CN110442984A - 一种基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法，其包括以下步骤：S1、基于SIMPACK平台搭建跨座式单轨列车模型；S2、基于MATLAB平台建立黏着系数估计模型和黏着控制模型；S3、在MATLAB中添加SIMPACK的SIMAT模块；S4、获取实际蠕滑速度和轨面的黏着特性曲线；S5、获取列车的运行状态和参考蠕滑速度；S6、获取牵引电机力矩指令值的补偿值；S7、判断是否继续仿真，若是则将牵引电机力矩指令值的补偿值反馈至跨座式单轨列车模型，并返回步骤S3，否则结束仿真。本发明可以缩短列车制动距离，改善乘车舒适性，能显著地减少机车的空转和滑行，避免轮轨严重擦伤，并延长轮轨的使用寿命。

Description

一种基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法

技术领域

本发明涉及跨座式单轨列车仿真领域，具体涉及一种基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法。

背景技术

跨坐式单轨作为一种新型的城市轨道交通，在车体结构、转向架结构、驱动模式、以及轮轨接触关系等都与传统地铁和轻轨有着诸多不同。首先其转向架包括走行轮、导向轮、稳定轮三种形式的轮胎。走行轮轮胎承受着车辆的垂向载荷并传递牵引力和制动力给轨道，导向轮轮胎位于转向架的侧面，它引导车辆沿着轨道行驶，稳定轮轮胎则位于转向架的侧面下部，它防止转向架在强风条件等下出现极端的侧滚；其次，由于跨坐式单轨车辆则是通过装有橡胶轮胎的转向架横跨在一条混凝土主轨道梁上运行，橡胶与混凝土的摩擦系数显著高于钢与钢之间的摩擦系数，故橡胶轮胎车辆的黏着系数相比于钢轮—钢轨系统的车辆更大。高的黏着系数不仅使车辆拥有更好的加速减速性能，而且更适应于在大坡度的线路上运用。

目前国内黏着控制的研究主要针对重载机车，高速列车等钢轨-钢轨支撑方式的车辆，对于跨坐式单轨列车的黏着控制研究及仿真分析比较少。因此，研究适用于跨座式单轨列车的黏着控制仿真分析方法，可以为以后黏着控制系统应用于跨座式单轨列车提供必要的参考，对提高列车的运行效率和保障列车的安全运行具有重要的意义。

在通常意义下黏着力是指两个接触物体之间的附着力，而在铁路系统中黏着力的定义为：在车轮和轨道保持接触状态同时不发生空转和滑行的情况下，轮轨之间所能提供的最大牵引力。如图2所示，在轴重Wg的作用下，轮轨接触部位发生弹性变形，形成椭圆形接触区。当车轮在驱动力矩T作用下向前滚动时，轮轨材料在接触区附近发生弹性变形，从而在接触面上产生切向力Fu使车轮滚动前进，轮轨接触的这种既有滚动又有滑动的状态被称为黏着。只有轮轨间处于黏着状态，才能产生黏着力，进而形成使机车车辆前进的最终动力。列车的牵引/制动性能的发挥主要依赖于轮轨间的黏着力，但轮轨间的黏着状态往往受到多种因素的影响。例如雨、雪、冰冻等恶劣的自然条件，以及机车漏油，车轮之间的磨损，列车的运行状态等，都会影响到轮轨间的黏着力。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法提出来一种对跨座式单轨列车的黏着力进行仿真的方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法，其包括以下步骤：

