CN112572480B - 列车恒速控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车恒速控制方法及装置，所述方法包括：获取列车的设定速度及实际速度，并且差分实际速度以获取加速度，将设定速度与实际速度的差值设定为速度误差；根据速度误差修正比例参数，根据加速度修正积分参数，根据速度误差的变化率修正微分参数；根据速度误差和修正后的比例参数、积分参数及微分参数进行比例积分微分调节，以输出列车电机期望转矩。本发明能够有效地控制列车的低恒速运行，尤其使大功率重载列车满足低恒速运行要求，有效地解决了装车精度问题，而且降低了工人的劳动强度，从而极大地提升了列车的运行效率及工作效率，进而提升了列车的性能。

Description

列车恒速控制方法及装置

技术领域

本发明涉及列车控制技术领域，尤其涉及一种基于比例积分微分调节的列车低恒速控制方法及装置。

背景技术

目前，重载电力列车广泛应用于各种煤矿及港口的货物运输。货物运输一般都采用传送带传输或定点装载传输，由一个安装于车厢上方的装置进行装货作业，装货装置的装货速度是不变的，为了使货物均匀地装在车厢中，要求列车以较低的恒定速度运行。

低恒速运行不仅可以很好地解决装车精度问题，同时也可以降低工人的劳动强度。这进一步对货运列车提出了更高的要求，既要能重载牵引，又要能很精准地配合自动化装车系统，同时列车在极低速下无法发挥电制动力，列车减速只能靠空气制动，增加了闸瓦磨损、机械摩擦噪声污染也加剧。

因此，研发大功率重载交流列车的低恒速控制功能显得尤为重要。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中无法较好地控制列车以较低的恒定速度运行的缺陷，提供一种列车恒速控制方法及装置。

