CN202499141U - 电力机车粘着控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电力机车粘着控制装置。该装置包括：用于实时采集机车轮轴转速信息的速度传感器、信号处理器和粘着控制处理器。信号处理器包括数字滤波处理模块，用于对所述转速信息进行数字滤波处理。粘着控制处理器用于依据所述数字信号判定机车是否处于惰行状态，若是，待接收到轮径补偿控制指令时依据轮轴的转速信息计算出该轮轴上两对轮的轮径修正系数；否则，粘着控制二型模糊模型依据采集的转速信息得出相应的粘着控制系数；然后依据轮径修正系数和粘着控制系数按照预设修正规则调整牵引电机转矩给定值的修正系数。本实用新型实现了粘着控制系统的智能化，进而有效的提高了轮轨之间的粘着利用率，实现电力机车可用粘着力的优化利用。

Description

电力机车粘着控制装置

技术领域

本实用新型涉及电力机车控制技术，尤其涉及一种电力机车粘着控制装置。

背景技术

低速重载货运列车的运行与客运列车相比需要轮轨间提供更大的牵引力和制动力，机车的牵引力和制动力的形成主要依赖于轮轨之间的粘着。而轮轨间的粘着问题非常复杂，是一个具有较大不确定性的复杂和可变性很大的过程，受机车设计条件、环境条件和运用条件等诸多因素的影响，这些不确定因素给粘着控制的深入研究带来了很大困难。例如列车在较为潮湿、有油或有落叶的轨面上运行时，机车牵引力就可能超过轮轨之间能提供的最大可用粘着力而发生连续的空转或打滑，这不但使机车实际牵引力迅速降低，影响牵引功率的发挥，而且还会增加轮轨之间的磨损，降低机车运行的平稳性，严重的还可能影响到行车安全。多年的研究和试验表明，使用机车粘着控制可以有效地提高轮轨间的粘着利用率。因此，研究先进的粘着控制方法来优化利用轮轨间的粘着力是机车牵引系统的主要研究内容之一，国内外著名的科研机构、院校和企业投入了大量的人力和物力来研究粘着控制方法和相应的粘着控制装置，以提高可用粘着利用率。

目前，已有的粘着控制方法有基于蠕滑速度的粘着控制方法和基于粘着斜率的粘着控制方法。其中，基于蠕滑速度的粘着控制方法是根据粘着特性曲线，自动地搜寻粘着峰值点，通过粘着控制调节机车车轮的蠕滑速度使其处于峰值点附近，从而达到对当前粘着的最优利用。如图1所示的粘着特性曲线，横坐标为蠕滑速度，纵坐标为粘着系数，曲线1为干燥路况下的粘着特性曲线，曲线2为潮湿路况下的粘着特性曲线。基于蠕滑速度的粘着控制方法分为直接蠕滑速度法和间接蠕滑速度法，直接蠕滑速度法根据估算的蠕滑速度实现粘着控制，间接蠕滑速度法通过适配车体加速度，并调节车轮相对车体的加速度实现对蠕滑速度的调节，从而实现粘着控制。其缺点在于：直接蠕滑速度法得到的蠕滑速度通常是不准确的，原因是电力机车的绝对速度难以获得。一般通过机车轮对转速间接得到机车的运行速度，当发生严重空转或滑行时，车体加速度的适配值常会偏离其实际值，从而对间接蠕滑速度法的性能造成影响，所以蠕滑速度法难以实现优化粘着控制。

基于粘着斜率的粘着控制方法是通过对粘着特性曲线斜率的检测实现粘着峰值点的搜寻。由于无法获得实际的粘着特性曲线，因而无法直接计算出粘着斜率，一般通过正交相关法和粘着系数导数法来估算。正交相关法建立在线性系统理论基础上，通过在电机转矩指令上叠加一定幅度的测相信号，根据相位移与粘着斜率的单值对应关系来实现粘着控制。粘着系数导数法通过估算出粘着系数并对其求导数来完成粘着峰值的判断和搜寻。其缺点在于：正交相关法需要在电机上叠加测相信号，而此信号对电机控制系统而言是一种无法消除的干扰，必然影响电机控制系统的性能。粘着系数导数法需要通过微分得到粘着斜率，而微分运算对噪声有放大作用，容易受到噪声的干扰，系统稳定性和鲁棒性较差。

