JP2005162152A - Sliding control method for railway vehicle - Google Patents

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Daisei Yamazaki
大生 山崎
Masao Nagai
正夫 永井
Takayoshi Kamata
崇義 鎌田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sliding control method for a railway vehicle in which a sliding mode control theory is applied as a theoretical design method for a sliding control so as to design a sliding control system and by which an adhering force control is achieved in a high degree at the railway vehicle. <P>SOLUTION: In a sliding control method for the railway vehicle, a sliding control system is constituted by using a sliding mode control system having a high robust characteristic against the railway vehicle with some wheels running on railway tracks and a stable high braking characteristic is attained thereby. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、鉄道車両の滑走制御方法に関するものである。   The present invention relates to a rail vehicle sliding control method.

従来、短編成車両では、後方車両での粘着力確保が期待できない(下記非特許文献1,2)。したがって、編成両数によらず車両を高速で効率的に運用するためには、短編成であってもブレーキ力が確保できる制御システムを開発する必要がある。また、近年、欧州や日本で新幹線のさらなる高速化が計画されており(下記非特許文献3,4)高速域での粘着力制御の高度化も重要である。   Conventionally, in a short train vehicle, it is not expected to secure adhesive strength in a rear vehicle (Non-Patent Documents 1 and 2 below). Therefore, in order to operate the vehicle efficiently at high speed regardless of the number of trains, it is necessary to develop a control system that can secure a braking force even with a short train. In recent years, further increases in the speed of the Shinkansen are planned in Europe and Japan (Non-patent Documents 3 and 4 below), and it is important to improve the adhesive force control in the high-speed range.

これらの要請を実現するには制御対象のモデル化が重要であり、本願発明者らは粘着力のモデル化を行ってきた(下記非特許文献5)。
内田清五,鉄道のブレーキ〔4〕鉄道車両のブレーキ(4),運転協会誌,2001.4号,(2001),35 辻野昭道,山崎大生,近藤圭一郎,小笠正道,列車の加減速度指令パターン適応制御方式,鉄道総研報告 Vol.12,No.1,(1998),23 松田昌士,21世紀を鉄道の世紀に,JR East Technical Review,No.1,(2002),2 遠藤隆,新幹線の高速化,JR East Technical Review,No.1,(2002),6−8 Hiro−o Yamazaki,Masao Nagai,Takayoshi Kamada,A STUDY OF ADHESION FORCE MODEL FOR WHEEL SLIDE PROTECTION CONTROL,International Symposium on Speed−up and Service Technology for Railway and Maglev Systems 2003(STECH’03),2003.8.19−22 Tokyo JAPAN 日本エービーエス株式会社,自動車のABSの研究,(1993),1−64,山海堂 南京政信,空気ブレーキの車両減速度制御に関する研究,鉄道総研報告,Vol.17,No.4,(2003),35−38 野波健蔵,田宏奇,スライディングモード制御−非線形ロバスト制御の設計理論−,コロナ社,P.2−90,1999 服部義和,高橋俊道,ブレーキ用車輪速サーボの路面ロバスト性の向上,豊田中央研究所R&Dレビュー,P.47−54,1999 森和典,スライディングモード制御法を用いた動力配分と四輪操舵の協調制御による車両の走行安定性向上,機械学会論文集(C編),P.68−74,2001 山崎大生,鉄道車両のブレーキシステムと滑走制御方法,油空圧技術,Vol.41,No.12,日本工業出版,(2002),35−40 酒井秀男,タイヤ工学,(1987),102−190,グランプリ出版 大山忠夫,高速鉄道車両の車輪とレール間の粘着力におよぼす影響と粘着力向上に関する研究,鉄道総研報告,第1巻第2号,研友社,(1987),11 日本国有鉄道規格 JRS12202−1F−15AR0A,P1,1980
In order to realize these requirements, it is important to model the controlled object, and the inventors of this application have modeled the adhesive force (Non-Patent Document 5 below).
Uchida Kiyogo, Railway brake [4] Railway vehicle brake (4), Driving Association magazine, 2001.4, (2001), 35 Akino Ashino, Daisei Yamazaki, Shinichiro Kondo, Masamichi Ogasa, Train acceleration / deceleration command pattern adaptive control method, Railway Research Institute Vol. 12, no. 1, (1998), 23 Matsuda Masashi, 21st Century as the Railway Century, JR East Technical Review, No. 1, (2002), 2 Endo Takashi, Shinkansen high-speed, JR East Technical Review, No. 1, (2002), 6-8 Hiro-o Yamazaki, Masao Nagai, Takayoshi Kamada, A STUDY OF ADHESION FORCE MODEL FOR WHEEL SLIDE PROTECTION CONTROL, International Symposium on Speed-up and Service Technology for Railway and Maglev Systems 2003 (STECH'03), 2003.8.19- 22 Tokyo JAPAN Japan ABS Co., Ltd., ABS research of automobiles, (1993), 1-64, Sankaido Nanjing Masanobu, Research on vehicle deceleration control of air brake, Railway Research Institute report, Vol. 17, no. 4, (2003), 35-38 Kenzo Nonami, Hiroki Tana, Sliding Mode Control-Nonlinear Robust Control Design Theory-Corona, P. 2-90, 1999 Yoshikazu Hattori, Toshimichi Takahashi, Improvement of road surface robustness of brake wheel speed servo, Toyota Central R & D Review, P.M. 47-54, 1999 Kazunori Mori, Improving vehicle running stability by cooperative control of power distribution and four-wheel steering using a sliding mode control method, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), p. 68-74, 2001 University of Yamazaki, Brake system and control method of railway vehicles, Hydraulic / Pneumatic technology, Vol. 41, no. 12, Nippon Kogyo Publishing, (2002), 35-40. Hideo Sakai, Tire Engineering, (1987), 102-190, Grand Prix Publishing Tadao Oyama, Influence on Adhesive Force between Wheels and Rails of High-Speed Railway Vehicles and Research on Adhesive Strength Improvement, Railway Research Institute Report, Vol. 1, No. 2, Kenyusha, (1987), 11 Japanese National Railway Standard JRS120202-1F-15AR0A, P1, 1980

