ES2931041T3 - Procedimiento para controlar la velocidad de un vehículo ferroviario - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un método para controlar la velocidad de un vehículo ferroviario (10). En el método, se proporcionan una métrica de error de velocidad (ev) y una métrica de error de aceleración (ea). Dependiendo del parámetro de error de velocidad (ev), se determina un factor de error de velocidad (f1), por medio del cual el parámetro de error de velocidad (ev) se reduce a un rango de valores [0; 1] se muestra. Se determina un valor de corrección (K) en función de una multiplicación del factor de error de velocidad (f1) por el valor de error de aceleración (ea). Una suma del parámetro de corrección (K) y el parámetro de error de velocidad (ev) se suministra a un controlador I (I), el parámetro de error de velocidad (ev) se alimenta a un controlador P (P) y la suma de un parámetro presente en la salida del controlador I (I) y un parámetro presente en la salida del controlador P (P) se usa como una variable manipulada (uv) para el control de la velocidad de salida del vehículo ferroviario (10). Además, se especifican un controlador de velocidad (23), un método para controlar un freno (11) del vehículo sobre rieles (10), un controlador de freno (20) y un vehículo sobre rieles (10). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento para controlar la velocidad de un vehículo ferroviario
La presente invención hace referencia a un procedimiento para controlar la velocidad de un vehículo ferroviario, a un controlador de velocidad correspondiente, a un procedimiento para controlar un freno del vehículo ferroviario, a un controlador de frenado correspondiente y a un vehículo ferroviario correspondiente.
En los controles de frenado para trenes basados en locomotoras mediante frenos pasivos, que actúan de forma nolineal, como por ejemplo frenos indirectos, las desviaciones de control mayores a menudo conducen a un comportamiento inestable. La causa de ello reside en el comportamiento estático, desfavorable en cuanto a la técnica de control, y dinámico, del freno del tren (freno indirecto).
Un objeto de la presente invención consiste en crear un procedimiento para el control de velocidad de un vehículo ferroviario, así como un controlador de velocidad correspondiente, un procedimiento para controlar un freno del vehículo ferroviario, un controlador de frenado correspondiente y un vehículo ferroviario correspondiente, mediante el cual o los cuales pueda contribuirse a un control estable, así como robusto, en el caso de frenos pasivos, que actúan de forma no lineal.
El objeto se soluciona mediante las reivindicaciones independientes. En las reivindicaciones dependientes se indican configuraciones ventajosas.
De acuerdo con un primer aspecto, la invención hace referencia a un procedimiento para controlar la velocidad de un vehículo ferroviario.
En el procedimiento se proporciona un valor característico de error de velocidad que es representativo para una desviación entre una velocidad momentánea del vehículo ferroviario y una velocidad predeterminada del vehículo ferroviario.
Esa desviación también puede denominarse como error de velocidad.
Además, se proporciona un valor característico de error de aceleración que es representativo para una desviación entre una aceleración momentánea del vehículo ferroviario y una aceleración predeterminada del vehículo ferroviario. Esa desviación también puede denominarse como error de aceleración.
En función del valor característico de error de velocidad se determina un factor de error de velocidad, mediante el cual el valor característico de error de velocidad está representado en un rango de valores entre 0 inclusive y 1 inclusive.
En función de una multiplicación del factor de error de velocidad por el valor característico de error de aceleración, se determina un valor característico de corrección. El factor de error de velocidad, expresado de otro modo, se utiliza como ponderador del error de aceleración.
Una suma del valor característico de corrección y del valor característico de error de velocidad se suministra a un controlador integral, del lado de entrada. En la entrada del controlador integral, por tanto, se encuentran presentes un error de aceleración ponderado dependiendo del error de velocidad, así como el error de velocidad. La ponderación en particular tiene lugar de manera que el valor característico de corrección es el mayor al desaparecer el error de velocidad, y se reduce al aumentar el error de velocidad.
Además, el valor característico de error de velocidad se suministra a un controlador proporcional, del lado de entrada. Una suma de un valor característico que se encuentra presente en la salida del controlador integral, así como de un valor característico que se encuentra presente en la salida del controlador proporcional, se emite como variable manipulada para el control de velocidad del vehículo ferroviario.
