CN109552346B - 一种机车定速控制方法及机车控制系统 - Google Patents

Abstract

一种机车定速控制方法及机车控制系统，该方法包括：步骤一、获取当前机车速度，计算当前机车速度与预设机车速度的差值，得到第一速度差值；步骤二、获取当前机车载重，根据当前机车载重和预设非线性调整曲线确定当前调整系数，其中，预设非线性调整曲线为机车载重与调整系数之间的函数关系；步骤三、根据第一速度差值和当前调整系数确定第二速度差值，根据第二速度差值利用预设定速控制模型输出相应的设定力，从而使得机车的速度保持稳定。本方法使得客运机车能够在定速工况下适应不同的机车载重，提高了机车定速控制的准确度以及平稳性。

Description

一种机车定速控制方法及机车控制系统

技术领域

本发明涉及电力机车技术领域，具体地说，涉及一种机车定速控制方法及机车控制系统。

背景技术

定速功能在客运机车长交路运行中可以有效避免司机频繁操纵司控器手柄，从而减轻司机驾驶压力。因此电力机车定速工况下可靠的平稳性优化方法在客运机车控制系统中具有十分重要的意义。

相较于货运机车，客运机车具有载重轻、响应速度快的特性，因此对于客运机车的定速控制难度更大。现有的客运机车定速控制方法通常采用PID控制算法来实现。然而，传统的PID控制算法存在一定的局限性，面对复杂多变的工况，现有的机车定速控制方法难以保证列车运行的平稳性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种机车定速控制方法，所述方法包括：

步骤一、获取当前机车速度，计算所述当前机车速度与预设机车速度的差值，得到第一速度差值；

步骤二、获取当前机车载重，根据所述当前机车载重和预设非线性调整曲线确定当前调整系数，其中，所述预设非线性调整曲线为机车载重与调整系数之间的函数关系；

步骤三、根据所述第一速度差值和当前调整系数确定第二速度差值，根据所述第二速度差值利用预设定速控制模型输出相应的设定力，从而使得机车的速度保持稳定。

根据本发明的一个实施例，所述预设定速控制模型包括预设PID控制算法，在所述步骤三中，

计算所述第一速度差值与当前调整系数的乘积，得到所述第二速度差值；

根据所述第二速度差值，利用预设PID控制算法输出相应的设定力。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

模型选择步骤，根据所述当前机车速度确定当前机车定速控制模型需要采用非线性调整模型还是预设补偿模型，其中，如果当前机车定速模型需要采用非线性调整模型，则执行所述步骤一至步骤三。

根据本发明的一个实施例，所述预设补偿模型包括准恒速控制模型。

根据本发明的一个实施例，在所述模型选择步骤中，根据所述第一速度差值确定当前机车定速控制模型，其中，如果所述第一速度差值大于设于速度差值阈值，那么则采用预设补偿模型作为当前机车定速控制模型，如果所述第一速度差值小于或等于预设速度差值阈值，那么则采用非线性调整模型作为当前机车定速控制模型。

根据本发明的一个实施例，在利用所述预设补偿模型根据当前机车速度速出相应的设定力的过程中，持续获取当前机车速度并重新计算所述第一速度差值，判断所述第一速度差值是否大于设于速度差值阈值，如果是，则继续采用则采用预设补偿模型作为当前机车定速控制模型，否则改为采用非线性调整模型作为当前机车定速控制模型。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

牵引制动切换平稳处理步骤，根据机车当前工况，在预设时长内输出预设基础牵引力或预设基础制动力，随后再将机车所输出的牵引力或制动力由所述预设基础牵引力或预设基础制动力调整为所述设定力。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

平稳处理步骤，利用预设设定力平稳处理模型对机车当前输出的牵引力或设定力进行处理，从而限定所述设定力的发挥速率。

本发明还提供了一种机车控制系统，其特征在于，所述系统采用如上任一项所述的方法来进行机车定速控制。

本发明所提供的机车定速控制方法基于不同的机车载重，利用根据调整系数和第一速度差值计算得到的第二速度差值来作为定速控制模型的输入，从而体现机车载重对定速控制模型的非线性影响，这样该方法也就可以使得客运机车能够在定速工况下适应不同的机车载重，提高了机车定速控制的准确度以及平稳性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是现有的客运机车定速控制方法的实现原理示意图；

图2是根据本发明一个实施例的客运机车定速控制方法的实现流程示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的客运机车定速控制方法的实现流程示意图；

