DE4037626A1 - Regelverfahren fuer ein schienenfahrzeug mit mindestens zwei eigenstaendigen, elastisch untereinander gekoppelten antriebssystemen und regeleinrichtung hierzu - Google Patents
Regelverfahren fuer ein schienenfahrzeug mit mindestens zwei eigenstaendigen, elastisch untereinander gekoppelten antriebssystemen und regeleinrichtung hierzuInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelverfahren für
ein Schienenfahrzeug mit mindestens zwei eigenständigen,
elastisch untereinander gekoppelten Antriebssystemen,
die zugkrafteinprägend oder drehmomenteinprägend betrie
ben werden, sowie auf eine Regeleinrichtung hierzu.
Unter einem Schienenfahrzeug wird hierbei sowohl ein aus
mindestens zwei angetriebenen Wagen bestehender Zugver
band, als auch eine Lokomotive mit mindestens zwei Ein
zelachsantrieben oder Drehgestellantrieben verstanden.
Bei Nahverkehrszügen ist es üblich, daß mehrere Wagen
eines Zugverbandes mit eigenständigen Antriebssystemen
versehen sind. Die einzelnen Antriebssysteme werden
durch Sollwert-Vorgabe des Drehmomentes oder der Zug
kraft betrieben. Die einzelnen Wagen sind über oft nur
schwach gedämpfte Kupplungen elastisch miteinander ge
koppelt. Wie sich herausgestellt hat, neigt ein derar
tiges Schienenfahrzeug je nach Dämpfung der elastischen
Verkopplung zu Längsschwingungen, die sich für die Fahr
gäste als "ruckweises" Fahren unangenehm bemerkbar ma
chen. Das gleiche gilt auch für momenten- oder zugkraft
einprägend betriebene Lokomotiven mit mindestens zwei
abgefederten Einzelachsantrieben oder Drehgestellantrie
ben mit üblicher Drehgestellfederung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelver
fahren für ein Schienenfahrzeug mit mindestens zwei ei
genständigen, elastisch untereinander gekoppelten An
triebssystemen der eingangs genannten Art anzugeben, das
Längsschwingungen zwischen den einzelnen Antriebssyste
men wirksam vermindert. Desweiteren soll eine Regelein
richtung hierzu angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Regelverfahrens in Ver
bindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs
gemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebe
nen Merkmale gelöst.
Die Aufgabe wird bezüglich der Regeleinrichtung durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 5 angegebenen Merkmale
gelöst.
Bei den Lösungen wird jeweils vorausgesetzt, daß die
mittlere Geschwindigkeit oder Drehzahl z. B. aus den er
faßten Geschwindigkeiten oder Drehzahlen der einzelnen
Antriebssysteme gebildet wird (Mittelwertbildung). Die
Geschwindigkeiten oder Drehzahlen der einzelnen An
triebssysteme werden beispielsweise mittels eines Sum
mierers addiert und ein Dividierer teilt die gebildete
Sumne durch die Anzahl der Antriebssysteme, wodurch die
mittlere Geschwindigkeit oder Drehzahl erhalten wird.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins
besondere darin, daß durch die vorgeschlagene Dämpfungs
regelung in der Antriebssteuerung eine Minimierung der
Abweichung der Geschwindigkeiten oder Drehzahlen der
Antriebssyteme von der mittleren Geschwindigkeit oder
Drehzahl erzielt wird, wodurch die Neigung zu Längs
schwingungen des Zugverbandes bzw. der Lokomotive, d. h.
Zugkraftschwankungen oder Drehmomentschwankungen, wirk
sam herabgesetzt wird. Der erforderliche Zusatzaufwand
ist relativ gering.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeich
nung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 ein aus mehreren Antriebssystemen bestehendes
Schienenfahrzeug,
Fig. 2 eine Regelanordnung zur Bedämpfung von Schwin
gungen zwischen den Antriebssystemen des
Schienenfahrzeuges.