本发明是通过下述技术方案来解决所述技术问题：

一种列车恒速控制方法，包括：

获取列车的设定速度及实际速度，并且差分所述实际速度以获取加速度，将所述设定速度与所述实际速度的差值设定为速度误差；

根据所述速度误差修正比例参数，根据所述加速度修正积分参数，根据所述速度误差的变化率修正微分参数；以及，

根据所述速度误差和修正后的所述比例参数、所述积分参数及所述微分参数进行比例积分微分调节，以输出列车电机期望转矩。

可选地，所述设定速度为牵引电机的设定角速度；

所述实际速度为牵引电机的实际角速度；

所述加速度为牵引电机的角加速度；

所述速度误差为牵引电机的角速度误差。

可选地，根据所述角速度误差修正比例参数的步骤包括：

响应于所述角速度误差在±Δω_r1以内，所述比例参数修正为k_p1；

响应于所述角速度误差在(-Δω_r2，-Δω_r1)和(Δω_r1，Δω_r2)区间，所述比例参数修正为在(k_p1，k_p2)区间内线性变化；

响应于所述角速度误差在±Δω_r2以外，所述比例参数修正为k_p2。

可选地，还包括：

根据实际角速度的稳定区间来设定Δω_r1，根据角速度误差的最大允许范围来设定Δω_r2。

可选地，还包括：

设定所述角速度误差的最大值Δω_max，并且将所述角速度误差控制在Δω_max以内。

可选地，根据所述角加速度修正积分参数的步骤包括：

响应于所述角加速度在±α_r1以内，所述积分参数修正为k_i1；

响应于所述角加速度在(-α_r2，-α_r1)和(α_r1，α_r2)区间，所述积分参数修正为在(k_i1，k_i2)区间内线性变化；

响应于所述角加速度在±α_r2以外，所述积分参数修正为k_i2。

可选地，还包括：

根据角加速度的稳定区间来设定α_r1，根据角加速度的最大允许范围来设定α_r2。

可选地，还包括：

设定所述角加速度的最大值α_max，并且将所述角加速度控制在α_max以内。

可选地，根据所述角速度误差的变化率修正微分参数的步骤包括：

响应于所述角速度误差的变化率在±Δω′_r1以内，所述微分参数修正为k_d1；

响应于所述角速度误差的变化率在(-Δω′_r2，-Δω′_r1)和(Δω′_r1，Δω′_r2)区间，所述微分参数修正为在(k_d1，k_d2)区间内线性变化；

响应于所述角速度误差的变化率在±Δω′_r2以外，所述微分参数修正为k_d2。

可选地，还包括：

根据实际角速度的变化率的稳定区间来设定Δω′_r1，根据角速度误差的变化率的最大允许范围来设定Δω′_r2。

可选地，还包括：

设定所述角速度误差的变化率的最大值Δω′_max，并且将所述角速度误差的变化率控制在Δω′_max以内。

可选地，所述设定速度为牵引电机的设定转动速度；

所述实际速度为牵引电机的实际转动速度；

所述加速度为牵引电机的转动加速度；

所述速度误差为牵引电机的转动速度误差。

可选地，所述设定速度为设定行驶速度；

所述实际速度为实际行驶速度；

所述加速度为行驶加速度；

所述速度误差为行驶速度误差。

可选地，所述进行比例积分微分调节的步骤包括：

利用变参数比例积分微分调节器进行比例积分微分调节。

一种计算机可读介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令在由处理器执行时实现如上述的列车恒速控制方法的步骤。

一种列车恒速控制装置，包括处理器及与所述处理器通信连接的存储器；

所述处理器被配置为：

获取列车的设定速度及实际速度，并且差分所述实际速度以获取加速度，将所述设定速度与所述实际速度的差值设定为速度误差；

根据所述速度误差修正比例参数，根据所述加速度修正积分参数，根据所述速度误差的变化率修正微分参数；

根据所述速度误差和修正后的所述比例参数、所述积分参数及所述微分参数进行比例积分微分调节，以输出列车电机期望转矩。

可选地，所述设定速度为牵引电机的设定角速度；

所述实际速度为牵引电机的实际角速度；

所述加速度为牵引电机的角加速度；

所述速度误差为牵引电机的角速度误差。

可选地，所述处理器被配置为：

响应于所述角速度误差在±Δω_r1以内，所述比例参数修正为k_p1；

响应于所述角速度误差在(-Δω_r2，-Δω_r1)和(Δω_r1，Δω_r2)区间，所述比例参数修正为在(k_p1，k_p2)区间内线性变化；

响应于所述角速度误差在±Δω_r2以外，所述比例参数修正为k_p2。

可选地，所述处理器还被配置为：

根据实际角速度的稳定区间来设定Δω_r1，根据角速度误差的最大允许范围来设定Δω_r2。

可选地，所述处理器还被配置为：

设定所述角速度误差的最大值Δω_max，并且将所述角速度误差控制在Δω_max以内。

可选地，所述处理器被配置为：

响应于所述角加速度在±α_r1以内，所述积分参数修正为k_i1；

响应于所述角加速度在(-α_r2，-α_r1)和(α_r1，α_r2)区间，所述积分参数修正为在(k_i1，k_i2)区间内线性变化；

响应于所述角加速度在±α_r2以外，所述积分参数修正为k_i2。

可选地，所述处理器还被配置为：

根据角加速度的稳定区间来设定α_r1，根据角加速度的最大允许范围来设定α_r2。

可选地，所述处理器还被配置为：

设定所述角加速度的最大值α_max，并且将所述角加速度控制在α_max以内。

可选地，所述处理器被配置为：

响应于所述角速度误差的变化率在±Δω′_r1以内，所述微分参数修正为k_d1；

响应于所述角速度误差的变化率在(-Δω′_r2，-Δω′_r1)和(Δω′_r1，Δω′_r2)区间，所述微分参数修正为在(k_d1，k_d2)区间内线性变化；

响应于所述角速度误差的变化率在±Δω′_r2以外，所述微分参数修正为k_d2。

可选地，所述处理器还被配置为：

根据实际角速度的变化率的稳定区间来设定Δω′_r1，根据角速度误差的变化率的最大允许范围来设定Δω′_r2。

可选地，所述处理器还被配置为：

设定所述角速度误差的变化率的最大值Δω′_max，并且将所述角速度误差的变化率控制在Δω′_max以内。

可选地，所述设定速度为牵引电机的设定转动速度；

所述实际速度为牵引电机的实际转动速度；

所述加速度为牵引电机的转动加速度；

所述速度误差为牵引电机的转动速度误差。

可选地，所述设定速度为设定行驶速度；

所述实际速度为实际行驶速度；

所述加速度为行驶加速度；

所述速度误差为行驶速度误差。

可选地，所述处理器被配置为：

利用变参数比例积分微分调节器进行比例积分微分调节。

在符合本领域常识的基础上，所述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实施例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明提供的列车恒速控制方法及装置，基于比例积分微分调节方式能够有效地控制列车的低恒速运行，尤其使大功率重载电力列车满足低恒速运行要求，有效地解决了装车精度问题，而且降低了工人的劳动强度，从而极大地提升了列车的运行效率及工作效率，进而提升了列车的性能。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的所述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1为根据本发明一实施例的列车恒速控制方法的流程示意图。