图4是根据本发明一个实施例的牵引制动切换平稳处理步骤中牵引力的输出曲线示意图；

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一：

客运机车需要实现定速驾驶，就需要采用某种算法，利用机车设定速度、机车实际速度、加速度、机车设定力、机车实际力等作参数为算法的输入，通过算法计算得出当前机车，从而实现定速要求发挥的最佳设定力。

现有技术中所使用的算法都是通过调节机车设定力来调节机车速度，以此达到将机车实际速度稳定在设定速度附近。如图1所示，现有的大多数客运机车使用的PI算法或者PID算法是以机车设定速度与实际速度的差值来作为算法的输入，以设定力作为算法的输出，通过速度差计算设定力，以此实现定速控制。

现有技术中公开了一种电力机车的定速控制方法，该方法利用制动系统分配空气制动来弥补电制动力不足的问题，从而降低电力机车定速运行过程中因电制动力不足而带来列车无法减速的风险，因此确保电力机车的定速运行的安全性和平稳性。

然而，该方法依赖于制动系统的智能化程度。电力机车的制动系统通常只控制压力，不会将压力转换成具体制动力。由于负载的不确定性，机车制动系统也就无法精确地完成压力与制动力的转换，因此该方法也就无法在载重不固定的客运机车上使用。

现有技术中还公开了一种电力机车定速控制方法，该方法能够根据速度差来自动调整设定力，从而在电力机车的速度发生变化时以此调节设定力来达到调整机车速度的目的。然而，该方法单纯地使用速度差来乘以固定参数来调整设定力，容易超调造成稳态波动，无法应对电力机车复杂多变的运行工况。

针对现有技术中所存在的上述问题，本实施例提供了一种新的机车定速控制方法以及利用该方法进行机车定速控制的机车控制系统，该方法能够使得机车控制系统适应不同的机车载重来自动调整现有的定速控制模型的输入量。图2示出了该机车定速控制方法的实现流程示意图。

如图2所示，本实施例所提供的机车定速控制方法首先在步骤S201中获取当前机车速度，并计算当前机车速度与预设机车速度的差值，从而得到第一速度差值。

该方法还会在步骤S202中获取当前机车载重，并根据当前机车载重确定当前调整系数。具体地，本实施例中，该方法在步骤S202中利用当前机车载重和预设非线性调整曲线来确定当前调整系数，其中，上述非线性调整曲线为机车载重与调整系数之间的函数关系，其可以事先通过数据拟合的方式构建得到，本实施例并不对上述非线性调整曲线的构建方式进行限定。

该方法在步骤S202中可以将获取到的当前机车载重代入预设非线性调整曲线，这样也就可以得到当前调整系数。本实施例中，不同的机车载重将会对应不同的调整系数。

在得到第一速度差值和当前调整系数后，该方法会在步骤S203中根据上述第一速度差值和当前调整数据确定第二速度差值，并在步骤S204中将上述第二速度差值来作为预设定速控制模型的输入，从而利用预设定速控制模型输出相应的设定里。具体地，本实施例中，该方法在步骤S203中通过计算第一速度差值与当前调整系数的乘积来得到第二速度差值。由于不同的机车载重对应不同的调整系数，因此该方法向预设定速控制模型中输入的数据(即第二速度差值)也就包含了机车载重的因素。

本实施例中，该方法在步骤S204中所使用的预设定速控制模型既可以为现有技术中所使用的PID控制算法，也可以为PI控制算法，抑或是其它本领域技术人员公知的控制算法，因此在此不再对上述预设定速控制模型的具体内容进行赘述。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的机车定速控制方法基于不同的机车载重，利用根据调整系数和第一速度差值计算得到的第二速度差值来作为定速控制模型的输入，从而体现机车载重对定速控制模型的非线性影响，这样该方法也就可以使得客运机车能够在定速工况下适应不同的机车载重，提高了机车定速控制的准确度以及平稳性。

实施例二：

电力机车的运行工况往往比较复杂，面对复杂的工况，一种定速控制算法往往无法满足各式各样的外部条件。同时，任何一种控制算法本身也都具有一定的局限性，例如在PID控制算法中系统存在响应速度与超调的矛盾。

针对上述问题，本实施例所提供的机车定速控制方法采用了多模型控制策略，即在实施例所提供的方法的基础上增加了补偿控制模型，以根据特定的工况来采用补偿控制模型或是如实施例一所示的非线性调整模型来进行机车定速控制。