In Fig. 1 ist ein aus mehreren Antriebssystemen beste
hendes Schienenfahrzeug dargestellt. Das Schienenfahr
zeug 1 besteht dabei aus vier einzelnen, momenteneinprä
genden Antriebssystemen A, B, C, D, wobei die einzelnen
Antriebssysteme über Verbindungselemente mit Federn FAB,
FBC, FCD (Kupplungen) miteinander gekoppelt sind. An
stelle des Drehmomentes kann auch die Zugkraft einge
prägt sein (Sollwert-Vorgabe). Im Ausführungsbeispiel
wird dabei eine Sollwert-Vorgabe der Zugkraft vorausge
setzt, die Ausführungen gelten sinngemäß auch für eine
Sollwert-Vorgabe des Drehmomentes.
Als Antriebssystem wird ein System mit eigenem Antrieb
bezeichnet. Ein solches Antriebssystem kann beispiels
weise ein angetriebener Wagen eines Nahverkehrszuges
sein, wobei das Schienenfahrzeug in diesem Fall durch
mehrere angetriebene Wagen gebildet wird (= Zugverband).
Ein solches Antriebssystem kann daneben auch der Drehge
stell- oder Einzelachsantrieb einer Lokomotive sein,
wobei in einem solchen Fall die durch mehrere Drehge
stell- oder Einzelachsantriebe angetriebene Lokomotive
selbst das Schienenfahrzeug darstellt. Im Ausführungs
beispiel wird ein Nahverkehrszug als Schienenfahrzeug
vorausgesetzt, die Ausführungen gelten sinngemäß auch
für Lokomotiven mit mehreren Antrieben.
Die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges (Zugverban
des) ist mit v bezeichnet, während die einzelnen An
triebssysteme A, B, C, D die Geschwindigkeiten vA, vB,
vC, vD aufweisen. Anstelle der Geschwindigkeiten v, vA,
vB, vC, vD können auch die entsprechenden Drehzahlen der
einzelnen Antriebe herangezogen werden.
In Fig. 2 ist eine Regelanordnung zur Bedämpfung von
Schwingungen zwischen den Antriebssystemen des Schienen
fahrzeuges dargestellt. Dabei wird das in Fig. 1 ge
zeigte, aus vier Antriebssystemen A, B, C, D bestehende
Schienenfahrzeug 1 vorausgesetzt. Die einzeln erfaßten
Geschwindigkeiten vA, vB, vC, vD der Antriebssysteme A,
B, C, D werden einem Summierer 2 zugeleitet, der aus
gangsseitig mit einem Dividierer 3 beschaltet ist. Der
Dividierer 3 teilt die aufsummierten Geschwindigkeiten
vA+vB+vC+vD durch die Anzahl n der Antriebssysteme, im
Ausführungsbeispiel n = 4, wodurch die mittlere Ge
schwindigkeit vM gebildet wird.
Diese mittlere Geschwindigkeit vM ist mit einer Totzeit
behaftet. Zur dynamischen Kompensation dieser Totzeit
wird diese mittlere Geschwindigkeit vM einem Summierer 4
und einem Differenzierglied 5 (DT-Glied) zugeführt. Das
Differenzierglied 5 bildet die differenzierte mittlere
Geschwindigkeit vMD (Fahrzeugbeschleunigung) und leitet
diese einem Verzögerungsglied zweiter Ordnung 6 (VZ2-
Glied, Tiefpaß) zu. Die dem Verzögerungsglied 6 entnehm
bare verzögerte differenzierte mittlere Geschwindigkeit
vMDV (verzögerte Fahrzeugbeschleunigung) liegt dem Sun
mierer 4 an, der die Referenzgeschwindigkeit
vMREF = vM + vMDV bildet. Diese Referenzgeschwindigkeit
vMREF ist also eine dynamisch kompensierte Nachbildung,
sie ist näherungsweise gleich der aktuellen (also unver
zögerten) Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeuges.
