ITUB20159358A1 - Procedimento per il controllo e il recupero dell'aderenza delle ruote di un assile controllato di un veicolo ferroviario. - Google Patents

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Description

"Procedimento per il controllo e il recupero dell'aderenza delle ruote di un assile controllato di un veicolo ferroviario"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un sistema per il controllo e il recupero di aderenza delle ruote di un assile controllato di un veicolo ferroviario.
A bordo dei veicoli ferroviario più moderni sono installati sistemi elettronici che in genere includono sottosistemi di controllo del pattinamento delle ruote, atti a intervenire sia quando il veicolo si trova in fase di trazione, sia quando esso si trovi in fase di frenatura. Tali sottosistemi sono noti come sistemi anti-skid o anti-slide, o anche come sistemi WSP (Wheel Slide Protection).
Un sistema di controllo dell'aderenza delle ruote, in funzione antipattinamento, è schematicamente rappresentato nella figura 1 dei disegni allegati, che si riferisce a un veicolo con n assili controllati Al, A2, ..., An, Gli assili Al, A2, ..., An comprendono un rispettivo albero SI, S2, ..., Sn e una rispettiva coppia di ruote Wl, W2, ..., Wn a esso solidali a rotazione.
Nei disegni è in generale illustrata una sola delle ruote di ciascun assile.
Il sistema WSP della figura 1 comprende un'unità elettronica di controllo ECU, tipicamente basata su un'architettura a microprocessore, che riceve segnali tachimetrici relativi alla velocità angolare di ciascun assile Al, A2, ... An da rilevatori SS1, SS2, ..., SSn rispettivamente associati a tali assili. L'unità elettronica ECU è inoltre collegata ad apparati di controllo della coppia TC1, TC2, ..., TCn, associati ciascuno a un rispettivo assile Al, A2, ..., An.
L'unità elettronica ECU è predisposta per operare la modulazione della coppia applicata a ciascun assile, secondo un algoritmo predeterminato qualora in caso di applicazione di coppia, in fase di trazione o di frenatura in situazione di aderenza degradata, le ruote di uno o più assili risultino in condizione di possibile pattinamento incipiente. La modulazione della coppia viene attuata in modo tale da prevenire un bloccaggio totale degli assili, possibilmente in modo da portare ciascun assile in una situazione di scorrimento controllato, in vista del recupero di aderenza e comunque durante 1'intero perdurare della situazione di aderenza degradata.
Nella figura 2 è mostrato uno schema a blocchi illustrativo del controllo attuato su un singolo assile: l'errore o differenza E(t) fra il valore della velocità di riferimento VR(t) cui si desidera far scorrere 1'assile A controllato e la velocità angolare misurata VM(t) rilevata tramite l'associato sensore SS e condizionata da un modulo di acquisizione ed elaborazione APM, viene applicato come segnale di ingresso a un modulo di controllo CM che fornisce in uscita un segnale di pilotaggio Y(t) all'apparato di controllo della coppia TC associato all'assile A.
Nella figura 3 è illustrato a titolo di esempio non limitativo un possibile modo di realizzazione dell'apparato di controllo della coppia TC. Tale apparato comprende un'unità elettronica di regolazione e pilotaggio 100 che controlla un gruppo elettrovalvolare 101 includente un'elettrovalvola di carico 102 e un'elettrovalvola di scarico 103. Nella realizzazione illustrata, tali elettrovalvole sono valvole a tre vie, a due posizioni. L'elettrovalvola 102 è normalmente aperta, e l'elettrovalvola 103 è normalmente chiusa.
L'uscita dell'elettrovalvola di carico 102 è accoppiata, in modo per sé noto, a un cilindro di frenatura 104 associato all'assile A.
Sotto il controllo dell'unità elettronica 100 il gruppo valvolare 101 consente selettivamente di ridurre, o mantenere, o incrementare, la pressione di comando alimentata al cilindro di frenatura 104, entro valori compresi fra la pressione atmosferica e la pressione di frenatura proveniente da una condotta 113 collegata all'elettrovalvola di carico 102. L'unità 100 può essere predisposta per controllare la pressione al cilindro di frenatura 104 ad anello aperto, delegando la chiusura dell'anello di controllo a un anello di velocità secondo la figura 2, oppure per controllare detta pressione ad anello chiuso attraverso una retroazione realizzata con l'utilizzo di un sensore di pressione 105.
