列车控制系统中所设置的不同行驶模式下的不同时刻，列车基准加速度指令根据目标速度曲线计算得到的基准加速度也不同。常见的列车行驶模式包括有启动模式、巡航模式和制动模式。坡度加速度可以根据与车辆定位结果对应的当前路况信息而确定；其中，当前路况信息可通过网络技术而实时获取，也可以在预先存储的各行车路段的路况信息中进行查找而获取。补偿加速度可具体取为：

errAcceleration=gain*errVelocity；其中，gain为所说的预设牵引制动补偿增益。

需要补充说明的是，在实际应用中，列车的加速度有许多受制条件，因此，计算出的参考加速度需要满足不同行驶模式下的加速度限制条件，例如对参考加速度最大值的限制、对相邻两控制周期内参考加速度变化量的最大值的限制等。如果计算得到的参考加速度超出了限制条件，则可以进行适当修正，以便防止列车冲击率过大。

本申请所提供的列车运行速度自动控制方法，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，采用预设控制算法根据加速度误差进行计算包括：

采用PID控制算法根据加速度误差计算PID控制量，以便根据PID控制量输出对应的列车控制量至列车的牵引系统或者制动系统。

具体地，如前所述，本实施例具体可采用工程应用中使用广泛的PID控制算法基于加速度误差进行控制，以计算得到PID控制量，进而可根据PID控制量计算并输出列车控制量。

其中，如图2所示，作为一种优选实施例，采用PID控制算法根据加速度误差计算PID控制量包括：

S26：采用积分分离的PID控制算法根据加速度误差计算PID控制量。

具体地，PID控制中包括了比例控制、积分控制和微分控制，PID控制量pidOutPut的计算表达式为：

pidOutPut = pidOutProportion + pidOutIntegration + pidOutDifferential；

其中，pidOutProportion为比例控制量，pidOutIntegration为积分控制量，pidOutDifferential为微分控制量。

比例控制量的计算表达式为：

pidOutProportion=kp*errAcceleration，kp为比例系数；

微分控制量的计算表达式为：

pidOutDifferential=kd*[errAcceleration(k)-errAcceleration(k-1)]/T，kd为微分系数，T为控制周期；

积分控制量的常规计算表达式为：

pidOutIntegration=ki*T*∑errAcceleration，ki为比例系数。

但是，由于当加速度误差过大时会造成运算过程中的积分过度积累，以致PID控制量过大，进而可能使得列车控制量超出了列车的最大输出能力范围，因此，优选地，本实施例具体可采用积分分离的PID控制算法，即，在加速度误差大于预设阈值时取消积分控制，令积分控制量pidOutIntegration取0，而仅在加速度误差不大于预设阈值时进行积分控制。

积分分离的积分控制量的计算表达式为：

；为加速度误差的预设阈值。

参照图2和图3，图3为本申请所提供的列车运行速度自动控制方法的原理框图，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，在采用PID控制算法根据加速度误差计算PID控制量之后，还包括：

S27：对PID控制量进行低通滤波。

具体地，为了减小高频干扰、误差扰动等对控制过程中的不良影响，本实施中，在计算得到PID控制量之后还可以进一步通过低通滤波器进行滤波，从而可进一步改善控制效果。

本申请所提供的列车运行速度自动控制方法，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，根据PID控制量输出对应的列车控制量包括：

根据PID控制量计算本控制周期的列车控制量；

判断列车控制量相对于上个控制周期的变化量是否超出预设控制变化量限值；

若否，则输出所述列车控制量；

若是，则对列车控制量进行修正并输出。

具体地，列车的牵引特性和制动特性等决定了列车控制量的合理范围。为了避免列车控制量的突变、震荡，一般可要求前后两个控制周期内所输出的列车控制量的差值大小不超出预设控制变化量限值。具体地，可设置一个控制变化量上限值s和一个负控制变化量下限值t（s和t均为正值）。若上一控制周期内的列车控制量为Control(k-1)，本控制周期内的列车控制量为Control(k)，则可将修正后的列车控制量取为：