Die Referenzgeschwindigkeit vMREF wird vier jeweils den
einzelnen Antriebssystemen A, B, C, D zugeordneten Re
gelanordnungen 12, 13, 14, 15 zugeleitet. Im Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist lediglich die Regelan
ordnung 12 zum Antriebssystem A detailliert gezeigt, die
weiteren Regelanordnungen 13, 14, 15 sind jedoch ent
sprechend gleichartig aufgebaut.
Die Regelanordnung 12 weist einen Multiplizierer 7 auf,
der die Referenzgeschwindigkeit vMREF mit einem Korrek
turfaktor KRA multipliziert, um unterschiedliche Rad
durchmesser der einzelnen Antriebssysteme A, B, C, D zu
berücksichtigen. Bei den weiteren Regelanordnungen 13,
14, 15 sind entsprechende Multiplizierer zur Berücksich
tigung von Raddurchmesser-Korrekturfaktoren KRB, KRC,
KRD vorgesehen, wobei diesen Multiplizierern die korri
gierten Referenzgeschwindigkeiten vMREFB, vMREFC, vMREFD
entnehmbar sind.
Die in Abhängigkeit der Raddurchmesser korrigierte Refe
renzgeschwindigkeit vMREFA wird einem Subtrahierer 8
zugeleitet. Der Subtrahierer 8 bildet die Geschwindig
keitsdifferenz vDIFA = vA - vMREFA und leitet diese ei
nem Dämpfungsregler 9 zu. Bei den weiteren Regelanord
nungen 13, 14, 15 sind entsprechende Subtrahierer zur
Bildung der Geschwindigkeitsdifferenzen,
vDIFB = vB - vMREFB,
vDIFC = vC - vMREFC,
vDIFD = vD - vMREFD,
zwischen den Geschwindigkeiten der Antriebssysteme vB, vC, vD und den korrigierten Referenzgeschwindigkeiten vMREFB, vMREFC, vMREFD vorgesehen.
vDIFB = vB - vMREFB,
vDIFC = vC - vMREFC,
vDIFD = vD - vMREFD,
zwischen den Geschwindigkeiten der Antriebssysteme vB, vC, vD und den korrigierten Referenzgeschwindigkeiten vMREFB, vMREFC, vMREFD vorgesehen.
Der Dämpfungsregler 9 weist eine Reglerverstärkung Kp
auf. Die vom Dämpfungsregler 9 ausgangsseitig abgegebene
Reglerstellgröße YRA wird einem Subtrahierer 10 zugelei
tet. Die weiteren Regelanordnungen 13, 14, 15 weisen
ebenfalls Dämpfungsregler zur Bildung von Reglerstell
größen YRB, YRC, YRD auf. Der Subtrahierer 10 bildet den
korrigierten Zugkraftsollwert FSAA = FSOA - YRA zwischen
dem Zugkraftsollwert FSOA für das Antriebssystem A und
der Reglerstellgröße YRA und führt diesen korrigierten
Zugkraftsollwert einem Begrenzer 11 zu. In gleicher Wei
se bilden weitere Subtrahierer der Regelanordnungen 13,
14, 15 die korrigierten Zugkraftsollwerte,
FSAB = FSOB - YRB,
FSAC = FSOC - YRC,
FSAD = FSOD - YRD,
zwischen den Zugkraftsollwerten FSOB, FSOC, FSOD der Antriebssysteme B, C, D und den Reglerstellgrößen YRB, YRC, YRD.
FSAB = FSOB - YRB,
FSAC = FSOC - YRC,
FSAD = FSOD - YRD,
zwischen den Zugkraftsollwerten FSOB, FSOC, FSOD der Antriebssysteme B, C, D und den Reglerstellgrößen YRB, YRC, YRD.
Dem Begrenzer 11 ist der begrenzte, korrigierte Zug
kraftsollwert FAA ausgangsseitig entnehmbar. Die weite
ren Regelanordnungen 13, 14, 15 weisen ebenfalls Begren
zer auf, so daß in gleicher Weise begrenzte korrigierte
Zugkraftsollwerte FAB, FAC, FAD für die weiteren An
triebssysteme B, C, D entnehmbar sind.
