CN108859781B - 轨道车辆制动减速度闭环控制装置及控制方法 - Google Patents

轨道车辆制动减速度闭环控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轨道车辆制动减速度闭环控制装置及控制方法。在车辆制动减速过程中，实时更新总扰动估计值，然后根据总扰动估计值计算目标制动力，实现列车制动减速度的闭环控制。本发明能够提高列车制动过程中减速度实际值对目标值跟随性，可以在存在坡道、载重、闸瓦（片）摩擦系数、电制动力偏差等不确定参数干扰时将列车实际制动减速度与目标制动减速度的偏差控制到较低的水平。

Description

轨道车辆制动减速度闭环控制装置及控制方法
技术领域
本发明属于轨道车辆制动***技术领域，具体涉及一种对轨道车辆制动减速度进行闭环控制的制动控制装置及控制方法。
背景技术
目前轨道车辆制动控制***在列车减速度层面上是开环的，控制***仅对制动缸压力进行闭环控制，而从制动缸压力到减速度的过程是不受控的。
轨道车辆制动过程中闸瓦/片摩擦系数受摩擦副的相对运动速度、温度、压力等时变参数的影响而发生改变，使列车实际制动力偏大或偏小，从而使列车实际减速度与目标值存在误差。
轨道车辆制动过程中若运行在坡道、弯道等区段，会受到坡道、弯道带来的附加的外部作用力，这些外部作用力对列车的影响是使其实际减速度偏大或偏小。
采用电空复合制动模式的制动***其电制动力的实际作用值与制动***从牵引控制单元获取的电制动力反馈值可能存在较大偏差，这一偏差对列车的影响是使其实际减速度偏大或偏小。
若给制动***提供载重信号的空簧压力传感器失效或出现较大测量误差，则制动***施加的制动力会出现较大偏差，这一偏差对列车的影响是使其实际减速度偏大或偏小。
上述的闸瓦/片摩擦系数、坡道、弯道、载重、电制动力偏差等参数是时变而且未知的，传统的制动控制装置与控制方法采用的是按照某一固定模式甚至直接忽略的方式进行控制。
经检索发现，中国发明专利申请CN 103328303 A，提出了一种制动压力运算装置、制动控制***及程序，具备目标气缸压力获取部、减速度差分信息获取部及目标气缸压力补正值获取部，对制动过程中的气缸压力进行调整，从而控制列车实际减速度趋向于目标值。该专利申请中所提出的两种实施方案其目标气缸压力补正值分别是通过查表和模糊推理实现的，适应性和精确度不足，无法对闸瓦/片、坡道等干扰因素进行定量的计算或感知。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的上述缺点，提供一种能够提高列车制动过程中减速度实际值对目标值跟随性的制动控制装置及控制方法。
为了解决以上技术问题，本发明提供的轨道车辆制动减速度闭环控制装置, 包括：
车辆信息获取部，用以实时获取当前时刻的列车速度v、列车电制动力、列车空气制动力、和目标制动减速度atarget；
扰动估计部，根据从车辆信息获取部获得的信息，对制动过程中的总扰动进行在线估计和更新，获得总扰动估计值；
所述总扰动估计值的计算方法如下：
T1、求解微分方程
Figure RE-GDA0001717818000000021
获得参数a的估计值；
T2、获得总扰动的估计值c0＝-a·λ；
其中，
Figure RE-GDA0001717818000000022
为参数a的估计值的导数，p为控制增益常数；W＝1-e-λt，λ是***常数；WT是W的转置，
Figure RE-GDA0001717818000000023
Figure RE-GDA0001717818000000024
为列车的载重设定值,
Figure RE-GDA0001717818000000025
为车辆信息获取部获取的列车电制动力和列车空气制动力之和,t为当前时刻，所述当前时刻t相对于制动减速起始时刻计时；
制动力运算及管理部，结合扰动估计部计算得到的总扰动估计值进行列车制动力计算，获得目标制动力
Figure RE-GDA0001717818000000026
本发明还提供了一种轨道车辆制动减速度闭环控制方法，包括以下步骤：
第1步、实时获取当前时刻的取列车速度v、列车电制动力、列车空气制动力和目标制动减速度atarget；
第2步、求解微分方程
Figure RE-GDA0001717818000000031
获得参数a的估计值，并对参数a的估计值不断更新；
其中，