实用新型内容

本实用新型提供一种电力机车粘着控制装置，以克服上述缺陷，提高可用粘着的利用率。

本实用新型是提供一种电力机车粘着控制装置，包括：

用于实时采集机车轮轴转速信息的速度传感器；

信号处理器，所述信号处理器包括用于对所述转速信息进行数字滤波处理，使其转换成数字信号的数字滤波处理模块；以及，

用于依据所述数字信号判定机车是否处于惰行状态，若是，待接收到轮径补偿控制指令时，依据轮轴的转速信息计算出该轮轴上两对轮的轮径修正系数；否则，粘着控制二型模糊模型依据采集的所述转速信息得出相应的粘着控制系数；然后依据所述轮径修正系数和所述粘着控制系数按照预设修正规则调整牵引电机转矩给定值的修正系数的粘着控制处理器；

其中，所述速度传感器的数据输出端与所述信号处理器的输入端通信连接，所述信号处理器的数据输出端与所述粘着控制处理器的数字信号输入端通信连接。

如上所述的电力机车粘着控制装置，优选地，所述信号处理器还包括：用于对所述数字信号进行异常数据处理，滤出异常数字信号的异常数据处理模块。

如上所述的电力机车粘着控制装置，还包括：

用于依据机车运行参数、机车运行环境参数和机车牵引结构因素创建粘着控制二型模糊模型，并将所述粘着控制二型模糊模型存储至所述存储模块中的二型模糊模型创建模块；

用于根据当前机车运行情况需要对所述粘着控制二型模糊模型中的参数进行赋初值处理的变量初始化模块；以及，

用于存储已创建的所述粘着控制二型模糊模型及各参数信息的存储模块；

其中，所述参数为加速度阈值、蠕滑速度阈值和蠕滑率中任意一种或任意组合。

如上所述的电力机车粘着控制装置，其中，所述粘着控制处理器包括：

用于依据接收的所述数字信号判定机车是否处于惰性运行状态，若是，调用所述轮径补偿模块；否则，调用所述空转/滑行趋势识别和控制模块的惰行状态判定模块；

用于计算轮径修正系数并输出的轮径补偿模块；

用于计算机车处于牵引状态或制动状态时的过程参数，所述过程参数包括牵引中间参数和制动中间参数的中间参数计算模块；

用于依据所述加速度和蠕滑速度准则以及减速度和蠕滑速度准则判定机车处于空转还是滑行状态，依据判定结果调用所述中间参数计算模块计算所需的中间参数，读取所述粘着控制二型模糊模型，并将计算得出的中间参数输入至粘着控制二型模糊模型推理得出相应的粘着控制系数的空转/滑行趋势识别和控制模块、

用于建立并存储加速度和蠕滑速度准则以及减速度和蠕滑速度准则的加速度/减速度和蠕滑速度粘着准则模块；以及，

用于接收所述轮径补偿模块输出的轮径修正系数及所述空转/滑行趋势识别和控制模块输出的粘着控制系数，并依据接收的轮径修正系数及粘着控制系数按照预设修正规则调整牵引电机转矩给定值的修正系数的系数修正模块；

其中，所述牵引中间参数包括轮对加速度、机车速度、蠕滑速度及蠕滑率；所述制动中间参数包括轮对减速度、机车速度、蠕滑速度及蠕滑率。

如上所述的电力机车粘着控制装置，还包括：用于提供各器件所需的工作电压的供电电源。

本实用新型的技术效果是：本实用新型提出一种基于二型模糊系统的电力机车粘着控制装置，其通过检测牵引电机带动的轮轴的转速，对给定机车的牵引力指令进行修正。该装置采用粘着控制系统二型模糊模型，实现机车粘着状态的判定，基于二型模糊模型调整给定牵引或制动力，实现优化粘着控制。本实用新型提出的装置具有较强的鲁棒性和处理不确定性的能力，由于二型模糊系统模型具有在线自学习和自适应的特点，实现了粘着控制系统的智能化，进而有效的提高了轮轨之间的粘着利用率，实现电力机车可用粘着力的优化利用。