Kennzeichnend für das vorgeschlagene Verfahren ist die
Verwendung der Geschwindigkeitsdifferenz bzw. Drehzahl
differenz (Differenz zwischen Antriebssystemen und
Schienenfahrzeug, d. h. Gesamtzugsystem) derart, daß eine
Drehzahl oder Geschwindigkeit des Antriebssystems, die
größer als die des Schienenfahrzeuges, d. h. Gesamtsy
stems, ist, zu einer Verringerung des jeweiligen Soll
wertes für Zugkraft oder Drehmoment führt. Bei negativer
Differenz ergibt sich eine Sollwerterhöhung unter Beach
tung der zulässigen Maximalwerte.
Im allgemeinen ist der Zusammenhang zwischen Drehzahl
differenz und Momentenänderung linear, so daß zweckmäßig
ein P-Regler als Dämpfungsregler einzusetzen ist. Allge
mein bewirkt die hohe Reglerverstärkung Kp eine starke
Dämpfung der Schwingneigung. Je größer die Reglerver
stärkung Kp gewählt wird, desto stärker wirken sich al
lerdings auch Fehler aus, die durch unterschiedliche und
unzureichend berücksichtigte Radreifendurchmesser oder
durch dynamisch zu ungenaue Nachbildung der Geschwindig
keit v des Schienenfahrzeuges verursacht werden. Bei zu
hoher Reglerverstärkung Kp wird die Dämpfungsregelung
wegen der gegebenenfalls auftretenden Totzeiten insta
bil.
Wesentlich für die Funktion des Verfahrens ist die
schnelle Rückführung der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl
jedes Antriebssystems auf den jeweiligen Sollwert der
Antriebszugkraft bzw. des Antriebsmomentes. Die dyna
misch genaue Drehzahlerfassung wird im allgemeinen vom
jeweiligen Antriebssystem ohnehin für die Steuerung be
nötigt, so daß kein zusätzlicher Aufwand notwendig ist.
Vorteilhaft für die Realisierung ist die Tatsache, daß
an die Erfassung und Auswertung der mittleren Geschwin
digkeit vM keine hohen Anforderungen zu stellen sind.
Falls diese mittlere Geschwindigkeit vM mit großer Tot
zeit behaftet ist, sind Aufbereitungs- und Korrekturmaß
nahmen zu ergreifen, denn sonst würde die vorgeschlagene
Dämpfungsregelung bei Beschleunigungs- und Bremsvorgän
gen eine bleibende Reduzierung des Zugkraft- oder Momen
tensollwertes bewirken. Deshalb muß - z. B. durch Diffe
renziation mittels Bauglied 5 und anschließender Tief
paßfilterung mittels Bauglied 6 - dafür gesorgt werden,
daß bei Beschleunigungs- und Bremsvorgängen ein "voraus
berechneter" und damit "aktueller" Referenzgeschwindig
keitswert vMREF vorliegt.
Die mittels des Begrenzers 11 bewirkte Begrenzung des
gebildeten korrigierten Zugkraftsollwertes kann bei
spielsweise derart erfolgen, daß bei betragsmäßig großen
Sollwerten der "alte" Sollwert gleichzeitig den Grenz
wert bildet, während bei kleinen Sollwerten auf einen
fest vorgegebenen Maximalwert begrenzt wird. Die Rege
lung toleriert auch einseitige Begrenzungen, jedoch
sollte der Stellbereich nicht unnötig eingeschränkt wer
den.
