DE4037626A1 - Regelverfahren fuer ein schienenfahrzeug mit mindestens zwei eigenstaendigen, elastisch untereinander gekoppelten antriebssystemen und regeleinrichtung hierzu - Google Patents

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.

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.

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.