DE19927225C1 - Verfahren und Detektor zur Erkennung von Gleit- und Schleudervorgängen bei Fahrzeugen - Google Patents

Verfahren und Detektor zur Erkennung von Gleit- und Schleudervorgängen bei Fahrzeugen

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung von Gleit- und Schleudervorgängen bei Fahrzeugen, insbesondere zur Anwendung in einem Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung von elektrischen Triebfahrzeugen, und auf einen Detektor zur Durchführung des Verfahrens. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und einen Detektor zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln, mit denen gewährleistet ist, daß die Nachteile des Standes der Technik vermieden und Gleit- und Schleudervorgänge schnellstmöglich ermittelt werden, wird dadurch gelöst, daß aus den bekannten zulässigen Parameterobergrenzen für den Ruck die Varianz eines erwartungsfreien stochastischen Prozesses so bestimmt wird, daß durch die zweimalige Integration der den Prozeß bildenden Größe ein Schätzwert für die Drehzahl gewonnen wird, der mit den Parameterobergrenzen übereinstimmt, und der zusammen mit der gemessenen Drehzahl zu einer Fehlerauswertung geführt wird, aus der Gleit- oder Schleudervorgänge erkannt werden, wobei bei der Fehlerauswertung das aktuelle Motordrehmoment oder das aktuelle Soll-Motordrehmoment und/oder die aktuelle beschleunigung berücksichtigt und damit auch die zulässigen Beschleunigungsvorgänge erkannt und berücksichtigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Gleit- und Schleudervorgängen bei Fahrzeugen, insbesondere zur Anwen­ dung in einem Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung von elektrischen Triebfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 und einen Detektor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4. Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 43 33 281 C2 bekannt.
Moderne Triebfahrzeuge können Zugkräfte bereitstellen, die nur unter günstigen Kraftschlußbedingungen übertragen werden können.
Günstige Kraftschlußbedingungen werden dabei durch eine Rei­ bungszahl gekennzeichnet, die dem heute üblichen Verhältnis von maximaler Zugkraft zu Gewichtskraft des Triebfahrzeugs von etwa 0,3 bis 0,5 entspricht. Bei ungünstigen Kraftschlußbedingungen können bei zu hohen Zug- oder Bremskraftanforderungen die Trieb­ räder schleudern bzw. gleiten. Während eines Gleit- oder Schleu­ dervorgangs können erhebliche Schäden an Rad und Gleis entste­ hen, die durch eine schnelle Reduktion der Motordrehmomente ver­ hindert werden müssen. Für die Detektion von Gleit- und Schleu­ dervorgängen werden spezielle Detektoren benötigt, die in Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung eingesetzt werden, um hohe Zug- und Bremskräfte auch unter ungünstigen Kraftschlußbedingungen zu erzielen.
Dabei besteht die Schwierigkeit, daß Beschleunigungsvorgänge nur eingeschränkt von Gleit- oder Schleudervorgängen unterschieden werden können. So können bei der Anfahrt einer modernen Lokomotive mit 84 t Gesamtgewicht und einer Anfahrzugkraft von 300 kN Beschleunigungswerte bis zu 3,6 m/s2 erreicht werden, wäh­ rend Schleudervorgänge ab Radbeschleunigungen von etwa 2 m/s2 be­ obachtet werden.
Die bekannten Verfahren sehen die Differentiation von Meßgrößen vor, um die Beschleunigung des Triebfahrzeugs zu bestimmen. Auf der Basis einer erwarteten Beschleunigung wird eine zu erwar­ tende Raddrehzahl berechnet und mit den gemessenen Drehzahlen verglichen. Bei großen Abweichungen zwischen geschätzter und ge­ messener Drehzahl wird auf einen Gleit- oder Schleudervorgang geschlossen (Schaarschmidt, J. (1992): "Entwurf, Simulation und Optimierung eines Algorithmus zur hohen Kraftschlußnutzung bei modernen Triebfahrzeugen", Dissertation, Fakultät für Elektro­ technik, Telekommunikation und Prozeßautomatisierung, HfV Dres­ den).
