EP0860340A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Generierung eines Sensorsignales - Google Patents

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EP0860340A1
EP0860340A1 EP97121013A EP97121013A EP0860340A1 EP 0860340 A1 EP0860340 A1 EP 0860340A1 EP 97121013 A EP97121013 A EP 97121013A EP 97121013 A EP97121013 A EP 97121013A EP 0860340 A1 EP0860340 A1 EP 0860340A1
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EP
European Patent Office
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input
track
output
angle
elevation angle
Prior art date
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Application number
EP97121013A
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English (en)
French (fr)
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EP0860340B1 (de
Inventor
Johannes Beike
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AFN-INDUSTRIE
Original Assignee
Tzn Forschungs- und Entwicklungszentrum Unterluess GmbH
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Publication date
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Publication of EP0860340A1 publication Critical patent/EP0860340A1/de
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Publication of EP0860340B1 publication Critical patent/EP0860340B1/de
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/02—Arrangements permitting limited transverse relative movements between vehicle underframe or bolster and bogie; Connections between underframes and bogies
    • B61F5/22—Guiding of the vehicle underframes with respect to the bogies

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating a Sensor signals according to the preambles of claims 1 and 9, for example for a slope of a rail vehicle depending on the track curve
  • a value is used as a signal which is used as a relevant variable for the effective lateral acceleration.
  • a value is, for example, the angle of inclination of the car body with respect to the earth, ie the surface of the earth assumed to be horizontal. This angle of inclination is added to a track elevation and is dependent on the track geometry of the curve and the train speed.
  • DE 37 27 768 C1 specifies a method and a device for generating a control signal for the inclination of a car body as a function of the track curve.
  • the control signal is generated using measurement signals for the vehicle speed, the angular speed of the vehicle frame about its longitudinal axis oriented in the direction of travel and the transverse acceleration directed perpendicular to the direction of travel and parallel to the plane of the track. It is disadvantageous that the lateral acceleration and not a track elevation is used to form the control signal. To switch the tilt control on and off, only a roll angle integrated from the roll speed is determined. The integration of the gyro offset creates a roll angle drift that only keeps the shifting function functional for a short time. To extend the operating time, gyroscopes with a small gyro offset are required, which makes the generation of the control signal costly.
  • DE 27 05 221 C2 specifies an arrangement for controlling an inclination device which the noisy measurement signals of an acceleration sensor by measurements with a Roll and a yaw gyro to be replaced. This will cause impermissible time delays avoided in the generation of the control signal, which is necessary at a strong Filtering of the measurement signal of the acceleration sensor arise, but through the integration of the roll angle from the roll speed, the disadvantages already mentioned arise.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device, with the help of which a sensor signal is generated in a simple and effective manner Has information of a track superelevation.
  • the invention is based on the idea of a cant angle from a Roll speed and an additionally measured yaw rate.
  • the track cant angle is determined by an additional observation the track cant. This turns the observed track elevation into a signal generated, which is only in a slight difference between one already in one simulated model generated signal and a measured signal must be filtered.
  • a gyro sensor low noise
  • an acceleration sensor no drift
  • a noise-free, but drifty track elevation from the gyro sensor signal is estimated with the help of a model simulated inversely from the gyro.
  • the track elevation is measured drift-free, but noisy due to the acceleration sensor.
  • an additional measurement of the yaw rate as the rotational speed about the vertical axis of the bogie and the train speed is carried out in order to calculate the centrifugal force as a disturbance variable from the measured track elevation of the acceleration sensor.
  • a difference is ascertained from the track camber values of the gyro model and the acceleration sensor which are present in signal form, a difference also being formed in the case of noise disturbances, so that only the difference value is subject to noise.
  • this difference value is readjusted to zero and filtered in the process.
  • the readjustment is very slow because only drifts are compensated and provides a subsequent control system with a noise-free control signal.
  • the cut-off frequency for filtering the disturbances in the acceleration signal of the accelerometer can be considerably reduced without reducing the dynamics of the measurement of the track elevation angle. Because the drift of the gyro is compensated, inexpensive gyros can be used.
  • the model has a higher accuracy in the estimation. It is also advantageous to integrate known route data into the system so that the Dynamics of the system for determining the track cant angle is increased.
  • the sensor package 1 shows a sensor package 1, an observer unit 2 and a further observer unit 3, as well as a tilt angle generation unit 4 and an actuating system 5 of a real car body, not shown in any more detail.
  • the sensor package 1 preferably consists of a transmitter 6 for detecting the angular velocity ⁇ R in the roll plane, a transmitter 7, for example a gyroscope, for detecting the angular velocity ⁇ G in the yaw plane, and a transmitter 8, for example an acceleration sensor, for detecting the lateral acceleration aq.
  • the sensor package 1 is preferably arranged on the chassis of the car body, not shown in detail, and is preferably arranged horizontally to the surface of the earth.
  • the train speed v is usually determined with a transmitter 9 already present in the train.
  • Outputs A1, A2 and A3 of sensor package 1 and thus the outputs of measured value transmitters 6, 7 and 8 are connected to adequate inputs E1, E2 and E3 of observer unit 2.
  • An input E4 of the observer unit 2 is connected to an output A1 of the sensor 9, the output A1 being present at an input E2 of the observer unit 3 and an input E2 of the inclination angle generation unit 4.
