CN109895754B - 一种基于最优滑移率的列车防滑控制方法及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于最优滑移率的列车防滑控制方法及其控制装置，该方法首先根据制动缸压力计算出机车制动力；其次根据轮对速度和机车制动力估计出黏着力和黏着系数，并根据黏着力求出机车速度，再次根据黏着系数和滑移率之间的非线性关系，通过极值搜索算法计算出最优滑移率；然后根据实际滑移率和最优滑移率差值，防滑阀控制板通过运行PID控制算法，求解得到制动力矩；基于制动力矩控制防滑阀开关来对制动缸进行排风或再充风，调节制动缸压力直到达到求解出的制动力矩。本发明的防滑控制方法以实现滑移率最优为控制目标，通过调整控制器参数，使车轮滑移率控制在最优滑移率附近，保证在不同轨道环境下行驶时都具有良好的防滑控制效果。

Description

一种基于最优滑移率的列车防滑控制方法及其控制装置

技术领域

本发明属于车辆制动技术领域，具体涉及一种基于最优滑移率的列车防滑控制方法及其控制装置。

背景技术

高速铁路的快速发展对推动经济与人们日常生活发挥着越来越重要的作用。随着机车速度和载重的提升，列车防滑制动控制系统对保证列车安全运行发挥着重要作用。机车在制动时主要依靠的是黏着力制动，然而，一旦轮轨接触条件突变或轮轨间的黏着降低，机车制动力就会超过粘着力，造成轮对在钢轨上打滑，轮对在钢轨上的高速滑行会造成踏面擦伤。因此，根据轮轨间的黏着变化调节制动力，以充分利用轮轨间的黏着，得到较短的制动距离是至关重要的。

黏着系数峰值对应的滑移率即最优滑移率，轮轨间最大黏着力及其对应的滑移率都随着机车的运行速度变化而改变，如果可以精确的控制轮对的滑移率，使得轮轨间的黏着力一直保持在最大值，这样就能达到充分利用轮轨间黏着的目的。

传统的滑移率控制方法是给定固定的滑移率，但是当轮轨接触条件随着天气、环境等因素变化，列车轮轨间的黏着系数和相应的最优滑移率也会变化。因此，如何在变化的轨道环境下获得轮轨间黏着系数，并且获取最优的滑移率的大小和通过控制防滑系统能够快速跟踪最优的滑移率，需要研制防滑控制装置及其控制方法，实现最优滑移率的有效控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于最优滑移率的列车防滑控制方法及其控制装置，其能够实时获取列车轮轨间的黏着系数，并且获取最优的滑移率的大小，进而实现了基于最优滑移率下的列车防滑控制，使得轮轨间的黏着力已知保持在最大值，充分利用轮轨间黏着，在不同的轨道环境下都具有良好的防滑控制效果。本发明的研发由国家自然科学基金项目61672539，61672537，61803394，61873353提供部分支持。

一方面，本发明提供的一种基于最优滑移率的列车防滑控制方法，包括如下步骤：

S1：获取制动缸压力以及轮对速度，并基于制动缸压力与轮对速度分别计算出机车制动力、黏着力、黏着系数以及机车速度；

S2：判断步骤S1计算出的机车速度是否大于预设阈值，若大于，对制动缸压力进行调整控制，执行步骤S3；否则，保持制动缸压力不变；

S3：基于黏着系数和滑移率之间的非线性关系采用扰动极值算法计算出最优滑移率，以及基于当前机车速度以及轮对速度计算出实际滑移率；

S4：判断所述最优滑移率和实际滑移率是否相等，若相等，保持制动缸压力不变；否则，执行步骤S5；

S5：根据所述最优滑移率与实际滑移率的差值运行PID控制算法得到制动力矩；

其中，根据计算出的制动力矩对制动缸进行排风或充风调节制动缸压力，所述制动力矩的计算公式如下：

式中，T_b为制动力矩，R是车轮的半径，F_r是车辆受到的基本阻力，J是转动惯量，k_p，Ti和Td分别是PID控制器的比例系数、时间积分常数、时间微分常数，m是车辆的质量，

