JP2008539112A - スリップ調節器を用いたレール車両のための適応滑走保護 - Google Patents

Abstract

本発明は、レール車両（ＦＺＧ）の空気ブレーキのブレーキシリンダ圧力（ｐ_C,ist，ｐ_C1，ｐ_C2，ｐ_C3，ｐ_C4）を適合させるための方法に関する。本発明によれば、ブレーキ動作中に、レール車両（ＦＺＧ）の少なくとも１つの車輪（２）とレール（３）との間の現在の実際スリップ（ｓ_ist）が求められ、更に少なくとも１つの車輪（２）とレール（３）との間の目標スリップ（ｓ_soll）が予め与えられ、そして予め与えられた目標スリップ（ｓ_soll）からの実際スリップ（ｓ_ist）の偏差に応じて、目標スリップと実際スリップとの間の偏差が零に向かうか、または最小化されるように、ブレーキシリンダ圧力（ｐ_C,ist，ｐ_C1，ｐ_C2，ｐ_C3，ｐ_C4）が変化させられる。この場合に、目標スリップは選択的にミクロスリップ範囲またはマクロスリップ範囲にある。安定なブレーキ動作時にブレーキ状態係数が求められ、しかも軸速度およびブレーキシリンダ圧力の測定から求められる。

Description

本発明は、レール車両の空気ブレーキのブレーキシリンダ圧力の適合化のための方法に関する。

更に、本発明は、予め与えられた目標スリップに現在のスリップを合わせるためのレール車両用のスリップ調節器に関する。

更に、本発明は、このようなスリップ調節器を含む制御システムに関する。

レール車両における滑走保護の必要性は、レール車両にブレーキをかけた際における突然の願わしくない車軸停止の危険から結果として生じる。ブレーキ動作を開始させるために、空気ブレーキの場合には各車軸にブレーキ制御圧力が作用させられる。このようにして導入された制動トルクＴ_Bが車輪の負の角速度を生じさせる。それによって車輪反抗面において車輪とレールとの間の相対速度Δｖが生じ、そしてそれにともなって相対速度Δｖに依存した摩擦力が生じ、この摩擦力が車両を減速する。ブレーキ動作における力およびトルクの関係が図３に示されている。ここでは、走行速度ｖで基準化された相対速度、いわゆるスリップｓ＝Δｖ／ｖとの関係が示されている。

摩擦力は、図４に示されているように、スリップに非線形に依存する粘着応力ｆ_xと車輪反抗力との積である。粘着応力ｆ_xは、スリップｓの増大にともなって急に上昇し、そして最大値到達後に緩やかに下降する。粘着応力の最大値μは、乾いたレールにおいて最大になり、悪天候条件が支配的である場合には明白に低下する。ブレーキ動作がｆ_x−スリップ曲線の上昇カーブ上で行なわれる場合には、ブレーキ動作は安定である。高すぎるスリップ値により最大点を越えると制御系が不安定となり、車輪が非常に急に減速して停止する。この場合に、延長された制動距離および車輪におけるフラットスポットが生じる。

図２における最大値の左側の範囲が「ミクロスリップ」とも呼ばれ、最大値の右側の部分が「マクロスリップ」とも呼ばれる。

現代の滑走保護システムは、種々の天候条件において、一方では軸停止を防止し、他方では車輪とレールとの間の接触の粘着の高利用（およびそれにともなうできるだけ短い制動距離）を達成しようとするものである。

従来技術による市販の滑走保護システムは、測定量の適切な評価に基づいて現在の状態を判断し、適切な対応を判定テーブルから取り出し、滑走保護弁へのパルス列に変換する知識ベースの調節器を使用する。各レール車両シリーズのために、専門知識および経験を有する滑走保護専門家によってのみ実施可能な多数のパラメータの個別調整が必要である。必要なテスト走行は非常に時間がかかり高価である。

本発明の課題は、従来技術から公知の滑走保護よりも非常に簡単に構成しかつ調整することができ、したがって調整時のコストおよび時間が低減可能であるレール車両のための空気ブレーキにおける滑走保護を提供することにある。この場合に、達成される制動距離は、「通常の」システムにより達成される制動距離と少なくとも同じであるべきである。少なくとも、規則によって予め与えられた制動距離に関する値を守るべきである。

この課題は、冒頭に述べた方法に関して、本発明によれば、ブレーキ動作中にレール車両の少なくとも１つの車輪とレールとの間の現在の実際スリップが求められ、更にその少なくとも１つの車輪とレールとの間の目標スリップが予め与えられ、予め与えられた目標スリップからの実際スリップの偏差に応じて、目標スリップと実際スリップとの間の偏差が零に向かうか、または最小化されるように、ブレーキシリンダ圧力が変化させられることによって解決される。

このやり方で、従来技術から公知の方法よりも著しく簡単にブレーキ動作のためのブレーキシリンダ圧力を変化させることができ、制御システムにおいては更なる調整を全く必要としないか、または僅かな付加的な調整しか必要としない。