鉄道の滑走制御のアルゴリズムは、if−then方式の制御ロジックを適用する方法がほとんどであり、それは車両と車輪の速度差や車輪の加速度、スリップ率に応じて空気圧や油圧を増圧あるいは減圧するという方式である。そのif−then方式の制御ではなく、制御理論に基づく滑走制御の設計は、これまでにファジィ制御を用いた実用例があるが、このファジィ制御は近年ようやく安定性の議論がなされるようになったばかりで、安定性が証明されているとはいえないといった問題点がある。   Almost all of the algorithm of railroad gliding control is to apply if-then control logic, which increases or decreases the air pressure and hydraulic pressure according to the speed difference between vehicle and wheel, wheel acceleration and slip rate. This is the method. The design of the sliding control based on the control theory, not the if-then control, has a practical example using the fuzzy control so far. However, the stability of the fuzzy control has finally been discussed in recent years. There is a problem that the stability has not been proven.

また、車輪・レール間の粘着力制御の具体例としては、例えば滑走制御装置が挙げられる。この制御は、自動車のABS(上記非特許文献6)と類似した面がある。つまり、車輪に作用するブレーキ力が粘着限界を超え、滑走を検出した場合、ブレーキシリンダの圧力を圧力制御弁により排気し、ブレーキ力を弱め、再粘着させる。しかし、自動車のABSの技術をそのまま鉄道車両に適用することは以下の理由により不可能である。   Moreover, as a specific example of the adhesion control between the wheels and the rails, for example, a sliding control device can be cited. This control has a similar aspect to automobile ABS (Non-Patent Document 6). That is, when the braking force acting on the wheel exceeds the adhesion limit and sliding is detected, the pressure of the brake cylinder is exhausted by the pressure control valve, the braking force is weakened, and the adhesion is performed again. However, it is impossible to apply the automobile ABS technology to a railway vehicle as it is for the following reason.

図9は鉄道車両と自動車の粘着特性を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing the adhesion characteristics of a railway vehicle and an automobile.

この図より、鉄道車両と自動車の滑走制御における相違について、両者の粘着係数μ(粘着力の最大値を静止輪重で割ったもの)に顕著な相違があることがわかる。   From this figure, it can be seen that there is a marked difference in the adhesion coefficient μ (the maximum value of the adhesive force divided by the stationary wheel load) between the rail vehicle and the automobile in the sliding control.

図9において、図9(a)は速度に対する粘着係数μmax の特性図、図9(b)は鉄道車両と自動車のスリップ率に対する接線力係数μ(tangential force coefficient)特性図(その1)、図9(c)はスリップ率に対する接線力係数μ特性図(その2)であり、カーター理論による結果を示している。 9, FIG. 9A is a characteristic diagram of the adhesion coefficient μ max with respect to speed, FIG. 9B is a tangential force coefficient μ characteristic diagram with respect to the slip ratio of the railway vehicle and the automobile (part 1), FIG. 9C is a tangential force coefficient μ characteristic diagram (part 2) with respect to the slip ratio, and shows a result of Carter theory.

これらの図からわかるように自動車タイヤの粘着係数μmax は鉄車輪鉄レールに比べて極めて高い。従って、両者の粘着係数μmax 特性には大きな違いがあり、自動車のABSの技術をそのまま鉄道車両に適用することは疑問がある。また、従来の粘着の理論解は、スリップ率0.2%、つまり粘着力が飽和する(粘着限界に達する)までの特性しか示されていなかったが、最近、粘着力が飽和したあとの特性も数式で示すことができることがわかってきた。その結果、自動車はスリップ率20〜30%で飽和するのに対し、鉄道は10〜15%で飽和する〔図9(b)〕ことがわかってきており、このことからも自動車のABSの技術を容易に適用できるものではない。 As can be seen from these figures, the adhesion coefficient μ max of the automobile tire is extremely higher than that of the iron wheel iron rail. Therefore, there is a great difference in the adhesion coefficient μ max characteristics between the two, and there is a question that the ABS technology of the automobile is applied to a railway vehicle as it is. In addition, the theoretical solution of the conventional adhesive has shown only a characteristic until the slip ratio is 0.2%, that is, until the adhesive force is saturated (adhesion limit is reached), but recently the characteristic after the adhesive force is saturated. It has been found that can also be expressed in mathematical formulas. As a result, it has been found that automobiles saturate at a slip rate of 20-30%, whereas railways saturate at 10-15% [Fig. 9 (b)]. Is not easily applicable.

鉄道車両の、ブレーキ力が粘着限界を超えるまでの制御系全体の特性と、粘着限界を超えて、車輪滑走が生じた場合の制御系全体の特性は、非線形であり、制御系の構造が変わるものと考えられる。また、滑走制御の圧力制御弁の動作は、on−off制御であり、空気圧の圧縮性から強い非線形性(上記非特許文献7)が存在する。   The characteristics of the entire control system until the braking force exceeds the adhesion limit and the characteristics of the entire control system when the wheel slips beyond the adhesion limit are non-linear, and the structure of the control system changes. It is considered a thing. In addition, the operation of the pressure control valve for sliding control is on-off control, and there is strong non-linearity from the compressibility of air pressure (Non-Patent Document 7).

ブレーキ制御系のパラメータ変動としては、粘着係数は、レール湿潤時には速度に依存する特性を持ち、ブレーキ摩擦材の摩擦係数も速度や初速度、温度、摩擦面の状態によって変化する。   As a parameter variation of the brake control system, the adhesion coefficient has a characteristic depending on the speed when the rail is wet, and the friction coefficient of the brake friction material also changes depending on the speed, initial speed, temperature, and the state of the friction surface.