为黏着力，e(t)为当前时刻最优滑移率与实际滑移率的差值，λ^*为最优滑移率。

本发明基于实时监测的轮对速度以及制动缸压力计算出当前的制动力矩，进而对制动缸压力进行调节使得制动缸满足对应制动力矩。其中，本发明首先是计算出黏着系数，基于黏着系数来获取最优滑移率，所谓最优滑移率为黏着系数峰值对应的滑移率，精确的控制轮对的滑移率，使得轮轨间的黏着力一直保持在最大值，这样就能达到充分利用轮轨间黏着的目的。本发明为了获取最优滑移率，是基于黏着系数和滑移率之间的非线性关系采用扰动极值算法计算出最优滑移率。

进一步优选，步骤S1的执行过程如下：

首先，根据制动缸压力计算出每个车轮对应的机车制动力；

所述机车制动力的计算公式如下：

F_bi＝i·φ·K,1≤i≤n

式中，F_bi表示第i个车轮对应的机车制动力，φ为高磨合成闸瓦和闸片之间的摩擦系数，K为制动缸压力，n为车轮个数，即每个制动夹钳的闸片数目；

然后，根据轮对速度以及每个车轮对应的机车制动力计算出每个车轮对应的黏着力以及黏着系数；

所述黏着力与黏着系数的关系如下：

式中，μ(λ)_i表示第i个车轮对应的黏着系数，

表示第i个车轮对应的黏着力，g是重力加速度；

最后，根据每个车轮对应的黏着力计算出机车速度；

所述机车速度的计算公式如下：

式中，

表示制动初始时刻车辆的瞬时速度，t₀表示制动初始时刻，t表示制动时间；

其中，当前时刻选取任意一个车轮对应的机车制动力、黏着力以及黏着系数作为机车的机车制动力、黏着力以及黏着系数。

进一步优选，根据轮对速度以及车轮对应的机车制动力计算出车轮对应的黏着力以及黏着系数的过程如下：

首先，构建扩张状系统状态观测器，其中，将轮对速度和未知黏着系数分别作为两个状态变量x₁和x₂，将机车制动力F_b作为控制输入，并定义两个状态变量x₁和x₂的估计值