Ein Gleit- oder Schleudervorgang kann auch an der zeitlichen Änderung des Motordrehmomentes erkannt werden, da es bei derar­ tigen Vorgängen in einem Drehzahl-regelkreis zu einer plötzli­ chen Reduktion des Drehmomentes kommt (Schwartz, H.-J. (1992): "Regelung der Radsatzdrehzahl zur maximalen Kraftschluß­ ausnutzung bei elektrischen Triebfahrzeugen", Reihe 12, Verkehrstechnik/Fahrzeugtechnik (178), VDI Fortschrittberichte).
Die Differentiation von Meßgrößen weist den Nachteil auf, daß eine Verstärkung von Meßrauschen/Fehlern erfolgt. Um die Zuver­ lässigkeit der Detektion von Gleit- oder Schleudervorgängen zu gewährleisten, ist daher eine Differentiation zu vermeiden.
Im EP 0 195 249 B1 wird ein Verfahren zur Detektion von Gleit- und Schleudervorgängen beschrieben, bei dem ein zusätzliches Testsignal zur Detektion vorgesehen ist. Damit besteht jedoch die Gefahr der Anregung von Resonanzstellen im elektrischen oder mechanischen Teilsystem des Triebfahrzeugs. Die Anregung von Re­ sonanzstellen ist aus Gründen der Sicherheit oder der Lebens­ dauer des Antriebs grundsätzlich zu vermeiden.
Die EP 0 141 157 B1 zeigt ein Verfahren bei dem die Beseitigung des Schlüpfens zwischen Antriebsrad und Schiene in Abhängigkeit von einer Grenzwertüberschreitung der zeitlichen Änderung der Beschleunigung des Radumfangs mindestens eines Antriebsrades erfolgt. Dies ist äquivalent zur Berücksichtigung zulässiger Parameterobergrenzen für den Ruck eines Antriebsrades bei einem derartigen Regelverfahren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und einen Detektor zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln, mit denen gewährleistet ist, daß die Nachteile des Standes der Technik vermieden und Gleit- und Schleudervorgänge schnellstmög­ lich ermittelt werden.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4 gelöst. Danach ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß aus den bekannten zulässigen Parameterobergrenzen für den Ruck die Va­ rianz eines erwartungsfreien stochastischen Prozesses so be­ stimmt wird, daß durch die zweimalige Integration der den Prozeß bildenden Größe ein Schätzwert für die Drehzahl gewonnen wird, der mit den Parameterobergrenzen übereinstimmt, und der zusammen mit der gemessenen Drehzahl zu einer Fehlerauswertung geführt wird, aus der Gleit- oder Schleudervorgänge erkannt werden, wo­ bei bei der Fehlerauswertung das aktuelle Motordrehmoment oder das aktuelle Soll-Motordrehmoment und/oder die aktuelle Be­ schleunigung berücksichtigt und damit auch die zulässigen Be­ schleunigungsvorgänge erkannt und berücksichtigt werden.
Durch das Verfahren wird bei der Bestimmung von Gleit- und Schleudervorgängen über die Auswertung der Motordrehzahl und des von einer Motorregelung ausgegebenen Soll-Motordrehmomentes erreicht, daß kein zusätzliches Testsignal erforderlich ist.
Es wird nur ein Drehzahlmeßwert benötigt. Informationen über das Motordrehmoment sind nur zur Erkennung des Fahrzustandes erfor­ derlich.
Aufgrund der geringen Anzahl von notwendigen Informationen ist die Realisierung eines Detektors mit geringem Rechenaufwand mög­ lich.