  • An output A1 of the observer unit 2 is connected to an input E1 of the observer unit 3.
  • An output A1 of the observer unit 3 is present at an input E1 of the tilt angle generation unit 4.
  • An output A1 of this inclination angle generation unit 4 is connected to the control system 5.
  • FIG. 2 shows the inner structure of the observer unit 2.
  • Another input E2 of comparator 11 is located at output A1 Measured value evaluation 12 on, the input E1 of the observer unit 2 is connected to the input E1 of the simulated inverse gyro system 10 connected.
  • the output A1 of the simulated inverse gyro system 10 is led out of observer unit 2 as output A1.
  • Inputs E1, E2 and E3 of the measured value evaluation 12 are via the adequate inputs E3, E2 and E4 of the observer unit 2 are connected to the sensors 7, 8 and 9.
  • the Observer unit 3 shows the internal structure of the observer unit 3.
  • the Observer unit 3 is a train speed integrator 13, which is the train speed v calculates the current route.
  • a mission monitor 14 Downstream of the train speed integrator 13 is a mission monitor 14, the other input E2 with an output A1 a knowledge base 15 is connected.
  • Mission monitoring 14 is on the output side an input E1 of the knowledge base 15 and an input E1 of a correction unit 16 interconnected.
  • At the input E3 of the mission monitoring 14 is the input E1 of the Observer unit 3, with this input E1 also having an input E 2 of a Comparator 17 is connected.
  • An output A1 of the comparator 17 has an input E2 of the correction unit 16 connected, another input E1 of the comparator 17 with an output A1 of the correction unit 16, this output A1 also being output A1 the observer device 3 functions.
  • the transmitter 9 determines the train speed v in a conventional manner. and gives this value as an output signal representing the train speed v the input E4 of the observer unit 2.
  • the transducers 6 and 7 measure the order Roll axis and the vehicle axis respectively occurring angular velocity ⁇ R and ⁇ G, which as corresponding output signals at the inputs E2 and E1 of the observer unit 2 concerns.
  • the input E3 of the observer unit is received by the sensor 8 2 a signal representing the lateral acceleration aq at the rail level.
  • the rail vehicle When entering a track curve, the rail vehicle hits one Elevation curve, which is represented by a real track elevation angle ⁇ g, not shown is characterized. This is because of the onset of the bank of the real Car body rotation of the chassis about its roll axis, so that one around Angular velocity occurring ⁇ R roll axis is measured by the transmitter 6.
  • the measured roll angular velocity ⁇ R is due to the technical data of the Sensor 6, imprecise.
  • the simulated inverse gyro system 10 of the observer unit 2 an angular velocity ⁇ s estimated.
  • the measured roll angular velocity ⁇ R is applied to input E1 of the simulated system 10 switched.
  • technical data of the Sensor 6 taken into account as an inverse model, so that construction-related defects be eliminated.
  • the offset of the transmitter 6 is taken into account in such a way that in the simulated model of the system 10 this offset is installed as an inverse value and the output side is determined in this way Angular velocity ⁇ s as the estimated angular velocity ⁇ s of the real roll angular velocity ⁇ R approximately corresponds.
  • the dynamic links of the top e.g. delaying links by their inverse elements, e.g. leading Links, are compensated in the inverse simulation model of the gyro system 10.
  • the real roll angular velocity ⁇ R is estimated by the inverse compensation more accurate. This determined / estimated angular velocity ⁇ s becomes known Generated an observed (estimated) track cant angle ⁇ gb.
  • the determined value of the observed Track cant angle ⁇ gb is subject to drift and thus the inaccuracy of the value increases with time.
  • the signals present at the inputs E2, E3 and E4 of the observer unit 2 used. From the train speed v, the yaw rate ⁇ G of the bogie, the lateral acceleration aq at the rail level and the gravitational acceleration g is given in the measured value evaluation 12 calculates a cant angle ⁇ gs.
  • the Centrifugal force which arises as a disturbance variable during a lateral acceleration, from the signal aq of the transducer 8 using the yaw rate ⁇ G and the train speed v calculated in a known manner.
  • the one from the measured signals The calculated cant angle ⁇ gs is identical in value to the real cant angle ⁇ g, but has high interference signals. Therefore, the drifty observed cant angle ⁇ gb and the measured (calculated) interference-prone Track elevation angle ⁇ gs compared using the comparator 11.
  • ⁇ g is made up of the observed drift-prone cant angle ⁇ gb minus the noisy track elevation angle ⁇ gs together and forms a difference ⁇ g which is still to be readjusted (to be suppressed).
  • This difference ⁇ g consisting of the gyro drift and disturbances of the measurement signal of the transmitter 8 in the control loop, which results from the feedback from the comparator 11 to the simulated system 10 arises, filtered and regulated to zero.
  • the timing results from the Feedback factor K of the control loop closed by the difference formation.
  • the feedback factor K becomes the dynamics of the control loop (Observer poles) selected very small, preferably 0.1 Hz.
  • the short-term disturbances of the Measurement signals of the transducer 8 in the difference ⁇ g are strongly filtered and go into an observed real track elevation angle ⁇ b only in a very reduced manner.
  • a real representative of the real cant angle ⁇ g observed track elevation angle ⁇ b is based on the value of the drift observed track cant angle ⁇ gb and the measured track cant angle with interference ⁇ gs as well as the difference ⁇ sangg to be readjusted (to be suppressed) results.