图2为根据本发明一实施例的列车恒速控制方法的原理示意图。

图3为根据本发明一实施例的角速度误差与比例参数的曲线示意图。

图4为根据本发明一实施例的角加速度与积分参数的曲线示意图。

图5为根据本发明一实施例的角速度误差的变化率与微分参数的曲线示意图。

附图标记说明：

步骤 101；

步骤 102；

步骤 103。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。

在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。

能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。

目前，重载电力列车广泛应用于各种煤矿及港口的货物运输。货物运输一般都采用传送带传输或定点装载传输，由一个安装于车厢上方的装置进行装货作业，装货装置的装货速度是不变的，为了使货物均匀地装在车厢中，要求列车以较低的恒定速度运行。

低恒速运行不仅可以很好地解决装车精度问题，同时也可以降低工人的劳动强度。这进一步对货运列车提出了更高的要求，既要能重载牵引，又要能很精准地配合自动化装车系统，同时列车在极低速下无法发挥电制动力，列车减速只能靠空气制动，增加了闸瓦磨损、机械摩擦噪声污染也加剧。

目前尚无法较好地控制重载电力列车以较低的恒定速度运行，导致影响列车的效率及性能。

为了克服目前存在的上述缺陷，本实施例提供一种列车恒速控制方法，包括以下步骤：获取列车的设定速度及实际速度，并且差分上述实际速度以获取加速度，将上述设定速度与上述实际速度的差值设定为速度误差；根据上述速度误差修正比例参数，根据上述加速度修正积分参数，根据上述速度误差的变化率修正微分参数；以及，根据上述速度误差和修正后的上述比例参数、上述积分参数及上述微分参数进行比例积分微分调节，以输出列车电机期望转矩。

在本实施例中，上述列车为大功率重载电力列车，但并不具体限定上述列车的类型，可根据实际需求进行相应的选择及调整。

在本实施例中，基于比例积分微分调节方式能够有效地控制列车的低恒速运行，尤其使大功率重载电力列车满足低恒速运行要求，有效地解决了装车精度问题，而且降低了工人的劳动强度，从而极大地提升了列车的运行效率及工作效率，进而提升了列车的性能。

具体地，作为一实施例，下面将列车牵引电机的角速度作为上述速度具体说明上述列车恒速控制方法。即，上述设定速度为牵引电机的设定角速度，上述实际速度为牵引电机的实际角速度，上述加速度为牵引电机的角加速度，上述速度误差为牵引电机的角速度误差。

如图1所示，上述列车恒速控制方法主要包括以下步骤：

步骤101、获取牵引电机的设定角速度、实际角速度、角加速度及角速度误差。

在本实施例中，重载电力列车在低恒速运行时，列车电机角加速度、转速、输出电磁转矩和负载转矩时刻满足以下异步电动机机械运动方程：

Jα_r+Bω_r＝T_e-T_d (1)

在式(1)及(2)中，J，B——电机转动惯量和粘滞摩擦系数，均视为常数；

Τ_e，Τ_d——电机电磁转矩和负载转矩。

参考图2所示，在本步骤中，获取牵引电机的设定角速度ω_r ^*信号及实际角速度ω_r信号，设定角速度与实际角速度的差设定为角速度误差Δω_r，实际角速度ω_r差分得角加速度α_r。

步骤102、根据角速度误差修正比例参数，根据角加速度修正积分参数，根据角速度误差的变化率修正微分参数。

参考图2所示，在本步骤中，根据角速度误差实时修正比例参数k_p，根据角加速度实时修正积分参数k_i，根据角速度误差的变化率实时修正微分参数k_d。

下面具体说明各个参数自学习控制律模块。

1、比例参数自学习控制律模块

参考图3所示，列车电机从零速运行到设定角速度期间，电机角速度逐渐增加至给定值速度，在此期间，电机角速度误差是逐渐减小至允许范围内波动的。

根据这一特点，提出一种角速度误差与比例参数自学习控制律，可以在角速度误差较大时加大比例参数，增加系统响应，减小误差；当角速度误差在允许范围内时减小比例参数，避免超调和系统不稳定。

在本步骤中，如下式(3)，响应于上述角速度误差在±Δω_r1以内，上述比例参数修正为k_p1；响应于上述角速度误差在(-Δω_r2，-Δω_r1)和(Δω_r1，Δω_r2)区间，上述比例参数修正为在(k_p1，k_p2)区间内线性变化；响应于上述角速度误差在±Δω_r2以外，上述比例参数修正为k_p2。