De manera ventajosa, considerando el error de aceleración, al utilizar el procedimiento en un controlador de frenado, puede contribuirse a la estabilidad del control y puede reducirse una tendencia a la inestabilidad del controlador de frenado.
En una configuración ventajosa, según el primer aspecto, el factor de error de velocidad se determina según
_ f 0 cuando (1 — |e „ |) < 0
* ~
l l -
\ev \
cuando 1 < (1 - |e „ |) > 0
En otra configuración ventajosa, según el primer aspecto, el valor característico de corrección se determina mediante la multiplicación del factor de error de velocidad por el valor característico de error de aceleración y un parámetro del controlador predeterminado.
En otra configuración ventajosa, según el primer aspecto, el controlador proporcional presenta una amplificación Kp y el controlador integral presenta una amplificación Kp/Tn . Tn identifica aquí un tiempo de reajuste.
De acuerdo con un segundo aspecto, la invención hace referencia a un controlador de velocidad para un vehículo ferroviario. El controlador de velocidad está configurado para realizar un procedimiento según el primer aspecto. De acuerdo con un tercer aspecto, la invención hace referencia a un procedimiento para controlar un freno de un vehículo ferroviario.
En el procedimiento se proporciona un valor característico de aceleración real que es representativo para una aceleración momentánea del vehículo ferroviario. La aceleración momentánea también puede denominarse como aceleración real.
Además, se proporciona un valor característico de velocidad real que es representativo para una velocidad momentánea del vehículo ferroviario. La velocidad momentánea también puede denominarse como velocidad real. Además, se proporciona un valor característico de distancia real que es representativo para una distancia recorrida del vehículo ferroviario con respecto a un punto de referencia. La distancia recorrida también puede denominarse como distancia real. El punto de referencia, por ejemplo, puede tratarse de un lugar en el cual se encuentra el vehículo ferroviario, o bien una sección predeterminada del vehículo ferroviario, al instante de inicio del control. Además, se proporciona un valor característico de distancia objetivo que es representativo para una distancia que debe ser recorrida por el vehículo ferroviario con respecto al punto de referencia. El punto de referencia, por ejemplo, puede ser un punto de detención o un punto de inicio, en el cual comienza una limitación de marcha (punto de reducción de velocidad). La distancia que debe ser recorrida también puede denominarse como distancia objetivo. En este caso, en particular puede tratarse de una distancia hasta la cual debe detenerse el vehículo ferroviario o bien la sección predeterminada del vehículo ferroviario.
Finalmente, se proporciona una trayectoria objetivo que es representativa para una curva de velocidad predeterminada del vehículo ferroviario en función de la distancia recorrida del vehículo ferroviario, así como una curva de aceleración predeterminada del vehículo ferroviario en función de la distancia recorrida del vehículo ferroviario.
En función de la trayectoria objetivo y de una diferencia del valor característico de distancia objetivo y del valor característico de distancia real, se determinan un valor característico de aceleración objetivo y un valor característico de velocidad objetivo. El valor característico de aceleración objetivo es representativo para una aceleración predeterminada del vehículo ferroviario. El valor característico de velocidad objetivo es representativo para una velocidad predeterminada del vehículo ferroviario.
Un valor característico de error de aceleración se determina como diferencia del valor característico de aceleración objetivo y del valor característico de aceleración real. El valor característico de error de aceleración se suministra a un controlador de aceleración diseñado como controlador proporcional, del lado de entrada.
Además, un valor característico de error de velocidad se determina como diferencia del valor característico de velocidad objetivo y del valor característico de velocidad real. De acuerdo con el segundo aspecto, el valor característico de error de velocidad, junto con el valor característico de error de aceleración, se suministra a un controlador de velocidad, del lado de entrada.
Una suma de un valor característico que se encuentra presente en la salida del controlador de aceleración, así como de un valor característico que se encuentra presente en la salida del controlador de velocidad, se emiten como variable manipulada para controlar el freno del vehículo ferroviario.