したがって、ブレーキシステムは、強い非線形性を有するとともに、パラメータ変動を伴う制御系と言え、ロバスト性の高い制御系を用いる必要がある。   Therefore, the brake system has a strong non-linearity and can be said to be a control system with parameter variation, and it is necessary to use a highly robust control system.

そのような制御系としては、例えば、スライディングモード制御(上記非特許文献8,9,10)は、非線形系、パラメータ変動系、時変系など、未知のパラメータや未知外乱を有する系に容易に適用でき、優れたロバスト制御系が構成できることから、鉄道のブレーキシステムに適用すれば、非線形性やパラメータ変動に対して優れた制御系が設計できると考えられる。   As such a control system, for example, sliding mode control (Non-Patent Documents 8, 9, and 10) is easily applied to a system having an unknown parameter or an unknown disturbance, such as a nonlinear system, a parameter fluctuation system, or a time-varying system. Since it can be applied and an excellent robust control system can be configured, it can be considered that if it is applied to a railway brake system, an excellent control system can be designed against nonlinearity and parameter fluctuation.

そこで、本発明では、優れたロバスト性を有する制御理論により滑走制御系を設計し、制御則を定式化した。また、従来の滑走制御と、本発明で検討したロバスト制御の性能比較をシミュレーションによって行い、ロバスト制御の優位性を確認した。   Therefore, in the present invention, a sliding control system is designed based on a control theory having excellent robustness, and a control law is formulated. Moreover, the performance comparison between the conventional sliding control and the robust control studied in the present invention was performed by simulation, and the superiority of the robust control was confirmed.

すなわち、本発明では、上記状況に鑑みて、滑走制御の設計理論としてスライディングモード制御理論を用いて滑走制御系を設計し、鉄道車両における粘着力制御の高度化を図ることができる鉄道車両の滑走制御方法を提供することを目的とする。   That is, in the present invention, in view of the above situation, a sliding control system is designed using a sliding mode control theory as a design theory of sliding control, and the rolling of the railway vehicle can improve the adhesion force control in the railway vehicle. An object is to provide a control method.

本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕鉄道車両の滑走制御方法において、レール軌道上を走行する車輪を備えた鉄道車両に対して、高いロバスト性を有するスライディングモード制御方式を用いた滑走制御系を構成し、安定した高いブレーキ性能を持たせることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In a rolling control method for a railway vehicle, a sliding control system using a sliding mode control system having a high robustness is configured for a railway vehicle having wheels traveling on a rail track, and a stable high brake is provided. It is characterized by having performance.

〔2〕上記〔1〕記載の鉄道車両の滑走制御方法において、前記滑走制御系は、制御則を定式化し、目標スリップ率に的確に追従する制御動作を行うことを特徴とする。   [2] In the rail vehicle sliding control method according to [1], the sliding control system formulates a control law and performs a control operation that accurately follows a target slip ratio.

本発明によれば、滑走制御の設計理論としてスライディングモード制御理論を用いて滑走制御系を設計し、短編成における滑走制御や、高速新幹線における粘着力制御の高度化を図ることができる。   According to the present invention, a sliding control system can be designed by using a sliding mode control theory as a design theory of the sliding control, and it is possible to improve the sliding control in the short knitting and the adhesive force control in the high-speed Shinkansen.

すなわち、安定して高いブレーキ性能を持たせることができる。   That is, it is possible to stably provide high braking performance.

レール軌道上を走行する車輪を備えた鉄道車両に対して、高いロバスト性を有するスライディングモード制御方式を用いた滑走制御系を構成し、安定した高いブレーキ性能を持たせる。   A rolling control system using a sliding mode control system having high robustness is configured for a railway vehicle having wheels that run on a rail track to provide stable and high braking performance.

その滑走制御系は、制御則を定式化し、目標スリップ率に的確に追従する制御動作を行わせることができる。   The sliding control system can formulate a control law and perform a control operation that accurately follows the target slip ratio.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

〔1〕まず、解析モデルについて説明する。   [1] First, the analysis model will be described.

図1は計算で用いるブレーキ時の車輪と車両の運動モデルを示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing a wheel and vehicle motion model during braking used in the calculation.

1はレール、2は車輪、3は輪軸、4はブレーキ装置である。   1 is a rail, 2 is a wheel, 3 is a wheel shaft, and 4 is a brake device.

〔1−1〕運動方程式
輪軸3と車両の運動を図1に示した1軸モデルでモデル化すると、運動方程式は次のようになる。
[1-1] Equation of motion When the wheel shaft 3 and the motion of the vehicle are modeled by the uniaxial model shown in FIG. 1, the equation of motion is as follows.

Figure 2005162152
ここで、Jは輪軸の慣性モーメント、Fx はレール・車輪間の粘着力、Mgは車両質量、Fb はブレーキ力、rは車輪半径、vw は車輪速度、vは車体速度を示している。
Figure 2005162152
Where J is the wheel inertia, F x is the rail-wheel adhesion, Mg is the vehicle mass, F b is the braking force, r is the wheel radius, v w is the wheel speed, and v is the vehicle speed. Yes.

上記式(1)より、   From the above formula (1),

Figure 2005162152
上記式(2)より、
Figure 2005162152
From the above equation (2),

Figure 2005162152
ここで、スリップ率slは、
sl=1−(vw /v) …(5)
ブレーキ力Fb は、
b =(π/4)d2 pnEηf(vw ) …(6)
ここで、πは円周率、dはブレーキシリンダ径、pはブレーキシリンダ圧力、nはブレーキシリンダ個数、Eはブレーキ倍率、ηはブレーキ効率、f(vw )は瞬間摩擦係数を示している。
Figure 2005162152
Here, the slip ratio sl is
sl = 1- (v w / v) (5)
The braking force F b is
F b = (π / 4) d 2 pnEηf (v w ) (6)
Here, π is the circumference ratio, d is the brake cylinder diameter, p is the brake cylinder pressure, n is the number of brake cylinders, E is the brake magnification, η is the brake efficiency, and f (v w ) is the instantaneous friction coefficient. .

b =(π/4)d2 nEη …(7)
とおくと、
b =kb f(vw )p …(8)
となる。
k b = (π / 4) d 2 nEη (7)
After all,
F b = k b f (v w ) p (8)
It becomes.