式(3)：

在本实施例中，角速度误差Δω_r1、Δω_r2的阈值范围选取，可以根据实际角速度的稳定区间来设定Δω_r1，根据角速度误差的最大允许范围来设定Δω_r2。

例如，角速度误差在给定角速度±5％以内视为稳定，那么Δω_r1选取为0.05ω_r ^*；角速度误差在给定角速度±50％以内视为最大允许范围，那么Δω_r2选取为0.5ω_r ^*。

在本实施例中，设定上述角速度误差的最大值Δω_max，并且将上述角速度误差控制在Δω_max以内。

2、积分参数自学习控制律模块

参考图4所示，列车电机从零速运行到给定角速度期间，电机角加速度初始为零，先增加后减小，稳定时电机角加速度波动在很小范围。

根据这一特点，提出一种角加速度与积分参数自学习控制律，可以在角加速度较大时减小积分参数，增加系统动态性能，减小超调；当角加速度在允许范围内时加大积分参数，加快消除稳态误差。

在本步骤中，如下式(4)，响应于上述角加速度在±α_r1以内，上述积分参数修正为k_i1；响应于上述角加速度在(-α_r2，-α_r1)和(α_r1，α_r2)区间，上述积分参数修正为在(k_i1，k_i2)区间内线性变化；响应于上述角加速度在±α_r2以外，上述积分参数修正为k_i2。

式(4)：

在本实施例中，角加速度α_r1、α_r2的阈值范围选取，可以根据角加速度的稳定区间来设定α_r1，根据角加速度的最大允许范围来设定α_r2。

例如，角加速度在电机转速视为稳定时，波动范围在角加速度允许最大值α_max的10％以内，那么α_r1选取为0.1α_max；假定角加速度允许最大值±80％以内视为最大允许范围，那么α_r2选取为0.8α_max。

在本实施例中，设定上述角加速度的最大值α_max，并且将上述角加速度控制在α_max以内。

3、微分参数自学习控制律模块

参考图5所示，列车电机从零速运行到给定角速度期间，电机角速度误差是逐渐减小至允许范围内波动的。角速度误差的变化率也是逐渐下降，当电机速度稳定时，角速度误差的变化率趋近于零。

根据这一特点，提出一种角速度误差的变化率与微分参数自学习控制律，可以在角速度误差的变化率较大时加大微分参数，增加系统超前滞后调节量，加快调节速率；当角速度误差的变化率在角速度误差允许范围内时减小微分参数，避免系统出较大超调。

在本步骤中，如下式(5)，响应于上述角速度误差的变化率在±Δω′_r1以内，上述微分参数修正为k_d1；响应于上述角速度误差的变化率在(-Δω′_r2，-Δω′_r1)和(Δω′_r1，Δω′_r2)区间，上述微分参数修正为在(k_d1，k_d2)区间内线性变化；响应于上述角速度误差的变化率在±Δω′_r2以外，上述微分参数修正为k_d2。

式(5)：

在本实施例中，角速度误差的变化率Δω′_r1、Δω′_r2的阈值范围选取，可以根据实际角速度的变化率的稳定区间来设定Δω′_r1，根据角速度误差的变化率的最大允许范围来设定Δω′_r2。

例如，角速度误差的变化率在给定角速度变化率±10％以内视为稳定，那么Δω′_r1选取为0.1ω′_r ^*；角速度误差的变化率在给定角速度变化率±60％以内视为最大允许范围，那么Δω′_r2选取为0.6ω′_r ^*。

在本实施例中，设定上述角速度误差的变化率的最大值Δω′_max，并且将上述角速度误差的变化率控制在Δω′_max以内。

步骤103、根据加速度误差、比例参数、积分参数及微分参数进行比例积分调节，以输出电机期望转矩。

参考图2所示，在本步骤中，根据加速度误差、经过上述步骤修正后的比例参数、积分参数及微分参数，利用变参数比例积分微分调节器进行比例积分微分调节，以输出交流列车低恒速控制所需的电机期望转矩Τ_e ^*，进而实现交流列车低恒速控制。

在本实施例中，上述变参数比例积分微分调节器是基于传统比例积分微分调节器，实时修正了比例积分微分参数，具体参数修正方式已详细介绍，故不再一一赘述。

作为另一实施例，还可将列车牵引电机的转动速度作为上述速度，即，上述设定速度为牵引电机的设定转动速度，上述实际速度为牵引电机的实际转动速度，上述加速度为牵引电机的转动加速度，上述速度误差为牵引电机的转动速度误差，其具体控制方式与上述角速度的方式相似，故不再一一赘述。