原理的に本発明による方法は、目標スリップに対して固定設定された値が予め与えられる場合に良好に機能する。しかしながら、目標スリップのための値が可変にて予め与え得るならば、方法は更に著しく改善可能であり、目標スリップが常に現在の実状に適合化可能である。目標スリップが最適スリップ探索の枠内において求められるならば、方法は最適に機能する。

目標スリップはミクロスリップ範囲内で選定することができるが、しかし後で更に詳しく立ち入って論ずるようにマクロスリップ範囲内で選定してもよい。

実際スリップがブレーキ動作の全体の期間中に持続的に測定されることが好ましい。しかし一般にスリップ制御のためには全体のブレーキ動作期間中における実際スリップの持続的な測定が必要である。

更に後で同様になおも立ち入って論じるように、本発明の具体的な実施例においては、付加的に実際ブレーキシリンダ圧力が測定され、更に予め与えられた目標スリップからの実際スリップの偏差に基づいて目標ブレーキシリンダ圧力が求められ、目標スリップと実際スリップとの間の偏差が零に向かうか、または最小化されるように、実際ブレーキシリンダ圧力が変化させられることが好ましい。

異なる車両形式および車両種類にブレーキシリンダ圧力の本発明による制御の適応を可能にするために、更に本発明は、少なくとも１つの車両固有のパラメータに依存してスリップ調節器の伝達係数Ｋ_Rを適合化するための方法に関する。このために、ほぼ平坦で直線のレール上での安定なブレーキ動作時に連続的に車輪半径Ｒを有する車輪セットの軸速度ωおよびブレーキシリンダ圧力ｐ_Cが測定され、それから、ブレーキ状態係数ξと称する車両固有のパラメータが、

なる関係にしたがって求められる。

滑走保護調節器の伝達係数Ｋ_Rを適合化するための本発明の枠内において次に述べる他の方法により、制御伝達係数の適合化を非常に簡単に実施することができる。ブレーキ状態係数を決定するためには、安定なテストブレーキ動作で十分である。これは、多数の試験走行による大きなテーブルの多数のさまざまの書き込みが新たに決定されなければならない知識ベースの調節器の適合化に対する著しい利点を意味する。

最適な適合化を達成するために、安定なブレーキ動作中に測定された測定値のみが使用される。

更に、ｑ個の軸における軸速度およびｌ個の軸におけるブレーキシリンダ圧力の測定時に、ブレーキ状態係数（ξ）を求めるための次の関係が、すなわち、

なる関係が利用され得ることが好ましい。

このやり方で、実現可能な識別方程式においてレール車両の全軸にわたる平均値が使用されることによって車輪回転から走行速度への換算誤差が最小化される。

具体的な実施形態においては、ｍ個の異なる時点で測定値が取得され、それらの時点に属するブレーキ状態係数ξ（ｋ）が求められ、ブレーキ状態係数ξ（ｋ）の平均値の形成、すなわち、

の形成が行なわれる。

ブレーキ状態係数を用いて基準車両から他の車両に対するスリップ調節器（ＳＲＥ）の伝達係数（Ｋ_R,i）の適合化は、
Ｋ_R,i＝Ｋ_R,i’ξ’／ξ
なる関係にしたがって行なわれる。ただし、Ｋ_R,i’は基準車両の既知の制御伝達係数であり、ξ’は基準車両のブレーキ状態係数である。

ブレーキ状態係数の適合化の改善は、全体車両質量について現在の測定値の存在のもとに次の関係が使用される場合に達成される。
Ｋ_R,i＝Ｋ_R,i’（ξ’／ξ）・（Ｍ／Ｍ₀）
ただし、Ｍは現在のレール車両質量であり、Ｍ₀はブレーキ状態係数ξの検出中においてレール車両が有する質量である。

以下において図面に基づいて本発明を説明する。図面において、図１は本発明による制御システムの概略図を示し、図２はブレーキ動作中におけるレール車両の速度および他の関連量の概略経過を示し、図３はｎ分の１の車両モデルにおける力およびトルクの関係の概略図を示し、図４は調整効果により生じさせられるブレーキ開始時およびブレーキ中における典型的な粘着応力−スリップ曲線の非線形経過を概略的に示し、図５ａおよび５ｂは制御系構造の説明のためのブロック図を示し、図６ａおよび６ｂはブレーキ状態係数による調節器伝達係数の適合化の説明のためのブロック図を示し、図７は実際のレール車両の車輪速度およびブレーキシリンダ圧力の測定値およびそれから算定されたブレーキ状態係数を示し、図８は滑走保護調節器の伝達係数の適合化のための方法の実現化の実施例を示す。

