CN112083649B

CN112083649B - 一种电力机车恒速控制方法、装置及设备

Info

Publication number: CN112083649B
Application number: CN201910516231.0A
Authority: CN
Inventors: 王佳; 王雨; 黄赫; 袁璐; 江伟波; 郭亮; 刘平正; 吴昌友; 欧阳辉云; 江帆; 黄利辉; 钟盛; 高磊
Original assignee: Zhuzhou CRRC Times Electric Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou CRRC Times Electric Co Ltd
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2039-06-14
Also published as: CN112083649A

Abstract

本发明公开了一种电力机车恒速控制方法，包括：依据预设的恒速输出力的斜率，设定电力机车运行时的加速度限制曲线，依据加速度与速度差的关系，调整增量式PID控制器的控制关系式，得到基于加速度的PID关系式；实时检测电力机车的加速度及速度差；依据加速度与加速度限制曲线上速度差对应的加速度值的比较结果调整增益参数；将加速度、速度差及增益参数代入基于加速度的PID关系式，依据基于加速度的PID关系式的输出量调整电力机车的输出力。本发明依据加速度的变化需求来调整电力机车的输出力，简化了增益参数的调整过程，增益参数调整的计算量小。本发明还公开了一种基于上述方法的装置、设备及计算机可读存储介质。

Description

一种电力机车恒速控制方法、装置及设备

技术领域

本发明涉及机车速度控制技术领域，特别是涉及一种电力机车恒速控制方法。本发明还涉及一种电力机车恒速控制装置、设备及计算机可读存储介质。

背景技术

PID是比例-积分-微分调节算法的简称，主要通过对系统控制量偏差的比例调节、积分调节和微分调节，三种调节方式线性组合，从而计算出所需的设定输出量，以此减小系统误差。位置式PID与增量式PID的区别是，位置式PID在积分环节上是从0时刻开始，到当前时刻的所有偏差积分，是非递推式全局积分；增量式PID是将当前时刻的控制量和上一个时刻的控制量取差值，以差值作为新的控制量，所输出的是控制输出量的增加量，是一种递推式控制。参见图1所示，图1为位置式PID控制器的工作示意图。

但是目前的增量式PID控制过程中，输出的控制量作为电力机车的输出力，偏差为速度差，这里电力机车的的输出力指的是电力机车的牵引力和电制动力。通常空气制动力在机车上不作为恒速调节的调整对象，电力机车的空气制动力直接以压力值呈现，不以空气制动力呈现，也不容易计算转换。由于牵引力和制动力与速度之间的联系并不是特别直接，因为输出力改变后，直接影响的是加速度，而不是速度值，因此输出力直接依据速度的需求进行调整的话，PID控制中的三个增益参数的调整过程会相对繁琐，计算量较大。

因此，如何提供一种计算量小的电力机车恒速控制方法是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力机车恒速控制方法，将加速度加入增量式PID控制过程中，依据加速度的变化需求来调整电力机车的输出力，简化了增益参数的调整过程，增益参数调整的计算量小；本发明的另一目的是提供一种基于上述方法的装置、设备及计算机可读存储介质。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电力机车恒速控制方法，基于增量式PID控制器，包括：

依据预设的恒速输出力的斜率，设定电力机车运行时的加速度限制曲线，依据加速度与速度差的关系，调整增量式PID控制器的控制关系式，得到基于加速度的PID关系式；其中，所述加速度限制曲线的横轴为速度差，纵轴为加速度值，所述速度差为目标速度与实际速度的差值；

实时检测所述电力机车的加速度以及速度差；

将所述加速度与所述加速度限制曲线上所述速度差对应的加速度值进行比较，依据比较结果调整所述基于加速度的PID关系式的增益参数；

将所述加速度、所述速度差以及所述增益参数代入所述基于加速度的PID关系式，依据所述基于加速度的PID关系式的输出量调整所述电力机车的输出力。

优选地，还包括：

合并所述基于加速度的PID关系式中的比例增益参数与积分增益参数，得到比例积分增益参数K_PIN以及第一PID关系式；其中，所述加速度的绝对值小于所述加速度限制曲线上所述速度差对应的加速度的绝对值时，所述K_PIN大于0；所述加速度的绝对值大于所述加速度限制曲线上所述速度差对应的加速度的绝对值时，所述K_PIN小于0；