作为另一实施例，还可将交流列车的行驶速度作为上述速度，即，上述设定速度为设定行驶速度，上述实际速度为实际行驶速度，上述加速度为行驶加速度，上述速度误差为行驶速度误差，其具体控制方式与上述角速度的方式相似，故不再一一赘述。

本实施例还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机指令，上述计算机指令在由处理器执行时实现如上述的列车恒速控制方法的步骤。

本实施例提供的列车恒速控制方法，具有以下有益效果。

1、本实施例将比例积分微分控制器参数与电机角速度和角加速度信号结合，提升了交流列车速度响应和稳定性。

2、不同于传统固定比例积分微分参数控制器，本实施例合理利用电机信号调整比例积分微分参数，充分发挥了比例积分微分参数控制器在不同参数下的控制效果。

3、根据电机设定角速度与实际角速度差值，利用角速度误差与比例参数自学习控制律调整比例参数，在角速度误差较大时加大比例参数，增加系统响应，减小误差；当角速度误差在允许范围内时减小比例参数，避免超调和系统不稳定。

4、根据电机实际角加速度值，利用角加速度与积分参数自学习控制律调整积分参数，在角加速度较大时减小积分参数，增加系统动态性能，减小超调；当角加速度在允许范围内时加大积分参数，加快消除稳态误差。

5、根据角速度误差的变化率，利用角速度误差的变化率与微分参数自学习控制律调整微分参数，在角速度误差的变化率较大时加大微分参数，增加系统超前滞后调节量，加快调节速率；在角速度误差的变化率较小时加小微分参数，避免系统出较大超调。

为了克服目前存在的上述缺陷，本实施例还提供一种列车恒速控制装置，上述列车恒速控制装置利用如上述的列车恒速控制方法。

上述列车恒速控制装置包括处理器及与上述处理器通信连接的存储器，存储器被配置为存储处理器所执行的程序及数据。

上述处理器被配置为：获取列车的设定速度及实际速度，并且差分上述实际速度以获取加速度，将上述设定速度与上述实际速度的差值设定为速度误差；根据上述速度误差修正比例参数，根据上述加速度修正积分参数，根据上述速度误差的变化率修正微分参数；根据上述速度误差和修正后的上述比例参数、上述积分参数及上述微分参数进行比例积分微分调节，以输出列车电机期望转矩。

在本实施例中，上述列车为大功率重载电力列车，但并不具体限定上述列车的类型，可根据实际需求进行相应的选择及调整。

在本实施例中，基于比例积分微分调节方式能够有效地控制列车的低恒速运行，尤其使大功率重载电力列车满足低恒速运行要求，有效地解决了装车精度问题，而且降低了工人的劳动强度，从而极大地提升了列车的运行效率及工作效率，进而提升了列车的性能。

具体地，作为一实施例，下面将列车牵引电机的角速度作为上述速度具体说明上述列车恒速控制装置。即，上述设定速度为牵引电机的设定角速度，上述实际速度为牵引电机的实际角速度，上述加速度为牵引电机的角加速度，上述速度误差为牵引电机的角速度误差。

上述处理器被配置为：获取牵引电机的设定角速度ω_r ^*信号及实际角速度ω_r信号，设定角速度与实际角速度的差设定为角速度误差Δω_r，实际角速度ω_r差分得角加速度α_r。

上述处理器还被配置为：根据角速度误差实时修正比例参数k_p，根据角加速度实时修正积分参数k_i，根据角速度误差的变化率实时修正微分参数k_d。

下面具体说明各个参数自学习控制律模块。

1、比例参数自学习控制律模块

参考图3所示，列车电机从零速运行到设定角速度期间，电机角速度逐渐增加至给定值速度，在此期间，电机角速度误差是逐渐减小至允许范围内波动的。

根据这一特点，提出一种角速度误差与比例参数自学习控制律，可以在角速度误差较大时加大比例参数，增加系统响应，减小误差；当角速度误差在允许范围内时减小比例参数，避免超调和系统不稳定。

如下式(3)，上述处理器被配置为：响应于上述角速度误差在±Δω_r1以内，上述比例参数修正为k_p1；响应于上述角速度误差在(-Δω_r2，-Δω_r1)和(Δω_r1，Δω_r2)区间，上述比例参数修正为在(k_p1，k_p2)区间内线性变化；响应于上述角速度误差在±Δω_r2以外，上述比例参数修正为k_p2。