〔1−2〕圧力方程式
図2は鉄道の空気ブレーキシステム構成図である。
[1-2] Pressure Equation FIG. 2 is a block diagram of a railway air brake system.

この図において、10はブレーキ制御装置、11はブレーキ電気操作装置、12は電力変換弁(電気−空気圧変換弁:比例弁)、13は中継弁(リレー弁)、14はブレーキシリンダ管、15は圧力制御弁、16はブレーキシリンダ、17はブレーキ摩擦材、18は車輪である。   In this figure, 10 is a brake control device, 11 is an electric brake operation device, 12 is a power conversion valve (electro-pneumatic conversion valve: proportional valve), 13 is a relay valve (relay valve), 14 is a brake cylinder tube, 15 is A pressure control valve, 16 is a brake cylinder, 17 is a brake friction material, and 18 is a wheel.

この鉄道の空気ブレーキシステム(上記参考文献7,11)は、ブレーキ指令Bcom を受けると、電気信号から空気圧に変換する電力変換弁と呼ばれる比例弁12によって指令空気圧力を発生させ、中継弁13にて空気流量を増幅しブレーキシリンダ管14へ供給する。ブレーキシリンダ管14は、滑走防止用の圧力制御弁15を介してブレーキシリンダ16に圧縮空気を供給し、ブレーキ摩擦材17を車輪18に押し付けてブレーキをかけるものである。 In response to the brake command B com , the railway air brake system (reference documents 7 and 11) generates a command air pressure by a proportional valve 12 called a power conversion valve that converts electrical signals into air pressure, and relay valves 13 The air flow rate is amplified by and supplied to the brake cylinder pipe 14. The brake cylinder pipe 14 supplies compressed air to the brake cylinder 16 via the pressure control valve 15 for preventing sliding, and presses the brake friction material 17 against the wheel 18 to apply the brake.

図3は鉄道の空気ブレーキシステムの圧力制御弁の構成図である。   FIG. 3 is a block diagram of a pressure control valve of a railway air brake system.

この図において、21は入力(IN)ポート、22は排気(EX)ポート、23は出力(OUT)ポート、24は供給停止弁、25は排気バルブである。   In this figure, 21 is an input (IN) port, 22 is an exhaust (EX) port, 23 is an output (OUT) port, 24 is a supply stop valve, and 25 is an exhaust valve.

図2も参照しながら説明すると、車輪が滑走した場合、(1)ブレーキシリンダ管14からブレーキシリンダ16への圧力供給を止め、ブレーキシリンダ16の圧力を排気する、(2)ブレーキシリンダ16とブレーキシリンダ管14、および圧力制御弁15の排気ポート22を遮断し、ブレーキシリンダ16の圧力を保持する、(3)ブレーキシリンダ管14からブレーキシリンダ16へ圧縮空気を供給する、という上記の3つの動作を行い、ブレーキシリンダ圧力を調節して滑走を防止する。   Referring also to FIG. 2, when the wheel slides, (1) the pressure supply from the brake cylinder pipe 14 to the brake cylinder 16 is stopped and the pressure in the brake cylinder 16 is exhausted. (2) the brake cylinder 16 and the brake The above three operations of shutting off the cylinder pipe 14 and the exhaust port 22 of the pressure control valve 15 to maintain the pressure of the brake cylinder 16 and (3) supplying compressed air from the brake cylinder pipe 14 to the brake cylinder 16 And adjust the brake cylinder pressure to prevent gliding.

圧力制御弁15を流れる空気流量とブレーキシリンダ圧力の方程式を以下に示す。   An equation of the air flow rate flowing through the pressure control valve 15 and the brake cylinder pressure is shown below.

車輪滑走時、高圧側圧力PH と低圧側圧力PL は、ブレーキシリンダ16に圧縮空気が供給状態であるか、ブレーキシリンダ16から大気圧へ排気状態であるかによって変化する。滑走がなくブレーキシリンダ管14からブレーキシリンダ16へ圧力が供給されている時は、高圧側圧力PH がブレーキシリンダ管14の圧力、低圧側圧力PL がブレーキシリンダ圧力となる。次に、車輪が滑走し、ブレーキシリンダ圧力を引き下げる場合には、高圧側圧力PH がブレーキシリンダ圧力となり、低圧側圧力PL が大気圧となる。滑走が収まる傾向で、その時のブレーキシリンダ圧力を保持するときには、圧力制御弁15を流れる空気流量は0となる。 During wheel sliding, the high pressure side pressure P H and the low pressure side pressure P L change depending on whether compressed air is supplied to the brake cylinder 16 or exhausted from the brake cylinder 16 to atmospheric pressure. When the sliding pressure from the brake cylinder pipe 14 to the brake cylinder 16 without being supplied, the high-pressure side pressure P H is the pressure in the brake cylinder pipe 14, the low side pressure P L becomes brake cylinder pressure. Next, the wheels are sliding, when pulling the brake cylinder pressure, the high side pressure P H is the brake cylinder pressure, the low side pressure P L becomes the atmospheric pressure. When the brake cylinder pressure at that time is maintained due to the tendency of the sliding, the flow rate of air flowing through the pressure control valve 15 becomes zero.