All'assile A è associato un motore elettrico 106, in grado di applicare a tale assile una coppia, di trazione o di frenatura, conformemente a una richiesta di coppia 107 applicata a un inverter 108 che pilota tale motore elettrico. La coppia da applicare all'assile A tramite il motore 106 corrisponde a una richiesta di coppia 110, modificata da una coppia di correzione ili variabile fra zero e il valore della coppia 110. La coppia 107 è positiva in caso di trazione e negativa in caso di frenatura. Un modulo di blending 112, in caso di pattinamento in corso di frenatura, "miscela" la richiesta di modulazione della coppia applicata all'assile A tra il sistema pneumatico e il sistema rigenerativo, secondo modalità predeterminate.
L'apparato di controllo della coppia illustrato nella figura 3 può essere realizzato secondo molte varianti note agli esperti del settore. Ad esempio, nel caso di veicoli ferroviari trainati, o rispondenti alle normative UIC, che hanno tipicamente sistemi antipattinaggio di tipo pneumatico compietamente isolati dai sistemi di trazione, l'unità 100 non viene pilotata dal modulo di blending 112 attraverso una richiesta di modulazione 113, come è illustrato nella figura 3, bensì direttamente dal modulo di controllo CM della figura 2, attraverso una richiesta di modulazione della coppia 114 illustrata a tratteggio nella figura 3.
Il modulo di controllo CM della figura 2 può operare secondo algoritmi realizzati attraverso diagrammi di stato, oppure strutture PID, o sistemi basati su una fuzzy logie. Tali algoritmi hanno come obiettivo quello di mantenere l'assile, che è in condizione di pattinamento incipiente, a una velocità cosiddetta di "scorrimento" corrispondente a una frazione della velocità del veicolo, tale velocità di scorrimento essendo anche nota come velocità di set point. Tali algoritmi richiedono procedure di taratura dei parametri, in modo tale da rendere tali algoritmi stabili, evitando o quanto meno limitando le oscillazioni del sistema e, nel caso di sistemi WSP, evitando eccessive oscillazioni della velocità istantanea dell'assile controllato attorno alla velocità di set point. La taratura dei suddetti parametri risulta tanto più precisa e accurata quanto meno le variabili del sistema possono variare attorno a un loro valore standard.
Nel caso di un sistema di controllo dell'aderenza, una delle variabili che presenta un ampio campo di variazione è la forza istantanea di attrito Fa(t) = μ(5) m g, ove m è la massa gravante sul punto di contatto tra la ruota e la rotaia, g è l'accelerazione di gravità, μ è il coefficiente di aderenza e δ è lo scorrimento, ovvero il valore della differenza fra la velocità del veicolo e la velocità tangenziale della ruota, divisa per la velocità del veicolo. La forza Fa(t) agisce nel punto di contatto fra la ruota e la rotaia (figura 8),
Il coefficiente di aderenza μ varia in funzione dello scorrimento δ sostanzialmente nel modo illustrato nel grafico della figura 7. In normali condizioni di peso del veicolo, valori di μ pseudostatici (δ 3⁄4 0), tali da permettere l'inizio di fenomeni di pattinamento, sono prossimi a 0,09 e possono scendere fino a valori intorno a 0,01, o anche inferiori, in caso di presenza di foglie marce o di miscele di acqua e ruggine sulle rotaie, ovvero subire variazioni dell'ordine di 20 dB. Inoltre, nel caso di alcuni contaminanti, dato un determinato valore iniziale di μ (3⁄4 0), il valore istantaneo di μ(δ) al variare in tempo reale di δ può subire variazioni fino a -6 dB, o superiori.
Inoltre, la massa m gravante sull'assile può variare fra il peso di tara e il peso a pieno carico, sia staticamente, sia dinamicamente durante il pattinamento, a causa del beccheggio del carrello, con conseguente ridistribuzione dei pesi tra i due assili del carrello.
In una condizione di pattinamento contemporaneo di più assili può realizzarsi il fenomeno detto di "rail cleaning": un assile pattinando produce attrito nel punto di contatto fra ruote e rotaie, ivi iniettando energia e pulisce parzialmente le rotaie stesse, incrementando il valore di μ per 1'assile successivo. Questo fenomeno fa sì che assili consecutivi "incontrino" valori di aderenza istantanea diversi fra loro.
Si osserva poi ancora che, al diminuire della velocità, il coefficiente di attrito fra il disco frenante e la pastiglia (nel caso di freni a disco) o fra la ruota e il ceppo (nel caso di freni a ceppo) può subire notevoli variazioni.