Der Detektor ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Schätzung der Drehzahl unter Berücksichtigung von Parame­ terobergrenzen für den Ruck, an deren Eingang Informationen über die gemessene Drehzahl und über den Fahrzustand angelegt sind, über eine Einrichtung zur Berücksichtigung von zugelassenen Beschleunigungsvorgängen, an die Größen zur Erkennung der zugelassenen Beschleunigungsvorgänge angelegt sind, und über eine Einrichtung zur Bestimmung der Varianz des Ausgangssignals der Einrichtung zur Berücksichtigung von zugelassenen Beschleu­ nigungsvorgängen mit einem Schwellwertdetektor zur Erkennung des Beginns und mit einem Schwellwertdetektor zur Erkennung des Endes eines Gleit- oder Schleudervorgangs verbunden ist, wobei die Schwellwertdetektoren mit einer Auswertelogik verbunden sind, deren Ausgangangssignal das Ausgangssignal des Detektors bildet.
Es können starke, aber zulässige Beschleunigungsvorgänge von Gleit- und Schleudervorgängen unterschieden werden. Die Fehler­ rate des Detektors wird gesenkt.
Es kann auf eine stets kritische Differentiation von Meßgrößen verzichtet werden. Die Zuverlässigkeit des Detektors wird damit erhöht.
Bei Bedarf kann eine Adaption an verschiedene Fahrzustände (Nor­ malfahrt, Gefahrenbremsung) mit unterschiedlichen, betrieblichen Grenzwerten für den Ruck vorgenommen werden.
Der Detektor kann für beliebige Motortypen auf beliebigen Fahr­ zeugen eingesetzt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel eines Detektors näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines Detektors zur Erkennung von Gleit- und Schleudervorgängen und
Fig. 2 das Blockschaltbild eines Signalmodells.
Die Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild den prinzipiellen Auf­ bau eines Detektors zur Erkennung von Gleit- und Schleudervor­ gängen.
Der Detektor weist eine Einrichtung 1 zur Schätzung der Drehzahl unter Berücksichtigung von Extremwerten für den Ruck auf, an dessen Eingang eine Information 7 über den Fahrzustand (bei Schienenfahrzeugen zum Beispiel "Normalfahrt", "Gefahrenbrem­ sung") und ein Signal 8 für die gemessene Drehzahl herangeführt sind. In der Einrichtung 1 wird daraus ein Signal 9 abgeleitet, welches die Abweichungen zwischen der gemessenen Drehzahl und einer geschätzten Drehzahl unter Berücksichtigung von Extremwer­ ten für den Ruck darstellt.
Über das Signal 9 ist die Einrichtung 1 mit einer Einrichtung 2 zur Berücksichtigung von zugelassenen Beschleunigungsvorgängen verbunden. Die Einrichtung 2 verarbeitet das Signal 9 zusammen mit einer ersten Hilfsgröße 11, aus welcher die zugelassenen Be­ schleunigungsvorgänge erkannt werden können, zum Beispiel aus dem Soll- oder Istwert des Motordrehmomentes, und zusammen mit einer zweiten Hilfsgröße 12, aus welcher die zugelassenen Be­ schleunigungsvorgänge erkannt werden können, zum Beispiel aus der geschätzten Beschleunigung, zu einem Ausgangssignal 10, aus dessen Varianz der Beginn oder das Ende eines Gleit- oder Schleudervorgangs erkannt werden kann. Die Hilfsgröße 12 kann auch als Ausgangsgröße der Einrichtung 1 auftreten.
Das Signal 10 verbindet die Einrichtung 2 mit einer Einrichtung 3 zur Berechnung der Varianz des Signals 10. Das Ausgangssignal 13 der Einrichtung 3 ist auf einen Schwellwertdetektor 4 zur Er­ kennung des Beginns eines Gleit- oder Schleudervorgangs und auf einen Schwellwertdetektor 5 zur Erkennung des Endes eines Gleit- oder Schleudervorganges geführt. Das Ausgangssignal 14 des Schwellwertdetektors 4, zum Beispiel ein binäres Signal, das den Beginn des Gleit- oder Schleudervorgangs anzeigt, und das Ausgangssignal 15 des Schwellwertdetektors 5, zum Beispiel ein binäres Signal, welches das Ende des Gleit- oder Schleudervor­ ganges anzeigt, sind auf eine Auswertelogik 6 geführt. Das Aus­ gangssignal 16 der Auswertelogik 6 ist das Ausgangssignal des Detektors und steht zum Beispiel als Signal Eins von Beginn bis Ende eines Gleit- oder Schleudervorgangs zur Verfügung.
