JP7125346B2 - 鉄道車輌の制御車軸の車輪の粘着を制御及び回復する方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車輌の制御車軸の車輪の粘着を制御及び回復するシステムに関する。

最新鉄道車輌には電子システムが組み込まれており、通常は車輪滑走制御サブシステムを含み、車輌がけん引段階であるとき及び制動段階であるときの両方に介入することを目的としている。これらのサブシステムは、アンチスキッド若しくはアンチスライドシステム又はＷＳＰ（Ｗｈｅｅｌ Ｓｌｉｄｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ（車輪滑走防止））として知られている。

車輪の粘着を制御するシステム（アンチスリップ機能）は、添付図面の図１に概略的に表されており、この図はｎ個の制御車軸Ａ１、Ａ２、．．．、Ａｎを有する車輌に言及している。制御車軸Ａ１、Ａ２、．．．、Ａｎは、それぞれのシャフトＳ１、Ｓ２、．．．、Ｓｎ及び回転に不可欠なそれぞれ１対の車輪Ｗ１、Ｗ２、．．．、Ｗｎを備える。

図は全体的に、各車軸の車輪の一つのみ説明する。

図１のＷＳＰシステムは、電子制御ユニットＥＣＵを備え、通常はマイクロプロセッサのアーキテクチャに基づいており、それぞれの車軸に関連する検出器ＳＳ１、ＳＳ２、．．．、ＳＳｎからの各車軸Ａ１、Ａ２、．．．、Ａｎの角速度に関するタコメータ信号を受信する。電子制御ユニットＥＣＵはまた、各車軸Ａ１、Ａ２、．．．、Ａｎにそれぞれ関連するトルク制御装置ＴＣ１、ＴＣ２、．．．、ＴＣｎに接続される。

電子制御ユニットＥＣＵは、もし低下した粘着状況でのけん引又は制動中にトルクを加える場合、一つ以上の車軸の車輪が起こりうる初期スリップ状態になるならば、所定のアルゴリズムによって各車軸に加えられるトルクの調節を操作するために提供される。トルク調節は、粘着の回復を考慮して、及び低下した粘着状況の全持続時間中どのような場合でも、できる限り各車軸を制御された滑走の状況に至らせるように、車軸の総制動を抑えるような方法で実行される。

図２は、一つの車軸に実行される制御を説明するブロック図を示し、制御車軸Ａを滑走するために望ましい値である基準速度値Ｖ_Ｒ（ｔ）と、関連センサＳＳによって検出されて取得処理モジュールＡＰＭによって調整された測定角速度Ｖ_Ｍ（ｔ）との間の誤差又は差Ｅ（ｔ）は、制御モジュールＣＭへの入力信号として加えられ、制御モジュールＣＭは出力として駆動信号Ｙ（ｔ）を車軸Ａに関連するトルク制御装置ＴＣに提供する。

図３は、非限定的な例によって、トルク制御装置ＴＣを実現するために考えられる方法を示す。そのような装置は、電子制御駆動ユニット１００を備え、電子制御駆動ユニット１００は、チャージソレノイド弁１０２及びディスチャージソレノイド弁１０３を含むソレノイド弁グループ１０１を制御する。説明されている実施形態において、これらのソレノイド弁は、２位置３方向弁である。ソレノイド弁１０２はノーマルオープンであり、ソレノイド弁１０３はノーマルクローズである。

チャージソレノイド弁１０２の出力は、車軸Ａに関連するブレーキシリンダ１０４に、それ自体は既知の方法で、連結される。

電子ユニット１００の制御の下、弁グループ１０１は、ブレーキシリンダ１０４に供給される指示圧力を、大気圧とチャージソレノイド弁１０２と接続されている導管１１３から伝わる制動圧力との間に含まれる値内で、選択的に減らし、維持し又は増加させる。ユニット１００は、図２に記載の速度ループに従って制御ループを閉鎖する開ループモードでブレーキシリンダ１０４に対する圧力を制御する、又は圧力センサ１０５を用いて行われるフィードバックを通じて閉ループモードで前記圧力を制御するように予め構成されている。

車軸Ａに関連する電気モータ１０６は、この電気モータを駆動するインバータ１０８に適用されるトルク１０７の要求に従って、そのような車軸に、けん引トルク又は制動トルクを加え得る。モータ１０６によって車軸Ａに加えられるトルクは、トルク１１０の要求に対応しており、ゼロからトルク１１０の値の間で変更自在な補正トルク１１１によって変更される。トルク１０７は、けん引の場合は正の値であり、制動の場合は負の値である。混合モジュール１１２は、制動中のスリップの場合、所定の方法で、空気圧システムと回生システム間で車軸Ａに加えられるトルク調節の要求を「混合する」。