Infine, un sistema destinato a gestire un controllo di coppia a mezzo di una pluralità di attuatori, come quello descritto con riferimento alla figura 3, deve adattarsi a differenti funzioni di trasferimento e a differenti costanti di tempo, in tempo reale. La coesistenza di tali variazioni richiede di applicare una taratura "non rigida", tale da accettare l'intero spettro delle variazioni, con la conseguenza di non ottenere un controllo accurato e reattivo alle variazioni ambientali rapide, o una taratura adattativa "mappata" attraverso una "look-up table" di parametri selezionati in tempo reale in funzione di una o più delle variabili ambientali, come ad esempio descritto in EP 2147 840 A2.
In vista dello sfondo tecnico sopra descritto, uno scopo della presente invenzione è di provvedere un metodo migliorato per il controllo e l'eventuale recupero di aderenza delle ruote di un assile controllato di un veicolo ferroviario, che consenta in particolare di correggere in modo continuo, in tempo reale, i parametri di controllo, permettendo un adattamento ai valori istantanei di aderenza e di peso del veicolo.
Questo e altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con un metodo comprendente le operazioni di
generare segnali di velocità indicativi della velocità angolare delle ruote dell'assile controllato;
generare un segnale di errore indicativo dell'errore o differenza fra una velocità di set point per le ruote, determinata mediante un modello di riferimento, e la velocità indicata da detti segnali di velocità; e
generare un segnale di pilotaggio per mezzi di controllo della coppia applicata alle ruote di detto assile, mediante filtraggio adattativo di un segnale di ingresso che è funzione di detta velocità di set point, modificando parametri del filtraggio adattativo in funzione di detto segnale di errore, in modo tale da far tendere a zero detto errore o differenza di velocità.
In un modo di attuazione del metodo, il suddetto segnale di ingresso è un segnale rappresentativo della velocità di set point per le ruote dell'assile.
In un altro modo di attuazione del metodo, detto segnale di ingresso è un segnale rappresentativo del suddetto errore o differenza di velocità.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
la figura 1 è uno schema a blocchi di un sistema di controllo antipattinamento delle ruote di un veicolo ferroviario;
la figura 2 è uno schema a blocchi di un sistema di controllo ad anello chiuso della velocità di un assile;
la figura 3 è uno schema di un possibile modo di realizzazione di un apparato per il controllo della coppia applicata a un assile;
le figure 4, 5 e 6 sono schemi a blocchi di diversi modi di realizzazione di sistemi per l'attuazione di un metodo di controllo secondo la presente invenzione;
la figura 7 è un grafico che mostra qualitativamente 1'andamento del coefficiente di aderenza μ di una ruota, riportato in ordinata, in funzione dello scorrimento 6, riportato in ascissa; e
la figura 8 è un diagramma che illustra forze applicate a una ruota di un assile.
Il metodo secondo la presente invenzione applica tecniche di tipo adattativo alla taratura e alla correzione dinamica di parametri di controllo del pattinamento delle ruote di un assile, tali tecniche essendo eseguite in modo continuo nel tempo, in tempo reale e non in base a vettori o tabelle parametriche mappate in precedenza.
L'invenzione, a tale scopo, utilizza una tecnica di controllo basata su un filtraggio adattativo, come descritto ad esempio in B. Widrow e S. D. Stearns, Adaptive Signal Processing, New Jersey, Prentice-Hall, Ine., 1985.
Sono note varie tipologie di filtri adattativi, idonei all'utilizzo in un metodo secondo l'invenzione. A titolo di esempio non limitativo, la pre sente invenzione prevede l'utilizzo di filtri adattativi noti come filtri LMS (Least Mean Square). Per una descrizione accurata delle proprietà generali, delle caratteristiche, dei criteri di convergenza e delle varianti di realizzazione dei filtri LMS, si rinvia alla letteratura disponibile, o al testo di riferimento sopra citato.
I filtri adattativi utilizzati possono essere costituiti sia da strutture di tipo FIR (Finite Impulse Response), sia da strutture di tipo IIR (Infinite Impulse Response).
Secondo la simbologia corrente di descrizione di un filtro adattativo, con X(t) e Y(t) verranno designati l'ingresso e l'uscita di un tale filtro.