Für den Entwurf des Detektors wird ausgenutzt, daß sich die Fahrprofile von Schienenfahrzeugen im allgemeinen aus Ab­ schnitten nahezu konstanter Beschleunigung zusammensetzen und in den Übergangsbereichen Obergrenzen für den Ruck eingehalten werden müssen. Ein Gleit- oder Schleudervorgang kann somit er­ kannt werden, wenn der zeitliche Verlauf der Drehzahl nicht in Einklang mit den Obergrenzen für den Ruck zu bringen ist. Der bei einem Gleit- oder Schleudervorgang auftretende Ruck ist im allgemeinen größer als die betrieblichen Grenzwerte. Das Pro­ blem, daß eine Beschleunigung des Triebfahrzeuges von einem Gleit- oder Schleudervorgang unterschieden werden muß, wird auf diese Weise umgangen.
Die besondere Form der Fahrprofile läßt sich für den Entwurf des Detektors auf Basis eines Kalman Filters ausnutzen, wenn für den zeitlichen Verlauf der Drehzahl ein Signalmodell gemäß Fig. 2 zugrunde gelegt wird. Die geschätzte Drehzahl ergibt sich durch zweimalige Integration des unbekannten Ruckes, der durch eine weiße Zufallsfolge wΔω ,k modelliert wird.
Für das Kalman Filter genügt die Verwendung der aus der statio­ nären Lösung der algebraischen Riccati Gleichung berechneten Rückführverstärkung, sofern auf eine Adaption an verschiedene Fahrzustände (Normalfahrt, Gefahrenbremsung) verzichtet werden soll. Andernfalls ist der Kalman-Filter-Algorithmus online zu berechnen oder die Rückführverstärkung den verschiedenen Fahr­ zuständen entsprechend nachzuführen.
Zu Beginn einer jeden Fahrt ist die Drehzahl und auch die Be­ schleunigung null. Damit kann das Kalman Filter in Überein­ stimmung mit den realen Verhältnissen initialisiert werden.
Das diskrete Zustandsmodell (Signalmodell) mit der ge­ schätzten Drehzahl k als Ausgangsgröße entsprechend der Darstellung in der Fig. 2 lautet:
Ein Gleit- oder Schleudervorgang kann durch Auswertung des Feh­ lerprozesses êSSE,k erkannt werden. Solange kein Gleit- oder Schleudervorgang eingetreten ist, nimmt die Varianz des Fehler­ prozesses êSSE,k Werte an, die unterhalb einer geeignet zu wählen­ den Schwelle mSSD,1 liegen. Wenn umgekehrt die Varianz des Feh­ lerprozesses êSSE,k diese Schwelle überschreitet, dann ist ein Gleit- oder Schleudervorgang eingetreten.
Die Varianz 2 e,k des (erwartungsfreien) Fehlerprozesses êSSE,k kann aus einer laufenden, quadratischen Mittelung des Fehlerprozesses geschätzt werden [Wernstedt, J. 1989: "Experimentelle Prozeßana­ lyse", R. Oldenbourg, München]:
Es ist allerdings zu beachten, daß z. B. ein abruptes Abbremsen der Räder im Fahrbetrieb infolge einer Verringerung des Schlup­ fes nicht als Schleudervorgang interpretiert werden darf. Eine Fehlinterpretation der Varianz des Fehlerprozesses êSSE,k kann durch eine gleichzeitige Auswertung des Vorzeichens des Schätz­ fehlers êSSE,k und der geschätzten Beschleunigung ΔM,k vermieden werden. Hierfür wird der Schätzfehler êSSE,k bei der Bestimmung der Varianz 2 e,k gemäß (2) dann zu null gesetzt, wenn die Aussage
[sgn(M*Mot,k) . êSSE,k < 0] ∧ [sgn(M*Mot,k). Δk < 0] (3)
wahr ist. Der Faktor sgn(M*Mot,k) in (), der dem Vorzeichen des ak­ tuellen Soll-Motordrehmomentes entspricht, erlaubt die gleich­ zeitige Behandlung der Betriebszustände 'Fahren' und 'Bremsen'.