  • a further observer unit 3 can be integrated into the system.
  • the Knowledge base 15 already known information such as track geometry, active position and passive track marks (e.g. code transmitter, magnets) as well as track features, e.g. Stops, specified and saved.
  • Mission monitoring 14 determines the current position of the train. For this purpose, it receives the current route data from the knowledge base 15, which are determined from the integrated train speed v.
  • the current route data for example a track elevation stored in the knowledge base 15, are compared with the observed track elevation angle ⁇ b in the mission monitoring 14 and when the route is detected, the observer unit switches 3 into the system, ie the observer unit 3 becomes active and increases the dynamics of the control signal for the inclination dependent on the track curve.
  • a pre-setting of the inclination on the control system 5 can be implemented by a previously stored track elevation angle ⁇ gw.
  • the difference signal ⁇ s required for precise adjustment (adjustment) between the track elevation known from the knowledge base 15, the track elevation angle ⁇ gw known therefrom and the real track elevation angle ⁇ b observed in the observer unit 2 is provided by the comparator 17.
  • This difference signal ⁇ s is made similar by a delayed feedback K the observer unit 2, regulated to zero.
  • the filtering of the observed cant angle ⁇ b, which results from the feedback of the difference signal ⁇ alsos, additionally dampens interference signals. If the observer unit 3 is not active, this track elevation angle ⁇ b is present at the output A1 of the observer unit 3 at the same time. If the observer unit 3 is activated, the observed track elevation angle ⁇ b is determined, as already described, by the additional inclusion of route data.
  • a tilting angle ⁇ N with respect to the chassis is calculated from the observed track elevation angle ⁇ b, the train speed v, the angular speed ⁇ G (yaw rate) and the acceleration due to gravity g and is used as a setpoint or control and switching signal ⁇ N for the Car body tilt system given to the control system 5.
  • the control system is only activated when a threshold value is exceeded.
  • the calculation or generation of the tilt angle ⁇ N is carried out in a known manner.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Generierung eines Sensor- und Schaltsignales (φN), beispielsweise für eine gleisbogenabhängige Neigung eines Wagenkasten-Neigesystems eines Schienenfahrzeuges. Dabei wird in einer Beobachtereinheit (2) ein Gleisüberhöhungswinkel (Φg) ermittelt, wobei diese vorzugsweise mittels inverser Simulation eines Meßwertgebers (6) in einem Kreiselsystem (10) geschätzt und als geschätzter Gleisüberhöhungswinkel (Φgb) mit einem aus der Querbeschleunigung (aq) , der Giergeschwindigkeit (ωG) und der Zuggeschwindigkeit (v) ermittelten Gleisüberhöhungswinkel (Φgs) als Information über den Gleisüberhöhungswinkel (Φg) verglichen wird. Eine daraus resultierende Differenz (ΔΦg) wird über einen Regelkreis, der durch eine Rückkopplung von einem Vergleicher (11) auf das Kreiselsystem (10) entsteht, gefiltert. Dieses Signal in Form eines Gleisüberhöhungswinkel (Φb), als das den realen Gleisüberhöhungswinkel (Φg) repräsentierende Signal, kann danach auf eine Neigungswinkelgeneriereinheit (4) zur Erzeugung eines Ansteuer- und Schaltsignales (φN) geschaltet werden. Zur Erhöhung der Dynamik ist eine weitere Beobachtereinheit (3) in das System integrierbar. In dieser Beobachtereinheit (3) sind Streckendaten und Gleisgeometrie gespeichert, so daß bei Streckenerkennung eine Voreinstellung eines Stellsystems (5) am realen Wagenkasten-Neigesystems (1) möglich ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Generierung eines Sensorsignales nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 9, beispielsweise für eine gleisbogenabhängige Neigung eines Schienenfahrzeuges
Durch die Erhöhung der Geschwindigkeit beim schienengebundenen Personenverkehr zur Verkürzung der Reisezeit wird beim Durchfahren von Kurven bzw. Gleisbögen eine gleisbogenabhängige Neigungsregelung /-steuerung des Wagenkasten-Neigesystems angestrebt. Dadurch sollen die negativ auftretenden Querbeschleunigungserhöhungen beim Durchfahren von Gleisbögen vermieden bzw minimiert werden, damit trotz Erhöhung der Zuggeschwindigkeiten eine Fahrkomforteinbuße für die Personen nicht eintritt.
Bekannt sind dazu aktive und passive Neigungsverstellungen, wobei bei einer aktiven Einwirkung die Einstellung oder Veränderung der Neigung des Wagenkastens erfolgt, bei einer passiven Einwirkung die Pendelung des Wagenkastens ausgenutzt wird.
Bei einer aktiven Einwirkung wird als Signal ein Wert verwendet, der als relevante Größe für die wirksame Querbeschleunigung genutzt wird. Ein solcher Wert ist zum Beispiel der Neigungswinkel des Wagenkastens gegenüber der Erde, d.h. der als horizontal verlaufend angenommenen Erdoberfläche. Dieser Neigungswinkel addiert sich zu einer Gleisüberhöhung und ist abhängig von der Gleisgeometrie des Gleisbogens und der Zuggeschwindigkeit.
