CN110723173B - 一种机车及其定速巡航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机车及其定速巡航方法，包括：确定设定速度中间变量：对设定速度目标值与实际速度反馈值进行比较，根据比较结果对设定速度目标值进行偏置处理，得到设定速度中间变量；确定设定速度值：根据设定速度目标值与实际速度反馈值的差值选取爬坡斜率，结合所述设定速度中间变量，得到设定速度值；PI调节控制：将设定速度值与实际速度反馈值分别作为PI调节器的输入参数进行PI调节控制。本发明所公开的定速巡航方法，有效的提高了机车定速巡航控速精度，司机可随意控制司控器变化幅度和变化速率，完全不必考虑司控器的变化情况会造成动车组运行冲动，大幅提升了驾驶操作灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及机车控制技术领域，尤其涉及一种机车及其定速巡航方法。
背景技术
时速160公里动力集中动车组是铁路总公司全面替代25T车型的全新升级换代产品。由于该车型采用动力集中方式进行编组，其司控器数据采集方式及定速巡航控制策略均与同系列下的动力分散动车组存在差异。既有动力分散动车组司控器信号采用硬线点位控制方式，牵引区以保持位为界，分为速度递增区和速度递减区，两个区间内无模拟量信号且可自动恢复到保持位。递增区和递减区间又各自分为2个卡位，对应2路硬线输入信号对应不同的设定速度上升率和下降率。当动车组进入定速巡航模式时，司机通过将手柄推至不同卡位来控制设定速度以不同加载率进行上升和下降。当松开手柄后，手柄自动恢复到保持位，维持当前设定速度。速度变化率由司机人为控制，需要司机根据线路需求反复操作手柄，调节动车组加减速率，来满足控速需求并限制动车组纵向冲动维持运行平稳性。
动力集中动车组采用电力机车所使用的司控器手柄，分为中立位、牵引位、制动位3个卡位。牵引位对应的模拟量区间为牵引区，制动位对应的模拟量区间为电制区。牵引区、电制区内的模拟量采集为线性变化。司机通过推动司控器手柄，由手柄所在位置对应的模拟量值来确定请求速度。当手柄快速推进到牵引区内的某一位置时，由于模拟量采集数值迅速变化，将导致定速精度调节出现大幅扰动，变化区间越大扰动影响越剧烈。司机需要控制推动司控器手柄的幅度和速率来保证将扰动降至最低。动力集中动车组实时控速精度需满足正负2.5km/h的偏差，在兰渝线运行过程中通过大数据采集对比发现：兰州动辆所至重庆北站全程坡道起伏大，正负坡度转换频繁，往返存在近百余个分相区，每个分相无电区坡道不同，最大坡道为千分之十七，最小坡道为千分之五以内；每个无电区长度也不同，司机需要不断总结线路特点针对不同线路调整推动司控器手柄的位置和速率来保持动车组运行平稳性，给司机带来诸多不便。
现有技术中，为了对上述情况进行改进，提出了一种定速巡航算法，根据微机采集到的司控器模拟量直接换算出设定速度值，利用该设定速度与动车组当前运行速度之间的差值来进行闭环控制。同时增加输出力矩加减载率控制，保持牵引力线性变化以减小动车组纵向冲动，降低司机的反复操作频率。
该方案直接采用司控器级位换算的设定速度值与实际速度的差值进行闭环控制，当司控器级位瞬时大幅变化时，设定速度将会立刻增加至司控器位置所对应的请求值，造成设定速度与实际速度差值瞬间激增。如果PI调节器的比例系数整定过大，输出力矩将立刻增大造成动车组纵向冲动。如果PI调节器的比例系数整定过小，输出力矩将缓慢变化丧失动态响应的实时性，难以保证动车组定速精度。该方案通过将PI调节器的比例系数增大，同时增加输出力矩的加减载率控制，来减小纵向冲动，但加减载率系数需要根据线路实际坡道进行多次实测来确定参数，需要耗费大量的人力物力，且通过经验整定的系数不具有普遍适应性。
基于此，现有技术仍然有待改进。
发明内容
为解决上述的技术问题，本发明实施例提出一种机车及其定速巡航方法。
本发明实施例所公开的一种机车定速巡航方法，包括：
步骤1确定设定速度中间变量：对设定速度目标值与实际速度反馈值进行比较，根据比较结果对设定速度目标值进行偏置处理，得到设定速度中间变量；