和

并给出状态变量x₁的估计值

然后，计算状态变量x₁的观测误差值

并将观测误差值

乘以比例控制系数k后得到控制输入u₀；

其次，基于状态变量x₂获取估计值

并乘以控制输入补偿控制律作为补偿控制输入u_d；

μ(λ)表示黏着系数，

为控制输入补偿控制率，k₁为补偿系数，b₁是控制输入系数；

最后，根据机车制动力F_b、控制输入u₀、补偿控制输入u_d的关系式以及黏着力与黏着系数的关系式计算出黏着力和黏着系数：

F_b＝u₀+u_d。

进一步优选，步骤S3中基于黏着系数和滑移率之间的非线性关系采用扰动极值算法计算出最优滑移率的过程如下：

S31：定义最优滑移率λ^*的滑移率估计值

以及定义最优滑移率λ^*与滑移率估计值

的误差

并设定估计值

的初值

以及寻优范围或寻优规律；

S32：获取黏着系数和滑移率之间的非线性关系，并将黏着系数作为输出信号y；

式中，y*表示实际存在但未知的黏着系数极值，

表示输出信号y的二阶导数；

S33：基于寻优范围或寻优规律更新滑移率估计值

并基于更新后的输入信号y执行如下操作获取到满足操作过程执行条件下的滑移率估计值，满足执行条件下的滑移率估计值为当前最优滑移率；

其中，操作过程如下：

首先，将扰动信号a sin(x)作用于输出信号y得到新输出信号y，其中，a为幅值；

然后，将新输出信号进行变换并经过高通滤波器消除直流部分信号，再将剩余信号与正弦信号相乘解调得到解调信号；

最后，将解调信号通过积分器极大衰弱高频信号处理；

其中，满足上述操作过程将得到如下信号：

式中，

表示最优滑移率λ^*与滑移率估计值

的误差

的导数，k₂为积分器的比例系数。

进一步优选，步骤S3中实际滑移率的计算公式如下：

式中，λ表示实际滑移率，v(t)为当前时刻的机车速度，ω为当前时刻的轮对速度。

进一步优选，步骤S2中所述预设阈值为3km/h。

另一方面，本发明提供一种基于上述方法的装置，该装置上设有电子制动控制单元，所述电子制动控制单元通过防滑阀与制动缸连接；

所述电子制动控制单元包括模拟板、控制板、DIO板以及电源板，所述模拟板和DIO板均与所述控制板连接，所述模拟板、控制板、DIO板均与所述电源板连接；

其中，所述模拟板与速度传感器以及压力传感器连接，用于采集轮对速度以及制动缸压力信号；

所述模拟板将采集的轮对速度以及制动缸压力信号发送给控制板；

所述控制板，用于根据上述方法计算出制动力矩；

所述控制板基于制动力矩通过DIO板执行输出命令来控制防滑阀开关，通过所述防滑阀对所述制动缸进行排风或充风。

进一步优选，所述模拟板与所述控制板通过CAN总线连接，所述控制板与所述DIO板通过数据地址总线连接。

进一步优选，该装置还包括风源系统、防滑阀、压力传感器、速度传感器以及制动缸；

其中，风源系统通过防滑阀与所述制动缸连通，所述压力传感器设于所述制动缸内，用于检测制动缸压力；所述速度传感器设于车轮上，用于检测机车的轮对速度。

有益效果

本发明可以有效实现在不同的轨道环境下识别轮轨间的黏着系数，根据黏着系数和滑移率之间的非线性关系，通过基于扰动信号的极值搜索算法快速的计算出最优滑移率，获取的最优滑移率是黏着系数峰值对应的滑移率，而处于最优滑移率可以保证了轮轨间最大黏着力保持在最大值，进而本发明根据实际滑移率和最优滑移率之间的误差计算当前列车所需要的制动力，可以充分利用轮轨间的黏着，得到较短的制动距离，提高防滑制动控制系统乃至整个列车制动系统的可靠性。相比现有的防滑控制方法，其能更好地在变化地轨道环境下实现最优滑移率的快速跟踪控制，有效地防止轮对因滑行而造成的踏面擦伤。

附图说明

图1为防滑控制装置硬件功能框图；

图2为防滑控制方法的流程图；

图3为防滑控制装置的闭环控制算法示意图；

图4为防滑控制装置的闭环控制算法中估计器示意图；

图5为防滑控制装置的闭环控制算法中极值搜索算法示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的列车防滑控制装置包括电子制动控制单元(EBCU)、风源系统、防滑阀、压力传感器、速度传感器以及制动缸，其中，防滑阀连接风源系统、制动缸和大气，风源系统和大气均通过防滑阀与制动缸连通，电子制动单元通过防滑阀与制动缸连接，其通过控制防滑阀开关对制动缸进行排风或再充风，来调节制动缸压力直至达到求解出的制动力矩。压力传感器实时采集制动缸中的压力，速度传感器实时采集轮对速度，其中，压力传感器与速度传感器均与电子制动控制单元连接，将其采集的制动缸压力和轮对速度发送给电子制动控制单元。

电子制动控制单元包括模拟板、控制板、DIO板以及电源板。

其中，模拟板与速度传感器以及压力传感器连接，用于采集轮对速度以及制动缸压力信号。模拟板和DIO板均与控制板连接，模拟板通过CAN总线将采集的轮对速度以及制动缸压力信号发送给控制板。

控制板，用于采用本发明的防滑控制方法计算出制动力矩。控制板是具有数据处理的功能的芯片，其可以运行本发明防滑控制方法对应程序来实现实时制动力矩的计算。DIO板是实现数字量I/O数据传输的装置，本发明的控制板基于制动力矩通过DIO板执行输出命令来控制防滑阀开关，通过防滑阀对制动缸机械牛排风或充风。