Nella descrizione che segue e nei disegni allegati, la variabile tempo t verrà indicata con la lettera T per indicare che tale tempo è inteso in senso discreto, ovvero che il metodo/sistema opera per campionamenti finiti con un periodo T.
Nella figura 4, è illustrato schematicamente un primo sistema di controllo per l'attuazione del metodo secondo la presente invenzione.
II sistema secondo la figura 4 comprende un blocco RM che rappresenta un modello di riferimento che riceve in ingresso la velocità di set point VSETPOINT per le ruote W dell'assiale A controllato e che fornisce in uscita la velocità VR(t) dell'assile A in risposta alla velocità di set point e alle sue variazioni.
Il blocco RM ha una funzione di trasferimento G, che idealmente è G = 1. Tuttavia, un sistema più significativo, cioè più aderente alla realtà, ha ad esempio (ma non limitativamente) una funzione di trasferimento del secondo ordine, approssimante il modello atteso del complesso formato dal modulo di controllo CM, dall'apparato TC di controllo della coppia e dalle ruote W della figura 2.
Nella figura 4, con AF è indicato un filtro adattativo, ad esempio un filtro di tipo LMS.
All'ingresso X(T) di tale filtro AF viene fornito un segnale che è funzione della velocità VSET_
POINT, ad esempio un segnale proporzionale alla velocità del veicolo, tipicamente compreso tra il 65% e il 95% della velocità del veicolo.
L'uscita Y(T) del filtro adattativo AF è un segnale per il pilotaggio dell'apparato TC di controllo della coppia che è a sua volta accoppiato all'assile A e alle sue ruote W.
L'uscita VR(T) del blocco RM viene applicata a un ingresso di un sommatore ADD, a un altro ingresso del quale perviene un segnale VM(T) indicativo della velocità angolare dell'assile A effettivamente misurata a mezzo di un rilevatore SS e di un associato modulo di acquisizione ed elaborazione APM.
Il sommatore ADD fornisce in uscita un segnale di errore E(T) indicativo dell'errore o differenza fra la velocità VR(T) e la velocità misurata VM(T), ovvero della differenza fra la velocità attesa all'uscita del blocco RM e la velocità VM(T).
Il segnale di errore E(T) viene addotto al filtro adattativo AF, ove viene utilizzato per attuare una correzione continua dei parametri di tale filtro, fintanto che tale errore E(T) tende a zero.
La stabilizzazione dei coefficienti o parametri del filtro adattativo AF può avvenire in modo rapido se il segnale in ingresso X(T) ha un contenuto armonico equivalente alla larghezza di banda del processo da controllare.
Nel caso del sistema secondo la figura 4, la velocità VSETPOINTè un segnale con un contenuto armonico praticamente nullo e quindi relativamente insoddisfacente per quanto riguarda l'esigenza di una rapida ritaratura dei parametri o coefficienti del filtro AF. Tale soluzione può comunque essere efficacemente utilizzata inizializzando i coeffid enti del filtro AF a valori standard, precalcolati sulla base di una situazione iniziale di compromesso e in seguito, nel corso di un fenomeno di pattinamento, le variazioni dell'errore E(T) all'ingresso del filtro AF risultano sufficienti ad attuare in tempo reale una correzione adeguata dei coefficienti o parametri del filtro.
Una soluzione alternativa è illustrata nella figura 5: l'errore E(T) non viene utilizzato solamente come fattore di correzione dell'algoritmo adattativo attuato dal filtro AF, ma come ingresso X (T) al filtro AF stesso.
In effetti, l'errore E(T) presenta un contenuto armonico adeguato per 1'autocalibrazione del filtro AF e contemporaneamente contiene le informazioni necessarie per la generazione delle correzioni della forza frenante agente sull'assile A controllato.
La soluzione secondo la figura 5 permette una calibrazione dinamica assai veloce di coefficienti o parametri del filtro adattativo AF, anche qualora inizialmente tali coefficienti o parametri fossero completamente azzerati.
Come è noto dalla letteratura, i filtri adattativi di tipo LMS possono essere realizzati sia utilizzando strutture FIR, sia utilizzando strutture IIR .
Le strutture FIR sono intrinsecamente stabili, non avendo memoria. Tuttavia, questa caratteristica impedisce la realizzazione di funzioni di controllo aventi una componente integrativa, a meno che non si utilizzino integratori naturali esistenti a valle nel sistema, ad esempio l'integrazione naturale rappresentata dal cilindro di frenatura.