図３で説明されているトルク制御装置は、当業者に知られている多くの変形を加えても良い。例えば、けん引鉄道車輌の場合、又はＵＩＣ（国際鉄道連合）規則を満足するものの場合、通常はけん引システムと完全に切り離された空気圧タイプのアンチスリップシステムを有しており、ユニット１００は、図３で説明されているように調節要求１１３を通じて混合モジュール１１２によってではなく、図３で破線で説明されているトルク調節要求１１４を通じて、図２の制御モジュールＣＭによって直接駆動される。

図２の制御モジュールＣＭは、状態図若しくはＰＩＤ構造又はファジー理論に基づいたシステムを通じて実現されるアルゴリズムによって操作してもよい。これらのアルゴリズムは、車輌の速度のほんの一部に相当するいわゆる「滑走」速度（そのような速度はまた、設定速度として知られており）で、初期スリップの状態にある、車軸を維持する目的を有する。そのようなアルゴリズムは、そのようなアルゴリズムを安定させるような、システムの振動を防ぐ又はシステムの振動を少なくとも制限するパラメータ調整手段を必要とし、ＷＳＰシステムの場合、設定速度を中心とする制御車軸の瞬間的な速度の過度の振動を防ぐ。前述のパラメータの調整は、詳細で正確であればあるほど、システム変数は基準値の一つを中心に変化しなくなる。

粘着制御システムの場合、広い変動レンジを有する変数の一つは、瞬間的な摩擦力Ｆ_ａ（ｔ）＝μ（δ） ｍ ｇであり、ｍは車輪とレール間の接点での質量であり、ｇは重力加速度であり、μは粘着係数であり、δは滑走量、すなわち、車輌の速度と車輪の接線速度の差を車輌の速度で割られた値である。摩擦力Ｆ_ａ（ｔ）は、車輪とレールの接点に作用する（図８）。

粘着係数μは、実質的に図７のグラフで説明されているように滑走量δの関数として変化する。車輌重量が通常の状態では、疑似静的（δ≒０）μ値は、例えばスリップ現象を発生させるためには０．０９に近く、そして濡れた葉、又は水とレールの錆の混合物の存在下では０．０１付近の値に又はさらに下がり得、すなわち、２０ｄＢのオーダで変動を受ける。さらに、特定の汚れがある場合、決定された初期μ値（≒０）が与えられ、μ（δ）の瞬時値は、δのリアルタイムでの変化で、最大－６ｄＢ以上の変動を受け得る。

さらに、車軸での質量ｍは、台車のピッチングに起因して、台車の二つの車軸間における重量再分配により、風袋重量から最大積載重量の間で、スリップ中は静的及び動的に変化し得る。

複数車軸が同時にスリップしている状態では、いわゆる「レールクリーニング」現象が生じ得、スリップ車軸は、車輪とレールの接点で摩擦を生じさせ、それによって、エネルギを投入して部分的にレール自身をきれいにし、次の車軸のμ値を増加させる。この現象は、連続した車軸に互いに異なる瞬間粘着値を与える。

速度が落ちるにしたがって、ブレーキディスクとブレーキパッド間（ディスクブレーキの場合）、又は車輪とブロック間（ブロックブレーキの場合）の摩擦係数は、大幅に変化し得ることが観測される。

最終的に、例えば図３を参照して説明する複数のアクチュエータを用いてトルク制御を管理するシステムは、リアルタイムに異なる伝達関数及び異なる時定数に適合する必要がある。これらの変更の共存は、急激な環境変化への正確かつ反応が早い制御、又は、例えば欧州公開特許第２１４７８４０Ａ２号（特許文献１）に記載されているような、環境変数の一つ以上の関数としてリアルタイムに選択されたパラメータの「参照テーブル」を通じて「マッピングされた」適応調整を得ていない結果、例えば変動の全範囲に対応するなど「リジッドでない」調整の実現を必要とする。