相应的，后续将所述加速度、所述速度差以及所述增益参数代入所述第一PID关系式，依据所述第一PID关系式的输出量控制调整所述电力机车的输出力；所述增益参数包括所述K_PIN。

优选地，还包括：

将所述第一PID关系式中微分增益参数K_DN的调整对象替换为加速度，得到第二PID关系式；其中，当所述速度差大于0且所述加速度小于0时，所述K_DN大于0；所述速度差小于0且所述加速度大于0时，所述K_DN小于0；其他情况，所述K_DN＝0；

相应的，后续将所述加速度、所述速度差以及所述增益参数代入所述第二PID关系式，依据所述第二PID关系式的输出量调整所述电力机车的输出力；所述增益参数包括所述K_PIN和所述K_DN。

优选地，所述得到第二PID关系式之后还包括：

在所述第二PID关系式上增加质量变化倍数作为系数，得到第三PID关系式；

相应的，后续将所述加速度、所述速度差以及所述增益参数代入所述第三PID关系式，依据所述第三PID关系式的输出量调整所述电力机车的输出力。

优选地，所述速度差的绝对值大于第一速度差阈值时，所述K_PIN的绝对值等于比例积分最大阈值；所述速度差的绝对值小于所述第一速度差阈值时，所述K_PIN的绝对值与所述速度差的绝对值成等比例，且该比例为正值。

优选地，所述速度差的绝对值大于第二速度差阈值时，所述K_DN为0；所述速度差的绝对值小于所述第二速度差阈值大于第三速度阈值时，所述K_DN的绝对值等于微分最大阈值；所述速度差的绝对值小于所述第三速度差阈值大于第四速度阈值时，所述K_DN的绝对值与所述速度差的绝对值成等比例，且该比例为正值；所述速度差的绝对值小于所述第四速度差阈值时，所述K_DN为0；所述第二速度差阈值>所述第三速度差阈值>所述第四速度差阈值>0。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种电力机车恒速控制装置，基于增量式PID控制器，包括：

PID设置模块，用于依据预设的恒速输出力的斜率，设定电力机车运行时的加速度限制曲线，依据加速度与速度差的关系，调整增量式PID控制器的控制关系式，得到基于加速度的PID关系式；其中，所述加速度限制曲线的横轴为速度差，纵轴为加速度值，所述速度差为目标速度与实际速度的差值；所述加速度限制曲线上的加速度值为目标加速度；

检测模块，用于实时检测所述电力机车的加速度以及速度差；

调节模块，用于将所述加速度与所述加速度限制曲线上所述速度差对应的加速度值进行比较，依据比较结果调整所述基于加速度的PID关系式的增益参数；将所述加速度、所述速度差以及所述增益参数代入所述基于加速度的PID关系式，依据所述基于加速度的PID关系式的输出量调整所述电力机车的输出力。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种电力机车恒速控制设备，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时，实现如以上任一项所述的电力机车恒速控制方法的步骤。

为解决上述技术问题，本发明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上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如以上任一项所述的电力机车恒速控制方法的步骤。

本发明提供了一种电力机车恒速控制方法，依据加速度与速度差之间的关系，将加速度添加至了增量式PID控制器的控制关系式内，得到基于加速度的PID关系式；并且依据预设的输出力恒速输出力的斜率得到对应的加速度限制曲线；之后根据实际检测到的加速度和速度差，确定当前加速度与加速度限制曲线内对应位置处的加速度的大小区别，来确定基于加速度的PID关系式中的增益参数的数值，进而将上述得到的值代入该基于加速度的PID关系式进行处理，来得到输出力，其中输出力包括牵引力和制动力，用于带动电力机车加速或减速。可以理解的是，输出力会直接影响加速度的大小，之后由加速度来影响电力机车的速度。因此，通过控制输出力来控制加速度严格按照加速度限定曲线变化时，即可表明机车最终能够实现恒速运行。因此，为了实现上述目的，本发明根据当前实际的加速度和速度差以及加速度限定曲线上的目标加速度的大小，即可确定当前加速度应该的变化方向，从而据此设定基于加速度的PID关系式中的增益参数的数值，使后续调整后的输出力能够带动加速度向所希望变化的方向改变。可见，由于输出力与加速度之间直接对应，因此采用加速度替换PID控制关系式中的速度差后，PID控制关系式中的增益参数的调整过程实现了简化，增益参数调整的计算量小，从而也简化了速度调整的过程。本发明还提供了一种基于上述方法的装置、设备及计算机可读存储介质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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为位置式PID控制器的工作示意图；