步骤2确定设定速度值：根据设定速度目标值与实际速度反馈值的差值选取爬坡斜率，结合所述设定速度中间变量，得到设定速度值；
步骤3PI调节控制：将设定速度值与实际速度反馈值分别作为PI调节器的输入参数进行PI调节控制。
进一步地，所述设定速度目标值根据司控器手柄级位通过力矩百分比换算得到。
进一步地，步骤1中，所述确定设定速度中间变量包括：
当设定速度目标值大于实际速度反馈值时，设定速度中间变量等于实际速度反馈值与设定速度偏置值之和；
当设定速度目标值小于实际速度反馈值时，设定速度中间变量等于实际速度反馈值减去设定速度偏置值；
当设定速度目标值等于实际速度反馈值时，设定速度中间变量等于设定速度目标值。
进一步地，步骤2中，所述确定设定速度值包括：
所述设定速度值等于爬坡斜率与设定速度中间变量的乘积。
进一步地，步骤2中，所述确定设定速度值包括：
当设定速度目标值与实际速度反馈值的差值小于第一预定值时，选取的爬坡斜率为慢速爬坡斜率；
当设定速度目标值与实际速度反馈值的差值在第一预定值和第二预定值之间时，选取的爬坡斜率为中速爬坡斜率；
当设定速度目标值与实际速度反馈值的差值大于第二预定值时，选取的爬坡斜率为快速爬坡斜率；
其中，所述第一预定值小于所述第二预定值。
进一步地，所述设定速度偏置值根据机车加速度值确定。
进一步地，所述PI调节控制包括：采用增量型PI调节算法，得到输出力矩值。
进一步地，通过微机中央控制单元将所述输出力矩值发送至牵引控制单元进行力矩控制。
进一步地，所述设定速度中间变量的最大值为设定速度目标值，最小值为0。
另一方面，本发明实施例还公开了一种机车，其采用上述的定速巡航方法进行定速巡航。
采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：
本发明所公开的定速巡航方法，有效的提高了机车定速巡航控速精度，司机可随意控制司控器变化幅度和变化速率，完全不必考虑司控器的变化情况会造成动车组运行冲动，大幅提升了驾驶操作灵活性。
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使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的机车定速巡航方法的控制策略图；
图2为本发明一实施例的机车定速巡航方法的动力集中动车组微机网络拓扑结构；
图3为本发明一实施例的机车定速巡航方法的动力集中动车组微机中央控制单元主控制程序中的软件实施例流程图；
图4为本发明一实施例的机车定速巡航方法的偏置控制函数的软件流程图；
图5为本发明一实施例的机车定速巡航方法的设定速度爬坡计算函数的软件流程图。
图2中，WTB表示绞线式列车总线，MVB表示多功能车辆总线，ECN表示车辆级以太网，Lonworks表示拖车重联总线，CCU1、2表示中央控制单元，EDRM表示事件记录单元，WTB-GW1、2表示WTB网关，MVB/LON/ETH-GW表示多功能网关，CS1-4表示以太网交换机，DDU1、2表示司机显示单元，RIOM1-4表示远程输入输出单元，BCU表示制动控制单元，TCU1-4表示牵引控制单元，ACU1、2表示辅助供电控制单元，LGU1、2表示列供控制单元，LGDU1、2表示列车供电配电单元，6A表示6A防护系统，LDP表示CMD主机，PSU1、2表示蓄电池充电单元，USP表示用户服务端口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
如图1所示，本发明针对现有定速巡航精度算法的不足，提出了一种全新的控制策略，逐一解决了现有方案的各项缺点，大幅提高了动力集中动车组定速巡航精度，降低了操作复杂度。具体地，本发明一些实施例公开了一种机车定速巡航方法，包括：
步骤1确定设定速度中间变量：对设定速度目标值与实际速度反馈值进行比较，根据比较结果对设定速度目标值进行偏置处理，得到设定速度中间变量；所述设定速度目标值可以根据司控器手柄级位通过力矩百分比换算得到。