更なる説明のために次の符号を使用する。
Ａ_K ブレーキシリンダピストン面
ｆ_x 粘着応力
ｇ 重力加速度
Ｉω 車輪セットの慣性モーメント
ｋ 測定時点の順序番号
Ｋ_R 調節器伝達係数
ｌ ブレーキシリンダ圧力測定を有する車輪セットの個数
ｍ 測定時点の個数
Ｍ レール車両の全体質量
Ｍ₀ ブレーキ動作時点でのレール車両の全体質量
ｎ 車輪セットの個数
ｎ_z 軸当たりのブレーキシリンダの個数
ｐ_c ブレーキシリンダ圧力
ｑ 軸速度測定を有する車輪セットの個数
ｒ_m 平均摩擦半径
Ｒ 車輪半径
ｓ スリップ
Ｔ_B 制動トルク
ｕ システム「車輪−レール動特性」の入力量
ｕ_G 総合連動変換比
ｖ 走行速度
ｖ_G 滑走速度
ｙ 調節器の操作量
η_G 連動効率
λ 回転係数
μ 最大粘着応力
μ_B 平均ブレーキライニング摩擦係数
ξ ブレーキ状態係数
π 調節器操作量とブレーキシリンダ圧力との間の関係
ρ 調節器伝達係数なしの制御アルゴリズム
ω 軸速度

ｉの如きインデックスは車輪セットが何番目かを表示もしくは象徴している。ｓｏｌｌは目標量を象徴している。'（ダッシュ）は基準調節器を表す。

図１は空気ブレーキＰＮＥのブレーキシリンダ圧力ｐ_C,istの本発明によるフィードバック制御のための本発明による制御システムＳＹＳを概略的に示す（ブレーキシリンダ圧力ｐ_C,1，ｐ_C,2，ｐ_C,3，ｐ_C,4を有する図８も参照）。

ブレーキ動作中に、レール車両ＦＺＧにおいて、レール車両の少なくとも１つの車輪２とレール３との間の現在の実際スリップｓ_istが求められ（図３参照）、時間的に連続性の信号として存在する。更に、車輪２とレール３との間の目標スリップｓ_sollが予め与えられる。

予め与えられた目標スリップｓ_sollからの実際スリップｓ_istの偏差に応じてブレーキシリンダ圧力ｐ_C,istは変化させられ、それにともなって、目標スリップと実際スリップとの偏差が零に向かわされるか、もしくは実際のシステムの障害を考慮のもとに最小化されるように制動トルクが変化させられる。

本発明による制御システムＳＹＳの核心は、連続的なカスケード調節器である。ＰＩＤＴ方法（線形調節器）に基づいて動作し、予め与えられた目標スリップｓ_sollと現在の実際スリップｓ_istに応じてブレーキシリンダ目標圧力ｐ_sollが求められる。制御システムＳＹＳの下位におかれた圧力調節器ＰＲＥにおいて、このブレーキシリンダ目標圧力ｐ_sollと測定されたシリンダ圧力ｐ_C,istとの差からブレーキ制御圧力信号ｐ_stが求められ、このブレーキ制御圧力信号ｐ_stは、例えば必要なシリンダ圧力変化に対応する。必要な場合には後段に接続された動作シーケンス発生器モジュールＰＷＭが、連続的な圧力制御信号ｐ_stを滑走保護弁制御のためのパルス周波数変調された不連続信号に変換する。パルス化された信号は、空気圧弁によって「開」または「閉」として解釈される値「０」または「１」のみを取る。

目標スリップｓ_sollは固定して予め与えられてもよい。しかし、ブレーキ動作中に目標スリップｓ_sollに対して種々の値が設定されることが好ましい。目標スリップｓ_sollが本来のスリップ調節器の上位に置かれていて同様に車輪セットｉの回転速度ω_iを入力として有する相応の最適スリップ探索器ＯＰＳによって求められるならば、特に有利である（図１参照）。最適なスリップを求めるための方法は、例えば、「Ｕ．Ｋｉｅｎｃｋｅ，Ｒｅａｌｔｉｍｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｄｈｅｎｓｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｔｙｒｅｓ ａｎｄ Ｒｏａｄ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＦＡＣ Ｗｏｒｌｄ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１，ｐｐ．１５−１８，Ｓｙｄｎｅｙ，Ｊｕｌｙ １９９３」から公知である。

したがって、本発明による制御システムＳＹＳは、主として、中央の線形のスリップ調節器ＳＲＥ、選択的に投入可能な圧力調節器ＰＲＥならびに上位に置かれた目標値設定およびオプションとして上位に置かれる最適スリップ探索器ＯＰＳ（最適スリップは最善の粘着利用が行なわれるスリップである。）および後段に接続された開閉順序発生器からなる。この制御システムＳＹＳの入力量は、スリップｓ_istを求めるための現在の軸回転数ωおよび車両速度ｖである。出力量はブレーキ制御圧力信号ｐ_stである。一般に、ブレーキ制御圧力信号ｐ_stは、パルス化されたパターンとして発生させられ、既存の空気圧弁によって制約される。

図８からも分かるように、一般に、レール車両の各軸の１つまたは複数のブレーキに対して、このような制御システムが設けられている。しかし、原理的には、制御システムが多数の軸もしくは多数の軸のための１つまたは複数のブレーキに対して設けられていることも考えられ得る。