图2为理想的恒速控制速度曲线图；

图3为恒速控制加速度变化曲线图；

图4为本发明提供的一种加速度限制曲线图；

图5为本发明提供的一种电力机车恒速控制方法的过程的流程图；

图6为本发明提供的另一种电力机车恒速控制方法的过程的流程图；

图7为本发明提供的一种比例积分增益参数以及微分增益参数曲线示意图；

图8为本发明提供的一种电力机车恒速控制装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电力机车恒速控制方法，将加速度加入增量式PID控制过程中，依据加速度的变化需求来调整电力机车的输出力，简化了增益参数的调整过程，增益参数调整的计算量小；本发明的另一核心是提供一种基于上述方法的装置、设备及计算机可读存储介质。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种电力机车恒速控制方法，基于增量式PID控制器，参见图5所示，图5为本发明提供的一种电力机车恒速控制方法的过程的流程图；该方法包括：

步骤s1：依据预设的恒速输出力的斜率，设定电力机车运行时的加速度限制曲线，依据加速度与速度差的关系，调整增量式PID控制器的控制关系式，得到基于加速度的PID关系式；其中，加速度限制曲线的横轴为速度差，纵轴为加速度值，速度差为目标速度与实际速度的差值；加速度限制曲线上的加速度值为目标加速度；

可以理解的是，恒速控制就是令电力机车保持恒定速度的运动。为了实现该目的，本发明会依据预先设定的恒速输出力斜率(恒速输出力斜率指的是规定的电力机车输出力的变化率)设定一个加速度限制曲线。当电力机车的输出力依据恒速输出力斜率变化且令电力机车的加速度满足加速度限制曲线时，即表明该电力机车实现了恒速运动。由于力的大小和速度之间的关系，不如力和加速度之间的关系直接，因此，若直接依据恒速输出力斜率来控制速度的变化的话，控制过程中增益参数的确定过程较为复杂，因此，本发明依据加速度和速度差的关系，将加速度代入原本由速度差组成的增量式PID关系式中，得到基于加速度的PID关系式，使得直接依据恒速输出力斜率来控制加速度的变化，并依据该变化需求来计算增益参数，这种较为直接的控制方式较为简单，也简化了增益参数的确定过程，进而缩短了恒速控制过程的时间，提高了恒速控制过程的响应灵敏度。

步骤s2：实时检测电力机车的加速度以及速度差；

本发明的目的是为了使电力机车的加速度和速度差满足需求，即加速度符合加速度限制曲线，速度差逐渐降为0，因此，需要实时检测加速度和速度差，来保证控制的灵敏度。

步骤s3：依据加速度与速度差对应的目标加速度的大小关系，调整基于加速度的PID关系式的增益参数；

可以理解的是，只有当电力机车的加速度满足加速度限制曲线时，才能表明，当前电力机车的运行状况符合之前预设的恒速输出力斜率。但是，由于实际上电力机车当前的加速度往往并不符合加速度限制曲线，加速度值可能过大或过小，因此，需要将当前的加速度值与相同的速度差之下加速度限制曲线上对应的加速度值进行比较。依据两者之间的大小关系，来确定当前应该将加速度值调大还是调小。而具体实现中，想要调整加速度值大小的方式，是通过基于加速度的PID关系式输出的调节量来调整输出力，进而达到调整加速度值的大小的目的。因此，想要调整加速度的值，需要依据调整需求来设定基于加速度的PID关系式的增益参数，进而实现调整加速度输出的调节量大小的目的。

步骤s4：将所述加速度、所述速度差以及所述增益参数代入所述基于加速度的PID关系式，依据所述基于加速度的PID关系式的输出量调整所述电力机车的输出力。

可以理解的是，输出力包括牵引力和制动力，用于带动电力机车加速或减速。输出力会直接影响加速度的大小，之后由加速度来影响电力机车的速度。因此，通过控制输出力来控制加速度严格按照加速度限定曲线变化时，即可表明机车最终能够实现恒速运行。因此，为了实现上述目的，本发明根据当前实际的加速度和速度差以及加速度限定曲线上的目标加速度的大小，即可确定当前加速度应该的变化方向，从而据此设定基于加速度的PID关系式中的增益参数的数值，使后续调整后的输出力能够带动加速度向所希望变化的方向改变。可见，由于输出力与加速度之间直接对应，因此采用加速度替换PID控制关系式中的速度差后，PID控制关系式中的增益参数的调整过程实现了简化，增益参数调整的计算量小，从而也简化了速度调整的过程。