欧州公開特許第２１４７８４０Ａ１号（特許文献１）は、鉄道車輌の制御車軸の車輪の粘着の制御及び起こりうる回復のための方法を記載する。そのような方法は、前記車軸の車輪の実角速度を示す第１の速度信号、及び実車輌速度を示す第２の速度信号の生成を含む。これらの速度信号から、車軸の車輪の実瞬間滑走量の値が計算される。実瞬間滑走量の値と望ましい滑走量の値との誤差又は差は、車軸の車輪の検出された加速度、及びこれらの車輪に関連するブレーキシリンダに伝えられる制動圧力の関数として計算される。この滑走量の誤差又は差は、制動圧力の制御手段用の駆動信号を生成するために使用される。この駆動信号は、ＰＩＤタイプの制御装置を使用して生成され、そのパラメータは、車輌の検出された速度の関数として修正され、これらのパラメータは、車輌速度値の異なるレンジのための複数のそれぞれの所定の離散値と仮定し得る。

鉄道車輌のさらなるスリップ制御システムが、独国特許第３９０２８４６号（特許文献２）及び欧州特許第００８９８９９号（特許文献３）に記載されている。

欧州公開特許第２１４７８４０Ａ１号 独国特許第３９０２８４６号 欧州特許第００８９８９９号

Ｂ． Ｗｉｄｒｏｗ ａｎｄ Ｓ．Ｄ． Ｓｔｅａｒｎｓ， Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ， Ｐｒｅｎｔｉｃｅ－Ｈａｌｌ， Ｉｎｃ．， １９８５

上記に記載されている技術的背景を考慮して、本発明の目的は、具体的には制御パラメータのリアルタイムで連続的な補正を可能にし、粘着の瞬時値と車輌重量の適合をさせる、鉄道車輌の制御車軸の車輪の粘着の制御及び起こりうる回復のための改善された方法を提供することである。

この及びその他の目的は、添付の請求項１で定義されている際だった特徴の方法を有する発明によって実現される。

方法の一つの実施形態において、前述の入力信号は、車軸の車輪の設定速度を示す信号である。

方法の別の実施形態において、前記入力信号は、速度について前述の誤差又は差を示す信号である。

本発明のさらなる特徴と利点が、添付の図面に関して実施されている、下記の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１は、鉄道車輌の車輪のアンチスリップ制御システムのブロック図である。 図２は、車軸の速度の閉ループ制御システムのブロック図である。 図３は、車軸に加えられるトルクを制御する装置の可能な実施形態の図である。 図４は、本発明による制御方法の実施のためのシステムを構築する種々の方法のブロック図である。 図５は、本発明による制御方法の実施のためのシステムを構築する種々の方法のブロック図である。 図６は、本発明による制御方法の実施のためのシステムを構築する種々の方法のブロック図である。 図７は、Ｘ軸に示された滑走量δの関数として、Ｙ軸に示された車輪の粘着係数μの傾向を、定性的に示すグラフである。 図８は、車軸の車輪に対して加えられる力を説明する図である。

本発明による方法は、車軸の車輪のスリップの制御パラメータの調整及び動的補正に適応型の手法を適合するもので、その手法は、事前にマッピングされたベクトル又はパラメータの表に基づかず、時間と共に連続してかつリアルタイムに行われるものである。

本発明は、この目的のために、例えば、Ｂ． Ｗｉｄｒｏｗ ａｎｄ Ｓ．Ｄ． Ｓｔｅａｒｎｓ， Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ， Ｐｒｅｎｔｉｃｅ－Ｈａｌｌ， Ｉｎｃ．， １９８５（非特許文献１）、に記載されているような適応フィルタリングに基づく制御手法を使用する。

本発明による方法での使用に適切な、さまざまな既知の種類の適応フィルタが知られている。非限定的な例として、本発明は、ＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ（最小二乗平均））フィルタとして知られている適応フィルタを使用するものである。ＬＭＳフィルタ実行の一般的な特性、特徴、収束基準及び変形の正確な説明のためには、入手可能な文献又は前述の参考文献を参照のこと。

使用される適応フィルタは、ＦＩＲタイプ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ（有限インパルス応答））構造とＩＩＲタイプ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ無限インパルス応答）構造の両方から成り得る。

適応フィルタを記載するための一般的に認められている記号を使用すれば、Ｘ（ｔ）とＹ（ｔ）はそのようなフィルタの入力と出力を指す。

下記説明及び添付図面において、時間変数ｔは、そのような時間が離散的な意味で理解されることを示す文字Ｔで示される、すなわち、方法／システムは、期間Ｔを有する有限のサンプルに対して行われる。

図４は、本発明による方法を実施するために概略的に説明された第１の制御システムを示す。

図４によるシステムは、制御車軸Ａの車輪Ｗに対する設定速度Ｖ_{ＳＥＴＰＯＩＮＴ}を入力として受け、設定速度とその変動に対応して車軸Ａの速度Ｖ_Ｒ（ｔ）を出力として提供する、参照モデルを表すブロックＲＭを備える。