Der Beginn eines Gleit- oder Schleudervorganges wird erkannt, wenn die Varianz 2 e,k den Schwellwert mSSD,1 überschreitet, und dessen Ende, wenn sie wieder unter den Schwellwert mSSD,2 gefal­ len ist.
Für den Detektor sind folgende Parameter auszulegen:
  • - die Varianzen qΔω ,k und rω ,k,
  • - die Fensterbreite NSSE, σ,
  • - die Schwellwerte mSSD,1 und mSSD,2.
Die Varianz qΔω ,k, als Entwurfsparameter des Kalman Filters, kann aus Spezifikationen für den Antrieb einer Lokomotive bestimmt werden. Eine derartige Spezifikation ist der maximal zulässigen Ruck smax. Dieser Grenzwert ist ggf. vom Fahrzustand (Normalfahrt, Gefahrenbremsung) abhängig.
In [Gelb, A.: "Applied Optimal Estimation", M. I. T. Press, Cam­ bridge, MA., 1974] wird eine Näherung für die spektrale Dichte qa eines beliebigen, unbekannten, zeitvarianten Parameters a gemäß
da/dt = w (w: stochastischer Prozeß mit konstanter, spektraler Dichte qa) (4)
angegeben, für die Informationen über die Änderung des Pa­ rameters in einem Zeitintervall ΔT vorliegen müssen:
Die spektrale Dichte qS2 des kontinuierlichen, stochastischen Prozesses ws ergibt sich bei einer Messung der Motordrehzahl un­ ter Berücksichtigung einer angenommenen Getriebeübersetzung üG und des Radradius r0 unter Ausnutzung von (5) zu
aus der die Varianz qΔω ,k des zugehörigen, diskreten, stochasti­ schen Prozesses wΔω ,k mit Näherungsgleichungen, wie sie z. B. in [Franklin et al.: "Digital Control of Dynamic Systems", Addison Wesley Longmann, Menlo Park, CA, 1998] gegeben sind, berechnet werden kann.
Bei veränderlichen Grenzwerten smax kann eine Anpassung des De­ tektors durch eine online Adaption der Varianz qΔω ,k vorgenommen werden. In diesem Fall muß der Kalman-Filter-Algorithmus online berechnet werden oder eine Anpassung der Rückführverstärkung ge­ mäß den veränderlichen Grenzwerten vorgenommen werden. Da das Streckenmodell jedoch von zweiter und damit niedriger Ordnung ist, ist der Rechenaufwand gering.
Die Varianz rω ,k kann ebenfalls mit Hilfe von Näherungsgleichun­ gen aus allgemeinen Spezifikationen des verwendeten Drehzahl­ sensors berechnet werden (vgl. z. B. [Franklin et al. 1998]).
Die Wahl der Fensterbreite NSSE, σ orientiert sich an der Detekti­ onszeit für einen Gleit- bzw. Schleudervorgang. So muß diese maximale Detektionszeit näherungsweise der durch das Produkt aus Abstastzeit TA und der Fensterbreite NSSE, σ gegebenen Zeitspanne entsprechen.
Der Abgleich der Parameter mSSD,1 und mSSD,2 erfolgt sinnvoller­ weise während der Inbetriebnahme. Dabei sind beide Parameter stets positiv und der Wert des Parameters mSSD,2 ist kleiner oder gleich dem Wert des Parameters mSSD,1.