下位に置かれた圧力制御ループによってブレーキシリンダ圧力を、より正確に目標圧力に保持することができる。このことは車輪ブレーキ無効の回数を最小化し、それにより僅かな空気使用および短いブレーキ距離をもたらすが、しかしシリンダ圧力センサを有する空気圧弁が必要である。

図２は本発明によるスリップ調節器ＳＲＥもしくは制御システムＳＹＳの使用のもとでのレール車両のブレーキ動作を模範的に示す。よく分かるように、初めは車輪の周速ωＲが車両の速度ｖよりも激しく減少する。車輪が速度０まで制動されること（願わしくない滑走）を防止するために、車輪の周速が再び上昇し得るようにブレーキ圧力が相応に減らされる。しかる後にはブレーキ圧力が再び高められ得るというように経過する。

よく分かるように、特に低速度においては、つまり車両停止に近くでは、車輪の滑走を防止するためにブレーキ圧力の非常に正確な制御が行なわれることが重要である。それにしたがってこの範囲では車輪の周速が車両速度に近くに保たれる。

図４は粘着応力−スリップ曲線の非線形経過を示す。摩擦力は、図４に示されているようなスリップに非線形に依存する粘着応力ｆ_xと車輪反抗力との積である。スリップｓの増大にともなって粘着応力ｆ_xは急上昇し、最大点到達後に緩やかに下降する。粘着応力の最大値μは乾いたレールの場合に最大となり、悪天候条件が支配的である場合には明らかに減少する。ブレーキ動作は、ｆ_x−スリップ曲線の上昇カーブ上で行なわれる場合には安定である。高すぎるスリップ値によって最大点が越えられると、制御系は不安定になり、車輪は非常に急に減速して停止する。

ブレーキ動作が最大点から左側で行なわれる場合（ミクロスリップ、ｓ＜ｓ_max）、車輪は安定のままである。最大点から右側でのブレーキ動作の場合（マクロスリップ、ｓ＞ｓ_max）、車輪は原則的に不安定であり、すなわち車輪は非常に急に減速して停止し、これに対して同時に車両の慣性質量は零よりも大きい速度で更に移動する。その結果がフラットスポットの形成である。

ブレーキ動作中に、相対速度Δｖおよびそれによってひき起こされる摩擦力もしくは熱が材料特性の変化を発生する。更に、前を走る車輪が後を走る車輪に対してレールをきれいにする。この特性はコンディショニング効果と呼ばれ、図４に示されているように、粘着曲線のレベルがブレーキ動作中に持ち上がることを生じさせる（コンディショニング効果の発生前の時点ｔ₁では実線、コンディショニング効果の発生後の時点ｔ₁では鎖線）。

本発明による制御システムＳＹＳは、ブレーキ動作が不安定になって車輪が停止状態になることなしに、マクロスリップ範囲およびミクロスリップ範囲において安定に動作する。

ミクロスリップ範囲における動作は、高い快適性（僅かな弁作動）につながるブレーキ動作をともなう非常に磨耗に対して大事にするという幾つかの利点を提供する。この範囲において急上昇する曲線によって、一般に入力量の極めて正確な測定が必要である。

入力量のこのように正確な測定は、マクロスリップにおける制御にとって、特に特性曲線の平らな部分において、どうしても必要というわけではない。更に、高いスリップ値によって上述のコンディショニング効果が活性化し、このコンディショニング効果はブレーキ中に粘着応力ｆ_xの値を効果的に高める。それゆえ、著しく高いブレーキ力が伝達可能であり、制動距離が短縮される。

従来の滑走保護システムに比べて、本発明によるマクロスリップ範囲での制御を用いた走行試験において、空気ブレーキのより少ない空気使用を確認し、明らかに改善されたブレーキ出力が達成することができた。

以下において、本発明の基礎をなす基本原理について更に詳しく説明し、そして本発明の有利な特徴を更に詳しく点検する。

既に述べたように、従来技術から公知であるような特性調節器の代わりに、スリップｓまたは相対速度Δｖ（車両と車輪との絶対速度差）に関する通常の調節器ＳＲＥが使用されることが効果的である。

種々の車両形式における調整コストを小さく保つという課題は、２つの戦略によって達成される。一方では、健全な調節器構想によって、制御装置および信号フィルタ処理の時定数は、機関車から地下鉄までの車両形式における広範囲に及ぶ搭載台のための滑走が安定に動作するように決定される。車両質量、空気圧技術および調節器の伝達係数Ｋ_R’のような幾つかの僅かなパラメータは適応性があり、すなわち制御アルゴリズムの車両固有のパラメータである。これらのパラメータは、運転開始中または測定量から得られたテストブレーキ操作中に決定される。