Die DE 37 27 768 C1 gibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ansteuersignales für die gleisbogenabhängige Neigung eines Wagenkastens an. Unter Verwendung von Meßsignalen für die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeuggestelles um seine in Fahrtrichtung orientierte Längsachse sowie die senkrecht zur Fahrtrichtung und parallel zur Gleisebene gerichtete Querbeschleunigung wird das Ansteuersignal erzeugt. Nachteilig ist, daß die Querbeschleunigung und nicht eine Gleisüberhöhung zur Bildung des Ansteuersignals herangezogen wird. Zum Ein- und Ausschalten der Neigesteuerung wird lediglich ein aus der Rollgeschwindigkeit integrierter Rollwinkel ermittelt. Durch die Integration des Kreiseloffsets entsteht jedoch ein Rollwinkeldrift, der den Schaltvorgang nur kurzzeitig funktionsfähig hält. Zur Verlängerung der Funktionszeit sind Kreisel mit einem geringen Kreiseloffset erforderlich, wodurch die Erzeugung des Ansteuersignales kostenaufwendig wird.
Die DE 27 05 221 C2 gibt eine Anordnung zum Steuern einer Neigungsvorrichtung an, bei der die verrauschten Meßsignale eines Beschleunigungssensors durch Messungen mit einem Roll- und einem Gierkreisel ersetzt werden. Dadurch werden zwar unzulässige Zeitverzögerungen bei der Erzeugung des Ansteuersignals vermieden, die bei einer notwendigen starken Filterung des Meßsignals des Beschleunigungssensors entstehen, aber durch die Integration des Rollwinkels aus der Rollgeschwindigkeit ergeben sich die bereits genannten Nachteile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe ein Sensorsignal auf einfache und effektive Weise erzeugt wird, das Informationen einer Gleisüberhöhung besitzt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen 1 bzw. 9 enthaltenen Merkmale.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Dabei liegt der Erfindung die Idee zugrunde, einen Gleisüberhöhungswinkel aus einer Rollgeschwindigkeit und einer zusätzlich gemessenen Giergeschwindigkeit zu ermitteln. Die Ermittlung des Gleisüberhöhungswinkels erfolgt durch eine zusätzliche Beobachtung der Gleisüberhöhung. Dadurch wird aus der beobachteten Gleisüberhöhung ein Signal generiert, welches nur in einer geringen Differenz zwischen einem bereits in einem simulierten Modell generiertem Signal und einem gemessenem Signal gefiltert werden muß.
So werden die Vorteile eines Kreiselsensors (geringes Rauschen) auch mit den Vorteilen eines Beschleunigungssensors (keine Drift) kombiniert. Um dies zu ermöglichen wird eine rauschfreie, jedoch driftbehaftete Gleisüberhöhung aus dem Kreiselsensorsignal mit Hilfe eines dem Kreisel inversen simuliert nachgestalteten Modells geschätzt. Gleichzeitig wird die Gleisüberhöhung driftfrei, jedoch rauschbehaftet durch den Beschleunigungssensor gemessen. Zur Ermittlung der Gleisüberhöhung mit dem Beschleunigungssensor wird eine zusätzliche Messung der Giergeschwindigkeit als der Drehgeschwindigkeit um die Hochachse des Drehgestells und der Zuggeschwindigkeit durchgeführt, um die Fliehkraft als Störgröße aus der gemessenen Gleisüberhöhung des Beschleunigungssensors herauszurechnen. Aus den in Signalform anliegenden Gleisüberhöhungsgrößen des Kreiselmodels und des Beschleunigungssensors wird eine Differenz ermittelt, wobei auch bei den Rauschstörungen eine Differenzbildung erfolgt, so daß nur noch der Differenzwert rauschbehaftet ist. Durch Rückkopplung in das inverse Modell des Kreisels wird dieser Differenzwert auf Null nachgeregelt und dabei gefiltert. Die Nachregelung erfolgt, da nur Drifte kompensiert werden, sehr langsam und stellt einem nachfolgenden Stellsystem ein rauschfreies Ansteuersignal zur Verfügung.
Mit diesem Verfahren kann die Grenzfrequenz zur Filterung der Störungen im Beschleunigungssignal des Beschleunigungsaufnehmers erheblich abgesenkt werden, ohne die Dynamik der Gleisüberhöhungswinkelmessung zu reduzieren. Da die Drift des Kreisels kompensiert wird, können kostengünstige Kreisel eingesetzt werden.
Durch die Einbeziehung der Sensorkomponenten, z.B. Offsetgrößen, in das Simulationsmodell wird erreicht, daß das Modell über eine höhere Genauigkeit bei der Schätzung verfügt. Auch ist es vorteilhaft, bekannte Streckendaten mit in das System zu intergrieren, so daß die Dynamik des Systems zur Ermittlung des Gleisüberhöhungswinkels erhöht wird.
Anhand eines Ausführungsbeispieles mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1
ein Blockschaltbild zur Ermittlung einer beobachteten Gleisüberhöhung;
Fig. 2
einen inneren Aufbau einer Beobachtereinheit;
Fig. 3
einen inneren Aufbau einer weiteren Beobachtereinheit.