式(3)：

在本实施例中，上述处理器被配置为：根据实际角速度的稳定区间来设定Δω_r1，根据角速度误差的最大允许范围来设定Δω_r2。

例如，角速度误差在给定角速度±5％以内视为稳定，那么Δω_r1选取为0.05ω_r ^*；角速度误差在给定角速度±50％以内视为最大允许范围，那么Δω_r2选取为0.5ω_r ^*。

在本实施例中，上述处理器被配置为：设定上述角速度误差的最大值Δω_max，并且将上述角速度误差控制在Δω_max以内。

2、积分参数自学习控制律模块

参考图4所示，列车电机从零速运行到给定角速度期间，电机角加速度初始为零，先增加后减小，稳定时电机角加速度波动在很小范围。

根据这一特点，提出一种角加速度与积分参数自学习控制律，可以在角加速度较大时减小积分参数，增加系统动态性能，减小超调；当角加速度在允许范围内时加大积分参数，加快消除稳态误差。

如下式(4)，上述处理器被配置为：响应于上述角加速度在±α_r1以内，上述积分参数修正为k_i1；响应于上述角加速度在(-α_r2，-α_r1)和(α_r1，α_r2)区间，上述积分参数修正为在(k_i1，k_i2)区间内线性变化；响应于上述角加速度在±α_r2以外，上述积分参数修正为k_i2。

式(4)：

在本实施例中，上述处理器被配置为：根据角加速度的稳定区间来设定α_r1，根据角加速度的最大允许范围来设定α_r2。

例如，角加速度在电机转速视为稳定时，波动范围在角加速度允许最大值α_max的10％以内，那么α_r1选取为0.1α_max；假定角加速度允许最大值±80％以内视为最大允许范围，那么α_r2选取为0.8α_max。

在本实施例中，上述处理器被配置为：设定上述角加速度的最大值α_max，并且将上述角加速度控制在α_max以内。

3、微分参数自学习控制律模块

参考图5所示，列车电机从零速运行到给定角速度期间，电机角速度误差是逐渐减小至允许范围内波动的。角速度误差的变化率也是逐渐下降，当电机速度稳定时，角速度误差的变化率趋近于零。

根据这一特点，提出一种角速度误差的变化率与微分参数自学习控制律，可以在角速度误差的变化率较大时加大微分参数，增加系统超前滞后调节量，加快调节速率；当角速度误差的变化率在角速度误差允许范围内时减小微分参数，避免系统出较大超调。

如下式(5)，上述处理器被配置为：响应于上述角速度误差的变化率在±Δω′_r1以内，上述微分参数修正为k_d1；响应于上述角速度误差的变化率在(-Δω′_r2，-Δω′_r1)和(Δω′_r1，Δω′_r2)区间，上述微分参数修正为在(k_d1，k_d2)区间内线性变化；响应于上述角速度误差的变化率在±Δω′_r2以外，上述微分参数修正为k_d2。

式(5)：

在本实施例中，上述处理器被配置为：根据实际角速度的变化率的稳定区间来设定Δω′_r1，根据角速度误差的变化率的最大允许范围来设定Δω′_r2。

例如，角速度误差的变化率在给定角速度变化率±10％以内视为稳定，那么Δω′_r1选取为0.1ω′_r ^*；角速度误差的变化率在给定角速度变化率±60％以内视为最大允许范围，那么Δω′_r2选取为0.6ω′_r ^*。

在本实施例中，上述处理器被配置为：设定上述角速度误差的变化率的最大值Δω′_max，并且将上述角速度误差的变化率控制在Δω′_max以内。

上述处理器还被配置为：根据加速度误差、经过修正后的比例参数、积分参数及微分参数，利用变参数比例积分微分调节器进行比例积分微分调节，以输出交流列车低恒速控制所需的电机期望转矩Τ_e ^*，进而实现交流列车低恒速控制。

在本实施例中，上述变参数比例积分微分调节器是基于传统比例积分微分调节器，实时修正了比例积分微分参数，具体参数修正方式已详细介绍，故不再一一赘述。

作为另一实施例，还可将列车牵引电机的转动速度作为上述速度，即，上述设定速度为牵引电机的设定转动速度，上述实际速度为牵引电机的实际转动速度，上述加速度为牵引电机的转动加速度，上述速度误差为牵引电机的转动速度误差，其具体控制方式与上述角速度的方式相似，故不再一一赘述。

作为另一实施例，还可将交流列车的行驶速度作为上述速度，即，上述设定速度为设定行驶速度，上述实际速度为实际行驶速度，上述加速度为行驶加速度，上述速度误差为行驶速度误差，其具体控制方式与上述角速度的方式相似，故不再一一赘述。