Vorteilhaft ist es, daß nur ein Drehzahlmeßwert benötigt wird. Informationen über das Motordrehmoment sind nur zur Erkennung des Fahrzustandes erforderlich.
Aufgrund der geringen Anzahl von notwendigen Informationen folgt eine leichte Realisierbarkeit des Detektors. Der Rechenaufwand ist gering.
Bezugszeichenaufstellung
1
Einrichtung
2
Einrichtung
3
Einrichtung
4
Schwellwertdetektor
5
Schwellwertdetektor
6
Auswertelogik
7
Information über den Fahrtzustand
8
gemessenen Drehzahl
9
Signal
10
Signal
11
Erste Hilfsgröße
12
zweite Hilfsgröße
13
geschätzte Varianz des Signales
10
14
Ausgangssignal des Schwellwertdetektors
4
15
Ausgangssignal des Schwellwertdetektors
5
16
Ausgangssignal des Detektors

Claims (4)

1. Verfahren zur Erkennung von Gleit- und Schleudervorgängen bei Fahrzeugen, insbesondere zur Anwendung in einem, Rege­ lungsverfahren zur Kraftschluß-Hochausnutzung von elektri­ schen Triebfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß aus den vorgegebenen zulässigen Parameterobergrenzen für den Ruck durch zweimalige Integration der den Prozeß bildenden Größe ein Schätzwert für die Drehzahl gewonnen wird, der mit den Parameterobergrenzen vereinbar ist, und der zusammen mit der gemessenen Drehzahl zu einer Fehlerauswertung geführt wird, aus der Gleit- oder Schleudervorgänge erkannt werden, wobei bei der Fehlerauswertung das aktuelle Motordrehmoment oder das aktuelle Soll-Motordrehmoment und/oder die aktuelle Beschleunigung berücksichtigt und damit auch die zulässigen Beschleunigungsvorgänge erkannt und berücksichtigt werden, und daß die Varianz des Ausgangsignals der Fehlerauswertung zur Erkennung von Gleit- und Schleudervorgängen bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerauswertung so vorgenommen wird, daß der aus dem Schätzwert der Drehzahl und der gemessenen Drehzahl ge­ wonnene Wert mit den Werten der Beschleunigung und/oder des Motordrehmomentes bezüglich der zulässigen Beschleunigungs­ vorgänge zu einem Wert geführt wird, dessen Varianz zur Er­ kennung des Beginns eines Gleit- oder Schleudervorgangs beim Überschreiten eines ersten Schwellwertes und des Endes bei Unterschreitung eines weiteren Schwellwertes verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei variablen vorgegebenen Parameterobergrenzen für den Ruck die Varianz des erwartungsfreien stochastischen Prozes­ ses den Veränderungen nachgeführt wird.
4. Detektor zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (1) zur Schätzung der Drehzahl unter Berücksichtigung von Parameterobergrenzen für den Ruck, an deren Eingang Informationen (7, 8) über die gemessene Drehzahl und über den Fahrzustand angelegt sind, über eine Einrichtung (2) zur Berücksichtigung von zugelassenen Beschleunigungsvorgängen, an die Größen (11, 12) zur Erkennung der zugelassenen Beschleunigungsvorgänge angelegt sind, und über eine Einrichtung (3) zur Bestimmung der Varianz des Ausgangssignals (10) der Einrichtung (2) zur Berücksichtigung von zugelassenen Beschleunigungsvorgängen mit einem Schwellwertdetektor (4) zur Erkennung des Beginns und mit einem Schwellwertdetektor (5) zur Erkennung des Endes eines Gleit- oder Schleudervorgangs verbunden ist, wobei die Schwellwertdetektoren (4, 5) mit einer Auswertelogik (6) verbunden sind, deren Ausgangssignal (16) das Ausgangssignal des Detektors bildet.
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