In Fig. 1 dargestellt ist ein Sensorpaket 1, eine Beobachtereinheit 2 und eine weitere Beobachtereinheit 3, sowie eine Neigewinkelgeneriereinheit 4 und ein Stellsystem 5 eines nicht näher dargestellten realen Wagenkastens. Das Sensorpaket 1 besteht vorzugsweise aus einem Meßwertgeber 6 zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit ωR in der Rollebene, einem Meßwertgeber 7, beispielsweise einem Kreisel, zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit ωG in der Gierebene, sowie einen Meßwertgeber 8, beispielsweise einem Beschleunigungssensor, zur Erfassung der Querbeschleunigung aq. Das Sensorpaket 1 ist vorzugsweise am Fahrgestell des nicht näher dargestellten Wagenkastens und dabei vorzugsweise horizontal zur Erdoberfläche angeordnet. Die Zuggeschwindigkeit v wird in der Regel mit einem schon im Zug vorhandenen Meßwertgeber 9 ermittelt. Ausgänge A1, A2 bzw. A3 des Sensorpaketes 1 und damit die Ausgänge der Meßtwertgeber 6, 7 und 8 sind mit adäquaten Eingängen E1, E2 bzw. E3 der Beobachtereinheit 2 verbunden.
Ein Eingang E4 der Beobachtereinheit 2 ist mit einem Ausgang A1 des Meßwertgebers 9 verschaltet, wobei der Ausgang A1 gleichzeitig an einem Eingang E2 der Beobachtereinheit 3 und einem Eingang E2 der Neigewinkelgeneriereinheit 4 anliegt.
Ein Ausgang A1 der Beobachtereinheit 2 ist mit einem Eingang E1 der Beobachtereinheit 3 verschaltet. Ein Ausgang A1 der Beobachereinheit 3 liegt an einem Eingang E1 der Neigewinkelgeneriereinheit 4 an. Ein Ausgang A1 dieser Neigewinkelgeneriereinheit 4 ist mit dem Stellsystem 5 verbunden.
In Fig. 2 ist der innere Aufbau der Beobachtereinheit 2 dargestellt. Dabei ist eine Simulation des inversen Kreiselsystems mit 10 gekennzeichnet, mit 11 ein Vergleicher, der eingangsseitig am Ausgang A1 und ausgangsseitig am Eingang E2 des simulierten inversen Kreiselsystems 10 anliegt. Ein weiterer Eingang E2 des Vergleichers 11 liegt am Ausgang A1 einer Meßwertauswertung 12 an, der Eingang E1 der Beobachtereinheit 2 ist mit dem Eingang E1 des simulierten inversen Kreiselsystems 10 verbunden. Der Ausgang A1 des simulierten inversen Kreiselsystems 10 wird als Ausgang A1 aus der Beobachtereinheit 2 geführt.
Eingänge E1, E2 und E3 der Meßwertauswertung 12 sind über die adäquaten Eingänge E3, E2 bzw. E4 der Beobachtereinheit 2 mit den Meßwertgebern 7, 8 und 9 verbunden.
Die Fig. 3 gibt den inneren Aufbau der Beobachtereinheit 3 wieder. Am Eingang E2 der Beobachtereinheit 3 liegt ein Zuggeschwindigkeitsintegrator 13, der aus der Zuggeschwindigkeit v die aktuelle Strecke errechnet. Dem Zuggeschwindigkeitsintegrator 13 nachgeschaltet ist eine Missionsüberwachung 14, deren anderer Eingang E2 mit einem Ausgang A1 einer Wissensbasis 15 verbunden ist. Ausgangsseitig ist die Missionsüberwachung 14 mit einem Eingang E1 der Wissenbasis 15 sowie einem Eingang E1 einer Korrektureinheit 16 verschaltet. Am Eingang E3 der Missionsüberwachung 14 liegt der Eingang E1 der Beobachtereinheit 3 an, wobei dieser Eingang E1 auch mit einem Eingang E 2 eines Vergleichers 17 verbunden ist. Ein Ausgang A1 des Vergleichers 17 ist mit einem Eingang E2 der Korrektureinheit 16 verbunden, ein weiterer Eingang E1 des Vergleichers 17 mit einem Ausgang A1 der Korrektureinheit 16, wobei dieser Ausgang A1 auch als Ausgang A1 der Beobachtereinrichtung 3 fungiert.
Das Verfahren läuft dabei wie folgt ab:
Der Meßwertgeber 9 ermittelt auf herkömmliche Art und Weise die Zuggeschwindigkeit v, und gibt diesen Wert als ein die Zuggeschwindigkeit v repräsentierendes Ausgangssignal an den Eingang E4 der Beobachtereinheit 2. Die Meßwertgeber 6 und 7 messen die um die Rollachse und die Fahrzeugachse jeweils auftretende Winkelgeschwindigkeit ωR und ωG, welche als entsprechende Ausgangssignale an den Eingängen E2 und E1 der Beobachtereinheit 2 anliegen. Durch den Meßwertgeber 8 erhält der Eingang E3 der Beobachtereinheit 2 ein die Querbeschleunigung aq auf Schienenebene repräsentierendes Signal.
Fährt ein Schienenfahrzeug auf einer Streckengerade ohne Kurvenüberhöhung, so wird über den Meßwertgeber 9 die Zuggeschwindigkeit v gemessen. Der Meßwertgeber 6 und der Meßwertgeber 8 geben nur geringe Signale ab, weil nur eine minimale Querneigung des realen Wagerkastens erfolgt. Die Beobachtereinheit 2 aktiviert das Stellsystem 5 nicht, denn die Gleisüberhöhung überschreitet einen eingestellten Minimalwert nicht.