此外，模拟板、控制板、DIO板均与电源板连接；电源板是将机车上输出的110V电源转换为电子制动控制单元其他设备所需要的不同电压等级的电源。

如图2所示，本发明提供的一种基于最优滑移率的列车防滑控制方法，包括如下步骤：

S1：获取制动缸压力以及轮对速度，并基于制动缸压力与轮对速度分别计算出机车制动力、黏着力、黏着系数以及机车速度。具体过程如下：

首先，根据制动缸压力计算出每个车轮当前时刻对应的机车制动力；

所述机车制动力的计算公式如下：

F_bi＝i·φ·K,1≤i≤n

式中，F_bi表示第i个车轮对应的机车制动力，φ为高磨合成闸瓦和闸片之间的摩擦系数，K为制动缸压力，n为车轮个数，即每个制动夹钳的闸片数目，每个车轮上对应一个闸片。需要说明的是，从n个车轮中选择任意一个车轮的机制制动力作为当前时刻机车的机车制动力进行后续计算，其是根据当前制动缸压力K预估值。

然后，根据轮对速度以及每个车轮对应的机车制动力计算出每个车轮对应的黏着力以及黏着系数。

同理，从n个车轮中选择任意一个车轮的黏着力和黏着系数作为当前时刻机车的黏着力和黏着系数。下文将对黏着力以及黏着系数的计算过程进行具体阐述。

其中，黏着力与黏着系数的关系如下：

式中，μ(λ)_i表示第i个车轮对应的黏着系数，

表示第i个车轮对应的黏着力，g是重力加速度。

最后，根据每个车轮对应的黏着力计算出机车速度；

所述机车速度的计算公式如下：

式中，

表示制动初始时刻车辆的瞬时速度，t₀表示制动初始时刻，t表示制动时间。从上述可知，机车速度是在制动时间上进行黏着力积分，其可以通过初始至当前时刻的制动时间内监测的各个车轮的黏着力进行积分计算求解。

S2：判断步骤S1计算出的机车速度是否大于3km/h，若大于，对制动缸压力进行调整控制，执行步骤S3；否则，保持制动缸压力不变；

S3：基于黏着系数和滑移率之间的非线性关系采用扰动极值算法计算出最优滑移率，以及基于当前机车速度以及轮对速度计算出实际滑移率。本步骤的目的是计算出黏着系数峰值时对应的滑移率。下文将对此步骤的实现过程进行具体阐述。实际滑移率的计算公式如下：

S4：判断所述最优滑移率和实际滑移率是否相等，若相等，保持制动缸压力不变；否则，执行步骤S5；

S5：根据所述最优滑移率与实际滑移率的差值运行PID控制算法得到制动力矩；

其中，根据计算出的制动力矩对制动缸进行排风或充风调节制动缸压力，所述制动力矩的计算公式如下：

式中，T_b为制动力矩，R是车轮的半径，F_r是车辆受到的基本阻力，J是转动惯量，k_p，Ti和Td分别是PID控制器的比例系数、时间积分常数、时间微分常数，m是车辆的质量，

为黏着力，e(t)为当前时刻最优滑移率与实际滑移率的差值，λ^*为最优滑移率。

其中，如图4所示，车轮对应的黏着力以及黏着系数的获取过程如下：

首先，构建扩张状系统状态观测器，其中，将轮对速度和未知黏着系数分别作为两个状态变量x₁和x₂，将机车制动力F_b作为控制输入，并定义两个状态变量x₁和x₂的估计值