Figure RE-GDA0001717818000000032
为参数a的估计值的导数，p为控制增益常数；W＝1-e-λt；λ是***常数；WT是W的转置，
Figure RE-GDA0001717818000000033
Figure RE-GDA0001717818000000034
为列车的载重设定值,
Figure RE-GDA0001717818000000035
为车辆信息获取部获取的列车电制动力和列车空气制动力之和,t为当前时刻，所述当前时刻t相对于制动减速起始时刻计时；
第3步、计算总扰动的估计值
Figure RE-GDA0001717818000000036
第4步、计算目标制动力
Figure RE-GDA0001717818000000037
为列车的载重设定值
Figure RE-GDA0001717818000000038
为了进一步解决上述技术问题，本发明还具有如下改进：
1、所述车辆信息获取部通过比较各轴速度取其最大值或数个最高轴速度取平均值，或者通过列车上的测速雷达获取列车速度。
2、所述车辆信息获取部通过解析司机控制器或自动驾驶***发出的控制指令获得目标制动减速度。
3、所述车辆信息获取部通过与列车各车辆制动控制装置间的信息传输获得制动控制装置所施加的制动力。
4、当列车减速度与目标制动减速度的差值小于0.1m/s2时，则令
Figure RE-GDA0001717818000000039
5、当列车发生滑行时，若Ftarget有增大趋势，则令
Figure RE-GDA00017178180000000310
6、所述第3步中，对计算获得的总扰动的估计值进行低通滤波或滑动平均滤波处理。
本发明能够提高列车制动过程中减速度实际值对目标值跟随性，实现列车制动减速度的闭环控制，可以在存在坡道、载重、闸瓦(片)摩擦系数、电制动力偏差等不确定参数干扰时将列车实际制动减速度与目标制动减速度的偏差控制到较低的水平。
本发明有助于降低列车制动过程中对自动驾驶***的依赖性，减少其过于频繁的调节，提高列车停站精度，有助于列车正点运行；
本发明可以减少列车制动过程中制动减速度不可控性过大引起滑行的现象，主动式地避免列车滑行。
本发明有助于提高列车运行平稳性与舒适性，提升乘客体验。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是轨道车辆制动减速度闭环控制装置原理图。
图2是轨道车辆制动减速度闭环控制方法原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明轨道车辆制动减速度闭环控制方法的核心在于总扰动估计值的获得，原理如下：
首先建立简化的列车运动学方程如公式1所示：
Figure RE-GDA0001717818000000041
其中，v表示列车速度，M表示列车质量，g为重力加速度，b0为基本阻力，θ为坡道坡度(上坡为正，下坡为负)，B为总制动力(含摩擦系数f)。
令
Figure RE-GDA0001717818000000042
其中，
Figure RE-GDA0001717818000000043
为控制***根据电制动力反馈值以及测得的制动压力计算得到列车电制动力和列车空气制动力再求和得到的总制动力值，
Figure RE-GDA0001717818000000044
是车辆质量设定值，△ζ是由于载重偏差、闸瓦摩擦系数偏差、电制动力作用偏差等扰动引起的实际值
Figure RE-GDA0001717818000000051
与控制***计算值
Figure RE-GDA0001717818000000052
之间的误差，则上式可写成：
Figure RE-GDA0001717818000000053
将gb0+gθ+△ζ等效为制动过程中的总扰动c0，得：
Figure RE-GDA0001717818000000054
对公式3进行拉氏变换并两边同乘以
Figure RE-GDA0001717818000000055
进行滤波，得线性参数化模型
Figure RE-GDA0001717818000000056
其中，W＝1-e-λt,
Figure RE-GDA0001717818000000057
建立线性参数化模型之后设计梯度估计算法，记
Figure RE-GDA0001717818000000058
为对参数a的估计，则在控制器中可由
Figure RE-GDA0001717818000000059