Beim Einfahren in einen Streckengleisbogen gelangt das Schienenfahrzeug auf einen Überhöhungsbogen, der durch einen nicht dargestellten realen Gleisüberhöhungswinkel Φg charakterisiert wird. Dabei erfolgt wegen der einsetzenden Querneigung des realen Wagenkastens eine Drehung des Fahrgestelles um seine Rollachse, so daß eine um die Rollachse auftretende Winkelgeschwindigkeit ωR vom Meßwertgeber 6 gemessen wird.
Die gemessene Rollwinkelgeschwindigkeit ωR ist, bedingt durch die technischen Daten des Meßwertgebers 6, ungenau. Um diese Ungenauigkeit zu eliminieren, wird über das simulierte inverse Kreiselsystem 10 der Beobachtereinheit 2 eine Winkelgeschwindigkeit ωs geschätzt. Dazu wird die gemessene Rollwinkelgeschwindigkeit ωR auf den Eingang E1 des simulierten Systems 10 geschaltet. In diesem System 10 werden technische Daten des Meßwertgebers 6 als inverses Modell berücksichtigt, so daß bautechnisch bedingte Mängel eliminiert werden. So wird beispielsweise der in technischen Datenblättern vorgegebene Offset des Meßwertgebers 6 derart berücksichtigt, daß im simulierten Modell des Systems 10 dieses Offset als inverser Wert eingebaut wird und die ausgangsseitig so ermittelte Winkelgeschwindigkeit ωs als geschätzte Winkelgeschwindigkeit ωs der realen Rollwinkelgeschwindigkeit ωR annähernd entspricht. Zusätzlich können auch die dynamischen Glieder des Kreisels, z.B. verzögernde Glieder durch ihre inversen Elemente, z.B. voreilende Glieder, im inversen Simulationsmodell des Kreiselsystems 10 kompensiert werden. Die Schätzung der realen Rollwinkelgeschwindigkeit ωR wird durch die inverse Kompensation genauer. Aus dieser ermittelten/geschätzten Winkelgeschwindigkeit ωs wird in bekannter Art und Weise ein beobachteter (geschätzter) Gleisüberhöhungswinkel Φgb generiert. Dazu wird dieser beobachtete Gleisüberhöhungswinkel Φgb aus der Winkelgeschwindigkeit ωs integriert. Bedingt durch dieses Integrieren ist der ermittelte Wert des beobachteten Gleisüberhöhungswinkels Φgb driftbehaftet und somit wächst die Ungenauigkeit des Wertes mit der Zeit an. Um jedoch den realen Gleisüberhöhungswinkel Φg zu ermitteln, werden die an den Eingängen E2, E3 und E4 der Beobachtereinheit 2 anliegenden Signale mit herangezogen. Aus der Zuggeschwindigkeit v, der Giergeschwindigkeit ωG des Drehgestells, der Querbeschleunigung aq auf Schienenebene und der Erdbeschleunigung g wird in der Meßwertauswertung 12 ein Gleisüberhöhungswinkel Φgs berechnet. Dazu wird die Fliehkraft, die sich als Störgröße bei einer Querbeschleunigung einstellt, aus dem Signal aq des Meßwertgebers 8 mit Hilfe der Gierwinkelgeschwindigkeit ωG und der Zuggeschwindigkeit v in bekannter Art und Weise herausgerechnet. Der aus den gemessenen Signalen berechnete Gleisüberhöhungswinkel Φgs ist wertmäßig identisch mit dem realen Gleisüberhöhungswinkel Φg, besitz jedoch hohe Störsignale. Deshalb werden der driftbehaftete beobachtete Gleisüberhöhungswinkel Φgb und der störbehaftete gemessene (berechnete) Gleisüberhöhungswinkel Φgs mit Hilfe des Vergleichers 11 verglichen. Eine daraus resultierende Differenz ΔΦg setzt sich aus dem beobachteten driftbehafteten Gleisüberhöhungswinkel Φgb abzüglich des störbehafteten Gleisüberhöhungswinkel Φgs zusammen und bildet eine noch nachzuregelnde (zu entstörende) Differenz ΔΦg. Diese Differenz ΔΦg, bestehend aus der Kreiseldrift und Störungen des Meßsignales des Meßwertgebers 8, wird im Regelkreis, der durch die Rückkopplung vom Vergleicher 11 auf das simulierte System 10 entsteht, gefiltert und zu Null geregelt. Die zeitliche Regelung ergibt sich aus dem Rückkopplungsfaktor K des über die Differenzbildung geschlossenen Regelkreises. Durch Voreinstellung des Rückkopplungsfaktors K wird die Dynamik des Regelkreises (Beobachterpole) sehr klein gewählt, vorzugsweise 0,1 Hz. Die kurzzeitigen Störungen des Meßsignales des Meßwertgebers 8 in der Differenz ΔΦg werden dadurch stark gefiltert und gehen nur sehr reduziert in einen beobachteten realen Gleisüberhöhungswinkel Φb ein. Am Ausgang A1 des simulierten Kreiselsystems 10 und damit gleichzeitig am Ausgang A1 der Beobachtereinheit 2 liegt ein den realen Gleisüberhöhungswinkel Φg repräsentierender real beobachteter Gleisüberhöhungswinkel Φb an, der sich wertmäßig aus dem driftbehafteten beobachteten Gleisüberhöhungswinkel Φgb und dem störbehafteten gemessenen Gleisüberhöhungswinkel Φgs sowie der noch nachzuregelnden (zu entstörende) Differenz ΔΦg ergibt.