De manera ventajosa, considerando el error de aceleración en el controlador de velocidad puede contribuirse a la estabilidad del control y puede reducirse una tendencia a la inestabilidad durante la realización del procedimiento en un controlador de frenado.
Según un cuarto aspecto, la invención hace referencia a un controlador de frenado para un vehículo ferroviario. El controlador de frenado está configurado para realizar el procedimiento según el tercer aspecto.
Según un quinto aspecto, la invención hace referencia a un vehículo ferroviario con un controlador de frenado según el cuarto aspecto.
En una configuración según el quinto aspecto, el freno que debe controlarse mediante el controlador de frenado se trata de un freno pasivo, que actúa de forma no lineal.
En una configuración ventajosa según el quinto aspecto, el freno que debe controlarse mediante el controlador de frenado está diseñado como un freno indirecto.
Las propiedades, características y ventajas de la invención, descritas anteriormente, así como el modo de alcanzar las mismas, se explican además mediante la siguiente descripción de los ejemplos de ejecución, en combinación con las figuras correspondientes. En las figuras, los elementos idénticos, de la misma clase o que cumplen la misma función están provistos de los mismos símbolos de referencia. Las figuras y las relaciones de tamaños entre sí, de los elementos representados en las figuras, no deben considerarse como realizadas a escala. Más bien, los elementos individuales pueden estar representados de un tamaño exagerado para una mejor representación y/o para una mejor compresión.
Muestran:
Figura 1 una desviación de control entre trayectoria real y objetivo de la velocidad de un vehículo ferroviario, en función de una distancia recorrida,
Figura 2 un diagrama de bloques de un controlador de frenado para un vehículo ferroviario, así como un diagrama de bloques del vehículo ferroviario, y
Figura 3 un diagrama de bloques de un controlador de velocidad para el vehículo ferroviario según la figura 2. Los elementos con la misma construcción o función están provistos de los mismos símbolos de referencia en todas las figuras.
Un control de frenado, mediante un freno indirecto, puede comportarse de forma inestable en el caso de desviaciones de control mayores. Las variables, utilizadas a continuación para el control, también pueden denominarse como valores característicos que son representativos para las variables correspondientes.
La figura 1 muestra una desviación de control entre una trayectoria real Treal y una trayectoria objetivo Tobjetivo de la velocidad v de un vehículo ferroviario en función de una distancia recorrida s por el vehículo ferroviario. Un criterio para la estabilidad del control es un ángulo de intersección $, que incluye la trayectoria real Treal con la trayectoria objetivo Tobjetivo en el punto de intersección. Una tendencia a la inestabilidad del control, de este modo, es tanto mayor, cuanto mayor es el ángulo de intersección $. A continuación se indican un controlador de velocidad y un controlador de frenado que, en particular en el caso de grandes desviaciones de control, contribuyen a mantener reducido el ángulo de intersección $, contribuyendo así a un control estable y robusto con una tendencia a la inestabilidad reducida.
La trayectoria real Treal y la trayectoria objetivo Tobjetivo se tratan de curvas de velocidad v(s). La trayectoria real Treal, a modo de ejemplo, se aproxima a la trayectoria objetivo Tobjetivo "desde abajo"; es decir que la misma representa una aceleración (negativa) menor en cuanto a la magnitud, que la trayectoria objetivo Tobjetivo. En el punto de intersección de las trayectorias, la velocidad objetivo vobjetivo y la velocidad real vreal son iguales. El ángulo de intersección $ es proporcional con respecto a un error de aceleración ea y, con ello, es una medida para la tendencia a la inestabilidad.
Mediante la figura 2 está representado un diagrama de bloques de un controlador de frenado 20 para un freno pasivo y/o que actúa de forma no lineal, de un vehículo ferroviario 10, así como un diagrama de bloques del vehículo ferroviario 10, como sistema regulado (respectivamente bordeado con líneas discontinuas).
El vehículo ferroviario 10 presenta un freno indirecto 11 como elemento de ajuste, que está configurado para ejercer una fuerza de frenado sobre el vehículo ferroviario 10.