ここで、PH ≧1.893PL のときを平衡点として考える。各ポートの径をオリフィスとして考えることができ、ブレーキシリンダ圧力変化の方程式は、次式となる。 Here, the case where P H ≧ 1.893P L is considered as an equilibrium point. The diameter of each port can be considered as an orifice, and the brake cylinder pressure change equation is as follows.

Figure 2005162152
ここで、pはブレーキシリンダ圧力〔kPa〕、nは比熱比(=1.41)、Vはブレーキシリンダ容積〔m3 〕、PH は高圧側圧力〔kPa〕、PL は低圧側圧力〔kPa〕、sは圧力制御弁の断面積〔m2 〕、γは空気の比重量〔kPa〕、γS は空気の比重(=1.293)〔kPa〕、PS は大気圧〔kPa〕を示している。ただし、圧力の値は、絶対圧力である。
Figure 2005162152
Here, p is brake cylinder pressure [kPa], n is specific heat ratio (= 1.41), V is brake cylinder volume [m 3 ], P H is high pressure side pressure [kPa], and P L is low pressure side pressure [ kPa], s is the cross-sectional area of the pressure control valve [m 2 ], γ is the specific weight of air [kPa], γ S is the specific gravity of air (= 1.293) [kPa], and P S is the atmospheric pressure [kPa]. Is shown. However, the pressure value is an absolute pressure.

ここで、   here,

Figure 2005162152
と置くと、
dp/dt=kp g s・u …(12)
となる。
Figure 2005162152
And put
dp / dt = k p kg s · u (12)
It becomes.

したがって、ブレーキシリンダ圧力pは圧力制御弁15の入力uの積分値となる。ただし、kp ,kg は圧力制御弁15の入力uにより高圧側圧力PH 、低圧側圧力PL によって変化する非線形性をもつ。また、圧力制御弁15はon−off信号で駆動される。よって、圧力制御弁15の入力uはそれぞれ圧力供給のときu=1、圧力保持のときu=0、圧力排気のときu=−1とする。
〔1−3〕車輪・レール間の粘着特性
車輪・レール間の粘着力のモデル、すなわち、スリップ率−粘着特性は、ビームモデル(上記非特許文献12)を用い、下記式(13)と図4に示す。この特性における粘着力の最大値を示す速度特性は、上記非特許文献13で示された在来線車両の平均値を用いた。この特性は、下記式(16)、図5で示される。
Therefore, the brake cylinder pressure p is an integral value of the input u of the pressure control valve 15. However, k p and k g have nonlinearity that varies depending on the high pressure side pressure P H and the low pressure side pressure P L depending on the input u of the pressure control valve 15. The pressure control valve 15 is driven by an on-off signal. Therefore, the input u of the pressure control valve 15 is set to u = 1 when pressure is supplied, u = 0 when pressure is maintained, and u = -1 when pressure is exhausted.
[1-3] Adhesive characteristics between wheels and rails The model of the adhesive force between wheels and rails, that is, the slip ratio-adhesive characteristics, uses the beam model (Non-Patent Document 12), and the following equation (13) and FIG. 4 shows. For the speed characteristic indicating the maximum value of the adhesive strength in this characteristic, the average value of the conventional line vehicle shown in Non-Patent Document 13 was used. This characteristic is shown in the following formula (16) and FIG.

Figure 2005162152
なお、
x =(Cx wl2 )/2 …(14)
であり、lh <0の場合はlh =0とする。
Figure 2005162152
In addition,
K x = (C x wl 2 ) / 2 (14)
And l h = 0 if l h <0.

ここで、lは車輪・レール間の接触長さ、wは車輪・レール間の接触幅、Fz は荷重(輪重)、aは動摩擦係数を決定する係数、vは車両速度、vw は車輪速度、Cx は横弾性係数、μmax は粘着係数、slはスリップ率を示している。 Here, l is the contact length between the wheels and the rail, w is the contact width between the wheels and the rail, F z is the load (wheel weight), a is a coefficient that determines the dynamic friction coefficient, v is the vehicle speed, and v w is Wheel speed, Cx is a lateral elastic modulus, μ max is an adhesion coefficient, and sl is a slip ratio.

スリップ率sl、粘着係数μmax は次式で示される。 The slip ratio sl and the adhesion coefficient μ max are expressed by the following equations.

sl=1−(vw /v) …(15)
μmax =32.74/(v+85) …(16)
〔1−4〕状態方程式
制御系設計およびシミュレーションのため、状態方程式を導出する。
(1)目標車輪軸速度vw ′(目標スリップ率を満たす軸速度)とそれに対する偏差e
目標スリップ率をrefsとすると、次式が得られる。
sl = 1- (v w / v) (15)
μ max = 32.74 / (v + 85) (16)
[1-4] State Equation A state equation is derived for control system design and simulation.
(1) Target wheel shaft speed v w ′ (shaft speed satisfying target slip ratio) and deviation e with respect to it
When the target slip ratio is refs, the following equation is obtained.

w ′=(1−refs)v …(17)
e=(1−refs)v−vw …(18)
(2)目標スリップ率に対する偏差eの積分値
v w ′ = (1−refs) v (17)
e = (1-refs) v -v w ... (18)
(2) Integral value of deviation e with respect to target slip ratio

Figure 2005162152
(3)μの線形近似
非線形なμ(sl)特性を線形化することを考える。μの特性曲線に接する直線を設定することにより、μを線形化する(上記非特許文献10)。
Figure 2005162152
(3) Linear approximation of μ Consider linearizing a nonlinear μ (sl) characteristic. By setting a straight line in contact with the characteristic curve of μ, μ is linearized (Non-Patent Document 10).