本实施例提供的列车恒速控制装置，具有以下有益效果。

1、本实施例将比例积分微分控制器参数与电机角速度和角加速度信号结合，提升了交流列车速度响应和稳定性。

2、不同于传统固定比例积分微分参数控制器，本实施例合理利用电机信号调整比例积分微分参数，充分发挥了比例积分微分参数控制器在不同参数下的控制效果。

3、根据电机设定角速度与实际角速度差值，利用角速度误差与比例参数自学习控制律调整比例参数，在角速度误差较大时加大比例参数，增加系统响应，减小误差；当角速度误差在允许范围内时减小比例参数，避免超调和系统不稳定。

4、根据电机实际角加速度值，利用角加速度与积分参数自学习控制律调整积分参数，在角加速度较大时减小积分参数，增加系统动态性能，减小超调；当角加速度在允许范围内时加大积分参数，加快消除稳态误差。

5、根据角速度误差的变化率，利用角速度误差的变化率与微分参数自学习控制律调整微分参数，在角速度误差的变化率较大时加大微分参数，增加系统超前滞后调节量，加快调节速率；在角速度误差的变化率较小时加小微分参数，避免系统出较大超调。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

尽管为使解释简单化将所述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (29)

1.一种列车恒速控制方法，其特征在于，包括：

获取列车的设定速度及实际速度，并且差分所述实际速度以获取加速度，将所述设定速度与所述实际速度的差值设定为速度误差；

根据所述速度误差修正比例参数，根据所述加速度修正积分参数，根据所述速度误差的变化率修正微分参数；以及，

根据所述速度误差和修正后的所述比例参数、所述积分参数及所述微分参数进行比例积分微分调节，以输出列车电机期望转矩。

2.如权利要求1所述的列车恒速控制方法，其特征在于，所述设定速度为牵引电机的设定角速度；

所述实际速度为牵引电机的实际角速度；

所述加速度为牵引电机的角加速度；

所述速度误差为牵引电机的角速度误差。

3.如权利要求2所述的列车恒速控制方法，其特征在于，根据所述角速度误差修正比例参数的步骤包括：

响应于所述角速度误差在±Δω_r1以内，所述比例参数修正为k_p1；

响应于所述角速度误差在(-Δω_r2，-Δω_r1)和(Δω_r1，Δω_r2)区间，所述比例参数修正为在(k_p1，k_p2)区间内线性变化；

响应于所述角速度误差在±Δω_r2以外，所述比例参数修正为k_p2。

4.如权利要求3所述的列车恒速控制方法，其特征在于，还包括：

根据实际角速度的稳定区间来设定Δω_r1，根据角速度误差的最大允许范围来设定Δω_r2。

5.如权利要求3所述的列车恒速控制方法，其特征在于，还包括：

设定所述角速度误差的最大值Δω_max，并且将所述角速度误差控制在Δω_max以内。

6.如权利要求2所述的列车恒速控制方法，其特征在于，根据所述角加速度修正积分参数的步骤包括：

响应于所述角加速度在±α_r1以内，所述积分参数修正为k_i1；

响应于所述角加速度在(-α_r2，-α_r1)和(α_r1，α_r2)区间，所述积分参数修正为在(k_i1，k_i2)区间内线性变化；

响应于所述角加速度在±α_r2以外，所述积分参数修正为k_i2。

7.如权利要求6所述的列车恒速控制方法，其特征在于，还包括：

根据角加速度的稳定区间来设定α_r1，根据角加速度的最大允许范围来设定α_r2。

8.如权利要求6所述的列车恒速控制方法，其特征在于，还包括：

设定所述角加速度的最大值α_max，并且将所述角加速度控制在α_max以内。

9.如权利要求2所述的列车恒速控制方法，其特征在于，根据所述角速度误差的变化率修正微分参数的步骤包括：

响应于所述角速度误差的变化率在±Δω′_r1以内，所述微分参数修正为k_d1；

响应于所述角速度误差的变化率在(-Δω′_r2，-Δω′_r1)和(Δω′_r1，Δω′_r2)区间，所述微分参数修正为在(k_d1，k_d2)区间内线性变化；

响应于所述角速度误差的变化率在±Δω′_r2以外，所述微分参数修正为k_d2。

10.如权利要求9所述的列车恒速控制方法，其特征在于，还包括：

根据实际角速度的变化率的稳定区间来设定Δω′_r1，根据角速度误差的变化率的最大允许范围来设定Δω′_r2。

11.如权利要求9所述的列车恒速控制方法，其特征在于，还包括：

设定所述角速度误差的变化率的最大值Δω′_max，并且将所述角速度误差的变化率控制在Δω′_max以内。

12.如权利要求1所述的列车恒速控制方法，其特征在于，所述设定速度为牵引电机的设定转动速度；

所述实际速度为牵引电机的实际转动速度；

所述加速度为牵引电机的转动加速度；

所述速度误差为牵引电机的转动速度误差。

13.如权利要求1所述的列车恒速控制方法，其特征在于，所述设定速度为设定行驶速度；

所述实际速度为实际行驶速度；

所述加速度为行驶加速度；

所述速度误差为行驶速度误差。

14.如权利要求1～13中任意一项所述的列车恒速控制方法，其特征在于，所述进行比例积分微分调节的步骤包括：

利用变参数比例积分微分调节器进行比例积分微分调节。

