CN113276910A - 基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换方法。针对货运列车运行过程中列车的加速度变化，建立货运列车基于速度自适应的单质点模型和多质点模型，研究其平滑切换方法。采集列车加速度信号，通过前一刻与这一刻的加速度之差，得到加速度偏差值。对列车模型建立状态观测器，根据状态观测器得到列车速度和加速度偏差估计值。通过加速度估计值获取下一时刻的牵引力或制动力，对列车运行速度进行控制。该发明通过加速度变化率来实现列车模型的平滑切换，控制列车平稳运行。

Description

基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换

技术领域

本发明涉及货运列车运行过程模型切换及速度控制，属于货运列车自动驾驶领域。

背景技术

铁路运输是现代交通领域重要的一环，货运列车的发展方兴未艾，前景广阔。目前我国铁路运输上列车模型多采用单质点模型，但由于货运列车运量不断加大、运行速度不断加快，列车的运输安全问题，如车钩断钩、速度突变等问题开始突显，此时单质点模型显然不再适用。

货运列车在运行过程中，列车的加速度会由于线路坡度、弯道、工况等参数的变化而发生改变。当列车加速度不发生改变时，各车辆受力比较均匀，通常可以忽略车辆之间的车钩力，故采用单质点模型；当列车加速度发生改变时，车辆受力会发生很大变化，此时需要考虑车辆之间的车钩力，以防发生车钩断钩现象。

当前我国铁路运输上列车模型仍多采用单质点模型，由于误差较大，我国开始逐渐深入到多质点模型的研究中。单质点模型通常造成特殊线路时车钩断钩、列车速度突变，影响列车对车速的控制。多质点模型由于其需要对每一辆列车单独建模，对于货运列车来说，其列车数量较多，编程比较困难。本发明与常规列车模型不同之处在于采用了质点混合模型，收集列车加速度数据，以加速度变化率来进行模型切换。列车加速度不变时，采用单质点模型，列车加速度改变时，此时采用多质点模型。引用加速度作为反馈量，通过加速度偏差信号，计算出列车所需的牵引力或制动力，保证列车模型切换时速度平滑。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换方法，保证列车平稳运行。同时，考虑上坡段速度提升太慢，要尽可能的加速行驶。下坡段速度变化太快，要尽可能的稳，缓冲慢。通过所得加速度偏差信号，可以对列车运行进行控制，使列车平稳运行。

本发明可用以下技术方案来实现：

一种基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换方法，建立货运列车基于速度自适应的单质点模型和多质点模型。根据列车加速度状态变化，利用速度变换公式，确保整个切换过程速度平滑。通过对路况切换或工况改变导致的加速度偏差信号，计算出列车所需的牵引力或制动力，保证列车平稳运行。本发明由以下步骤来实现：

步骤一：设计货运列车在各线路信息条件下单质点和多质点的数学模型，模型由列车动力学模型和列车加速度偏差所建立。

列车加速度不变时，整个列车可以看成一个整体，对列车采用单质点模型，此时加速度偏差值为0。列车单质点模型动力学方程为：

式中：M为车辆的总质量；

为车辆的加速度；F_T为牵引力；F_B为制动力；F_W为车辆运行基本阻力；F_Wc为曲线阻力；F_Wr为坡道阻力。

列车加速度改变时，采用多质点模型。考虑加速度偏差的列车多质点模型动力学方程为：

式中：m_i为车辆的质量；

为车辆的加速度；γ为加速度偏差值；F_t为牵引力；F_b为制动力；F_cqi-1为前车钩力；F_chi+1为后车钩力；F_ri为第i辆车运行总阻力。

列车加速度不变时，采用单质点模型，列车加速度改变时，此时采用多质点模型。列车的模型切换是为了使计算简单的同时，考虑特殊线路时列车之间的受力，使之更好的反映列车的运行状态。