和

并给出状态变量x₁的估计值

然后，计算状态变量x₁的观测误差值

并将观测误差值

乘以比例控制系数k后得到控制输入u₀；

其次，基于状态变量x₂获取估计值

并乘以控制输入补偿控制律作为补偿控制输入u_d；

μ(λ)表示黏着系数，

为控制输入补偿控制率，k₁为补偿系数，b₁是控制输入系数；

最后，根据机车制动力F_b、控制输入u₀、补偿控制输入u_d的关系式以及黏着力与黏着系数的关系式计算出黏着力和黏着系数：

F_b＝u₀+u_d。

应当理解，上述过程中未知黏着系数μ(λ)是唯一未知量，因此可以计算出黏着系数，同时基于黏着系数与黏着力的关系式可以计算出黏着力。

其中，步骤S3中基于黏着系数和滑移率之间的非线性关系：黏着系数的峰值即是最优滑移率，采用扰动极值算法计算出最优滑移率的过程如下S31-S33：

S31：定义最优滑移率λ^*的滑移率估计值

以及定义最优滑移率λ^*与滑移率估计值

的误差

并设定估计值

的初值

以及寻优范围或寻优规律；

S32：获取黏着系数和滑移率之间的非线性关系，并将黏着系数作为输出信号y；

式中，y*表示实际存在但未知的黏着系数极值，

表示输出信号y的二阶导数；

S33：基于寻优范围或寻优规律更新滑移率估计值

并基于更新后的输入信号y执行如下操作获取到满足操作过程执行条件下的滑移率估计值，满足执行条件下的滑移率估计值为当前最优滑移率；

其中，操作过程如下：

首先，将扰动信号a sin(x)作用于输出信号y得到新输出信号

其中，a为幅值；

然后，将新输出信号y三角公式(sin(x))2＝(1-cos(2x))/2进行变换得到

并经过高通滤波器消除直流部分y^*信号，再将剩余信号与正弦信号sin(x)相乘解调得到解调信号

最后，将解调信号ξ通过积分器

极大衰弱高频信号处理；

其中，满足上述操作过程将得到如下信号：

式中，

表示最优滑移率λ^*与滑移率估计值

的误差

的导数，k₂为积分器的比例系数，s表示积分符号，

表示的是积分环节。

由于a＞0，

所以系统是稳定的，最终待估计变量的误差值会接近于零，即有

需要说明的是，若是更新的滑移率不是最优滑移率，其是无法得到如上信号：

还需要说明的是，在解调信号ξ通过低通滤波器可以得到信号η：激励信号的幅值a与估计误差绝对值

成正比，

我们可以看出在扰动信号asinx的激励作用下获得最优值和估计值误差的梯度信息，当估计误差

随着时间增加趋近0，激励信号的幅值a对系统稳定性的影响也趋近0，减少了系统的震荡。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于最优滑移率的列车防滑控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：获取制动缸压力以及轮对速度，并基于制动缸压力与轮对速度分别计算出机车制动力、黏着力、黏着系数以及机车速度；

S2：判断步骤S1计算出的机车速度是否大于预设阈值，若大于，对制动缸压力进行调整控制，执行步骤S3；否则，保持制动缸压力不变；

S3：基于黏着系数和滑移率之间的非线性关系采用扰动极值算法计算出最优滑移率，以及基于当前机车速度以及轮对速度计算出实际滑移率；

S4：判断所述最优滑移率和实际滑移率是否相等，若相等，保持制动缸压力不变；否则，执行步骤S5；

S5：根据所述最优滑移率与实际滑移率的差值运行PID控制算法得到制动力矩；

其中，根据计算出的制动力矩对制动缸进行排风或充风调节制动缸压力，所述制动力矩的计算公式如下：

式中，T_b为制动力矩，R是车轮的半径，F_r是车辆受到的基本阻力，J是转动惯量，k_p，Ti和Td分别是PID控制器的比例系数、时间积分常数、时间微分常数，m是车辆的质量，

为黏着力，e(t)为当前时刻最优滑移率与实际滑移率的差值，λ^*为最优滑移率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1的执行过程如下：