テストブレーキ操作は平坦な直線のレール部分におけるレール車両により行なわれ、しかもブレーキ動作中にどの軸も支配的な天候状況に基づいて不安定になってはならない。ブレーキ動作の継続中に軸減速度（軸速度ω_iの時間による微分値）ならびにブレーキシリンダ圧力（Ｃ−圧力）ｐ_C,iが連続的に測定される。測定値から、既知の車輪半径Ｒにおけるブレーキシリンダ圧力と車両減速度との間の静的な伝達係数ξが求められる。以下においてブレーキ状態係数と呼ぶ伝達係数ξは、ブレーキシステムおよび車両の全部の関連パラメータから合成される。ブレーキ状態係数ξ’を有するレール車両に関して伝達係数Ｋ_R’を有する通常の調節器が存在する場合に、ブレーキ状態係数ξを有する他の車両に関して同一の調節器の伝達係数は、
Ｋ_R＝Ｋ_R’・ ξ’／ξ （１）
なる関係によって適合させられる。

滑走保護調節器の伝達係数の適合化のためのこの発明の枠内において次のとおり説明されている他の方法により、調節器伝達係数の適合化を非常に簡単に行なうことができる。なぜならば、安定なブレーキ動作がブレーキ状態係数を決定するために十分であるからである。これは、多数の試験走行によって大きなテーブルの多数のさまざまの書き込みが新たに決定されなければならない知識ベースの調節器の適合化に対する著しい利点を意味する。

図３はｎ分の１の車両モデルにおける力およびトルクの関係を示す。レール車両の車体１のｎ分の１の部分は、レール３上を移動する軸ｉのブレーキをかけられる車輪２に接続されている。図示のモデルにパルスおよび回転運動の定理を適用した場合に、式（２）および（３）が得られる。

ｎ個の軸を有する車両のｎ分の１の車両モデルについて運動方程式を立てることによって、次の式がもたらされる。

車両速度ｖおよびｉ番目の軸の軸速度ω_iは非線形のスリップ関係を介して互いに結合されている。
ｓ＝（ｖ／Ｒ−ω_i）／（ｖ／Ｒ） （４）
式（４）の時間による微分によって、

がもたらされる。式（２）および式（３）を式（５）に代入することによって、

がもたらされる。

したがって、スリップの動特性についての非線形の微分方程式が見つけ出される。レール車両技術において通常の回転係数λを用い、ｎ分の１の車両モデルにおける回転係数、
λ＝１＋（Ｉωｎ／ＭＲ²） （７）
について、式（６）から、

が成り立つ。

式（８）において新たに導入された量ｕ_iは式（２）および（８）によって記述されたシステムの入力量であり、このシステムは車輪−レール動特性を表す。式（８）と式（６）との比較から、
ｕ_i＝（ｎ／λＭＲ）Ｔ_B,i （９）
が得られる。

空気ブレーキシステムの場合に、ｉ番目の軸の制動トルクは動作点に関して典型的に、
Ｔ_B,i＝ｒ_mμ_Bη_Gｕ_Gｎ_ZＡ_Kｐ_C,i （１０）
をもたらす。

式（１０）を式（９）に代入することによって、ｕ_iとブレーキシリンダ圧力との間の関係がもたらされる。
ｕ_i＝（ｎ／λＭＲ）ｒ_mμ_Bη_Gｕ_Gｎ_ZＡ_Kｐ_C,i （１１）

式（１１）において発生する車両固有のパラメータは、いわゆるブレーキ状態係数ξにまとめられる。
ξ＝（ｎ／λＭＲ）ｒ_mμ_Bη_Gｕ_Gｎ_ZＡ_K （１２）

更に以下において、ブレーキ動作中にブレーキ状態係数ξが車輪速度の測定値およびブレーキシリンダ圧力から求められる。

このシステムはスリップ調節器により制御されるべきである。調節器の操作量ｙ_iがレール車両のブレーキシステムに作用を及ぼすので、ブレーキシリンダ圧力ｐ_C,iは調節器操作量ｙ_iの関数π_i（ｙ_i）である。
ｐ_C,i＝１・π_i（ｙ_i） （１３）

滑走保護装置を有するブレーキシステムが操作量ｙ_iとブレーキシリンダ圧力ｐ_C,iとの間において１の伝達係数を有することが仮定される。

選択されたブレーキ状態係数ξ’について、すなわち定められたレール車両形式または一般的なξ’＝１（ｍ／ｓ²Ｐａ’）について、例えば車輪−レール接触における変化する粘着割合およびブレーキシリンダにおける圧力発生の時間的特性における変化に対する制御の健全性を達成するために、基準調節器は、特に健全な調節器設計法により設計されるべきである。そのようにして得られた制御アルゴリズムは、動作点に関して、ξ’について、
ｙ_i＝Ｋ_R,i'・ρ_i（ｓ_soll,i−ｓ_i） （１４）
なる形を有する。これにおいて、Ｋ_R,i'はｉ番目の軸の調節器の伝達係数であり、ρ_iは制御目的に対して適切に選択された関数であり、この関数は制御偏差ｓ_soll,i−ｓ_iに依存する。