；

其中，，为列车控制量的变化量。

下面对本申请所提供的列车运行速度自动控制装置进行介绍。

请参阅图4，图4为本申请所提供的一种列车运行速度自动控制装置的结构框图；包括：

接收模块1，用于接收速度传感器发送的实际速度和加速度传感器发送的实际加速度；

计算模块2，用于根据目标速度和实际速度计算速度误差；根据速度误差计算参考加速度；根据参考加速度和实际加速度计算加速度误差；

控制模块3，用于采用预设控制算法根据加速度误差进行计算；

调整模块4，用于输出对应的列车控制量至列车的牵引系统或者制动系统，以调节实际速度。

可见，本申请基于加速度误差而对列车的运行速度进行了自动控制，可有效提高控制精度和鲁棒性，一定程度上抑制了列车行驶速度的大震荡与突变，提高了乘客们的乘坐舒适性。

在上述内容基础上，作为一种优选实施例，本申请所提供的列车运行速度自动控制装置，计算模块2具体用于：根据输入的列车基准加速度指令确定基准加速度；根据列车当前的运行路况信息确定坡度加速度；将速度误差与预设牵引制动补偿增益的乘积作为补偿加速度；将基准加速度与坡度加速度与补偿加速度之和作为参考加速度。

在上述内容基础上，作为一种优选实施例，本申请所提供的列车运行速度自动控制装置，控制模块3具体用于：采用PID控制算法根据加速度误差计算PID控制量，以便根据PID控制量输出对应的列车控制量至列车的牵引系统或者制动系统。

在上述内容基础上，作为一种优选实施例，本申请所提供的列车运行速度自动控制装置，控制模块3具体用于：采用积分分离的PID控制算法根据加速度误差计算PID控制量。

在上述内容基础上，作为一种优选实施例，本申请所提供的列车运行速度自动控制装置，还包括滤波模块，用于在控制模块3采用PID控制算法根据加速度误差计算PID控制量之后，对PID控制量进行低通滤波。

在上述内容基础上，作为一种优选实施例，本申请所提供的列车运行速度自动控制装置，调整模块4具体用于根据PID控制量计算本控制周期的列车控制量；判断列车控制量相对于上个控制周期的变化量是否超出预设控制变化量限值；若否，则输出列车控制量；若是，则对列车控制量进行修正并输出。

进一步地，参照图5，图5为本申请提供的一种列车运行速度自动控制设备的结构框图，包括：

存储器11，用于存储计算机程序；

处理器12，用于执行所述计算机程序以实现如上所述的任一种列车运行速度自动控制方法的步骤。

进一步地，本申请还提供了一种列车运行速度自动控制系统，包括安装在列车上的速度传感器、加速度传感器、以及如上所述的列车运行速度自动控制设备。

进一步地，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用以实现如上所述的任一种列车运行速度自动控制方法的步骤。

本申请所提供的列车运行速度自动控制装置、设备、系统及计算机可读存储介质的具体实施方式与上文所描述的列车运行速度自动控制方法可相互对应参照，这里就不再赘述。

本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请的保护范围内。

Claims

1.一种列车运行速度自动控制方法，其特征在于，包括：

根据目标速度和所述实际速度计算速度误差；

根据所述速度误差计算参考加速度；

根据所述参考加速度和所述实际加速度计算加速度误差；

采用预设控制算法根据所述加速度误差进行计算；

2.根据权利要求1所述的列车运行速度自动控制方法，其特征在于，所述根据所述速度误差计算参考加速度包括：

根据输入的列车基准加速度指令确定基准加速度；

根据所述列车当前的运行路况信息确定坡度加速度；

3.根据权利要求2所述的列车运行速度自动控制方法，其特征在于，所述采用预设控制算法根据所述加速度误差进行计算包括：

4.根据权利要求3所述的列车运行速度自动控制方法，其特征在于，所述采用PID控制算法根据所述加速度误差计算PID控制量包括：

5.根据权利要求3所述的列车运行速度自动控制方法，其特征在于，在所述采用PID控制算法根据所述加速度误差计算PID控制量之后，还包括：

对所述PID控制量进行低通滤波。

6.根据权利要求3至5任一项所述的列车运行速度自动控制方法，其特征在于，所述根据所述PID控制量输出对应的列车控制量包括：

根据所述PID控制量计算本控制周期的所述列车控制量；

若否，则输出所述列车控制量；

若是，则对所述列车控制量进行修正并输出。

7.一种列车运行速度自动控制装置，其特征在于，包括：

8.一种列车运行速度自动控制设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序以实现如权利要求1至6任一项所述的列车运行速度自动控制方法的步骤。

9.一种列车运行速度自动控制系统，其特征在于，包括安装在列车上的速度传感器、加速度传感器、以及如权利要求8所述的列车运行速度自动控制设备。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用以实现如权利要求1至6任一项所述的列车运行速度自动控制方法的步骤。