步骤二：采集列车加速度信号，通过前一刻与这一刻的加速度之差，得到加速度偏差值γ，以第一辆列车为例：

步骤三：对列车模型建立状态观测器，将速度、加速度偏差值视为状态变量，列车状态方程为：

式中：

为前一刻第一辆车辆的加速度，

为这一刻车辆的加速度，γ为加速度偏差值，v(k+1)为前一刻第一辆车辆的速度，v(k)为这一刻车辆的速度，fat为最优综合函数，作用是使控制系统最快速地跟踪输入信号，表达式为：

对式(4)建立一个状态观测器:

式中：z₁为状态观测器的速度估计值，e为速度偏差，v为列车速度，z₂为列车加速度偏差估计值，α₁、α₂、β₁和β₂为状态观测器的参数，τ为计算步长，fal(·)为非线性函数。

根据状态观测器得到列车速度和加速度偏差估计值，列车牵引力、制动力和列车速度作为输入，以列车模型切换时的加速度偏差估计值作为输出。

由状态观测器可得列车速度v和加速度

假设列车为刚性，根据整个列车模型的受力分析和加速度可得加速度偏差估计值γ。

列车各部分的平移加速度应与整体综合的加速度相同，根据各列车受力、已知的加速度和加速度偏差，可得各段列车车辆得车钩力，例如第一辆与第二辆之间得车钩力为：

依次类推，可得到各车辆之间的车钩力，以此验算列车运行的安全性。

步骤四：通过加速度估计值获取下一时刻的牵引力或制动力，对列车牵引速度进行控制，保证列车运行速度平滑。

F_T/B＝M(a_i+γ) (9)

式中：a_i为i时刻的列车加速度，γ为列车加速度偏差估计值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明设计一种速度自适应的货运列车质点模型平滑切换方法，采用了质点混合模型，收集列车加速度数据，以加速度变化率来进行模型切换。列车加速度不变时，采用单质点模型，列车加速度改变时，此时采用多质点模型。在运行过程中，考虑上坡段速度提升太慢，要尽可能控制加速行驶。下坡段速度变化太快，要尽可能的控制列车平稳运行，缓冲慢。引用速度、加速度作为反馈量，通过加速度偏差信号，计算出列车所需的牵引力或制动力，保证列车模型切换时速度平滑。

附图说明

为了让读者更清晰地了解本专利实施方案，下面将对本专利具体实施方式中的附图作简单介绍：

图1为货运列车模型切换的结构图。

图2为货运列车模型切换的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，该发明提供一种基于速度自适应的货运列车质点模型切换方法，用于对列车运行进行平稳控制。在不同的工况下，其运行方式不同，模型切换时所采取的策略也不同。在列车巡航阶段，列车应尽可能的保持匀速运行。经过坡段、弯路时，由于加速度发生变化，质点模型需要切换，根据其模型变化时的加速度偏差估计值，重新计算列车加速度，进而得到列车牵引力或制动力，使列车保持匀速运行。在牵引、惰性、制动过渡阶段，其加速度也会发生变化，为保证列车平稳运行，需要实现列车质点模型切换以及速度的自适应。

如图2所示，该发明的模型切换方法可以通过仿真实验来进行验证，包括以下步骤：

步骤一：设计货运列车在各线路信息条件下单质点和多质点的数学模型，模型由列车动力学模型和列车加速度偏差所建立。

列车加速度不变时，整个列车可以看成一个整体，对列车采用单质点模型，此时加速度偏差值为0。列车单质点模型动力学方程为：

式中：M为车辆的总质量；

为车辆的加速度；F_T为牵引力；F_B为制动力；F_W为车辆运行基本阻力；F_Wc为曲线阻力；F_Wr为坡道阻力。

列车加速度改变时，采用多质点模型。考虑加速度偏差的列车多质点模型动力学方程为：

式中：m_i为车辆的质量；

为车辆的加速度；γ为加速度偏差值；F_t为牵引力；F_b为制动力；F_cqi-1为前车钩力；F_chi+1为后车钩力；F_ri为第i辆车运行总阻力。

列车加速度不变时，采用单质点模型，列车加速度改变时，此时采用多质点模型。列车的模型切换是为了使计算简单的同时，考虑特殊线路时列车之间的受力，使之更好的反映列车的运行状态。