μ(sl)=μ0 +Kμsl …(20)
したがって、式(15)により、
μ(sl)=(μ0 +Kμ)−(Kμ/v)vw …(21)
輪軸の運動方程式を線形化したものは、上記式(4)、式(8)、式(21)から、
μ (sl) = μ 0 + K μ sl (20)
Therefore, according to equation (15):
μ (sl) = (μ 0 + K μ ) − (K μ / v) v w (21)
What linearized the equation of motion of the axle is from the above formula (4), formula (8), formula (21),

Figure 2005162152
したがって、線形化した状態方程式は次式となる。この式を用いて、制御系の設計を行う。
Figure 2005162152
Therefore, the linearized equation of state is The control system is designed using this equation.

(線形状態方程式)   (Linear equation of state)

Figure 2005162152
また、線形化を行わない状態方程式は以下となる。この状態方程式を用いて、シミュレーションを行うこととする。
Figure 2005162152
The state equation without linearization is as follows. A simulation is performed using this state equation.

(非線形状態方程式)   (Nonlinear equation of state)

Figure 2005162152
(4)摩擦係数の変動(上記非特許文献14)
ブレーキ摩擦材(鉄道では、踏面ブレーキの場合は、ブレーキシューまたは制輪子、ディスクブレーキの場合は、ライニングという)の摩擦係数は速度特性を持ち、ブレーキ初速度、ブレーキ摩擦材の温度、摩擦面の乾燥・湿潤などの条件で変動する。
Figure 2005162152
(4) Friction coefficient variation (Non-Patent Document 14)
The friction coefficient of the brake friction material (in the case of a tread brake for a railway, a brake shoe or a controller, and a lining for a disc brake) has a speed characteristic, and the brake initial speed, the temperature of the brake friction material, the friction surface It fluctuates depending on conditions such as drying and wetting.

本発明では、速度特性にのみ着目し、以下の式によって、摩擦係数fを変化させることとした。   In the present invention, focusing on only the speed characteristic, the friction coefficient f is changed by the following equation.

f=0.00003(vw ×3.6)2 −0.0064(vw ×3.6)+0.5412 …(25)
〔2〕制御則
制御則には、スライディングモード制御を用いた。スライディングモードの制御則の設計手順を以下に述べる。
f = 0.00003 (v w × 3.6) 2 −0.0064 (v w × 3.6) +0.5412 (25)
[2] Control law Sliding mode control was used as the control law. The design procedure of the sliding mode control law is described below.

図6は摩擦特性を示す速度に対する摩擦係数特性図である。
〔2−1〕切換超平面の設計
以下のシステムを考える。
FIG. 6 is a friction coefficient characteristic diagram with respect to speed indicating the friction characteristic.
[2-1] Switching hyperplane design Consider the following system.

Figure 2005162152
制御入力uを以下とする。
Figure 2005162152
The control input u is as follows.

u=ueq+unl …(28)
ただし、ueqは等価制御入力、unlは切換制御入力を示している。
u = u eq + u nl (28)
However, u eq represents an equivalent control input, and u nl represents a switching control input.

任意のQ>0を与えて、以下のリカッチ方程式の解を使ったSを求めると、最適な切換超平面を設計できる。   Given an arbitrary Q> 0 and obtaining S using the solution of the following Riccati equation, an optimal switching hyperplane can be designed.

PAε+Aε T P−PBBT P+Q=0 …(29)
S=BT P …(30)
ただし、
ε=A+εI ε≧0 …(31)
下記式(32)に示す評価関数Jを最小にするようなフィードバックゲインを求めると、最適な切換超平面が設計できる。
PA ε + A ε T P- PBB T P + Q = 0 ... (29)
S = B T P (30)
However,
A ε = A + εI ε ≧ 0 (31)
When a feedback gain that minimizes the evaluation function J shown in the following equation (32) is obtained, an optimum switching hyperplane can be designed.

Figure 2005162152
よって、上記式(26),式(27)のシステムを最適制御によって安定化すると、最適のフィードバックゲインFは、
F=S=BT P …(33)
となり、最適フィードバックゲインFにより、切換超平面が設計されることになる。
〔2−2〕到達則の設計
到達則には、システムの状態の超平面に到達する時間が短く、優れたロバスト性を持つ制御性であり、制御入力のエネルギーも少なく、チャタリング現象の防止も可能な自由階層制御法を用いた。スライディングモードの存在条件を満たしているかについては、リアプノフ関数により、上記非特許文献8において、σ1 =0の近傍でスライディングモードが生じることが証明されている。この自由階層法のうち、到達則として、本発明では以下に示す加速度到達則を用いた。
Figure 2005162152
Therefore, when the system of the above formulas (26) and (27) is stabilized by optimal control, the optimal feedback gain F is
F = S = B T P (33)
Thus, the switching hyperplane is designed by the optimum feedback gain F.
[2-2] Design of reaching law In the reaching law, the time to reach the hyperplane of the system state is short, the controllability has excellent robustness, the energy of the control input is small, and the chattering phenomenon is prevented. A possible free hierarchy control method was used. Regarding whether or not the existence condition of the sliding mode is satisfied, it is proved by the Lyapunov function that the sliding mode is generated in the vicinity of σ 1 = 0 in the non-patent document 8. Among the free hierarchy methods, the following acceleration reaching law is used as the reaching law in the present invention.

Figure 2005162152
この加速度到達則が切換制御入力unlとなる。したがって、制限則は式(20),(33),(34)から次式となる。
Figure 2005162152
This acceleration reaching law becomes the switching control input u nl. Therefore, the restriction law is expressed by the following equation from the equations (20), (33), and (34).

u=−(SB)-1SAx−k|σ|αsgn(σ)
0<α<1 …(35)
〔2−3〕制御系設計
(1)切換超平面の設計
式(32)の評価関数の重み係数は以下のように設計した。
u = − (SB) −1 SAx−k | σ | α sgn (σ)
0 <α <1 (35)
[2-3] Design of control system (1) Design of switching hyperplane The weighting coefficient of the evaluation function of equation (32) was designed as follows.