步骤2确定设定速度值：根据设定速度目标值与实际速度反馈值的差值选取爬坡斜率，结合所述设定速度中间变量，得到设定速度值；所述设定速度值可以等于爬坡斜率与设定速度中间变量的乘积。
步骤3PI调节控制：将设定速度值与实际速度反馈值分别作为PI调节器的输入参数进行PI调节控制。
所述PI调节控制包括：采用增量型PI调节算法，得到输出力矩值。在动力集中的动车组上使用时，可通过微机中央控制单元将所述输出力矩值发送至牵引控制单元进行力矩控制。
本实施例所公开的定速巡航方法，将快速变化的司控器手柄对应请求的设定速度(即设定速度目标值)进行了基于实际运行速度(即实际速度反馈值)的偏置处理。通过预置动车组最大加速度值，换算出采样周期内实际速度的最大增加值，作为设定速度的最大偏置对司控器手柄请求值进行限制。当司机快速且大幅度推动司控器手柄时，即使手柄直接对应的设定速度激增超过正常范围，由于最大偏置的限制计算，使输入PI调节器的设定速度值按照符合实际速度的增加趋势变化，从而避免引起输出力矩的异常波动，影响运行平稳性，有效解决了现有方案由于大幅度推动手柄所带来的弊端。
在计算设定速度值时，除了通过设置最大偏置值来约束级位激增带来的力矩波动外，还根据手柄直接对应的设定速度目标值与实际速度反馈值的差值大小来分别计算设定速度的爬升或下降斜率系数，以此来满足司机不同幅度推动司控器手柄所预期的不同提速效果。
所述的控制算法取消力矩输出端的加减载率爬升限制，直接通过PI调节器的比例环节来提高控制算法对速度误差的及时响应，可通过积分环节来消除控制算法中的残余稳态误差。不仅不会受到力矩加减载率的限制，而且提高了实际速度对设定速度的响应效率，使实际速度动态拟合设定速度曲线变化，从而达到与设定目标一致的提速效果，大幅提升了定速巡航精度和响应实时性。
如图1所示，为本发明一实施例的机车定速巡航算法的控制结构图。设定级位通过力矩百分比换算得到设定速度目标值，该设定速度目标值与实际速度反馈值进行比较，并将比较值作为速度偏置大小设定的判定条件。将设定速度目标值经过偏置处理后得到设定速度中间变量，经过速度极限值(即所述设定速度中间变量的最大值为设定速度目标值，最小值为0)及斜率爬坡控制后得到设定速度值。设定速度与实际速度的偏差作为PI调节器的输入参数，通过PI调节控制得到输出力矩值，该值经过力矩极限值限制处理后，发送给牵引控制单元进行力矩输出并调节实际速度。经调节控制后的实际速度反馈再输入PI调节器形成闭环控制，使实际速度动态拟合设定速度变化。通过调节算法中相关参数的取值达到定速巡航精准控速目标。
本发明的一些优选的实施例中，所述确定设定速度中间变量包括：
当设定速度目标值大于实际速度反馈值时，设定速度中间变量等于实际速度反馈值与设定速度偏置值之和；
当设定速度目标值小于实际速度反馈值时，设定速度中间变量等于实际速度反馈值减去设定速度偏置值；
当设定速度目标值等于实际速度反馈值时，设定速度中间变量等于设定速度目标值。
所述设定速度中间变量的最大值为设定速度目标值，最小值为0。
本发明的一些优选的实施例中，所述确定设定速度值包括：
当设定速度目标值与实际速度反馈值的差值小于第一预定值时，选取的爬坡斜率为慢速爬坡斜率；
当设定速度目标值与实际速度反馈值的差值在第一预定值和第二预定值之间时，选取的爬坡斜率为中速爬坡斜率；
当设定速度目标值与实际速度反馈值的差值大于第二预定值时，选取的爬坡斜率为快速爬坡斜率；
其中，所述第一预定值小于所述第二预定值。所述设定速度偏置值根据机车加速度值确定。
实施例1
一种基于级位百分比的动力集中动车组定速巡航算法，采取下列步骤：
A：变量说明
Vset_temp1为通过司控器级位模拟量换算的设定速度目标值；
Tpercent为司控器级位百分比，当司机将司控器手柄推至不同位置时，通过模拟量换算出的司控器级位百分比也随之变化；
Tmax为司控器牵引满级位时对应的最大设定速度；
ΔV为设定速度偏置值，根据不同车型加速度值进行设置；
Vset_temp2为经过偏置ΔV处理后的设定速度中间变量；
Spdact为动车组运行的实际速度；
Kslow为设定速度慢速爬坡斜率，Knomal为设定速度中速爬坡斜率，Kfast为设定速度快速爬坡斜率；