为方便理解，以下对本发明的控制思想进行解释：

理想的恒速控制应该是当速度差较大时，输出较大牵引力(或者电制动力)，电力机车速度快速上升(或者下降)。当电力机车的速度接近目标速度时，减小牵引力(或者电制动力)，电力机车的速度缓慢接近目标速度，不存在超调，不存在超速，理想恒速控制模型的速度曲线如图2所示，理想恒速控制模型的加速度曲线如图3所示。

由于整车通常会从舒适性角度规定了牵引/电制动力的斜率，即限定了恒速输出力斜率，恒速输出力斜率必须小于控制系统规定的斜率的上限，这是因为电力机车的牵引力或制动力不可能无限制的增加。而且速度差与输出力的恒速控制模型从本质上来说实际上为速度差与加速度的控制模型，由于输出力输出后，需要一段时间后才能达到想要的效果，因此考虑输出力的调整时，需预先从时间上考虑算法计算出来的输出力，是否可以能在设计时间内完成力的发挥，即系统实际力对算法的输出力跟随性是否满足算法要求，而这一点主要是由加速度来控制的，因此通过将速度差与输出力之间的控制方式改为加速度与输出力之间的控制方式，能够更为直观的反映输出力产生的驱动效果，从而简化整个恒速控制过程。因此，本发明基于加速度的增量式PID恒速控制方式引入了加速度限制曲线，以此规定加速度变化趋势，基于加速度的PID关系式将结合加速度限制曲线对增益参数进行设定，从而实现对输出力输出力的调整。

加速度限制曲线如图4所示，其中横坐标ΔV表示速度差，曲线上的加速度值为a_limit表示限制加速度(或者说目标加速度)，a_limitmax表加速度上限，减速度的上限用-a_limitmax表示，在实际运用时，a_limitmax和-a_limitmax的数值可以不一样。恒速控制要求列车在各个速度差时刻，实际加速度的绝对值都小于加速度限制曲线上对应的目标加速度的值。ΔV_x表示进入最大限制加速度的速度差门限，-ΔV_x表示进入最大减速度的速度差门限，在实际运用时，ΔV_x和-ΔV_x可以不一样。输出力的正值表示牵引力，负值表示电制动力，理论上ΔV_x越小，恒速控制响应越快，这是由于ΔV_x越小，表明加速度限制曲线的斜坡部分斜率更陡，即相同速度差下加速度更大，因此更容易达到预设的速度控制效果。但是由于存在斜率限制，为了保证恒速控制算法不超斜率(斜率过大的话可能导致列车不稳定)，ΔV_x需根据系统规定斜率上限而设定，若是考虑系统传输延迟和响应延迟，还要在此基础上预留余量。

进一步可知，本发明中的基于加速度的PID关系式的获得过程如下：

首先，位置式PID关系式如下：

式中，K_P为比例增益参数，K_i为积分增益参数，K_d为微分增益参数，u(t)为输出量，e(t)是偏差量，e(t)＝r(t)-y(t)，r(t)是目标量，y(t)是被控量(或者实际量)。将位置式PID关系式离散化，得到更易于软件实现的离散PID关系式如下：

式中，K_P为比例增益参数，K_I＝TK_i为积分增益参数，K_D＝K_d/T为微分增益参数，T为采样周期。将离散PID关系式前后两个采集周期相减，即可得到增量式PID整体关系式：

以及增量式PID的增量关系式：

Δu[n]＝K_P{e[n]-e[n-1]}+K_Ie[n]+K_D{e[n]-2e[n-1]+e[n-2]}

式中，u(0)表示PID调节初始值，u(n)为输出量，u(0)＝u_p(0)+u_i(0)+u_d(0)。在本发明的应用中，e(n)为速度差，e(n)＝ΔV[n]，依据加速度与速度差的关系可以得到，