ブロックＲＭは、伝達関数Ｇを有し、理想的にはＧ＝１である。しかしながら、より意味があるシステム、すなわち、より現実に即して粘着するもの、例えば（これに限るわけではない）二次伝達関数は、トルク制御装置ＴＣの制御モジュールＣＭによって、及び図２の車輪Ｗによって形成された複合体の期待モデルを近似する。

図４において、ＡＦは適応フィルタ、例えばＬＭＳタイプフィルタを示す。

そのようなフィルタＡＦの入力Ｘ（Ｔ）で信号は、速度Ｖ_{ＳＥＴＰＯＩＮＴ}の関数である、例えば、通常は車輌の速度の６５％から９５％の間で車輌速度に比例する信号、を供給される。

適応フィルタＡＦの出力Ｙ（Ｔ）は、トルク制御装置ＴＣを駆動するための信号であり、トルク制御装置ＴＣは車軸Ａ及びその車輪Ｗと連結されている。

ブロックＲＭの出力Ｖ_Ｒ（Ｔ）は、加算器ＡＤＤの入力に加えられる。加算器ＡＤＤの別の入力には、ＳＳ検出器及び関連する取得処理モジュールＡＰＭを用いて実際に測定された車軸Ａの角速度を示す信号Ｖ_Ｍ（Ｔ）が入力される。

加算器ＡＤＤは、速度Ｖ_Ｒ（Ｔ）と測定速度Ｖ_Ｍ（Ｔ）の誤差又は差、すなわち、ＲＭブロックの出力での期待速度と速度Ｖ_Ｍ（Ｔ）の差を示す誤差信号Ｅ（Ｔ）を出力として提供する。

誤差信号Ｅ（Ｔ）は、適応フィルタＡＦに送られ、この誤差Ｅ（Ｔ）がゼロになるまで、このフィルタのパラメータの連続的な補正を実施するために使用される。

適応フィルタＡＦの係数又はパラメータの安定化は、入力信号Ｘ（Ｔ）が制御される処理の帯域幅と同等である調和性を有すると、急激に発生し得る。

図４によるシステムの場合、速度Ｖ_{ＳＥＴＰＯＩＮＴ}は、実質的にゼロ調和性を有する信号であり、従って、フィルタＡＦの係数又はパラメータの急速な再調整の要求に関しては相対的に不十分である。そのような解決策はまだ、初期状況に基づいて事前に計算された、フィルタＡＦの係数の基準値への初期化によって効果的に使用され得、その後のスリップ現象中、フィルタＡＦの入力部における誤差Ｅ（Ｔ）の変動は、フィルタの係数又はパラメータの適切な補正をリアルタイムに実施するのに十分である。

代わりの解決策が図５で説明されており、誤差Ｅ（Ｔ）は、フィルタＡＦによって実施される適応アルゴリズムの補正要素としてだけでなく、フィルタＡＦ自体への入力としても使用されている。

実際、誤差Ｅ（Ｔ）は、フィルタＡＦの自己較正のための適切な調和性を有し、そして同時に制御車軸Ａに作用する制動力の補正の生成に必要な情報を含む。

図５による解決策は、たとえ当初の適応フィルタＡＦの係数又はパラメータが完全にゼロに設定されていたとしても、これらの係数又はパラメータは素早く動的に較正される。

文献から分かるように、ＬＭＳタイプ適応フィルタは、ＦＩＲ構造とＩＩＲ構造を使用することで実現され得る。

ＦＩＲ構造は、本質的に安定であり、メモリを有さない。しかしながら、この特徴は、システム中の下流に既存の天然の積分器（例えば、ブレーキシリンダによって代表される天然の積分器）を使用しない限り、積分的な構成要素を有する制御機能の実施を妨げる。

図６は、ＦＩＲ構造によって作られるＬＭＳタイプ適応フィルタＡＦ内の積分要素の欠如を打開させる実施形態を説明する。積分器Ｉが、実質的に適応フィルタＡＦと並列に、このフィルタの入力と加算器ＡＤＤ１の間に提供され、加算器ＡＤＤ１は、フィルタＡＦの出力と積分器Ｉの出力を受け、加算器ＡＤＤ１の出力は、トルク制御装置ＴＣに接続されている。

自己調整装置ＳＴＡは、任意選択的に積分器Ｉと関連してもよく、積分器Ｉの出力と加算器ＡＤＤ１の間に接続され且つ誤差信号Ｅ（Ｔ）の関数として駆動する専用ＬＭＳタイプセルＣを含む。