附图说明

图1为粘着特性曲线；

图2为二型模糊模型的原理图；

图3为本实用新型提供的电力机车粘着控制装置实施例一的结构示意图；

图4为本实用新型提供的电力机车粘着控制装置实施例二的结构示意图；

图5为本实用新型提供的电力机车粘着控制装置实施例一的工作方法的流程示意图；

图6为本实用新型提供的电力机车粘着控制装置实施例二的工作方法的的流程示意图。

具体实施方式

如图3示，本实用新型提供的电力机车粘着控制装置的实施例一的结构示意图。上述各实施例中所述的电力机车粘着控制方式可采用本实施例所述装置来实现。本实施例所述装置包括：速度传感器6、信号处理器7和粘着控制处理器8。所述速度传感器6的数据输出端与所述信号处理器7的输入端通信连接，所述信号处理器7的数据输出端与所述粘着控制处理器8的数字信号输入端通信连接。其中，所述的速度传感器6，用于实时采集机车轮轴转速信息。在实际应用中，所述的速度传感器6可设置多个，以充分监测机车某一轮轴的转速，以及相邻的其他轮轴的转速，以更精确的计算得出所需的参数信息(如蠕滑速度、加速度等)，作为粘着控制二型模糊模型的精确值输入，使得所述粘着控制二型模糊模型输出的粘着控制系数更为合适，进而提高轮轨间可用粘着的利用率。所述信号处理器7包括数字滤波处理模块701。该数字滤波处理模块701用于对所述转速信息进行数字滤波处理后转换成数字信号。所述粘着控制处理器8用于依据所述数字信号判定机车是否处于惰行状态，若是，待接收到轮径补偿控制指令时，依据两动轮的转速信息计算出轮径修正系数；否则，基于已创建的粘着控制二型模糊模型依据采集的所述转速信息得出相应的粘着控制系数；以及依据所述轮径修正系数和所述粘着控制系数按照预设修正规则调整牵引电机转矩给定值的修正系数。

本实施例通过检测相邻轮轴的转速信息，基于二型模糊模型对给定的机车牵引力进行修正，具有较高的智能性。采用本实施例提供的电力机车粘着控制装置可有效的提高轮轨之间的粘着利用率。

在实际的应用中，上述实施例提供的所述电力机车粘着控制装置可设置在所述机车的每个牵引控制单元(Traction Control Unit，简称TCU)中。可使用TCU中的供电电源为电力机车粘着控制装置提供工作电压。

优选地，上述实施例中，如图3所示，所述的信号处理器7还包括：异常数据处理模块702。该异常数据处理模块702用于对所述数字信号进行异常数据处理，滤出异常数字信号，以提高所述电力机车粘着控制装置的控制精度。

如图4示，本实用新型提供的电力机车粘着控制装置实施例二的结构示意图。基于上述各实施例，本实施例还包括：二型模糊模型创建模块11、变量初始化模块10和存储模块9。通过这些模块的设置，用户可依据实际的操作经验或新发现的影响因素等重新创建粘着控制二型模糊模型，使本实施提供的电力机车粘着控制装置具有更好的适用性。其中，所述二型模糊模型创建模块11用于依据机车运行参数、机车运行环境参数和机车牵引结构因素创建粘着控制二型模糊模型，并将所述粘着控制二型模糊模型存储至所述存储模块9中。所述变量初始化模块10用于根据当前机车运行情况需要对所述粘着控制二型模糊模型中的参数进行赋初值处理；其中，所述参数为加速度阈值、蠕滑速度阈值和蠕滑率中任意一种或任意组合。所述存储模块9用于存储已创建的所述粘着控制二型模糊模型及各参数信息。