Zur Erhöhung der Dynamik der vorgenannten Ermittlung eines Gleisüberhöhungswinkels Φb ist eine weitere Beobachtereinheit 3 in das System integrierbar. Dazu werden in der Wissensbasis 15 bereits bekannte Informationen wie Gleisgeometrie, Position aktiver und passiver Streckenmarken (z.B. Codesender, Magnete) sowie Streckenbesonderheiten, z.B. Haltebahnhöfe, angegeben und gespeichert.
Die Missionsüberwachung 14 ermittelt die augenblickliche Position des Zuges. Dazu erhält sie aus der Wissensbasis 15 die aktuellen Streckendaten, die aus der integrierten Zuggeschwindigkeit v ermittelt werden Die aktuellen Streckendaten, beispielsweise eine in der Wissensbasis 15 abgelegte Gleisüberhöhung, werden mit dem beobachteten Gleisüberhöhungswinkel Φb in der Missionsüberwachung 14 verglichen und bei Streckenerkennung schaltet sich die Beobachtereinheit 3 in das System ein, d.h., die Beobachtereinheit 3 wird aktiv und erhöht die Dynamik des Ansteuersignales für die gleisbogenabhängige Neigung. Bereits mit der Streckenerkennung durch die Missionsüberwachung 14 ist eine Voreinstellung der Neigung am Stellsystem 5 durch einen vorher abgelegten Gleisüberhöhungswinkel Φgw realisierbar. Das zur genauen Verstellung (Nachstellung) notwendige Differenzsignal ΔΦs zwischen der aus der Wissensbasis 15 bekannten Gleisüberhöhung, dem daraus bekannten Gleisüberhöhungswinkel Φgw und dem in der Beobachtereinheit 2 beobachteten realen Gleisüberhöhungswinkel Φb liefert der Vergleicher 17. Dieses Differenzsignal ΔΦs wird durch eine verzögernde Rückkopplung K, ähnlich der Beobachtereinheit 2, auf Null geregelt. Durch die sich aus der Rückkopplung des Differenzsignals ΔΦs ergebene Filterung des beobachteten Gleisüberhöhungswinkels Φb werden Störsignale also zusätzlich gedämpft.
Ist die Beobachtereinheit 3 nicht aktiv, liegt dieser Gleisüberhöhungswinkel Φb zeitgleich am Ausgang A1 der Beobachtereinheit 3 an. Wird die Beobachtereinheit 3 aktiviert, so erfolgt, wie bereits beschrieben, die Ermittlung des beobachteten Gleisüberhöhungswinkels Φb durch die zusätzliche Einbeziehung von Streckendaten.
In der der Beobachtereinheit 3 nachfolgenden Neigewinkelgeneriereinheit 4 wird aus dem beobachteten Gleisüberhöhungswinkel Φb, der Zuggeschwindigkeit v, der Winkelgeschwindigkeit ωG (Giergeschwindigkeit) und der Erdbeschleunigung g ein Neigewinkel ΦN gegenüber dem Fahrgestell berechnet und als Sollwert bzw. Ansteuer- und Schaltsignal ΦN für das Wagenkasten-Neigesystem an das Stellsystem 5 gegeben. Nur bei Überschreitung eines Schwellwertes wird das Stellsystem aktiviert. Die Berechnung bzw. Generierung des Neigewinkels ΦN erfolgt in bekannter Art und Weise.
Bezugszeichenliste
1
Sensorpaket
2
Beobachtereinheit
3
Beobachtereinheit
4
Neigewinkelgeneriereinheit
5
Stellsystem
6
Meßwertgeber
7
Meßwertgeber
8
Meßwertgeber
9
Meßwertgeber
10
Simuliertes inverses Kreiselsystem
11
Vergleicher
12
Meßwertauswertung
13
Zuggeschwindigkeitsintegrator
14
Missionsüberwachung
15
Wissensbasis
16
Korrektureinheit
17
Vergleicher
ωR
Rollwinkelgeschwindigkeit
ωG
Giergeschwindigkeit
ωs
geschätzte Winkelgeschwindigkeit
Φg
realen Gleisüberhöhungswinkel
Φgb
beobachteter (geschätzter) Gleisüberhöhungswinkel
Φgs
gemessener Gleisüberhöhungswinkel
Φb
beobachteter realer Gleisüberhöhungswinkel
Φgw
abgelegter Gleisüberhöhungswinkel

Claims (14)

  1. Verfahren zur Generierung eines Sensorsignales unter Verwendung von Meßsignalen für die Zuggeschwindigkeit (v), für die Winkelgeschwindigkeit eines Fahrgestells um die Rollachse (ωR) sowie für die Querbeschleunigung (aq), dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleisüberhöhungswinkel (Φg) aus der Rollwinkelgeschwindigkeit (ωR) und einer zusätzlich gemessenen Gierwinkelgeschwindigkeit (ωG) des Fahrgestells um die Gierachse ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Gleisüberhöhungswinkel (Φg) aus der gemessenen Rollwinkelgeschwindigkeit (ωR) als ein Gleisüberhöhungswinkel (Φgb) geschätzt wird, dieser geschätzte Gleisüberhöhungswinkel (Φgb) mit dem aus der Querbeschleunigung (aq), der zusätzlich gemessenen Gierwinkelgeschwindigkeit (ωG) und der Zuggeschwindigkeit (v) ermittelten Gleisüberhöhungswinkel (Φgs) verglichen wird, wobei die dabei auftretende Differenz (ΔΦg) zurückgekoppelt und dabei gefiltert wird und ein daraus resultierender beobachteter Gleisüberhöhungswinkel (Φb) den realen Gleisüberhöhungswinkel (Φg) repräsentiert, der driftkompensiert und rauscharm ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das simulierte Kreiselsystem (10) als inverses Modell eines Meßwertgebers (6) On-Line mit den Meßsignalen der Rollwinkelgeschwindigkeit (ωR) versorgt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in das simulierte inverse Kreiselsystem (10) Sensorkomponenten des Meßwertgebers (6) einbezogen werden.