具体地，本实施例中所提供的机车定速控制方法会根据当前机车速度来确定当前机车定速控制模型需要采用如实施例一所示的非线性调整模型还是预设补偿模型。

图3示出了本实施例所提供的机车定速控制方法的实现流程示意图。

如图3所示，本实施例所提供的机车定速控制方法首先在步骤S301中获取当前机车速度，并计算当前机车速度与预设机车速度的差值，从而得到第一速度差值。

随后，该方法会在步骤S302中判断上述第一速度差值是否大于预设速度差值阈值。其中，本实施例中，上述预设速度差值阈值可以配置为接近于0的数值。本实施例并不对上述预设速度差值阈值的具体取值进行限定。

如果第一速度差值大于预设速度差值阈值，那么则表示当前机车速度与预设机车速度之间存在较大速度差，因此为了使得机车速度能够更快地进入稳态，本实施例中，该方法此时将会在步骤S303中利用预设补充模型来根据上述上述第一速度差值输出相应的设定力。本实施例中，该方法在步骤S303中所使用的预设补偿模型优选地包括准恒速控制模型。其中，准恒速控制模型基本特征表现为设定速度与机车速度差值与设定力成线性关系，速度差值越大，机车设定力越大，反之越小。当速度差值为零时，准恒速模型所输出的设定力为零。此外，为了防超速，准恒速模型有时候也可以表现为速度差值为某个特定值时设定力为零。

当然，在本发明的其它实施例中，该方法所使用的预设补偿模型还可以为其它合理控制模型，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，该方法所使用的预设补偿模型可以为加速度控制模型，该控制模型设的定力产生在考虑速度差同时，还会引进加速度，并通过速度差和加速度共同调整设定力。其中，速度差越大，加速度控制模型所输出的设定力越大，从而确保加速度保持为较大值；当速度差减小并接近零时，加速度控制模型所输出的设定力减小，从而确保在切换到非线性模型前加速度调整为较小的一个值。

本实施例中，通过预设补充模型，该方法能够快速地将当前机车速度调整至预设机车速度的附近。在利用预设补偿模型来对机车输出的设定力进行控制的过程中，该方法还会持续获取当前机车速度并返回步骤S301来根据所获取到的当前机车速度重新计算第一速度差值，随后判断重新计算得到的第一速度差值是否大于预设速度差值阈值。

其中，如果此时重新计算得到的第一速度差值仍然大于预设速度差值阈值，那么则继续执行步骤S303；而如果此时重新计算得到的第一速度差值小于或等于预设速度差值阈值，那么则表示当前机车速度已经接近预设机车速度，此时也就需要更为精确的控制模型来对机车的设定力进行调整，因此此时该方法将采用如实施例一所示的非线性调整模型来作为当前机车定速控制模型。本实施例中，该方法可以将第一速度差值等于预设速度差值阈值时的机车实际作用力可以作为后续所使用的PID控制算法中的初始的P值。

当采用非线性调整模型来作为当前机车定速控制模型时，如图3所示，该方法会在步骤S304中获取当前机车载重，并根据当前机车载重和预设非线性调整曲线来确定当前调整系数。

在得到当前调整系数后，该方法会在步骤S305中根据上述第一速度差值和当前调整系数确定第二速度差值，并在步骤S306中根据上述第二速度差值利用预设定速控制模型来确定出相应的设定力。

本实施例中，上述步骤S304至步骤S306的实现原理以及实现过程与上述实施例一中步骤S202至步骤S204的实现原理以及实现过程相同，故在此不再对上述步骤S304至步骤S306的具体内容进行赘述。

电力机车的运行工况复杂，其在车钩不固定或是起伏坡道时会出线牵引、制动来回频繁切换的情况，而牵引、制动来回频繁切过程中容易出线冲撞感。通常牵引制动工况发生在预设机车速度与当前机车速度的差值接近于0时，即当机车牵引传动系统发挥的牵引力近似又不完全等于外部阻力时，电力机车会出现牵引和制动工况相互切换的现象。

针对上述问题，本实施例所提供的机车定速控制方法会在步骤S307中来进行牵引制动切换平稳处理。具体地，本实施例中，该方法在步骤S307中会根据机车当前工况，来在预设时长内输出预设基础牵引力或预设基础制动力，随后再在步骤S308中将机车所输出的牵引力或制动力由上述预设基础牵引力或预设基础制动力调整为设定力。其中，该方法优选地将机车所输出的牵引力或制动力由上述预设基础牵引力或预设基础制动力线性地调整为所需要的设定力。