15.一种计算机可读介质，其特征在于，其上存储有计算机指令，所述计算机指令在由处理器执行时实现如权利要求1～14中任意一项所述的列车恒速控制方法的步骤。

16.一种列车恒速控制装置，其特征在于，包括处理器及与所述处理器通信连接的存储器；

所述处理器被配置为：

获取列车的设定速度及实际速度，并且差分所述实际速度以获取加速度，将所述设定速度与所述实际速度的差值设定为速度误差；

根据所述速度误差修正比例参数，根据所述加速度修正积分参数，根据所述速度误差的变化率修正微分参数；

根据所述速度误差和修正后的所述比例参数、所述积分参数及所述微分参数进行比例积分微分调节，以输出列车电机期望转矩。

17.如权利要求16所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述设定速度为牵引电机的设定角速度；

所述实际速度为牵引电机的实际角速度；

所述加速度为牵引电机的角加速度；

所述速度误差为牵引电机的角速度误差。

18.如权利要求17所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述处理器被配置为：

响应于所述角速度误差在±Δω_r1以内，所述比例参数修正为k_p1；

响应于所述角速度误差在(-Δω_r2，-Δω_r1)和(Δω_r1，Δω_r2)区间，所述比例参数修正为在(k_p1，k_p2)区间内线性变化；

响应于所述角速度误差在±Δω_r2以外，所述比例参数修正为k_p2。

19.如权利要求18所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述处理器还被配置为：

根据实际角速度的稳定区间来设定Δω_r1，根据角速度误差的最大允许范围来设定Δω_r2。

20.如权利要求18所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述处理器还被配置为：

设定所述角速度误差的最大值Δω_max，并且将所述角速度误差控制在Δω_max以内。

21.如权利要求17所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述处理器被配置为：

响应于所述角加速度在±α_r1以内，所述积分参数修正为k_i1；

响应于所述角加速度在(-α_r2，-α_r1)和(α_r1，α_r2)区间，所述积分参数修正为在(k_i1，k_i2)区间内线性变化；

响应于所述角加速度在±α_r2以外，所述积分参数修正为k_i2。

22.如权利要求21所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述处理器还被配置为：

根据角加速度的稳定区间来设定α_r1，根据角加速度的最大允许范围来设定α_r2。

23.如权利要求21所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述处理器还被配置为：

设定所述角加速度的最大值α_max，并且将所述角加速度控制在α_max以内。

24.如权利要求17所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述处理器被配置为：

响应于所述角速度误差的变化率在±Δω′_r1以内，所述微分参数修正为k_d1；

响应于所述角速度误差的变化率在(-Δω′_r2，-Δω′_r1)和(Δω′_r1，Δω′_r2)区间，所述微分参数修正为在(k_d1，k_d2)区间内线性变化；

响应于所述角速度误差的变化率在±Δω′_r2以外，所述微分参数修正为k_d2。

25.如权利要求24所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述处理器还被配置为：

根据实际角速度的变化率的稳定区间来设定Δω′_r1，根据角速度误差的变化率的最大允许范围来设定Δω′_r2。

26.如权利要求24所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述处理器还被配置为：

设定所述角速度误差的变化率的最大值Δω′_max，并且将所述角速度误差的变化率控制在Δω′_max以内。

27.如权利要求16所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述设定速度为牵引电机的设定转动速度；

所述实际速度为牵引电机的实际转动速度；

所述加速度为牵引电机的转动加速度；

所述速度误差为牵引电机的转动速度误差。

28.如权利要求16所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述设定速度为设定行驶速度；

所述实际速度为实际行驶速度；

所述加速度为行驶加速度；

所述速度误差为行驶速度误差。

29.如权利要求16～28中任意一项所述的列车恒速控制装置，其特征在于，所述处理器被配置为：

利用变参数比例积分微分调节器进行比例积分微分调节。

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