上述各实施例中，所述的粘着控制处理器8，如图4所示，可包括以下模块：惰行状态判定模块801、轮径补偿模块802、中间参数计算模块805、空转/滑行趋势识别和控制模块803、加速度/减速度和蠕滑速度粘着准则模块806以及系数修正模块804。其中，所述惰行状态判定模块801用于依据接收的所述数字信号判定机车是否处于惰性运行状态，若是，调用所述轮径补偿模块；否则，调用所述空转/滑行趋势识别和控制模块。所述轮径补偿模块802用于计算轮径修正系数并输出。所述中间参数计算模块805用于计算机车处于牵引状态或制动状态时的过程参数，所述过程参数包括牵引中间参数和制动中间参数，其中所述牵引中间参数包括轮对加速度、机车速度、蠕滑速度及蠕滑率；所述制动中间参数包括轮对减速度、机车速度、蠕滑速度及蠕滑率。所述加速度/减速度和蠕滑速度粘着准则模块806用于建立并存储加速度和蠕滑速度准则以及减速度和蠕滑速度准则。所述空转/滑行趋势识别和控制模块803用于依据所述加速度和蠕滑速度准则以及减速度和蠕滑速度准则判定机车处于空转还是滑行状态，依据判定结果调用所述中间参数计算模块计算所需的中间参数，读取所述粘着控制二型模糊模型，并将计算得出的中间参数输入至粘着控制二型模糊模型推理得出相应的粘着控制系数。所述系数修正模块804用于接收所述轮径补偿模块输出的轮径修正系数及所述空转/滑行趋势识别和控制模块输出的粘着控制系数，并依据接收的轮径修正系数及粘着控制系数按照预设修正规则调整牵引电机转矩给定值的修正系数。当然，本实用新型所述粘着控制处理器不仅限于此，也可以是其他能够实现本实用新型所述粘着控制处理器实现功能的模块组合。

如图5示，本实用新型提供的电力机车粘着控制装置实施例一的工作流程示意图。包括：

步骤S1、实时采集机车轮轴转速信息；

步骤S2、将所述转速信息进行数字滤波处理转换成数字信号；

步骤S3、依据所述数字信号判定机车是否处于惰行状态，若是，待接收到轮径补偿控制指令时，依据轮轴的转速信息计算出该轮轴上两对轮的轮径修正系数；否则，粘着控制二型模糊模型依据采集的所述转速信息得出相应的粘着控制系数；以及，

步骤S4、依据所述轮径修正系数和所述粘着控制系数按照预设修正规则调整牵引电机转矩给定值的修正系数。

本实施例提出了基于二型模糊模型的电力机车粘着控制方法，由于二型模糊模型具有较强的鲁棒性和处理不确定性的能力，因此避免了现有粘着控制方法依赖精确蠕滑速度和容易受信号噪声干扰的缺点；此外，二型模糊模型还具有在线自学习和自适应的特点，能有效的提高粘着控制的智能化和轮轨间可用粘着力的优化利用，对于提高我国机车平均粘着系数和铁路今后进一步提速与重载是十分必要的，具有重大的工程应用意义。

这里需要说明的是，本实施例中所述的二型模糊模型，如图2所示，包括模糊器1、推理机2、粘着控制规则库3、降型器4和解模糊器5。其工作原理：所述的模糊器1的精确值输入端可输入电力机车相应牵引电机电流、轮对转速等。所述模糊器1将输入的精确值映射为二型模糊集合。所述推理机2通过其内部预设的推理计算程序将所述二型模糊集合映射到输出。所述粘着控制规则库3中规则的前件和后件是二型模糊集合，根据运行试验与虚拟样机数据，得到在线优化的二型模糊系统结构，利用基于支持向量学习机制的模糊建模方法，抽取支持向量和简约集向量来产生模糊规则，构造适当核函数来模糊划分前件空间。所述降型器4把推理机2输出的二型模糊集合转换成一个一型降型集合。所述解模糊器5将降型集合精确化输出粘着控制系数。