しかし、ξ’とは異なるξを有するがしかし車両動特性の同じまたはより高い固有周波数を有する他のレール車両シリーズへの制御伝達係数の適合化は、式（１）にしたがって、制御伝達係数Ｋ_R,i'とブレーキ状態係数の商ξ'／ξとの乗算によって行なわれる。したがって、適合化された制御アルゴリズムは、
ｙ_i＝Ｋ_R,i・ρ_i（ｓ_soll,i−ｓ_i）
ただし、Ｋ_R,i＝Ｋ_R,i’・ ξ’／ξ （１５）
という内容である。

スリップ制御の代わりに滑走速度制御を考察する場合には、調節器伝達係数の適合化に関して同じ関係が当てはまる。滑走速度は、
ｖ_G,i＝ｖ−Ｒω_i （１６）
として定義される。

この関係が式（４）の代わりに使用されるならば、滑走速度の動特性について、

がもたらされ、基準として使用すべき制御アルゴリズムは、動作点に関して、ξ’について、
ｙ_i＝Ｋ_R,i'・ρ_i（ｖ_G,soll,i−ｖ_G,i） （１８）
なる形を有する。

車両シリーズに適合化された制御アルゴリズムは、
ｙ_i＝Ｋ_R,i・ρ_i（ｖ_G,soll,i−ｖ_G,i）
ただし、Ｋ_R,i＝Ｋ_R,i’・ ξ’／ξ （１９）
に応じた内容である。

以下において、ブレーキ状態係数ξをブレーキ動作によってどのようにして求めることができるかを説明する。ブレーキ動作ができるだけ平坦で直線のレール上において行なわれ、かつブレーキ動作中にｎ個の軸のどれも不安定にならないことが保証されなければならない。この要求が満たされているならば、更に、ｎ個の軸の全てにおいてほぼ同じ粘着力ｆ_xが存在すること、そしてほぼ同じ制動トルクＴ_B,iが加えられていること（ｎ個の軸の全てに同じまたは非常に似た空気ブレーキを装備していること）が仮定される。ｎ分の１の車両モデルの運動方程式（２）および（３）は、

に簡略化される。

式（２０）はｆ_xにしたがって書き直すことができ、緩やかな減速もしくは僅かなスリップにおけるｖ≒Ｒω_iなる近似により、

が得られる。

式（２２）を式（２１）に代入することによって、

が生じる。

式（７）からの回転係数λの使用のもとに、式（２３）から、

となる。

ブレーキ状態係数ξにしたがって式（２５）を解くと、

がもたらされる。

これにより、ブレーキ状態係数ξの決定のための計算規則が見つけ出されている。ｑ個の軸における軸速度が測定され、ｌ個の軸におけるブレーキシリンダ圧力が検出される場合に、測定値は軸にわたって平均化することが好ましい。したがって、ブレーキ状態係数ξの決定のための拡張された計算規則が得られる。

ブレーキ動作中の固定相における異なった時点ｋ（ｋ＝１，…，ｍ）で、式（２７）によるブレーキ状態係数が算定される場合には、最終的にこれらの値ξ（ｋ）を平均化するのが得策である。

式（１２）にしたがって、ブレーキ状態係数ξが多数の車両固有のパラメータから合成される。これらのパラメータはレール車両の運転期間にわたって変化する。例えば、ブレーキライニングは消耗する等である。したがって、同一の車両について時々、式（１）に対応する制御伝達係数の適合化を行なうことが得策である。

幾つかのレール車両形式においては、車両の質量が運転中に求められる。ブレーキ状態係数ξは、式（１２）によれば、レール車両の質量に依存することから、質量を加えることによって適合化規則（１）を改善するために瞬時的質量の情報が使用されるとよい。
Ｋ_R,i＝Ｋ_R,i’・（ξ’／ξ）・（Ｍ／Ｍ₀） （２９）
ただし、Ｍは車両の瞬時的質量、Ｍ₀はレール車両がξの決定のためのブレーキ動作の時点で有する質量である。

図５ａは、「車輪セットｉ」なる制御対象のブロック図を示す。制動トルクＴ_B,i（入力量）とスリップｓ_i（出力量）との間の伝達関数として示されている制御対象は、車輪−レール動特性４と比例要素５との伝達要素直列回路として理解することができる。車輪−レール動特性４なる伝達要素は、入力量ｕ_iとスリップｓ_iとの間の伝達特性を描出し、ｎ分の１の車両モデルでは２つの微分方程式（２）および（８）によって記述される。比例要素５は式（９）に相当する。

図５ｂは、「ブレーキシステムを有する車輪セットｉ」なる制御対象のブロック図を示す。制御対象の入力量はブレーキシリンダ圧力ｐ_C,iである。したがって、車輪−レール動特性４なる伝達要素の前段に接続された比例要素６は、式（１１）および（１２）による伝達係数ξを有する。