一般的に、本発明による制御方法の実施において、方法の実行中に適応フィルタの係数が逸脱する問題を避けるために、不揮発性メモリに格納された安全値のレンジへ適応フィルタの係数の変動を制限することが可能である。

システムの外部パラメータの新しい変動に常に応答する制御を維持するために、誤差Ｅ（Ｔ）がゼロに近いときに、又は有意なＥ（Ｔ）値を再び示すとすぐに係数若しくはパラメータの補正調整の回復を可能とするような係数若しくはパラメータの変動の制限中のあらゆる場合に、フィルタの係数又はパラメータの連続的な調整を実施するために、適応フィルタのリーク関数特性は適切に使用される。

ＰＩＤタイプ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ（比例）－Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｅ（積分）－Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ（微分））構造を採用され得る、ＩＩＲタイプ構造を含めて作られた適応フィルタの使用による実施はまた、本発明の範囲に含まれる。

当然、本発明の原理を変更することなしに、構成の実施形態及び詳細は、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲から逸脱することなく、非限定的な例として単に記載され、説明されたものに関して広く変更し得る。

Claims (10)

1. 鉄道車輌の制御車軸（Ａ）の車輪（Ｗ）の粘着を制御及び回復するための方法であって、
   前記車軸（Ａ）の前記車輪（Ｗ）の角速度を示す速度信号（Ｖ_Ｍ）を生成するステップと、
   与えられた設定速度（Ｖ_{ＳＥＴＰＯＩＮＴ}）に応じて、参照モデル（ＲＭ）によって決定される、前記車輪（Ｗ）の基準速度（Ｖ_Ｒ）と、前記速度信号（Ｖ_Ｍ）によって示される速度との間の誤差又は差を示す誤差信号（Ｅ）を生成するステップと、
   前記設定速度（Ｖ_{ＳＥＴＰＯＩＮＴ}）の関数である入力信号（Ｘ）が適応フィルタリング（ＡＦ）に入力されると、前記車軸（Ａ）の前記車輪（Ｗ）に加えられる、トルク制御手段（ＴＣ）のための駆動信号（Ｙ）を生成し、前記速度誤差又は差（Ｅ）をゼロにするように、前記誤差信号（Ｅ）の関数として前記適応フィルタリング（ＡＦ）のパラメータを変更するステップとを含み、
   前記参照モデル（ＲＭ）は、入力される前記設定速度（Ｖ _{ＳＥＴＰＯＩＮＴ} ）と、前記設定速度（Ｖ _{ＳＥＴＰＯＩＮＴ} ）に応じて出力される前記基準速度（Ｖ _Ｒ ）との間の関係を表す伝達関数（Ｇ）を有する、
   鉄道車輌の制御車軸（Ａ）の車輪（Ｗ）の粘着を制御及び回復するための方法。
2. 前記伝達関数（Ｇ）は、前記トルク制御手段（ＴＣ）と前記車輪（Ｗ）によって形成される複合体を近似する関数である、請求項１に記載の方法。
3. 前記入力信号（Ｘ）は、前記設定速度（Ｖ_{ＳＥＴＰＯＩＮＴ}）を示す信号である、請求項１に記載の方法。
4. 前記入力信号（Ｘ）は、前記速度誤差又は差を示す信号（Ｅ）である、請求項１に記載の方法。
5. 前記駆動信号（Ｙ）は、並列に積分器（Ｉ）を備える、ＦＩＲタイプの構造を有する適応フィルタ（ＡＦ）を用いて生成される、請求項１から請求項４のいずれかに記載の方法。
6. 前記積分器（Ｉ）によって提供される前記信号は、適応較正を受ける、請求項５に記載の方法。
7. 前記駆動信号（Ｙ）は、ＩＩＲタイプ構造及びＰＩＤタイプ構造を有する適応フィルタ（ＡＦ）を用いて得られる、請求項１から請求項４のいずれかに記載の方法。
8. 前記適応フィルタリングのパラメータ又は係数は、不揮発性メモリに格納された事前に計算された値で初期化される、請求項１から請求項７のいずれかに記載の方法。
9. 前記適応フィルタリングの前記パラメータ又は係数は、事前に定義された変動幅に制限され、且つ不揮発性メモリに格納される、請求項１から請求項８のいずれかに記載の方法。
10. 前記適応フィルタリングのリーク関数を用いて、前記フィルタリングの前記パラメータ又は係数は、時間的に連続的に減らされる、請求項１から請求項９のいずれかに記載の方法。

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