将以上两个关系式代入增量式PID的增量关系式中可以得到加速度PID的增量关系式：

Δu[n]＝-K_Paa[n]+K_IaΔV[n]+K_Da{a[n-1]-a[n]}

式中，K_Pa＝TK_P为新的比例增益参数，K_Ia＝K_I为新的积分增益参数，K_D＝TK_Da为新的微分增益参数。依据所述加速度PID的增量关系式以及所述增量式PID整体关系式即可构成了基于加速度的PID关系式。

参考图4和基于加速度的PID关系式可知，电力机车实际的加速度值与基于加速度的PID关系式的输出量之间的关系如下：

当车体加速度>a_limit>0或者加速度<a_limit<0，即加速度的绝对值大于加速度限制曲线上对应的目标加速度的绝对值，此时加速度的绝对值应降低，故控制输出输出力(牵引力或制动力)减少，输出量减小，Δu[n]为负数；

当车体a_limit<加速度<0或者0<加速度<a_limit，即加速度的绝对值小于加速度限制曲线上对应的目标加速度的绝对值，加速度的绝对值需要增大，故控制输出输出力(牵引力或制动力)增加，输出量增大，Δu[n]为正数；

可以理解的是，增量式PID与位置式PID本质上是一样的，在增益参数设计时需要考虑，在速度差较大时，P调节发挥主要作用，速度差较小时I调节发挥主要作用，稳态调节时，D调节发挥主要作用。在这种情况下，目前的增量式PID调节方式存在以下问题：

当外部阻力等于零时，速度差零时刻点，P调节输出为零，I调节由于误差积累，容易导致超调；

当外部阻力小于零时，速度差零时刻点，P调节输出为零，I调节由于误差积累和负值阻力，容易导致超调；

当外部阻力远大于零时，在速度差较大时，车体合力为负值，由于速度差较大时P调节发挥主要作用，I调节增益取较小值但始终为正，速度差较小后，I调节增益仍然存在，速度差过零时容易导致超调。

综上所述，由于增量式PID控制中，积分增益参数始终为正值，由于增量式PID控制时会不断地累积之前的增量，这样使得速度差接近0时，P调节虽然输出为0，但是I调节部分由于之前的累积通常为正值，这样就是的输出量很可能仍为正，在D调节不控制的情况下，就会导致超调的出现，使车辆速度过高或者过低，为行车带来危险。因此，为了尽可能避免超调的情况出现。本发明在优选的实施例中，将比例增益参数和积分增益参数进行了合并，得到了比例积分增益参数。具体过程如下：

作为优选地，该方法还包括：

步骤s12：合并基于加速度的PID关系式中的比例增益参数与积分增益参数，得到比例积分增益参数K_PIN以及第一PID关系式；

其中，加速度的绝对值小于加速度限制曲线上速度差对应的加速度的绝对值时，K_PIN大于0；加速度的绝对值大于加速度限制曲线上速度差对应的加速度的绝对值时，K_PIN小于0；

相应的，后续步骤s4调整为步骤s41：将所述加速度、所述速度差以及所述增益参数代入所述第一PID关系式，依据所述第一PID关系式的输出量控制调整所述电力机车的输出力；所述增益参数包括所述K_PIN。

可以理解的是，本实施例在当车体加速度的绝对值小于加速度限制曲线上对应的加速度的绝对值时，K_PIN大于0，使得第一PID关系式的输出量增大，Δu[n]大于0。第一PID关系式按恒速输出力限定的上升斜率F_mKN/s进行调节，输出值每秒增加F_mKN。当车体加速度的绝对值大于加速度限制曲线上对应的加速度的绝对值时，K_PIN小于0，第一PID关系式按恒速输出力限定的下降斜率，输出值每秒减少F_downKN。

即具体的，当车体a_limit<a(n)<0或者0<a(n)<a_limit，K_PIN大于0

车体a(n)<a_limit<0或者0<a_limit<a(n)，K_PIN小于0。

可以理解的是，由于本方案中在加速度绝对值小于加速度限制曲线上对应的加速度的绝对值时，表明加速度目前较小需要进行增加，因此，令比例积分增益参数大于零，这样会使得第一PID关系式的输出量增大，即输出力增大，从而进一步使加速度增加。这里的输出力增大，包括牵引力增大和制动力增大两种情况。反之，当加速度的绝对值大于加速度限制曲线上对应的加速度的绝对值时，表明加速度此时目前较大需要进行减小，因此，令比例积分增益参数小于零，使得第一PID关系式的输出量减小，即输出力减小，从而进一步降低加速度。可见，在本实施例中，比例积分增益参数并不是持续为正值，而是会根据加速度的变化需求累计增加或减累计减小，从而避免持续累加输出导致的超调的问题出现，提高恒速控制的可靠性。