El bloque 12 representa una masa efectiva mef (considerando todas las inercias rotatorias) del vehículo ferroviario 10, en cuya salida, por consiguiente, se encuentra presente una aceleración real areal del vehículo ferroviario 10. Los bloques 13 y 14 representan integradores, en cuyas salidas, por consiguiente, se encuentran presentes una velocidad real vreal, así como una distancia real sreal del vehículo ferroviario 10.
Esas variables de medición areai, vreai y sreai se encuentran presentes junto con una especificación del valor objetivo como variable guía con respecto a la distancia que debe ser recorrida por el vehículo ferroviario 10 (a continuación denominada como distancia objetivo sobjetivo), del lado de entrada, en el controlador de frenado 20. La distancia objetivo sobjetivo en particular puede tratarse de una especificación de hasta qué distancia recorrida el vehículo ferroviario 10 debe detenerse, por ejemplo en el marco de un funcionamiento parcialmente o completamente automático del vehículo ferroviario 10 (en inglés "automatic train operation", ATO).
El controlador de frenado 20 comprende una unidad de especificación del valor objetivo 21, a la cual se suministra primero una diferencia de la distancia objetivo sobjetivo y la distancia real sreal. La unidad de especificación del valor objetivo 21 en particular está configurada para determinar y emitir una aceleración objetivo aobjetivo y una velocidad objetivo vobjetivo en función de la diferencia determinada. A modo de ejemplo, a este respecto, se recurre a una trayectoria objetivo Tobjetivo predeterminada (véase la figura 1), que por ejemplo se calcula o está almacenada en la unidad de especificación del valor objetivo 21).
El controlador de frenado 20 comprende además un controlador de aceleración 22, así como un controlador de velocidad 23. En este caso, al controlador de aceleración 22 se suministra una diferencia de la aceleración real areal y la aceleración objetivo aobjetivo. Esa diferencia representa una desviación de control y también puede denominarse como error de aceleración ea . El controlador de aceleración 22 está diseñado como controlador proporcional.
Al controlador de velocidad 23 se suministra una diferencia de la velocidad real vreal y la velocidad objetivo vobjetivo. Esa diferencia representa otra desviación de control y también puede denominarse como error de velocidad ev . El controlador de velocidad 23 está diseñado como un controlador proporcional-integral (también conocidos como PI) modificado que, a diferencia de un controlador proporcional-integral convencional, de manera adicional con respecto al error de velocidad ev , procesa el error de aceleración ea para el control del ángulo de intersección $ (véase la figura 3).
Se suma una variable de salida ua del controlador de aceleración 22 y una variable de salida uv del controlador de velocidad 23, y se utiliza como variable manipulada, o bien como entrada de actuador del freno indirecto 11.
Mediante la figura 3 está representado un diagrama de bloques del controlador de velocidad 23 del controlador de frenado 20, con una unidad de control del ángulo de intersección 24 (rebordeado con líneas discontinuas).
El controlador de velocidad 23, sin la unidad de control del ángulo de intersección 24, se trata de un controlador proporcional -integral estándar. Para el control del ángulo de intersección $, en el bloque 25, a partir del error de velocidad ev se calcula un factor de error de velocidad f1 para la ponderación del error de aceleración ea . Aquí, a modo de ejemplo, está representado solamente un cálculo de 1-|ev |, cuyo resultado, a continuación, se limita a un rango de entre 0 inclusive y 1 inclusive. De manera alternativa, en el bloque 25 puede utilizarse otra función de representación que representa el error de velocidad ev en el rango de valores antes mencionado.
A continuación, el factor de error de velocidad f1, en el bloque 26, se multiplica por el error de aceleración ea . El resultado f2 de la multiplicación del bloque 26, a continuación, en el bloque 27, se multiplica por un parámetro del controlador Ks predeterminado. El resultado de la multiplicación del bloque 27 representa un valor característico de corrección K que, de forma aditiva, se suministra a una entrada de una parte integral del controlador de velocidad 23. La parte integral también puede denominarse como controlador integral I, con un integrador, con una amplificación Kp/Tn. Además, el error de velocidad ev se suministra a una parte proporcional del controlador de velocidad 23. La parte proporcional también puede denominarse como controlador proporcional P, con una amplificación Kp. Las variables de salida de la parte proporcional y de la parte integral, sumadas como variables manipuladas uv , se emiten para el control de velocidad.