S1、基于SIMPACK平台搭建跨座式单轨列车模型；

S2、基于MATLAB平台建立黏着系数估计模型和黏着控制模型，并通过黏着系数估计模型估算不同位置处轨面的黏着系数；

S3、在MATLAB中添加SIMPACK的SIMAT模块，将SIMPACK中跨座式单轨列车模型中的轮对角速度、车体速度和轮轨间切向力数据作为黏着控制模型的输入；

S4、获取实际蠕滑速度，并根据各个位置处轨面的黏着系数获取轨面的黏着特性曲线；

S5、根据轨面黏着特性曲线的斜率获取列车的运行状态和参考蠕滑速度；

S6、根据参考蠕滑速度和实际蠕滑速度的差值获取牵引电机力矩指令值的补偿值；

S7、判断是否继续仿真，若是则将牵引电机力矩指令值的补偿值反馈至跨座式单轨列车模型，并返回步骤S3，否则结束仿真。

进一步地，步骤S1中搭建跨座式单轨列车模型的具体方法包括以下子步骤：

S1-1、根据跨座式单轨列车的内部结构及连接关系获取跨座式单轨列车的拓扑图；

S1-2、设置跨座式单轨列车车轮的尺寸、质量和转动惯量，建立轮对形成轮对子模型；其中车轮包括行走轮、导向轮和稳定轮；

S1-3、将轮对子模型通过车轴以单臂形式固定在跨座式单轨列车转向架的构架上，得到转向架子模型；其中四个导向轮对称布置于构架四角，两个稳定轮对称布置于构架两侧；

S1-4、设定悬挂装置、力元和约束关系，构架虚拟车体，根据拓扑图、虚拟车体、悬挂装置、转向架子模型、力元和约束关系得到跨座式单轨列车整车模型；

S1-5、对跨座式单轨列车整车模型进行名义力计算，使整个车体保持平衡，得到跨座式单轨列车模型。

进一步地，步骤S2中通过黏着系数估计模型估算不同位置处轨面的黏着系数的具体方法包括以下子步骤：

S2-1、根据公式

获取观测到的电机等效负载转矩其中p₁、p₂为状态观测器的极点；J_equ为归算到电机侧的等效转动惯量；为轮对角速度的观测值；ω_m为轮对角速度；

S2-2、根据公式

获取黏着系数的观测值其中i_g为齿轮箱传动比；η_gear为齿轮传动效率；W为平均轴重；g为重力加速度常数；R为轮对半径。

进一步地，步骤S3中在MATLAB中添加SIMPACK的SIMAT模块的具体方法为：

在SIMPACK中选择Co-simulation功能，将联合仿真模式设置为Server，设置联合仿真的端口号，并采用该端口与MATLAB进行通讯；在simulink中打开黏着控制模型，在命令窗口输入“simat”得到包含SIMPACK图标的模块，将包含SIMPACK图标的模块的输入输出端口与SIMPACK中的跨座式单轨列车模型进行连接，完成在MATLAB中添加SIMPACK的SIMAT模块。

进一步地，步骤S4的具体方法为：

根据公式

V_s＝V_w-V_t

获取实际蠕滑速度V_s；其中V_w为轮对轮周线速度；V_t为车体速度；

将各个位置处轨面的黏着系数作为基点构成曲线图，得到轨面的黏着特性曲线。

进一步地，步骤S5的具体方法包括以下子步骤：

S5-1、根据公式

k＝du/dV_s

获取黏着特性曲线的斜率k；其中du为黏着系数的一阶导数；dV_s为蠕滑速度的一阶导数；

S5-2、判断黏着特性曲线的斜率k是否大于0，若是则表明列车的运行状态为稳定，并根据公式

V_sref(t+1)＝V_s(t)+α·k

获取列车在t+1时刻的参考蠕滑速度V_sref(t+1)；其中V_s(t)为t时刻的实际蠕滑速度；α为常数；

否则表明列车的运行状态为空转或滑行，并根据公式

V_sref(t+1)＝V_s(t)-β

获取列车在t+1时刻的参考蠕滑速度V_sref(t+1)；其中V_s(t)为t时刻的实际蠕滑速度；β为常数；

进一步地，步骤S5-2中α＝2×10^-8，β＝3×10^-3。

进一步地，步骤S6的具体方法为：

根据公式

获取牵引电机力矩指令值的补偿值ΔT；其中V_sref为参考蠕滑速度；V_s为实际蠕滑速度；k_p和k_i均为PI调节器的参数；S为常数。

本发明的有益效果为：

1、本发明可以有效地提高机车的加速性能，缩短制动距离，改善乘车舒适性，而且还能显著地减少机车的空转和滑行，避免轮轨严重擦伤，以延长轮轨的使用寿命。

2、本发明采用多体动力学仿真软件SIMPACK搭建跨座式单轨列车模型，不仅能够模拟更加真实的列车运行情况，考虑机车结构，运行状态等自身条件对黏着控制系统的影响，还能够模拟多种线路工况，考察不同的轨面状态对列车黏着力产生的影响。同时，SIMPACK软件可以建立虚拟的传感器，实时监测轮对、车体的速度和轮轨间黏着力，并输出给黏着控制模型中。