另外，在传统的增量式PID控制中微分调节的作用是缓解偏差量的变化，即若当前处于加速状态的话，微分增益参数会阻碍速度差的变化，输出一个负值设定力，从而使得加速过程实现较慢。通常动态调节PI调节发挥主要作用，稳态调节时，D发挥主要作用。并且由于由于微分调节的作用与比例调节和积分调节的作用相反，因此在优化PID调节阶跃响应和冲击响应时，往往还有考虑比例调节增益参数和积分调节增益参数，这三个增益参数之间耦合性较强。因此，增益参数的数值设定时需要综合考虑三个参数的数值情况，计算量较大，效率不高。并且目前要实现一个优质的PID控制时，需要依次调整上述三个增益参数，这对一个可变的控制对象来说，调整这三个增益参数相对比较繁琐，而且往往不容易兼顾速度控制精度和系统响应速率。为了解决该问题。本发明提供了一个优选的实施例。进一步优化了第一PID关系式。

作为优选地，该方法还包括：

步骤s13：将第一PID关系式中微分增益参数K_DN的调整对象替换为加速度，得到第二PID关系式；其中，速度差大于0且加速度小于0时，K_DN大于0；速度差小于0且加速度大于0时，K_DN小于0；其他情况，K_DN＝0；

相应的，后续步骤s41调整为步骤s42：将所述加速度、所述速度差以及所述增益参数代入所述第二PID关系式，依据所述第二PID关系式的输出量控制调整所述电力机车的输出力；所述增益参数包括所述K_PIN和所述K_DN。

可以理解的是，本发明将原来的D调节简化成，当检测到加速度与速度差变化同向时，则K_DN大于0，持续累加输出；反之，当检测到加速度与速度差变化反向时，K_DN小于0，减小输出。其中，这里的变化同向指的是：速度差为正值时，表明此时应该加速，理论上加速度为正值，速度差应该变小，即速度差的变化与加速度相反。因此，若两者同向，表明此时应该加速，但加速度小于0，因此，需要令K_DN大于0，增大牵引力；反之，K_DN小于0，减小牵引力。

即具体的，K_DN设置如下：

0＜ΔV[n]且a[n]＜0，取K_DN大于0；

0≥ΔV[n]且a[n]＞0，取K_DN小于0。

可以理解的是，由于加速度整体的控制过程中，加速度的值通常会先增加再减小(或先减小再增加)，而传统增量式PID的微分调节对象是加速度的差值，因此，该微分调节的输出绝对值会先增加后减小，因此，到最后微分调节的累加作用很小。而本方案的这种设置方式中，微分增益参数的调整对象为加速度，使得当出现需要微分调节时，微分调节的结果是直接持续的，加速度即将变为0时，微分调节的作用仍然保留，微分调节的作用较为明显，从而实现快速调节。并且，微分增益参数本身和比例积分增益参数之间的关联性较低，两者分别独立的来对第二PID关系式的输出量进行影响，使得微分增益参数和比例积分增益参数之间的耦合性较低，这样微分增益参数选取时，可以基本不考虑比例积分增益参数的数值，从而简化了增益参数的选取过程，降低了增益参数选取过程中的工作量，提高了增益参数的选取效率，更易于软件实现。

作为优选地，得到第二PID关系式之后还包括：

步骤s14：在第二PID关系式上增加质量变化倍数作为系数，得到第三PID关系式；

相应的，后续步骤s42调整为步骤s43：将加速度、速度差以及增益参数代入第三PID关系式，依据第三PID关系式的输出量控制调整电力机车的输出力。

可以理解的是，在实际应用中，电力机车的质量可能会发生变化。例如车厢数目增多，或者电力机车类型改变。这种情况下，由于不同质量的电力机车想要达到相同的加速度效果其输出力显然是不同的，简单来说，车辆质量越大，其加速时所需的牵引力就越大。因此，为了保证本发明能够在质量发生改变时仍旧能够正常工作，需要在第三PID关系式增加质量变化倍数。假如最初第三PID关系式所应用于的电力机车的质量变化倍数视为1的话，若后续电力机车的质量发生变化后，变化后的质量是变化前的N倍，则原始的第三PID关系式之前也应该乘以一个N。举例来说，若电力机车的质量变为原来的2倍，则之前的第三PID关系式前也应乘以2。这种方式，使得本发明的控制方式能够根据载重自适应不同的控制对象，适用范围更广。