Vset为经过斜率爬坡控制后得到的最终设定速度值；
Fout为经过PI调节控制输出的力矩值，Fout_old为前一个执行周期调节出的力矩值，Kp为PI调节器比例系数，Ki为PI调节器积分系数，K1＝Kp+Ki,K2＝Kp，(Vset-Spdact)curterror为设定速度与实际速度的当前误差值，(Vset-Spdact)preverror为前一个执行周期设定速度与实际速度的误差值。
B：首先，通过公式①计算出司控器手柄级位百分比对应的设定速度目标值Vset_temp1，表示司机根据路况信息实时请求的设定速度目标值。
Vset_temp1＝Tpercent×Tmax×0.01 ①
C：在计算出设定速度目标值Vset_temp1后，比较该值与实际速度Spdact的大小关系，对设定速度目标值进行偏置处理。如公式②，当Vset_temp1＞Spdact即设定速度目标值大于实际速度时，设定速度中间变量Vset_temp2为Spdact+ΔV；当Vset_temp1<Spdact即设定速度目标值小于实际速度时，设定速度中间变量Vset_temp2为Spdact-ΔV；当Vset_temp1＝Spdact即设定速度目标值等于实际速度时，设定速度中间变量Vset_temp2为Vset_temp1。
其中，设定速度中间变量Vset_temp2的最大值为Vset_temp1，最小值为0。
D：为保证PI调节器输入参数的稳定变化，防止输出力矩的大幅波动，通过速度爬坡处理求得设定速度值。如公式③所示，当设定速度目标值Vset_temp1与实际速度Spdact的差小于5时，设定速度Vset为慢速爬坡斜率Kslow与设定速度中间变量Vset_temp2的乘积；当设定速度目标值Vset_temp1与实际速度Spdact的差大于等于5并小于等于25时，设定速度Vset为中速爬坡斜率Knomal与设定速度中间变量Vset_temp2的乘积；当设定速度目标值Vset_temp1与实际速度Spdact的差大于25时，设定速度Vset为快速爬坡斜率Kfast与设定速度中间变量Vset_temp2的乘积。
E：在计算出设定速度Vset后，将其与实际速度Spdact分别作为PI调节器的输入参数进行PI调节控制。如公式④所示，经过增量型PI调节算法的处理，最终计算得到输出力矩值Fout。通过微机中央控制单元发送给牵引控制单元进行力矩控制，从而调节实际速度动态拟合设定速度变化。
Fout＝Fout_old+K1×(Vset-Spdact)curterror-K2×(Vset-Spdact)preverror
④
式中：K1＝Kp+Ki,K2＝Kp，Fout的最大值为牵引满级位对应的最大输出牵引力矩，Fout的最小值为电制满级位对应的最大输出电制动力矩。
本发明一些实施例所公开的机车定速巡航方法中的动力集中动车组微机网络拓扑结构，如图2所示，微机中央控制单元CCU与牵引控制单元TCU之间通过以太网、MVB网络进行通信，中央控制单元CCU通过本发明中的算法计算出输出力矩发送给牵引控制单元TCU，控制动力集中动车组定速巡航运行。
本发明一些实施例所公开的机车定速巡航方法的动力集中动车组微机中央控制单元主控制程序中的软件实施例流程图，如图3所示，当微机网络系统通信建立后，PI调节器完成初始化赋值，并调用定速巡航控制程序。首先，通过微机中央控制单元CCU解析级位手柄的模拟量值，通过级位百分比换算得到设定速度目标值。然后进入偏置处理函数，根据设定速度目标值与实际速度的差进行偏置处理，得到设定速度中间变量。根据前述差值再进行低速、中速、高速爬坡控制计算得到设定速度值，并将设定速度值与实际速度值作为PI调节器的输入参数进行PI控制，最终得到输出力矩值发送给牵引控制单元TCU进行闭环控制，从而实现实际速度曲线拟合设定速度曲线进行定速巡航。
本发明一些实施例所公开的机车定速巡航方法的偏置控制函数的软件流程图，如图4所示，当程序调用偏置计算函数后，微机中央控制单元CCU比较设定速度目标值与实际速度的差值。当差值大于0时，设定速度中间变量为实际速度与偏置变量的和；当差值等于0时，设定速度中间变量为设定速度目标值；当差值小于0时，设定速度中间变量为实际速度与偏置变量的差。