図６ａは、目標量ｓ_soll,iに対するスリップｓ_iのフィードバック制御のための閉ループ制御回路に挿入された基準レール車両７の「ブレーキシステムを有する車輪セットｉ」なる制御対象のブロック図を示す。ブレーキ状態係数ξ’（符号８）をともなう基準レール車両の車輪−レール動特性７のために伝達係数Ｋ_R,i’を有する基準調節器１０が設計された。操作量ｙ_iとブレーキシリンダ圧力ｐ_C,iとの間の関係は、伝達ブロック９（基準車両の滑走保護弁を有するブレーキシリンダ）によって示される。

図６ｂは、ブレーキ状態係数ξ（符号６）をともなう、調節器が適合化されるべきである「ブレーキシステムを有する車輪セットｉ」なる制御対象を有する制御回路を示す。適合化される調節器１２は式（１５）による伝達係数を有する。滑走保護弁を有するブレーキシリンダは符号１１を付され、４は車両の車輪−レール動特性を表す。

図７は、４つの車輪周速Ｒω₁，Ｒω₂，Ｒω₃ およびＲω₄の測定値ならびに台車当たりの両ブレーキシリンダ圧力ｐ_C,1&2およびｐ_C,3&4を有するダイアグラムを示す。値は実際のレール車両において測定された。下側のプロットは、式（２７）もしくは（２８）による静的なブレーキ動作の時間範囲における測定値から算定されたブレーキ状態係数ξの値を示す。平均値について、

が生じる。

図８は、実施例に基づいて、本発明による方法を４軸レール車両にどのように適用することができるかを示す。ブレーキシリンダ１５は、ブレーキライニング１６を有するブレーキ棒を介してブレーキディスク１４に作用する制動力を発生する。それによって車輪セット１３に作用する制動トルクが生じる。ブレーキシリンダ圧力は、ブレーキ出力１７および滑走保護弁１８を介してブレーキシリンダ１５に加わるブレーキ制御圧力からもたらされる。圧力センサ１９は、滑走保護調節器２１（図１からの制御システムＳＹＳに相当する。）にブレーキシリンダ圧力の測定値を自由に使わせる。更に、滑走保護調節器２１はパルス発生器２０を通して軸速度の測定値を受け取る。滑走保護調節器２１は滑走保護弁を操作する。滑走保護調節器２１は、伝達係数２２を有する通常の調節器である。ブレーキ状態係数２３の算定のためのユニットにより式（２８）にしたがって値ξが求められ、与えられたレール車両形式に対する制御伝達係数の更新のために使用される。ブレーキ状態係数算定ユニット２３は、安定なブレーキ動作の固定相の期間中に取得された４つの軸全ての軸速度の測定値およびブレーキシリンダ圧力を必要とする。

本発明による制御システムを示す概略図 ブレーキ動作中におけるレール車両の速度および他の関連量の概略経過を示すダイアグラム ｎ分の１の車両モデルにおける力およびトルクの関係を示す概略図 調整効果により生じさせられるブレーキ開始時およびブレーキ中における典型的な概略的粘着応力−スリップ曲線の非線形経過を示すダイアグラム 制御系構造の説明のためのブロック図 制御系構造の説明のためのブロック図 ブレーキ状態係数による調節器伝達係数の適合化の説明のためのブロック図 ブレーキ状態係数による調節器伝達係数の適合化の説明のためのブロック図 実際のレール車両の車輪速度およびブレーキシリンダ圧力の測定値およびそれから算定されたブレーキ状態係数を示すダイアグラム 滑走保護調節器の伝達係数の適合化のための方法の実現化の実施例を示すブロック図

符号の説明

１ レール車両の車体
２ 車輪
３ レール
４ 車輪−レール動特性
５ 比例要素
６ 比例要素
７ 基準レール車両の車輪−レール動特性
８ 比例要素
９ 基準レール車両の滑走保護弁を有するブレーキシリンダ
１０ 基準調節器
１１ 滑走保護弁を有するブレーキシリンダ
１２ 適合化される調節器
１３ 車輪セット
１４ ブレーキディスク
１５ ブレーキシリンダ
１６ ブレーキライニング
１７ ブレーキ出力
１８ 滑走保護弁
１９ 圧力センサ
２０ パルス発生器
２１ 滑走保護調節器
２２ 伝達係数
２３ ブレーキ状態係数算定ユニット
ＦＺＧ レール車両
ＯＰＳ 最適スリップ探索器
ＰＮＥ 空気ブレーキ
ＰＲＥ 圧力調節器
ＰＷＭ 動作シーケンス発生モジュール
ＳＲＥ スリップ調節器
ＳＹＳ 制御システム

Claims (18)

