KR100435983B1 - 열차 자동운전에 있어서의 목표속도 추종제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열차 자동운전(ATO)에 있어서의 목표속도 추종제어 시스템에 관한 것으로, 그 목적은 열차 자동 운전(ATO)시 열차의 성능한계 및 안전운행, 승차감 등을 고려하여 운행구간의 설정속도에 따라 열차운행을 자동 제어되도록 함과 동시에, 이와 같은 자동제어로서 역내 고정 정차위치에 열차를 순조롭고, 용이하게 정지시킬 수 있도록 열차 목표속도 추종제어 시스템을 제공함에 있는 것이며, 또 다른 목적으로는 승객의 안전과 차량의 안전을 위해 설정된 목표속도를 만족하는 최적의 속도프로파일 생성토록 하여 순시적으로 발생하는 주행 저항요소에 대해 강인한 안정성을 갖는 속도제어기를 제시되게 함으로서 열차운영의 효율화와 안정성을 높일 수 있도록 한 열차 자동운전(ATO)에 있어서의 목표속도 추종제어 시스템을 제공함에 있는 것이다.

이에, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는; 열차 운전중 에이티씨(ATC : automatic train control)를 통해 트랙회로로부터 속도지령을 받음에 있어서; 열차의 가속한계와 저크한계를 만족케 하는 형태로서, 현재속도에서 목표속도로 가기 위한 저크 프로파일(profile)을 구하고, 상기 저크 프로파일(profile)을 두 번 적분하여 속도 프로파일(profile)을 구하도록 하여 기본 알고리즘을 구성되게 함으로서 달성된다.

Description

열차 자동운전에 있어서의 목표속도 추종제어 시스템{DISIRED VALUE SPEED OBEYING SYSTEM BY AUTOMATIC TRAIN CONTROL}

본 발명은 열차 자동운전(ATO)에 있어서의 목표속도 추종제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동으로 운전되는 열차의 성능한계 및 안전운행, 그리고 승차감을 고려하여 운행구간의 설정속도에 따라 열차운행을 자동 제어되도록 함으로서 역내 고정 정차 위치에 열차를 정확히 정지되도록 한 열차 자동운전(ATO)에 있어서의 목표속도 추정제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 열차 자동 운전(ATO) 시스템이라 함은, 운행되는 열차의 승차감 조절, 목표속도추종, 역내의 정밀정차 등을 목적으로 열차(또는 전동차)를 자동운전 내지 무인 운전되게 하는 일련의 자동제어 시스템을 의미하는 것이다.

이에, 통상적으로 이용되고 있는 종래의 열차 자동운전(ATO) 시스템은 외국기술 및 시스템에 크게 의존해온 것이 현실인바, 현재 국내에서도 이러한 열차 자동운전(ATO) 시스템에 관한 기술의 습득 및 국내조건에 맞는 시스템 개발에 노력하고 있는 실정이다.

또한, 종래 열차 자동운전(ATO) 시스템의 목표속도 추종 기법들은 열차의 현재 상태를 관측하여 성능이나 속도를 제한하는 방식으로서, 일반적인 열차운행에 있어 적용되고 있으며, 이는 주로 피아이(PI)제어기법을 사용하고 있는 실정이다.

따라서, 상기와 같은 방법은 선로조건과 함께 순시적으로 발생하는 열차(전동차)의 주행 저항요소를 직접적으로 고려하고 있지 않는 것으로, 이는 갑작스런 열차(전동차)의 주행조건 변화에 적절히 대응하지 못하여 승차감을 저해하게 되는 사용상의 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 종래 열차 목표속도 추종제어 시스템의 제반적인 문제점을 해결하고자 창안된 것으로;

본 발명의 목적은 열차 자동 운전(ATO)에 있어서의 정밀 정차시 열차의 성능한계 및 안전운행, 승차감 등을 고려하여 운행구간의 설정속도에 따라 열차운행을 자동 제어되도록 함과 동시에, 이와 같은 자동제어로서 역내 고정 정차위치에 열차를 순조롭고, 용이하게 정지시킬 수 있도록 한 열차 자동운전(ATO)에 있어서의 목표속도 추종제어 시스템을 제공함에 있는 것이다.

한편, 본 발명의 또 다른 목적으로는 열차 운행 구간에 승객의 안전과 차량의 안전을 위해 설정된 목표속도를 만족하는 최적의 속도 프로파일 생성토록 하여 순시적으로 발생하는 주행 저항요소에 강인한 안정성을 갖는 속도제어기를 제시되게 함으로서 열차운영의 효율화와 안정성을 높일 수 있도록 한 열차 자동운전(ATO)에 있어서의 목표속도 추종제어 시스템을 제공함에 있는 것이다.