Mediante la combinación del error de velocidad ev con el valor característico de corrección K, aún antes de alcanzarse el punto de intersección entre la trayectoria real Treal y la trayectoria objetivo Tobjetivo, tiene lugar una corrección duradera (en lugar de un control proporcional estricto de la aceleración tiene lugar un control proporcional-integral) del error de aceleración ea. Como resultado, la trayectoria real Treal corta la trayectoria objetivo Tobjetivo en un ángulo de intersección $ más agudo, así como más reducido. Debido a esto, la tendencia a la inestabilidad del controlador de frenado 20 se reduce y es mayor la estabilidad del control. Mediante la ponderación del error de aceleración ea en función del error de velocidad ev se asegura que la desviación de la trayectoria real Treal en dirección de la trayectoria objetivo Tobjetivo aumente al reducirse el error de velocidad ev . La misma es la mayor cuando el error de velocidad ev desaparece. Debido a esto no resulta afectada la corrección del error de velocidad ev para distancias mayores, entre la trayectoria objetivo Tobjetivo y la trayectoria real Treal.
En resumen, de este modo pueden aumentarse la estabilidad y la robustez del control. Esto se alcanza mediante el cálculo de un factor de ponderación (factor de error de velocidad f1) para el error de aceleración ea a partir del error de velocidad ev . La ponderación tiene lugar de manera que la corrección, al desaparecer el error de velocidad ev , es la mayor, y se reduce cada vez más al aumentar el error de velocidad ev . De este modo, tiene lugar una ponderación
del error de aceleración ea con el factor de ponderación y la combinación aditiva del resultado en la parte integral del controlador de velocidad 23. Además, mediante el parámetro del controlador Ks resulta una posibilidad de parametrización.
El controlador de velocidad 23, así como el controlador de frenado 20, en particular son adecuados para un funcionamiento de marcha automático (ATO) de trenes basados en locomotoras, y posibilita una implementación viable del control de frenos de trenes.
Si bien la invención fue representada y descrita de forma detallada mediante ejemplos de ejecución, la invención no está limitada a los ejemplos de ejecución descritos ni a las combinaciones de características concretas explicadas en los mismos. El experto puede alcanzar otras variaciones de la invención sin abandonar el alcance de protección de la invención reivindicada.
Símbolos de referencia:
a Aceleración
v Velocidad
s Distancia
e Error
u Variable manipulada
Kp, Ks Parámetros del controlador
Tn Tiempo de reajuste
K Valor característico de corrección
f1 Factor de error de velocidad
f2 Factor
Treal Trayectoria real
Tobjetivo Trayectoria objetivo
$ Ángulo de intersección
10 Vehículo ferroviario
11 Freno
12-14 Módulos de conmutación
20 Controlador de frenado
21 Unidad de especificación del valor objetivo
22 Controlador de aceleración
23 Controlador de velocidad
24 Unidad de control del ángulo de intersección
25 Proyección
26-27 Multiplicador
I Controlador integral
P Controlador proporcional
Claims (9)
1. Procedimiento para controlar la velocidad de un vehículo ferroviario (10), en el cual
- se proporciona un valor característico de error de velocidad (ev) que es representativo para una desviación entre una velocidad momentánea (vreal) del vehículo ferroviario (10) y una velocidad predeterminada (vobjetivo) del vehículo ferroviario (10),
- se proporciona un valor característico de error de aceleración (ea) que es representativo para una desviación entre una aceleración momentánea (areal) del vehículo ferroviario (10) y una aceleración predeterminada (aobjetivo) del vehículo ferroviario (10),
- en función del valor característico de error de velocidad (ev) se determina un factor de error de velocidad (f1) mediante el cual está representado el valor característico de error de velocidad (ev) en un rango de valores [0; 1],
- en función de una multiplicación del factor de error de velocidad (f1) por el valor característico de error de aceleración (ea), se determina un valor característico de corrección (K), y
- una suma del valor característico de corrección (K) y del valor característico de error de velocidad (ev) se suministra a un controlador integral (I), del lado de entrada,
- el valor característico de error de velocidad (ev) se suministra a un controlador proporcional (P) del lado de entrada, y
- una suma de un valor característico que se encuentra presente en la salida del controlador integral (I), así como de un valor característico que se encuentra presente en la salida del controlador proporcional (P), se emite como variable manipulada (uv) para el control de velocidad del vehículo ferroviario (10).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde
- el factor de error de velocidad (f1) se determina según
_ f 0 cuando (1 — le ^ l) < 0
* ~
l l -
\ev \
cuando 1 < (1 - | e j ) > 0
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, donde
- el valor característico de corrección (K) se determina mediante la multiplicación del factor de error de velocidad (f1) por el valor característico de error de aceleración (ea) y por un parámetro del controlador predeterminado (Ks).