优选地，上述实施例中，所述的步骤2之后还包括：对所述数字信号进行异常数据处理，以滤出异常数字信号，以提高电力机车粘着控制方法的控制精度。

如图6所示，本实用新型提供的电力机车粘着控制装置实施例二的工作流程示意图。基于上述实施例一的工作流程，本实施例还包括以下步骤：

步骤a1、依据机车运行参数、机车运行环境参数和机车牵引结构因素创建粘着控制二型模糊模型；

步骤a2、根据当前机车运行情况需要对所述粘着控制二型模糊模型中的参数进行赋初值处理，其中，所述参数为加速度阈值、蠕滑速度阈值和蠕滑率中任意一种或任意组合。

通过增设本实施例中所述的两个步骤，可依据实际的操作经验或新发现的影响因素重新创建粘着控制二型模糊模型，使本实施提供的电力机车粘着控制方法具有更好的适用性。

进一步地，上述各实施例所述步骤S3中，基于已创建的粘着控制二型模糊模型依据采集的所述转速信息得出相应的粘着控制系数，如图4所示，可通过以下步骤来实现：

依据所述数字信号判断机车是否处于牵引运行状态，若是，计算牵引中间参数，并依据预设的加速度和蠕滑速度准则判定轮轴是否处于空转状态，若轮轴处于空转状态，所述粘着控制二型模糊模型依据所述的牵引中间参数得出相应的粘着控制系数；否则，机车处于制动运行状态，计算制动中间参数，并依据预设的减速度和蠕滑速度准则判定轮轴是否处于滑行状态，若轮轴处于滑行状态，所述粘着控制二型模糊模型依据所述的制动中间数得出相应的粘着控制系数。

其中，所述牵引中间参数包括轮对加速度、机车速度、蠕滑速度及蠕滑率；所述制动中间参数包括轮对减速度、机车速度、蠕滑速度及蠕滑率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种电力机车粘着控制装置，其特征在于，包括：

用于实时采集机车轮轴转速信息的速度传感器；

信号处理器，所述信号处理器包括用于对所述转速信息进行数字滤波处理，使其转换成数字信号的数字滤波处理模块；以及，

用于依据所述数字信号判定机车是否处于惰行状态，若是，待接收到轮径补偿控制指令时，依据轮轴的转速信息计算出该轮轴上两对轮的轮径修正系数；否则，粘着控制二型模糊模型依据采集的所述转速信息得出相应的粘着控制系数；然后依据所述轮径修正系数和所述粘着控制系数按照预设修正规则调整牵引电机转矩给定值的修正系数的粘着控制处理器；

其中，所述速度传感器的数据输出端与所述信号处理器的输入端通信连接，所述信号处理器的数据输出端与所述粘着控制处理器的数字信号输入端通信连接。

2.根据权利要求1所述的电力机车粘着控制装置，其特征在于，所述信号处理器还包括：用于对所述数字信号进行异常数据处理，滤出异常数字信号的异常数据处理模块。

3.根据权利要求1所述的电力机车粘着控制装置，其特征在于，还包括：

用于依据机车运行参数、机车运行环境参数和机车牵引结构因素创建粘着控制二型模糊模型，并将所述粘着控制二型模糊模型存储至所述存储模块中的二型模糊模型创建模块；

用于根据当前机车运行情况需要对所述粘着控制二型模糊模型中的参数进行赋初值处理的变量初始化模块；以及，

用于存储已创建的所述粘着控制二型模糊模型及各参数信息的存储模块；

其中，所述参数为加速度阈值、蠕滑速度阈值和蠕滑率中任意一种或任意组合。

4.根据权利要求3所述的电力机车粘着控制装置，其特征在于，所述粘着控制处理器包括：

用于依据接收的所述数字信号判定机车是否处于惰性运行状态，若是，调用所述轮径补偿模块；否则，调用所述空转/滑行趋势识别和控制模块的惰行状态判定模块；

用于计算轮径修正系数并输出的轮径补偿模块；

用于计算机车处于牵引状态或制动状态时的过程参数，所述过程参数包括牵引中间参数和制动中间参数的中间参数计算模块；

用于依据所述加速度和蠕滑速度准则以及减速度和蠕滑速度准则判定机车处于空转还是滑行状态，依据判定结果调用所述中间参数计算模块计算所需的中间参数，读取所述粘着控制二型模糊模型，并将计算得出的中间参数输入至粘着控制二型模糊模型推理得出相应的粘着控制系数的空转/滑行趋势识别和控制模块、

用于建立并存储加速度和蠕滑速度准则以及减速度和蠕滑速度准则的加速度/减速度和蠕滑速度粘着准则模块；以及，

用于接收所述轮径补偿模块输出的轮径修正系数及所述空转/滑行趋势识别和控制模块输出的粘着控制系数，并依据接收的轮径修正系数及粘着控制系数按照预设修正规则调整牵引电机转矩给定值的修正系数的系数修正模块；

其中，所述牵引中间参数包括轮对加速度、机车速度、蠕滑速度及蠕滑率；所述制动中间参数包括轮对减速度、机车速度、蠕滑速度及蠕滑率。

5.根据权利要求1所述的电力机车粘着控制装置，其特征在于，还包括：用于提供各器件所需的工作电压的供电电源。

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