Figure 2005162152
また、ε=1とした。
(2)到達則の各パラメータ
状態変数および制御行列から、切換制御入力つまり加速度到達則のパラメータ数は、i=1となるため、下のように設計した。
Figure 2005162152
Also, ε = 1.
(2) Parameters of reaching law Since the number of parameters of the switching control input, that is, the acceleration reaching law is i = 1 from the state variables and the control matrix, it is designed as follows.

k=97,α=0.98
〔3〕計算
シミュレーションは、在来線近郊電車を想定したパラメータとし、運動は車輪の回転と車両の並進の2自由度とした。条件を以下に示す。粘着条件は、ビームモデルを用い、外乱入力がない場合と外乱入力Δμ=−0.03,−0.06の3種類とした。ブレーキ条件は、初速度130km/h、ブレーキシリンダ圧力は380kPaとした。
〔3−1〕制御条件
〔A〕スライディングモード制御
(1)目標スリップ率 :0.09
(2)状態方程式線形化係数 Kμ:−0.0773
μ0 :0.1183
(3)式(36)で設計した重み係数から、切換超平面Sは以下となる。
k = 97, α = 0.98
[3] Calculation In the simulation, the parameters were assumed to be a conventional suburban train, and the motion was two degrees of freedom of wheel rotation and vehicle translation. The conditions are shown below. The sticking conditions are a beam model, and there are three types: no disturbance input and disturbance input Δμ = −0.03, −0.06. The brake conditions were an initial speed of 130 km / h and a brake cylinder pressure of 380 kPa.
[3-1] Control conditions [A] Sliding mode control (1) Target slip ratio: 0.09
(2) State equation linearization coefficient K μ : −0.0773
μ 0 : 0.1183
(3) From the weighting factor designed by the equation (36), the switching hyperplane S is as follows.

S=107 ×〔−0.0042 1.1567 0.0122〕
〔B〕従来の制御
従来の制御則は、以下に示す2つの制御則とした。
(1)制御則A
S = 10 7 × [−0.0042 1.1567 0.0122]
[B] Conventional Control The conventional control law is the following two control laws.
(1) Control law A

Figure 2005162152
(2)制御則B
制御則Aで、サンプリング時間Δtを25msとし、滑走時の制御は以下に示すルールとした。実際の制御は、滑走を検知し、150msの間だけブレーキシリンダ内の圧縮空気を排気し、その後、200msの間排気を停止する。また、前述の動作の後にも滑走が収束していない場合には、この動作を繰り返す。このような圧力制御弁を段階的に動作させ圧縮空気を排気するルールまで考慮すると複雑になるため、ここでは無視した。
Figure 2005162152
(2) Control law B
In the control law A, the sampling time Δt is set to 25 ms, and the control at the time of sliding is based on the following rules. The actual control detects sliding, exhausts the compressed air in the brake cylinder for 150 ms, and then stops exhausting for 200 ms. Further, when the sliding has not converged after the above-described operation, this operation is repeated. Since such a pressure control valve is complicated in consideration of the rules for operating the pressure control valve in stages and exhausting compressed air, it is ignored here.

Figure 2005162152
〔4〕計算結果と本発明の効果
粘着条件の違い、摩擦係数の変動の有無による制御性能を確認するため、粘着条件はビームモデルに外乱入力Δμ=−0.03および−0.06を与えた場合と外乱入力がない場合の3種類の条件で行った。また、摩擦係数は、想定した平均摩擦係数一定の場合と、速度特性をもって変化する摩擦係数の場合の2種類にて行った。
Figure 2005162152
[4] Calculation results and effects of the present invention In order to confirm the control performance according to the difference in the adhesion conditions and the presence or absence of fluctuations in the friction coefficient, the adhesion conditions give disturbance input Δμ = −0.03 and −0.06 to the beam model. The test was performed under three types of conditions, ie, when there was no disturbance input. In addition, the friction coefficient was determined in two types: a case where the assumed average friction coefficient is constant, and a case where the friction coefficient changes with speed characteristics.

上記の条件で行った滑走制御特性の計算結果の例を図7に示す。また、ブレーキ距離のシミュレーション結果を表1に示す。図7に示した計算結果例の場合は、ビームモデルに外乱入力Δμ=−0.06を与え、摩擦係数の変化がない場合である。   An example of the calculation result of the sliding control characteristics performed under the above conditions is shown in FIG. Table 1 shows the simulation results of the brake distance. In the case of the calculation result example shown in FIG. 7, the disturbance input Δμ = −0.06 is given to the beam model, and there is no change in the friction coefficient.

Figure 2005162152
表1からわかるように、
外乱入力Δμが−0.06のときは、従来制御A〔図7(a)参照〕,従来制御B〔図7(b)参照〕ともにブレーキ距離が600mを越えてしまっている。従来制御Aは、高速域でブレーキシリンダ圧力を低下させ、滑走そのものを防いではいるものの、粘着力がピークとなるスリップ率に達しておらず粘着力が有効に活用されていないため、ブレーキ距離の延伸が大きくなったと考えられる。また、従来制御Bの場合は、滑走を防止しているが、適切なスリップ率に追従することができていない様子が伺える。これに対して、本発明におけるスライディングモード制御の場合〔図7(c)〕は、目標スリップ率に追従するような良好な制御動作が行われている。
Figure 2005162152
As can be seen from Table 1,
When the disturbance input Δμ is −0.06, the brake distance exceeds 600 m in both the conventional control A (see FIG. 7A) and the conventional control B (see FIG. 7B). Conventional control A reduces the brake cylinder pressure in the high speed range and prevents sliding itself, but the adhesive force has not reached the slip rate at which the adhesive force reaches its peak and the adhesive force is not effectively utilized. It is thought that stretching has increased. Moreover, in the case of the conventional control B, although sliding is prevented, it can be seen that it is not possible to follow an appropriate slip rate. On the other hand, in the case of the sliding mode control according to the present invention (FIG. 7C), a good control operation is performed so as to follow the target slip ratio.