3、本发明针对列车在运行过程中不同的轨面状态，通过对黏着系数峰值点的自动搜寻，充分利用轮轨间的黏着力，可以有效的抑制轮对的空转现象，避免轮轨过度磨损。

4、将机车机械模型和电气控制模型进行分离，SIMPACK将仅作机械动力学仿真向Simulink控制软件输入列车运行相关数据，而在Simulink中搭建复杂的黏着控制模型进行联合仿真。这样就综合利用了多体动力学仿真软件在运动学和动力学建模方面的优势和控制分析软件在计算和控制方面的功能，不仅可以真实反应机车运行特征，避免了理论研究与实际应用的脱节，同时为验证黏着控制策略提供了高效而精确的仿真环境。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为车轮与轮轨接触受力示意图；

图3为跨座式单轨列车SIMPACK动力学建模的拓扑图；

图4为跨座式单轨列车转向架的结构图；

图5为SIMPACK中建立的跨座式单轨列车整车模型图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法包括以下步骤：

S1、基于SIMPACK平台搭建跨座式单轨列车模型；

S2、基于MATLAB平台建立黏着系数估计模型和黏着控制模型，并通过黏着系数估计模型估算不同位置处轨面的黏着系数；

S3、在MATLAB中添加SIMPACK的SIMAT模块，将SIMPACK中跨座式单轨列车模型中的轮对角速度、车体速度和轮轨间切向力数据作为黏着控制模型的输入；

S4、获取实际蠕滑速度，并根据各个位置处轨面的黏着系数获取轨面的黏着特性曲线；

S5、根据轨面黏着特性曲线的斜率获取列车的运行状态和参考蠕滑速度；

S6、根据参考蠕滑速度和实际蠕滑速度的差值获取牵引电机力矩指令值的补偿值；

S7、判断是否继续仿真，若是则将牵引电机力矩指令值的补偿值反馈至跨座式单轨列车模型，并返回步骤S3，否则结束仿真。

如图3、图4和图5所示，步骤S1中搭建跨座式单轨列车模型的具体方法包括以下子步骤：

S1-1、根据跨座式单轨列车的内部结构及连接关系获取跨座式单轨列车的拓扑图；

S1-2、设置跨座式单轨列车车轮的尺寸、质量和转动惯量，建立轮对形成轮对子模型；其中车轮包括行走轮、导向轮和稳定轮；

S1-3、将轮对子模型通过车轴以单臂形式固定在跨座式单轨列车转向架的构架上，得到转向架子模型；其中四个导向轮对称布置于构架四角，两个稳定轮对称布置于构架两侧；

S1-4、设定悬挂装置、力元和约束关系，构架虚拟车体，根据拓扑图、虚拟车体、悬挂装置、转向架子模型、力元和约束关系得到跨座式单轨列车整车模型；

S1-5、对跨座式单轨列车整车模型进行名义力计算，使整个车体保持平衡，得到跨座式单轨列车模型。

步骤S2中通过黏着系数估计模型估算不同位置处轨面的黏着系数的具体方法包括以下子步骤：

S2-1、根据公式

获取观测到的电机等效负载转矩其中p₁、p₂为状态观测器的极点；J_equ为归算到电机侧的等效转动惯量；为轮对角速度观测值；ω_m为轮对角速度；

S2-2、根据公式

获取黏着系数的观测值其中i_g为齿轮箱传动比；η_gear为齿轮传动效率；W为平均轴重；g为重力加速度常数；R为轮对半径。

步骤S3中在MATLAB中添加SIMPACK的SIMAT模块的具体方法为：在SIMPACK中选择Co-simulation功能，将联合仿真模式设置为Server，设置联合仿真的端口号，并采用该端口与MATLAB进行通讯；在simulink中打开黏着控制模型，在命令窗口输入“simat”得到包含SIMPACK图标的模块，将包含SIMPACK图标的模块的输入输出端口与SIMPACK中的跨座式单轨列车模型进行连接，完成在MATLAB中添加SIMPACK的SIMAT模块。此后只要激活SIMPACK中的模型，就开始进行联合仿真。