步骤二：采集列车加速度信号，通过前一刻与这一刻的加速度之差，得到加速度偏差值γ，以第一辆列车为例：

步骤三：对列车模型建立状态观测器将速度、加速度偏差值视为状态变量，列车状态方程为：

对式(4)建立一个状态观测器:

式中：z₁为状态观测器的速度估计值，e为速度偏差，z₂为列车加速度偏差估计值，α₁、α₂、β₁和β₂为状态观测器的参数，τ为计算步长，fal(·)为非线性函数。

根据状态观测器得到列车速度和加速度偏差估计值，列车牵引力、制动力和列车速度作为输入，以列车模型切换时的加速度偏差估计值作为输出。

由状态观测器可得列车速度v和加速度

假设列车为刚性，根据整个列车模型的受力分析和加速度可得加速度偏差估计值γ。

列车各部分的平移加速度应与整体综合的加速度相同，根据各列车受力、已知的加速度和加速度偏差，可得各段列车车辆得车钩力，例如第一辆与第二辆之间得车钩力为：

依次类推，可得到各车辆之间的车钩力，以此验算列车运行的安全性。

步骤四：通过加速度估计值获取下一时刻的牵引力或制动力，对列车牵引速度进行控制，保证列车运行速度平滑。

F_T/B＝M(a_i+γ) (8)

以上所述为本发明较好的实施例子，但其保护范围并不仅仅局限于此。本领域的技术人员能够对实施例子做出变换或修改，但这些变换或修改应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换方法，建立货运列车基于速度自适应的单质点模型和多质点模型，通过对模型切换时加速度偏差的自适应估计，计算出列车所需的牵引力或制动力，保证列车模型切换时速度平滑，本发明由以下步骤来实现：

步骤一：设计货运列车在各线路信息条件下单质点和多质点的数学模型，模型由列车动力学模型和列车加速度偏差所建立；

步骤二：采集列车加速度信号，通过前一刻与这一刻的加速度之差，得到加速度偏差值；

步骤三：对列车模型建立状态观测器，将速度、加速度偏差值视为状态变量，根据状态观测器得到列车速度和加速度偏差估计值，列车牵引力、制动力和列车速度作为输入，以列车模型切换时的加速度偏差估计值作为输出；

步骤四：通过加速度估计值获取下一时刻的牵引力或制动力，对列车牵引速度进行控制，保证列车运行速度平滑。

2.根据权利要求1所述的基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换方法，其特征在于，步骤一所述单质点模型动力学方程为：

考虑加速度偏差的列车多质点模型动力学方程为：

式中：m_i为车辆的质量；

为车辆的加速度；γ为加速度偏差值；F_t为牵引力；F_b为制动力；F_cqi-1为前车钩力；F_chi+1为后车钩力；F_ri为第i辆车运行总阻力。

3.根据权利要求1所述的基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换方法，其特征在于，步骤二所述通过前一刻与这一刻的加速度之差，得到加速度偏差值，表达式为：

4.根据权利要求1所述的基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换方法，其特征在于，步骤二所述对列车模型建立状态观测器，将速度、加速度偏差值视为状态变量，列车牵引力、制动力和列车速度作为输入，以列车模型切换时的加速度偏差估计值作为输出。

5.根据权利要求1所述的基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换方法，其特征在于，步骤四所述列车牵引力或制动力计算公式为：

F_T/B＝M(a_i+γ) (4)

式中：a_i为i时刻的列车加速度，γ为列车加速度偏差估计值。

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