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, donde
- el controlador proporcional (P) presenta una amplificación Kp y el controlador integral (I) presenta una amplificación Kp/TN.
5. Controlador de velocidad (23) para un vehículo ferroviario (10), que está configurado para realizar un procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes.
6. Procedimiento para controlar un freno (11) de un vehículo ferroviario (10), en el cual
- se proporciona un valor característico de aceleración real (areal) que es representativo para una aceleración momentánea del vehículo ferroviario (10),
- se proporciona un valor característico de velocidad real (vreal) que es representativo para una velocidad momentánea del vehículo ferroviario (10),
- se proporciona un valor característico de distancia real (sreal) que es representativo para una distancia recorrida del vehículo ferroviario (10) con respecto a un punto de referencia,
- se proporciona un valor característico de distancia objetivo (sobjetivo) que es representativo para una distancia que debe ser recorrida por el vehículo ferroviario (10) con respecto a un punto de referencia,
- se proporciona una trayectoria objetivo (Tobjetivo) que es representativa para una curva de velocidad predeterminada del vehículo ferroviario (10) en función de la distancia recorrida del vehículo ferroviario (10), así como una curva de aceleración predeterminada del vehículo ferroviario (10) en función de la distancia recorrida del vehículo ferroviario (10),
- en función de la trayectoria objetivo (Tobjetivo) y de una diferencia del valor característico de distancia objetivo (sobjetivo) y del valor característico de distancia real (sreal), se determinan un valor característico de aceleración objetivo (aobjetivo) y un valor característico de velocidad objetivo (vobjetivo), donde el valor característico de aceleración objetivo (aobjetivo) es representativo para una aceleración predeterminada del vehículo ferroviario (10), y el valor característico de velocidad objetivo (vobjetivo) es representativo para una velocidad predeterminada del vehículo ferroviario (10),
- un valor característico de error aceleración (ea) se determina como diferencia del valor característico de aceleración objetivo (aobjetivo) y del valor característico de aceleración real (areal), y se suministra a un controlador de aceleración (22) diseñado como controlador proporcional, del lado de entrada,
- un valor característico de error de velocidad (ev) se determina como diferencia del valor característico de velocidad objetivo (vobjetivo) y del valor característico de velocidad real (vreal), y junto con el valor característico de error de aceleración (ea) se suministra a un controlador de velocidad (23) según la reivindicación 5, del lado de entrada, y
- una suma de un valor característico (ua) que se encuentra presente en la salida del controlador de aceleración (22), así como de un valor característico (uv) que se encuentra presente en la salida del controlador de velocidad (23), se emiten como variable manipulada para controlar el freno (11) del vehículo ferroviario (10).
7. Controlador de frenado (20) para un vehículo ferroviario (10), que está configurado para realizar el procedimiento según la reivindicación 6.
8. Vehículo ferroviario (10) con un controlador de frenado (20) según la reivindicación 7.
9. Vehículo ferroviario (10) según la reivindicación 8, donde el freno (11) que debe controlarse mediante el controlador de frenado (20) está diseñado como freno indirecto.
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