步骤S4的具体方法为：根据公式

V_s＝V_w-V_t

获取实际蠕滑速度V_s；其中V_w为轮对轮周线速度；V_t为车体速度；

将各个位置处轨面的黏着系数作为基点构成曲线图，得到轨面的黏着特性曲线。

步骤S5的具体方法包括以下子步骤：

S5-1、根据公式

k＝du/dV_s

获取黏着特性曲线的斜率k；其中du为黏着系数的一阶导数；dV_s为蠕滑速度的一阶导数；

S5-2、判断黏着特性曲线的斜率k是否大于0，若是则表明列车的运行状态为稳定，并根据公式

V_sref(t+1)＝V_s(t)+α·k

获取列车在t+1时刻的参考蠕滑速度V_sref(t+1)；其中V_s(t)为t时刻的实际蠕滑速度；α为常数，α＝2×10^-8；

否则表明列车的运行状态为空转或滑行，并根据公式

V_sref(t+1)＝V_s(t)-β

获取列车在t+1时刻的参考蠕滑速度V_sref(t+1)；其中V_s(t)为t时刻的实际蠕滑速度；β为常数；β＝3×10^-3。

步骤S6的具体方法为：根据公式

获取牵引电机力矩指令值的补偿值ΔT；其中V_sref为参考蠕滑速度；V_s为实际蠕滑速度；k_p和k_i均为PI调节器的参数；S为常数。

在本发明的一个实施例中，建立黏着系数估计模型，通过配置合适的极点，便能由状态观测器准确的估算出当前轨面的黏着系数。文中带有尖角上标的物理量表示由状态观测器观测得到的值，带有上标点的为状态矢量，也为观测过程中的中间变量。

考虑转动黏滞系数的牵引电机转动方程为：

式中：T_m为牵引电机转矩；i_g为齿轮箱传动比；B_m、B_w分别为牵引电机主、从动轴转动黏滞系数；F_u为轮轨间切向力。

令：

则原式可化为：

B为归算到电机侧的等效转动黏滞系数；J_equ为归算到电机侧的等效转动惯量；T_L为牵引电机等效负载转矩。负载转矩扰动的变化时间常数远大于控制器的时间常数，将牵引电机等效负载转矩T_L作为一常数，得到如下状态空间表达式：

由上式可知，状态矢量[ω_m T_L]可由T_m和ω_m进行重构，基于上式构造具有反馈增益矩阵的全维状态观测器如下：

因此得到：

p₁和p₂为状态观测器的极点。观测得到后，由公式(1)和公式u＝F_u/Wg

可得黏着系数的观测值

由于黏着力与蠕滑速度的关系是非线性的，影响因素多，黏着特性曲线峰值点处μ对vs的导数难以确定。为此，可将分子分母分别对时间求导来解决：

当黏着因数接近于峰值点时k≈0，dμ/dt与dvs/dt均接近于零，另外由于dμ/dt,dvs/dt都会带有噪声，因此利用带遗忘因子k的递归最小二乘法对该黏着特性曲线进行检测。

式中γ为指数加权因子；P为误差协方差矩阵。令 从而可以准确估计出黏着蠕滑斜率

综上所述，本发明可以有效地提高机车的加速性能，缩短制动距离，改善乘车舒适性，而且还能显著地减少机车的空转和滑行，避免轮轨严重擦伤，以延长轮轨的使用寿命。

Claims (8)

1.一种基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于SIMPACK平台搭建跨座式单轨列车模型；

S2、基于MATLAB平台建立黏着系数估计模型和黏着控制模型，并通过黏着系数估计模型估算不同位置处轨面的黏着系数；

S3、在MATLAB中添加SIMPACK的SIMAT模块，将SIMPACK中跨座式单轨列车模型中的轮对角速度、车体速度和轮轨间切向力数据作为黏着控制模型的输入；

S4、获取实际蠕滑速度，并根据各个位置处轨面的黏着系数获取轨面的黏着特性曲线；

S5、根据轨面黏着特性曲线的斜率获取列车的运行状态和参考蠕滑速度；

S6、根据参考蠕滑速度和实际蠕滑速度的差值获取牵引电机力矩指令值的补偿值；

S7、判断是否继续仿真，若是则将牵引电机力矩指令值的补偿值反馈至跨座式单轨列车模型，并返回步骤S3，否则结束仿真。

2.根据权利要求1所述的基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法，其特征在于，所述步骤S1中搭建跨座式单轨列车模型的具体方法包括以下子步骤：