首先，根据制动缸压力计算出每个车轮对应的机车制动力；

所述机车制动力的计算公式如下：

F_bi＝i·φ·K,1≤i≤n

式中，F_bi表示第i个车轮对应的机车制动力，φ为高磨合成闸瓦和闸片之间的摩擦系数，K为制动缸压力，n为车轮个数，即每个制动夹钳的闸片数目；

然后，根据轮对速度以及每个车轮对应的机车制动力计算出每个车轮对应的黏着力以及黏着系数；

所述黏着力与黏着系数的关系如下：

式中，μ(λ)_i表示第i个车轮对应的黏着系数，

表示第i个车轮对应的黏着力，g是重力加速度；

最后，根据每个车轮对应的黏着力计算出机车速度；

所述机车速度的计算公式如下：

式中，

表示制动初始时刻车辆的瞬时速度，t₀表示制动初始时刻，t表示制动时间；

其中，当前时刻选取任意一个车轮对应的机车制动力、黏着力以及黏着系数作为机车的机车制动力、黏着力以及黏着系数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：根据轮对速度以及车轮对应的机车制动力计算出车轮对应的黏着力以及黏着系数的过程如下：

首先，构建扩张状系统状态观测器，其中，将轮对速度和未知黏着系数分别作为两个状态变量x₁和x₂，将机车制动力F_b作为控制输入，并定义两个状态变量x₁和x₂的估计值

和

并给出状态变量x₁的估计值

然后，计算状态变量x₁的观测误差值并将观测误差值

乘以比例控制系数k后得到控制输入u₀；

其次，基于状态变量x₂获取估计值

并乘以控制输入补偿控制律作为补偿控制输入u_d；

式中，μ(λ)表示黏着系数，

为控制输入补偿控制率，k₁为补偿系数，b₁是控制输入系数；

最后，根据机车制动力F_b、控制输入u₀、补偿控制输入u_d的关系式以及黏着力与黏着系数的关系式计算出黏着力和黏着系数：

F_b＝u₀+u_d。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3中基于黏着系数和滑移率之间的非线性关系采用扰动极值算法计算出最优滑移率的过程如下：

S31：定义最优滑移率λ^*的滑移率估计值

以及定义最优滑移率λ^*与滑移率估计值

的误差

并设定估计值

的初值

以及寻优范围或寻优规律；

S32：获取黏着系数和滑移率之间的非线性关系，并将黏着系数作为输出信号y；

式中，y*表示实际存在但未知的黏着系数极值，

表示输出信号y的二阶导数；

S33：基于寻优范围或寻优规律更新滑移率估计值

并基于更新后的输入信号y执行如下操作获取到满足操作过程执行条件下的滑移率估计值，满足执行条件下的滑移率估计值为当前最优滑移率；

其中，操作过程如下：

首先，将扰动信号a sin(x)作用于输出信号y得到新输出信号y，其中，a为幅值；

然后，将新输出信号进行变换并经过高通滤波器消除直流部分信号，再将剩余信号与正弦信号相乘解调得到解调信号；

最后，将解调信号通过积分器极大衰弱高频信号处理；

其中，满足上述操作过程将得到如下信号：

式中，

表示最优滑移率λ^*与滑移率估计值

的误差

的导数，k₂为积分器的比例系数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3中实际滑移率的计算公式如下：

式中，λ表示实际滑移率，v(t)为当前时刻的机车速度，ω为当前时刻的轮对速度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中所述预设阈值为3km/h。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述方法的装置，其特征在于：所述装置上设有电子制动控制单元，所述电子制动控制单元通过防滑阀与制动缸连接；

所述电子制动控制单元包括模拟板、控制板、DIO板以及电源板，所述模拟板和DIO板均与所述控制板连接，所述模拟板、控制板、DIO板均与所述电源板连接；

其中，所述模拟板与速度传感器以及压力传感器连接，用于采集轮对速度以及制动缸压力信号；

所述模拟板将采集的轮对速度以及制动缸压力信号发送给控制板；

所述控制板，用于根据权利要求1-6所述方法计算出制动力矩；

所述控制板基于制动力矩通过DIO板执行输出命令来控制防滑阀开关，通过所述防滑阀对所述制动缸进行排风或充风。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述模拟板与所述控制板通过CAN总线连接，所述控制板与所述DIO板通过数据地址总线连接。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：还包括风源系统、防滑阀、压力传感器、速度传感器以及制动缸；

其中，风源系统通过防滑阀与所述制动缸连通，所述压力传感器设于所述制动缸内，用于检测制动缸压力；所述速度传感器设于车轮上，用于检测机车的轮对速度。

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