1. レール車両（ＦＺＧ）の空気ブレーキのブレーキシリンダ圧力（ｐ_C,ist，ｐ_C1，ｐ_C2，ｐ_C3，ｐ_C4）を適合化するための方法において、
   ブレーキ動作中に、
   レール車両（ＦＺＧ）の少なくとも１つの車輪（２）とレール（３）との間の現在の実際スリップ（ｓ_ist）が求められ、
   更に少なくとも１つの車輪（２）とレール（３）との間の目標スリップ（ｓ_soll）が予め与えられ、そして
   予め与えられた目標スリップ（ｓ_soll）からの実際スリップ（ｓ_ist）の偏差に応じて、目標スリップと実際スリップとの間の偏差が零に向かうか、または最小化されるように、ブレーキシリンダ圧力（ｐ_C,ist，ｐ_C1，ｐ_C2，ｐ_C3，ｐ_C4）が変化させられることを特徴とする方法。
2. 固定設定された値が目標スリップ（ｓ_soll）のために予め与えられることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 目標スリップ（ｓ_soll）のための値が可変にて予め与え得ることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 目標スリップ（ｓ_soll）が最適スリップ探索の枠内にて求められることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 目標スリップ（ｓ_soll）がミクロスリップ範囲内で選定されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 目標スリップ（ｓ_soll）がマクロスリップ範囲内で選定されることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
7. 実際スリップ（ｓ_ist）が全体のブレーキ動作期間中に持続的に測定されることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
8. 実際ブレーキシリンダ圧力（ｐ_C,ist）が測定され、更に予め与えられた目標スリップ（ｓ_soll）からの実際スリップ（ｓ_ist）の偏差に基づいて目標ブレーキシリンダ圧力（ｐ_soll）が求められ、目標スリップと実際スリップとの間の偏差が零に向かうか、または最小化されるように、実際ブレーキシリンダ圧力（ｐ_C,ist）が変化させられることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
9. 請求項１乃至７の１つに記載の方法に応じて、現在のスリップ（ｓ_ist）を予め与えられた目標スリップ（ｓ_soll）に合わせるためのレール車両（ＦＺＧ）用のスリップ調節器（ＳＲＥ）。
10. 現在のスリップ（ｓ_ist）を予め与えられた目標スリップ（ｓ_soll）に合わせるために目標ブレーキシリンダ圧力（ｐ_soll）が求められることを特徴とする請求項９記載のスリップ調節器（ＳＲＥ）。
11. 請求項１０に記載のスリップ調節器（ＳＲＥ）と、現在のブレーキシリンダ圧力（ｐ_C,ist）を求められた目標ブレーキシリンダ圧力（ｐ_soll）に合わせるためように調整されているブレーキシリンダ圧力調節器（ＰＲＥ）とを含む制御システム（ＳＹＳ）。
12. 目標スリップ（ｓ_soll）のための最適値を求めるためのユニット（ＯＰＳ）を含むことを特徴とする請求項１１記載の制御システム（ＳＹＳ）。
13. 車両固有のパラメータに依存して請求項９または１０記載のスリップ調節器（ＳＲＥ）の伝達係数を適合化するための方法において、
    ほぼ平坦で直線のレール上での安定なブレーキ動作時に連続的に車輪セット（ｉ）の軸速度（ω_i）およびブレーキシリンダ圧力（ｐ_C,ist）が測定され、そして
    それから、ブレーキ状態係数（ξ）と称する車両固有のパラメータが、
    

    

    なる関係にしたがって求められることを特徴とする方法。
14. 安定なブレーキ動作中に測定された測定値（ω_i，ｐ_C,ist）のみが使用されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. ｑ個の軸における軸速度およびｌ個の軸におけるブレーキシリンダ圧力の測定時に、ブレーキ状態係数（ξ）を求めるための次の関係が、すなわち、
    

    

    なる関係が利用されることを特徴とする請求項１３又は１４記載の方法。
16. ｍ個の異なる時点で測定値が取得され、それらの時点に属するブレーキ状態係数ξ（ｋ）が求められ、ブレーキ状態係数ξ（ｋ）の平均値、すなわち、
    

    

    の形成が行なわれることを特徴とする請求項１３乃至１５の１つに記載の方法。
17. ブレーキ状態係数を用いて基準車両から他の車両に対して、請求項９又は１０記載のスリップ調節器（ＳＲＥ）の伝達係数（Ｋ_R,i）を適合化するための方法において、請求項１３乃至１６の１つに記載の方法に基づいてブレーキ状態係数（ξ）が求められた後に、
    Ｋ_R,i＝Ｋ_R,i’ξ’／ξ
    なる関係にしたがって伝達係数（Ｋ_R,i）が算定されること、ただし、Ｋ_R,i’は基準車両の既知の制御伝達係数であり、ξ’は基準車両のブレーキ状態係数であり、ブレーキ状態係数ξ’は既知であるか、または請求項１３乃至１６の１つに記載の方法にしたがって求められることを特徴とする方法。
18. 全体車両質量（Ｍ）について現在の測定値の存在のもとに次の関係が使用され、
    Ｋ_R,i＝Ｋ_R,i’（ξ’／ξ）・（Ｍ／Ｍ₀）
    ただし、Ｍは現在のレール車両質量であり、Ｍ₀はブレーキ状態係数ξの検出中においてレール車両（ＦＺＧ）が有する質量であることを特徴とする請求項１７記載の方法。

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