  5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Dynamik der Erzeugung des Ansteuersignales (ΦN) eine weitere Beobachtereinheit (3) in das System eingeschaltet wird, in der bereits bekannte Streckeninformationen abgelegt sind, die abgerufen werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Missionsüberwachung (14) die augenblickliche Position des Zuges mit Hilfe eines Zuggeschwindigkeitsintegrators (13) ermittelt, die beobachtete Gleisüberhöhung mit einer abgelegten Gleisüberhöhung einer Wissensbasis (15) vergleicht und bei Streckenerkennung die Beobachtereinheit (3) in das System schaltet.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Streckenerkennung durch die Missionsüberwachung (14) eine Voreinstellung der Neigung am Stellsystem (5) erfolgt und zur genauen Feststellung ein Vergleich zwischen dem beobachteten Gleisüberhöhungswinkel (Φb) aus der Beobachtereinheit (2) und dem bekannten Gleisüberhöhungswinkel (Φgw) aus der Wissenbasis (15) erfolgt, wobei die Differenz (ΔΦs) zur Nachregelung des den realen Gleisüberhöhungswinkels (Φg) repräsentierenden benutzt wird.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Gleisüberhöhungswinkel (Φg), der Zuggeschwindigkeit (v), der Giergeschwindigkeit ((ωG) und der Erdbeschleunigung (g) ein Neigewinkel (ΦN) berechnet wird, der als Ansteuersignal für eine Verstellung eines Stellsystems (5) genutzt wird.
  9. Vorrichtung zur Generierung eines Sensorsignales mittels Meßwertgebern zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit (v), der Winkelgeschwindigkeit (ωR) des Fahrgestells in Rollachse sowie der Querbeschleunigung (aq) des Wagenkastens, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung eines Gleisüberhöhungswinkels (Φg) parallel zum Meßwertgeber (6) zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit (ωR) ein weiterer Meßwertgeber (7) für die Messung der Gierwinkelgeschwindigkeit (ωG) geschaltet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Meßwertgebern (6 und 7) und einem Stellsystem (5) mindestens eine Beobachtereinheit (2) zur Ermittlung eines beobachteten Gleisüberhöhungswinkels (Φgb) eingebaut ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtereinheit (2) aus einem simulierten inversen Kreiselsystem (10) als Modell des Meßwertgebers (6), einem Vergleicher (10) und einer Meßwertauswertung (12) besteht, wobei ein Eingang (E1) des inversen Kreiselsystems (10) mit einem Ausgang (A1) des Meßwertgebers (6) verbunden ist, ein weiterer Eingang (E2) des inversen Kreiselsystems (10) mit einem Ausgang (A1) des Vergleichers (11) ein Ausgang (A1) des inversen Kreiselsystems (10) mit einem Eingang (E1) des Vergleichers (11), ein weiterer Eingang (E2) des Vergleichers (11) mit einem Ausgang (A1) der Meßwertauswertung (12).
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Beobachtereinheit (3) der Beobachtereinheit (2) nachgeschaltet ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtereinheit (3) aus einem Zuggeschwindigkeitsintegrator (13), einer Missionsüberwachung (14), einer Wissensbasis (15), einer Korrektureinheit (16) sowie einem Vergleicher (17) besteht, wobei ein Ausgang des Zuggeschwindigkeitsintegrator (13) an einem Eingang (E1) der Missionsüberwachung (14) anliegt; ein weiterer Eingang (E2) der Missionsüberwachung (14) mit einem Ausgang (A1) der Wissensbasis (15) verbunden ist, ein Ausgang (A1) der Missionsüberwachung (14) an einem Eingang (E1) der Wissenbasis (15) und an einem Eingang (E1) der Korrektureinheit (16) verschaltet ist, ein Ausgang (A1) der Korrektureinheit (16) auf einen Eingang (E1) des Vergleichers (17), ein Ausgang (A1) des Vergleichers (17) an einen Eingang (E2) der Korrektureinheit (16) und daß ein Eingang (E1) der Beobachtereinheit (3) auf einen Eingang (E2) der Wissensbasis (15) und auf einen Eingang (E2) des Vergleichers (17) geführt ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Neigewinkelgeneriereinheit (4) dem Beobachter (2,3) nachgeschaltet ist.
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