例如，机车当前处于制动工况，而如果机车需要切换为牵引工况并输出设定力F₂时，该方法首先会在时间段t₀～t₁内持续输出一较小的预设基础牵引力F₁，随后再在时间段t₁～t₂内将机车所输出的牵引力由预设基础牵引力F₁线性地增大为设定力F₂，这样也就使得机车在确保工况转换过程中不会出现输出的牵引力或制动力的调变，从而避免了由于机车牵引工况与制动工况之间的工况切换而给乘客所带来的冲撞感。

由设定力从计算、输出到牵引传动系统发挥牵引力这个过程存在一定的延迟，同时从设定力发挥到机车速度发生调整这个过程也存在一定的滞后，而机车控制系统计算调整设定力的速度远远快于牵引、制动力改变机车速度本身。此外若是设定力发生跳变，牵引传动系统直接如实发挥，那么将很有可能造成冲撞感。

针对该问题，本实施例所提供的机车定速控制方法会在将调整后的设定力传输至牵引传送系统以由牵引传送系统发挥前，通过限定设定力的发挥速度，来避免设定力过快发挥。

如图3所示，本实施例中，该方法会在步骤S309中利用预设设定力平稳处理模型对机车当前输出的牵引力或设定力进行处理，从而限定设定力的发挥速率。

本实施例中，该方法在步骤S309中优选地在将步骤S307所确定出的机车牵引力或制动力发送给牵引传动系统发挥前，会对机车牵引力或制动力的发挥速率进行斜率处理。如图4所示，该方法优选地采用设定力分段法，将设定力值划分为若干段，每个设定力段采用不同的斜率。其中，如果设定力值增大，那么图4中所示的斜线的斜率也就会相应增加。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的机车定速控制方法能够限定设定力发挥的速度，从而避免设定力过快发挥，这样也就可以避免由于机车控制系统计算调整设定力的速度远远快于牵引、制动力改变机车车辆速度本身的速度而导致的机车所产生的冲撞感，从而进一步提高了机车的稳定性。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种机车定速控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、获取当前机车速度，计算所述当前机车速度与预设机车速度的差值，得到第一速度差值；

步骤二、获取当前机车载重，根据所述当前机车载重和预设非线性调整曲线确定当前调整系数，其中，所述预设非线性调整曲线为机车载重与调整系数之间的函数关系；

步骤三、根据所述第一速度差值和当前调整系数确定第二速度差值，根据所述第二速度差值利用预设定速控制模型输出相应的设定力，从而使得机车的速度保持稳定。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设定速控制模型包括预设PID控制算法，在所述步骤三中，

计算所述第一速度差值与当前调整系数的乘积，得到所述第二速度差值；

根据所述第二速度差值，利用预设PID控制算法输出相应的设定力。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

模型选择步骤，根据所述当前机车速度确定当前机车定速控制模型需要采用非线性调整模型还是预设补偿模型，其中，如果当前机车定速模型需要采用非线性调整模型，则执行所述步骤一至步骤三。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设补偿模型包括准恒速控制模型。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述模型选择步骤中，根据所述第一速度差值确定当前机车定速控制模型，其中，如果所述第一速度差值大于设于速度差值阈值，那么则采用预设补偿模型作为当前机车定速控制模型，如果所述第一速度差值小于或等于预设速度差值阈值，那么则采用非线性调整模型作为当前机车定速控制模型。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在利用所述预设补偿模型根据当前机车速度速出相应的设定力的过程中，持续获取当前机车速度并重新计算所述第一速度差值，判断所述第一速度差值是否大于设于速度差值阈值，如果是，则继续采用则采用预设补偿模型作为当前机车定速控制模型，否则改为采用非线性调整模型作为当前机车定速控制模型。

7.如权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

牵引制动切换平稳处理步骤，根据机车当前工况，在预设时长内输出预设基础牵引力或预设基础制动力，随后再将机车所输出的牵引力或制动力由所述预设基础牵引力或预设基础制动力调整为所述设定力。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

平稳处理步骤，利用预设设定力平稳处理模型对机车当前输出的牵引力或设定力进行处理，从而限定所述设定力的发挥速率。

9.一种机车控制系统，其特征在于，所述系统采用如权利要求1～8中任一项所述的方法来进行机车定速控制。