Claims (8)
1. Regelverfahren für ein Schienenfahrzeug mit min
destens zwei eigenständigen, elastisch untereinander ge
koppelten Antriebssystemen, die zugkrafteinprägend oder
drehmomenteinprägend betrieben werden, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei Abweichung der Geschwindigkeit
(vA, vB, vC, vD) oder Drehzahl eines Antriebssystems von
der mittleren Geschwindigkeit (vM) oder Drehzahl der
vorgegebene Zugkraftsollwert (FSOA, FSOB, FSOC, FSOD) oder
Drehmomentsollwert dieses Antriebssystems entsprechend
korrigiert wird, derart, daß die Geschwindigkeit
(vA, vB, vC, vD) oder Drehzahl des Antriebssystems vermin
dert wird, wenn sie die mittlere Geschwindigkeit (vM)
übersteigt und die Geschwindigkeit (vA, vB, vC, vD) oder
Drehzahl des Antriebssystems erhöht wird, wenn sie die
mittlere Geschwindigkeit (vM) nicht erreicht.
2. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine dynamisch korrigierte mittlere Ge
schwindigkeit verwendet wird, so daß Totzeiten bei der
Übertragung der mittleren Geschwindigkeit (vM) dynamisch
kompensiert werden und somit auch Beschleunigungs- und
Bremsvorgänge erfaßt und bei Nachbildung der Geschwin
digkeit oder Drehzahl des Schienenfahrzeuges (1) berück
sichtigt werden.
3. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Raddurch
messer der Antriebssysteme (A, B, C, D) beim Vergleich der
mittleren Geschwindigkeit (vM) oder Drehzahl mit der
Geschwindigkeit (vA, vB, vC, vD) oder Drehzahl eines An
triebssystems berücksichtigt werden.
4. Regelverfahren nach wenigstens einem der vorste
henden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der korrigierte Zugkraftsollwert (FSAA, FSAB, FSAC, FSAD)
begrenzt wird.
5. Regeleinrichtung für ein Schienenfahrzeug mit
mindestens zwei eigenständigen, elastisch untereinander
gekoppelten Antriebssystemen, die zugkrafteinprägend
oder drehmomenteinprägend betrieben werden, zur Durch
führung des Regelverfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die mittlere Geschwindigkeit (vM)
oder Drehzahl in Subtrahierern mit jeder einzelnen Ge
schwindigkeit (vA, vB, vC, vD) oder Drehzahl der Antriebs
systeme verglichen wird, daß die ermittelte Geschwindig
keitsdifferenzen (VDIFA, VDIFB, VDIFC, VDIFD) oder Dreh
zahldifferenzen Dämpfungsreglern (9) zugeführt werden
und daß die Reglerstellgrößen (YRA, YRP, YRC, YRD) der
Dämpfungsregler (9) Subtrahierern (10) zugeleitet wer
den, denen die Zugkraftsollwerte (FSOA, FSOB, FSOC, FSOD)
oder Drehmomentsollwerte für die Antriebssysteme anlie
gen, wodurch korrigierte Zugkraftsollwerte
(FSAA, FSAB, FSAC, FSAD) oder Drehmomentsollwerte gebildet
werden.
6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die mittlere Geschwindigkeit (vM) oder
Drehzahl zur Kompensation der Totzeit einem Differen
zierglied (5) zugeleitet wird, das ausgangsseitig mit
einem Verzögerungsglied (6) verbunden ist, und daß die
dem Verzögerungsglied (6) entnehmbare verzögerte, diffe
renzierte, mittlere Geschwindigkeit (vMDV) zur mittleren
Geschwindigkeit (vM) addiert wird.
7. Regeleinrichtung nach Anspruch 5 und/oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß Multiplizierer (7) zur Mul
tiplikation der mittleren Geschwindigkeit (vM, vMREF) mit
Korrekturfaktoren (KRA, KRB, KRC, KRD) für Raddurchmesser
vorgesehen sind.
8. Regeleinrichtung nach mindestens einem der vor
stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß P-Reg
ler als Dämpfungsregler (9) eingesetzt sind.
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Legal Events
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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Ipc: B60L 15/36 |
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D2 | Grant after examination | ||
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Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70567 STUTTGART, DE |
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