另外，上述设置过程中，电力机车的质量系数以比例倍数的关系影响着列车力设定值，关系着恒速控制的平稳性，其具体参数应根据实际工况现场调试。其理论值计算方式可参照加速限制曲线与质量系数，采用递推方式计算。

参见图6所示，图6为本发明提供的另一种电力机车恒速控制方法的过程的流程图。

在一种优选实施例中，速度差的绝对值大于第一速度差阈值时，K_PIN的绝对值等于比例积分最大阈值；速度差的绝对值小于第一速度差阈值时，K_PIN的绝对值与速度差的绝对值成等比例，且该比例为正值。

可以理解的是，当速度差较大时，主要依据比例积分增益参数进行调节，因此，此时令K_PIN等于自身的最大值，发挥最大的控制效果。之后，在速度差的比较小的时候，由于此时到速度差为0的时间较短，若此时输出力仍然很大的话，则从当前到速度差为0的时间过程中，需要令输出力快速的降为0，但是由于输出力的斜率已经固定，即输出力的变化速度固定，这种情况下就会导致超调。因此为了避免上述情况，在速度差减小到一定程度后，后续速度差减小的过程中，则要控制K_PIN逐渐减小，使得输出量也逐渐减小，输出力减小，加速度也减小，减缓机车的加速或减速过程。当速度差为0时，使K_PIN为0。当然，以上仅为一种优选实施例，本发明不限定比例积分最大阈值、第一速度差阈值以及比例的具体数值。另外，K_PIN的绝对值与速度差的绝对值也可不成等比例变化，本发明对此不作限定。

进一步的，速度差的绝对值大于第二速度差阈值时，K_DN为0；速度差的绝对值小于第二速度差阈值大于第三速度阈值时，K_DN的绝对值等于微分最大阈值；速度差的绝对值小于第三速度差阈值大于第四速度阈值时，K_DN的绝对值与速度差的绝对值成等比例，且该比例为正值；速度差的绝对值小于第四速度差阈值时，K_DN为0；第二速度差阈值>第三速度差阈值>第四速度差阈值>0。

可以理解的是，在速度差较大的情况下，主要依据比例积分增益参数进行调节，微分增益参数的调节作用不大，因此，此时令K_DN为0；当速度差不太大时，为了提高速度控制效果，增加微分增益参数进行调节，此时为了提高效果，令K_DN的绝对值等于自身的最大值，并且由于微分增益参数的条件需要持续一段时间才有充分的效果，因此需要令K_DN的绝对值在最大值保持一段时间；当速度差较小时，若始终保持较大的输出力，则会导致最终输出力需要在一个很短的时间降为0，但是收到输出力斜率的限制，该目标无法实现，则容易导致超调，因此，当速度差较小时，需要控制K_DN逐渐减小，使得输出量也逐渐减小，输出力减小，加速度也减小，减缓机车的加速或减速过程；当速度差很小时，此时理论上仅需要很小的加速度即可，由于此时比例积分增益参数K_PIN并不为0，因此为了避免超调，此时令微分增益参数K_DN降为0。当然，以上仅为一种优选实施例，本发明不限定微分最大阈值、第二速度差阈值、第三速度差阈值、第四速度差阈值以及上述比例的具体数值。另外，K_DN的绝对值与速度差的绝对值也可不成等比例变化，本发明对此不作限定。

参见图7所示，图7为本发明提供的一种比例积分增益参数以及微分增益参数曲线示意图。

本发明还提供了一种电力机车恒速控制装置，基于增量式PID控制器，参见图8所示，图8为本发明提供的一种电力机车恒速控制装置的结构示意图。该装置包括：

PID设置模块1，用于依据预设的恒速输出力的斜率，设定电力机车运行时的加速度限制曲线，依据加速度与速度差的关系，调整增量式PID控制器的控制关系式，得到基于加速度的PID关系式；其中，加速度限制曲线的横轴为速度差，纵轴为加速度值，速度差为目标速度与实际速度的差值；加速度限制曲线上的加速度值为目标加速度；