表1において、粘着条件の違いとブレーキ摩擦材の変化の有無をそれぞれ考慮した計算結果を比較した場合、従来の制御方法A,Bではブレーキ距離が600mを越えてしまっている場合においても本発明のスライディングモード制御の場合は600m以内となっている。ブレーキ距離の最大値で評価すると、スライディングモード制御は、従来の制御Aに比べて約75m、従来の制御Bに比べて約59mブレーキ距離が短くなっており、2両編成列車の場合を考えると、従来制御と比較して1編成分以上、距離が短くなっている。   In Table 1, when comparing the calculation results in consideration of the difference in adhesion conditions and the presence or absence of changes in the brake friction material, the present invention even when the brake distance exceeds 600 m in the conventional control methods A and B. In the case of the sliding mode control, it is within 600 m. Evaluating the maximum brake distance, the sliding mode control is about 75m shorter than the conventional control A and about 59m shorter than the conventional control B. Considering the case of a two-car train Compared with the conventional control, the distance is shorter by one or more components.

次に、各条件において計算した結果から、スライディングモード制御が持つロバスト性がブレーキ性能に与える影響を述べる。   Next, the effect of the robustness of sliding mode control on the brake performance will be described from the results calculated under each condition.

図8に従来制御A(図中のa)、従来制御B(図中のb)、本発明のスライディングモード制御(図中のc)の各条件におけるブレーキ距離の正規分布を示す。表1から分かるように、ブレーキ距離の平均値は本発明のスライディングモード制御の方が短く、標準偏差の値も、従来制御Bに比べて大幅に小さくなっている。これにより、本発明のスライディングモード制御は、機械ブレーキシステムが宿命的に有する粘着力の非線形性や、外乱入力、摩擦係数の変動などのパラメータ変動に対してロバストであり、従来の制御に比べ、安定して高いブレーキ性能を持つと言える。   FIG. 8 shows a normal distribution of the brake distance under each condition of the conventional control A (a in the figure), the conventional control B (b in the figure), and the sliding mode control of the present invention (c in the figure). As can be seen from Table 1, the average value of the brake distance is shorter in the sliding mode control of the present invention, and the value of the standard deviation is significantly smaller than that of the conventional control B. Thereby, the sliding mode control of the present invention is robust against parameter variations such as non-linearity of adhesive force that the mechanical brake system has desperately, disturbance input, friction coefficient variation, etc. Compared to conventional control, It can be said that it has stable and high braking performance.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。   In addition, this invention is not limited to the said Example, Based on the meaning of this invention, a various deformation | transformation is possible and these are not excluded from the scope of the present invention.

本発明の鉄道車両の滑走制御方法は、安定して高いブレーキ性能が要求される短編成鉄道車両や、高速新幹線に好適である。   The rail vehicle sliding control method of the present invention is suitable for short train cars and high-speed bullet trains that require stable and high braking performance.

計算で用いるブレーキ時の車輪と車両の運動モデルを示す図である。It is a figure which shows the wheel and the vehicle motion model at the time of a brake used for calculation. 鉄道の空気ブレーキシステム構成図である。It is an air brake system block diagram of a railway. 鉄道の空気ブレーキシステムの圧力制御弁の構成図である。It is a block diagram of the pressure control valve of the air brake system of a railway. 車速をパラメータとしたスリップ率に対する粘着率と粘着係数特性図である。It is an adhesion rate with respect to the slip rate which made the vehicle speed a parameter, and an adhesion coefficient characteristic view. 速度に対する粘着係数特性図である。It is an adhesion coefficient characteristic figure with respect to speed. 速度に対する摩擦係数特性図である。It is a friction coefficient characteristic view with respect to speed. 滑走制御特性図である。It is a sliding control characteristic figure. ブレーキ距離特性図である。It is a brake distance characteristic figure. 鉄道と自動車の粘着特性図である。It is an adhesion characteristic figure of a railroad and a car.

符号の説明Explanation of symbols

1 レール
2,18 車輪
3 輪軸
4 ブレーキ装置
10 ブレーキ制御装置
11 ブレーキ電気操作装置
12 電力変換弁(電気−空気圧変換弁:比例弁)
13 中継弁(リレー弁)
14 ブレーキシリンダ管
15 圧力制御弁
16 ブレーキシリンダ
17 ブレーキ摩擦材
21 入力(IN)ポート
22 排気(EX)ポート
23 出力(OUT)ポート
24 供給停止弁
25 排気バルブ
1 rail 2,18 wheel 3 wheel shaft 4 brake device 10 brake control device 11 brake electric operation device 12 power conversion valve (electric-pneumatic conversion valve: proportional valve)
13 Relay valve
14 Brake cylinder pipe 15 Pressure control valve 16 Brake cylinder 17 Brake friction material 21 Input (IN) port 22 Exhaust (EX) port 23 Output (OUT) port 24 Supply stop valve 25 Exhaust valve

Claims (2)

レール軌道上を走行する車輪を備えた鉄道車両に対して、高いロバスト性を有するスライディングモード制御方式を用いた滑走制御系を構成し、安定した高いブレーキ性能を持たせることを特徴とする鉄道車両の滑走制御方法。   A railway vehicle comprising a sliding control system using a sliding mode control system having high robustness with respect to a railway vehicle having wheels running on a rail track, and having a stable and high braking performance. Sliding control method. 請求項1記載の鉄道車両の滑走制御方法において、前記滑走制御系は、制御則を定式化し、目標スリップ率に的確に追従する制御動作を行わせることを特徴とする鉄道車両の滑走制御方法。   2. The railroad vehicle sliding control method according to claim 1, wherein the sliding control system formulates a control law and performs a control operation that accurately follows a target slip ratio.
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