Nella figura 6 è illustrata una realizzazione che consente di ovviare alla mancanza di una componente integrativa in un filtro adattativo AF di tipo LMS realizzato con una struttura FIR. Un integratore I viene previsto sostanzialmente in parallelo a tale filtro adattativo AF, fra l'ingresso di tale filtro e un sommatore ADDI, cui pervengono l'uscita del filtro AF e l'uscita dell'integratore I; l'uscita del sommatore ADDI è collegata all'apparato TC di controllo della coppia.
All'integratore I può essere eventualmente associato un gruppo di autotaratura STA includente una cella dedicata C, di tipo LMS, collegata fra l'uscita dell'integratore I e il sommatore ADDI e pilotata in funzione del segnale di errore E(T).
In generale, nell'attuazione di un metodo di controllo secondo la presente invenzione, allo scopo di evitare problemi di derive dei coefficienti del filtro adattativo durante l'esecuzione del metodo, è possibile limitare la variazione dei coefficienti del filtro adattativo a un range di valori di sicurezza memorizzati in una memoria non volatile.
Allo scopo di mantenere il controllo sempre reattivo a nuove variazioni dei parametri esterni del sistema, viene convenientemente utilizzata la funzione di leakage propria dei filtri adattativi, per eseguire un de-tuning continuativo dei coefficienti o parametri del filtro quando l'errore E(T) è prossimo allo zero, o comunque entro limiti di variazione dei coefficienti o parametri tali da permettere il recupero di una corretta taratura di tali coefficienti o parametri non appena si ripresentano valori significativi di E(T).
Rientrano inoltre nell'ambito della presente invenzione implementazioni in cui si utilizza un filtro adattativo realizzato con una struttura di tipo IIR, la quale può assumere una configurazione di tipo PID (Proporzionale-Integrativa-Derivativa).
Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione e i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto stato descritto e illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come definita nelle annesse rivendicazioni.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per il controllo e l'eventuale recupero dell'aderenza delle ruote (W) di un assile controllato (A) di un veicolo ferroviario, comprendente le operazioni di generare segnali di velocità (VR) indicativi della velocità angolare delle ruote (W) di detto assile (A); generare un segnale di errore (E) indicativo dell'errore o differenza fra una velocità di set point (VSETPOmT) per le ruote (W), determinata mediante un modello di riferimento (RM), e la velocità indicata da detti segnali di velocità (VR) ; e generare un segnale di pilotaggio (Y) per mezzi di controllo (TC) della coppia applicata alle ruote (W) di detto assile (A), mediante filtraggio adattativo (AF) di un segnale di ingresso (X) che è funzione di detta velocità di set point (VSETPOINT), modificando parametri del filtraggio adattativo (AF) in funzione di detto segnale di errore (E), in modo tale da far tendere a zero detto errore o differenza di velocità (E).
  2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto segnale di ingresso (X) è un segnale rappresentativo di detta velocità di set point (VSETPOmT).
  3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto segnale di ingresso (X) è un segnale (E) rappresentativo di detto errore o differenza di velocità.
  4. 4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto segnale di pilotaggio (Y) è generato per mezzo di un filtro adattativo (AF) avente una struttura di tipo FIR, con un integratore (I) in parallelo.
  5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui il segnale fornito da detto integratore (I) è assoggettato a una taratura adattativa.
  6. 6. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui il segnale di pilotaggio (Y) è ottenuto mediante un filtro adattativo (AF) avente una struttura di tipo IIR, con una configurazione preferibilmente di tipo PID.
  7. 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui parametri o coefficienti del filtraggio adattativo sono inizializzati a valori precalcolati e immagazzinati in una memoria non volatile.
  8. 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i parametri o coefficienti del filtraggio adattativo sono limitati in una banda di variazione predefinita e immagazzinati in una memoria non volatile.
  9. 9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui mediante una funzione di leakage del filtraggio adattativo i parametri o coefficienti di tale filtraggio vengono ridotti in modo continuo nel tempo.
  10. 10. Metodo per il controllo e l'eventuale recupero di aderenza delle ruote di un assile controllato di un veicolo ferroviario, sostanzialmente secondo quanto descritto e illustrato e per gli scopi specificati.
ITUB2015A009358A 2015-12-22 2015-12-22 Procedimento per il controllo e il recupero dell'aderenza delle ruote di un assile controllato di un veicolo ferroviario. ITUB20159358A1 (it)

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