따라서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로는;트랙회로(TRA)로부터 속도지령을 받아 열차를 자동 운전하는 열차자동운전 시스템(ATC)에 있어서,상기 열차자동운전 시스템(ATC)과 트랙회로(TRA)로부터 속도 지령을 입력받아 현재차량의 운행속도에서 목표속도까지 증가 또는 감소시키기 위하여 사용되는 속도 프로파일을 아래 식(1)∼식(11)을 적용하여 생성하는 속도 프로파일 생성기와; 상기 속도 프로파일 생성기에서 생성된 속도 프로파일에 열차의 속도를 추종하기 위하여열차의 운동방정식식(12)에서 주어진 열차의 동력학 방정식을 아래 식(13)인 상태공간 모델식으로 표현하여 나타내고,이득계획제어기법을 응용하고, 상기 이득계획기법을 이용한 시스템 출력에 영향을 주는 외란인 저항요소 fd(t)를 이득계획변수로 선정하기 위하여 상기 식(12)으로부터 외란 추정자를 아래 식(14)과 같이

구하는 속도추종제어기를 포함하여 구성되게 하므로서 달성된다.

도 1은 일반적인 열차의 개략도

도 2는 본 발명에 적용되는 열차의 목표속도 프로파일 구성도

도 3은 본 발명에 적용되는 열차 제어 구성도

도 4는 본 발명에 적용되는 극배치 제어기의 구성도

이하, 본 발명에 따른 열차 자동운전(ATO)에 있어서의 목표속도 추종제어 시스템의 바람직한 실시 예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 열차의 개략도 이고, 도 2는 본 발명에 적용되는 열차의 목표속도 프로파일 구성도이며, 도 3은 본 발명에 적용되는 열차 제어 구성도이고, 도 4는 본 발명에 적용되는 극배치 제어기의 구성도를 나타낸다.

먼저, 본 발명에 따른 열차의 추종 속도 생성 알고리즘을 도 2를 참고로 하여 살펴보면 다음과 같다

열차는 운전 중에 에이티씨(ATC : automatic train control)를 통해 트랙회로로부터 속도지령을 받게 되는 것인바. 이때의 속도지령은 도 2에 도시된 바와 같이 계단형태의 목표속도 값으로 나타난다.

또한, 선로 구간과 구간 사이에서 이산형태의 속도지령이 주어짐으로 현재 열차의 속도에서 목표속도 까지를 연결하는 선형적인 속도지령을 생성할 필요가 있는 것이다. 이때, 고려될 사항은 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 열차의 가속도 성능한계 a _L 과 저크한계J _a 를 만족하며 초기속도 v ₀ 에서 목표속도 v _f 로 가는 최적의 속도 프로파일 (profile)을 생성하게 되는 것이다.

또한, 도 2의 하단 저크 프로파일(profile)을 2번 적분하여 그 상단부의 속도 프로파일(profile)을 얻는 것이 알고리즘 기본구성이다.

한편, 상기와 같은 알로리즘 기본구성을 위하여는 현재속도에서 목표속도까지의 필요한 저크 프로파일(profile)을 구해야 하는 것으로, 이를 위해서는t ₀ ∼t ₃ 각각의 시각을 정확히 알고 있어야 하는 것이다.

이때,t ₀ 는 목표속도지령을 받은 시각으로서.t ₁ 은 다음과 같이 구하게 되며, 또한 주어진 저크한계를 1번 적분하여 가속도를 얻을 수 있는 것이다.

따라서t ₀₁ 은 저크한계 값J _a 를 적분하여 가속도한계 a _L 값에 도달하는데 필요한 시간이므로 식(1)을 이용해 식(2)과 같이 구해지는 것이다.

여기에서 식(3)과 같이 설정한다.

또한,t ₁₂ 시간은 다음과 같은 방법으로서. 먼저 식(4)에서v ₁ 을 식(5)를 이용해 구하고 재차v ₂ 를 식(6)에서 구하면t ₁₂ 는 식(7)과 같이 구할 수 있는 것이다.

이에, 결국

으로 결정된다.

따라서, 이와 같은 시간 정보에 따라 열차의 가속한계 및 저크한계를 만족하게 되며, 현재속도에서 목표속도로 가기 위한 도 2의 하단 저크 프로파일( profile)을 구할 수 있는 것이고, 재차 이를 두 번 적분함으로써 상단의 속도 프로파일(profile)또한 구할 수 있는 것이다.