本发明一些实施例所公开的机车定速巡航方法的设定速度爬坡计算函数的软件流程图，如图5所示，当程序调用爬坡计算函数后，微机中央控制单元CCU比较设定速度目标值与实际速度的差。当差值小于5时，设定速度为慢速爬坡斜率与设定速度中间变量的乘积；当差值大于等于5且小于等于25时，设定速度为中速爬坡斜率与设定速度中间变量的乘积；当差值大于25时，设定速度为快速爬坡斜率与设定速度中间变量的乘积。
综上所述，本发明的定速巡航方法，有效的提高了定速巡航控速精度，可将动力集中动车组的控速误差由正负2.5km/h提高到正负1.5km/h。在时速160公里动力集中动车组运用考核过程中，采用本发明技术方案的1号动车组在兰渝线试验线路考核中，频繁起伏的坡道(最大坡道千分之十七，最小坡道千分之五)通过状态优异，控速最大误差保持在正负1.5km/h,平均控速误差保持在正负0.5km/h以内。司机可随意控制司控器变化幅度和变化速率，完全不必考虑司控器的变化情况会造成动车组运行冲动，大幅提升了驾驶操作灵活性，本发明的技术方案，也可应用于电力机车等其他车型的机车。
需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种机车定速巡航方法，其特征在于，包括：
步骤1确定设定速度中间变量：对设定速度目标值与实际速度反馈值进行比较，根据比较结果对设定速度目标值进行偏置处理，得到设定速度中间变量；
步骤2确定设定速度值：根据设定速度目标值与实际速度反馈值的差值选取爬坡斜率，结合所述设定速度中间变量，得到设定速度值；
步骤3PI调节控制：将设定速度值与实际速度反馈值分别作为PI调节器的输入参数进行PI调节控制；
步骤1中，所述确定设定速度中间变量包括：
当设定速度目标值大于实际速度反馈值时，设定速度中间变量等于实际速度反馈值与设定速度偏置值之和；
当设定速度目标值小于实际速度反馈值时，设定速度中间变量等于实际速度反馈值减去设定速度偏置值；
当设定速度目标值等于实际速度反馈值时，设定速度中间变量等于设定速度目标值；
所述设定速度偏置值根据机车加速度值确定；
步骤2中，所述确定设定速度值包括：
所述设定速度值等于爬坡斜率与设定速度中间变量的乘积；
当设定速度目标值与实际速度反馈值的差值小于第一预定值时，选取的爬坡斜率为慢速爬坡斜率；
当设定速度目标值与实际速度反馈值的差值在第一预定值和第二预定值之间时，选取的爬坡斜率为中速爬坡斜率；
当设定速度目标值与实际速度反馈值的差值大于第二预定值时，选取的爬坡斜率为快速爬坡斜率；
其中，所述第一预定值小于所述第二预定值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定速度目标值根据司控器手柄级位通过力矩百分比换算得到。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PI调节控制包括：采用增量型PI调节算法，得到输出力矩值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过微机中央控制单元将所述输出力矩值发送至牵引控制单元进行力矩控制。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定速度中间变量的最大值为设定速度目标值，最小值为0。
6.一种机车，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项所述的定速巡航方法进行定速巡航。
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2019
- 2019-10-30 CN CN201911043860.2A patent/CN110723173B/zh active Active
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