S1-1、根据跨座式单轨列车的内部结构及连接关系获取跨座式单轨列车的拓扑图；

S1-2、设置跨座式单轨列车车轮的尺寸、质量和转动惯量，建立轮对形成轮对子模型；其中车轮包括行走轮、导向轮和稳定轮；

S1-3、将轮对子模型通过车轴以单臂形式固定在跨座式单轨列车转向架的构架上，得到转向架子模型；其中四个导向轮对称布置于构架四角，两个稳定轮对称布置于构架两侧；

S1-4、设定悬挂装置、力元和约束关系，构架虚拟车体，根据拓扑图、虚拟车体、悬挂装置、转向架子模型、力元和约束关系得到跨座式单轨列车整车模型；

S1-5、对跨座式单轨列车整车模型进行名义力计算，使整个车体保持平衡，得到跨座式单轨列车模型。

3.根据权利要求1所述的基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法，其特征在于，所述步骤S2中通过黏着系数估计模型估算不同位置处轨面的黏着系数的具体方法包括以下子步骤：

S2-1、根据公式

获取观测到的电机等效负载转矩其中p₁、p₂为状态观测器的极点；J_equ为归算到电机侧的等效转动惯量；为轮对角速度的观测值；ω_m为轮对角速度；

S2-2、根据公式

获取黏着系数的观测值其中i_g为齿轮箱传动比；η_gear为齿轮传动效率；W为平均轴重；g为重力加速度常数；R为轮对半径。

4.根据权利要求1所述的基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中在MATLAB中添加SIMPACK的SIMAT模块的具体方法为：

在SIMPACK中选择Co-simulation功能，将联合仿真模式设置为Server，设置联合仿真的端口号，并采用该端口与MATLAB进行通讯；在simulink中打开黏着控制模型，在命令窗口输入“simat”得到包含SIMPACK图标的模块，将包含SIMPACK图标的模块的输入输出端口与SIMPACK中的跨座式单轨列车模型进行连接，完成在MATLAB中添加SIMPACK的SIMAT模块。

5.根据权利要求1所述的基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法，其特征在于，所述步骤S4的具体方法为：

根据公式

V_s＝V_w-V_t

获取实际蠕滑速度V_s；其中V_w为轮对轮周线速度；V_t为车体速度；

将各个位置处轨面的黏着系数作为基点构成曲线图，得到轨面的黏着特性曲线。

6.根据权利要求1所述的基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法，其特征在于，所述步骤S5的具体方法包括以下子步骤：

S5-1、根据公式

k＝du/dV_s

获取黏着特性曲线的斜率k；其中du为黏着系数的一阶导数；dV_s为蠕滑速度的一阶导数；

S5-2、判断黏着特性曲线的斜率k是否大于0，若是则表明列车的运行状态为稳定，并根据公式

V_sref(t+1)＝V_s(t)+α·k

获取列车在t+1时刻的参考蠕滑速度V_sref(t+1)；其中V_s(t)为t时刻的实际蠕滑速度；α为常数；

否则表明列车的运行状态为空转或滑行，并根据公式

V_sref(t+1)＝V_s(t)-β

获取列车在t+1时刻的参考蠕滑速度V_sref(t+1)；其中V_s(t)为t时刻的实际蠕滑速度；β为常数。

7.根据权利要求6所述的基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法，其特征在于，所述步骤S5-2中α＝2×10^-8，β＝3×10^-3。

8.根据权利要求1所述的基于跨座式单轨列车的黏着控制仿真方法，其特征在于，所述步骤S6的具体方法为：

根据公式

获取牵引电机力矩指令值的补偿值ΔT；其中V_sref为参考蠕滑速度；V_s为实际蠕滑速度；k_p和k_i均为PI调节器的参数；S为常数。