한편, 도 1과 같은 열차의 구성에서 열차의 관성을 무시하고 저항력이 속도에 비례하여 열차의 움직임을 방해한다고 가정하면 열차 운전의 운동 방정식은 다음과 같이 구할 수 있다.

여기서,M은 열차의 질량[kg], f _d (t)는 열차의 진행을 방해하는 저항[Nsec/m],u(t)는 열차 내에서 발생하는 견인력[N] 또는 제동력,는 열차의 가속도[m/sec2],v(t)는 열차의 속도[m/sec]를 나타내는 것이다.

한편, 속도 추종 제어기는 앞서 생성된 속도프로파일에 열차의 속도를 추종하게 하기 위해 구성되는 것으로, 식(12)에서 주어진 열차의 동력학 방정식을 상태공간 모델식(13)으로 표현하여 나타낼 수 있는 것이다.

이때, 제어기는 이득계획제어(gain scheduling control)기법을 응용하여 도 4에 도시된 바와 같이 설계함이 바람직한 것으로, 시스템의 출력에 영향을 주는 외란인 저항요소 f _d (t)는 이득계획변수로 선정하게 되는 것이다.

또한, 이때 상기 외란은 직접적으로 측정할 수 없는 변수이므로 식(12)로부터 외란의 추정자를 다음과 같이 구할 수 있는 것이다.

또한, 추정에 사용되는 각 변수는 시스템 출력으로 항상 측정되고 있는 상태변수로서, 속도v(t), 가속도, 시스템에 가해지는 입력u(t)등을 의미하며, 여기서M ₀ 는 제어기 설계시 사용되는 열차의 공칭 무게이고는 정상상태 오차를 제거하기 위한 행렬을 나타낸다.

또한, 제어게인는 다양한 선형제어 기법을 이용하여 구할 수 있는 것으로, 본 발명에 있어서는 극배치(pole placement)기법을 적용하여 설계하였다.

이에, 먼저 폐루프 시스템의 특성방정식을 다음 식(15)과 같이 구한다.

그리고, 원하는 극 배치에 의해 구해진 특성방정식은 다음 식(16)과 같으며

식을 만족하는 제어 게인은 다음과 같이 구할 수 있는 것이다.

따라서, 최종적인 제어입력은 식(18)과 같이 구할 수 있는 것이다.

이상, 본 발명에 따른 열차 자동운전(ATO)에 있어서의 목표 속도 추정제어 시스템은 열차의 성능한계 및 안전운행, 승차감 등을 고려하여 운행구간의 설정속도에 따라 열차운행을 자동 제어되도록 함으로서, 역내 고정 정차위치에 열차를 정확하고, 안정적으로 정지시킬 수 있도록 한 것이며;

또 다르게, 열차 운행 구간에 승객의 안전과 차량의 안전을 위해 설정된 목표속도를 만족하는 최적의 속도프로파일 생성토록 하여 순시적으로 발생하는 주행 저항요소에 강인한 안정성을 갖는 속도제어기를 제시되게 함으로서 열차운영의 효율화와 안정성을 높일 수 있도록 한 것으로, 사용자에게 매우 유용한 기대 효과를 제공하게 되는 것이다.

Claims (3)

1. 트랙회로(TRA)로부터 속도지령을 받아 열차를 자동 운전하는 열차자동운전 시스템(ATC)에 있어서,

   상기 열차자동운전 시스템(ATC)과 트랙회로(TRA)로부터 속도 지령을 입력받아 현재차량의 운행속도에서 목표속도까지 증가 또는 감소시키기 위하여 사용되는 속도 프로파일을 아래 식(1)∼식(11)을 적용하여 생성하는 속도 프로파일 생성기와;

   상기 속도 프로파일 생성기에서 생성된 속도 프로파일에 열차의 속도를 추종하기 위하여

   열차의 운동방정식

   식(12)에서 주어진 열차의 동력학 방정식을 아래 식(13)인 상태공간 모델식으로 표현하여 나타내고,

   이득계획제어기법을 응용하고, 상기 이득계획기법을 이용한 시스템 출력에 영향을 주는 외란인 저항요소 fd(t)를 이득계획변수로 선정하기 위하여 상기 식(12)으로부터 외란 추정자를 아래 식(14)과 같이

   구하는 속도추종제어기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 열차 자동운전에 있어서의 목표 속도 추정제어 시스템.
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