检测模块2，用于实时检测电力机车的加速度以及速度差；

调节模块3，用于将加速度与加速度限制曲线上速度差对应的加速度值进行比较，依据比较结果调整基于加速度的PID关系式的增益参数；将加速度、速度差以及增益参数代入基于加速度的PID关系式，依据基于加速度的PID关系式的输出量调整电力机车的输出力。

本发明提供的电力机车恒速控制装置是用于实现以上提供的电力机车恒速控制方法，因此，本发明提供的电力机车恒速控制装置与上述电力机车恒速控制方法的工作过程一一对应。

本发明还提供了一种电力机车恒速控制设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行计算机程序时实现如以上任一项的电力机车恒速控制方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如以上任一项的电力机车恒速控制方法的步骤。

以上的几种具体实施方式仅是本发明的优选实施方式，以上几种具体实施例可以任意组合，组合后得到的实施例也在本发明的保护范围之内。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，相关专业技术人员在不脱离本发明精神和构思前提下推演出的其他改进和变化，均应包含在本发明的保护范围之内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等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操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。

Claims

1.一种电力机车恒速控制方法，基于增量式PID控制器，其特征在于，包括：

实时检测所述电力机车的加速度以及速度差；

将所述加速度、所述速度差以及所述增益参数代入所述基于加速度的PID关系式，依据所述基于加速度的PID关系式的输出量调整所述电力机车的输出力；

还包括：

相应的，后续将所述加速度、所述速度差以及所述增益参数代入所述第一PID关系式，依据所述第一PID关系式的输出量控制调整所述电力机车的输出力；所述增益参数包括所述K_PIN；

其中，得到基于加速度的PID关系式表示为：

Δu[n]＝-K_Paa[n]+K_IaΔV[n]+K_Da{a[n-1]-a[n]}；

其中的K_Pa为比例增益参数，K_Ia为积分增益参数，K_Da为微分增益参数，Δu表示输出量的变化量，a表示加速度，n表示时刻。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述第一PID关系式中微分增益参数K_DN的调整对象替换为加速度，得到第二PID关系式；其中，当所述速度差大于0且所述加速度小于0时，所述第二PID关系式中的微分增益参数K_DN大于0；所述速度差小于0且所述加速度大于0时，所述K_DN小于0；其他情况，所述K_DN＝0；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述得到第二PID关系式之后还包括：

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述速度差的绝对值大于第一速度差阈值时，所述K_PIN的绝对值等于比例积分最大阈值；所述速度差的绝对值小于所述第一速度差阈值时，所述K_PIN的绝对值与所述速度差的绝对值成等比例，且该比例为正值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述速度差的绝对值大于第二速度差阈值时，所述K_DN为0；所述速度差的绝对值小于所述第二速度差阈值大于第三速度差阈值时，所述K_DN的绝对值等于微分最大阈值；所述速度差的绝对值小于所述第三速度差阈值大于第四速度差阈值时，所述K_DN的绝对值与所述速度差的绝对值成等比例，且该比例为正值；所述速度差的绝对值小于所述第四速度差阈值时，所述K_DN为0；所述第二速度差阈值>所述第三速度差阈值>所述第四速度差阈值>0。

6.一种电力机车恒速控制装置，基于增量式PID控制器，其特征在于，包括：

调节模块，用于将所述加速度与所述加速度限制曲线上所述速度差对应的加速度值进行比较，依据比较结果调整所述基于加速度的PID关系式的增益参数；将所述加速度、所述速度差以及所述增益参数代入所述基于加速度的PID关系式，依据所述基于加速度的PID关系式的输出量调整所述电力机车的输出力；

还包括：

其中，得到基于加速度的PID关系式表示为：

Δu[n]＝-K_Paa[n]+K_IaΔV[n]+K_Da{a[n-1]-a[n]}；

7.一种电力机车恒速控制设备，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时，实现如权利要求1至5任一项所述的电力机车恒速控制方法的步骤。

8.一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上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至5任一项所述的电力机车恒速控制方法的步骤。