估计列车运行速度如下：
Figure RE-GDA00017178180000000510
则列车速度的估计误差为：
Figure RE-GDA00017178180000000511
本发明使用梯度估计算法进行参数估计，其原理是使参数的更新使得预测误差减小，即通过使参数更新方向与关于参数的预测误差平方的梯度方向相反来实现。公式表示为
Figure RE-GDA00017178180000000512
则求解
Figure RE-GDA00017178180000000513
表示的微分方程，在扰动估计部中不断计算和更新
Figure RE-GDA00017178180000000514
即可得到c0的估计值
Figure RE-GDA00017178180000000515
如图1所示，本实施例轨道车辆制动减速度闭环控制装置，包括：车辆信息获取部、扰动估计部和制动力运算及管理部。
车辆信息获取部实时获取当前时刻的获取列车速度v、列车电制动力、列车空气制动力、和目标制动减速度atarget。
具体来说，由车辆信息获取部获取司机控制器或自动驾驶***发出的控制指令，解析得到列车目标制动减速度；通过与列车各车辆制动控制装置间的信息传输获得各轴速度并比较得到最高轴速，转化为线速度即列车速度；通过与列车各车辆制动控制装置间的信息传输获得制动控制装置所施加制动力等信息。
扰动估计部根据从车辆信息获取部获得的信息(扰动估计部所需的输入量有列车速度、列车电制动力、列车空气制动力，这些输入量必须进行滤波处理，常见的滤波方式为低通滤波或滑动平均，即滤掉信号中的高频成分或取若干周期内的平均值作为扰动估计部的输入)，对制动过程中的总扰动进行在线估计和更新，获得总扰动估计值。总扰动估计值的计算方法如下：
T1、求解微分方程
Figure RE-GDA0001717818000000061
获得参数a的估计值；
T2、获得总扰动的估计值
Figure RE-GDA0001717818000000062
其中，
Figure RE-GDA0001717818000000063
为参数a的估计值的导数，p为控制增益常数；W＝1-e-λt，λ是***常数；WT是W的转置，
Figure RE-GDA0001717818000000064
Figure RE-GDA0001717818000000065
为列车的载重设定值,
Figure RE-GDA0001717818000000066
为车辆信息获取部获取的列车电制动力和列车空气制动力之和,t为当前时刻，当前时刻t相对于制动减速起始时刻计时。
由于列车实际制动过程中制动力不会突变，故需要对总扰动的估计值
Figure RE-GDA0001717818000000067
也进行低通滤波或滑动平均滤波处理。
制动力运算及管理部结合总扰动的估计值
Figure RE-GDA0001717818000000068
进行列车制动力计算，获得目标制动力
Figure RE-GDA0001717818000000069
本实施例中，根据若干周期的速度信号计算列车减速度，当列车减速度与目标值的差值小于0.1m/s2时，令
Figure RE-GDA00017178180000000610
当列车发生滑行时，若Ftarget更新值有增大趋势则令
Figure RE-GDA00017178180000000611
制动力运算部基于计算得到的列车目标制动力Ftarget进行制动管理，首先进行电制动力的申请，按照各牵引控制单元电制动的能力分配电制动力，电制动力不足的部分根据各车辆制动控制装置的空气制动能力进行分配，由各车辆制动控制装置进行空气制动力的施加。
参数p和λ需要在具体应用中调试，确定较优值。p表示控制器增益，其值越大，算法收敛越快，但当该值超出一定范围后会导致超调及振荡加剧；λ表示***常数，其取值取决于***的特性，其值过小或过大都会导致较大超调，并使算法收敛过慢。因此参数调试时应以实际减速度相对目标减速度的超调量不超过25％且不出现振荡为调试目标，改变参数直至控制性能满意为止。一般而言， p的取值范围为(0,40]，λ的取值范围为[0.1,10]。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种轨道车辆制动减速度闭环控制装置,包括：
车辆信息获取部，用以实时获取当前时刻的列车速度v、列车电制动力、列车空气制动力、和目标制动减速度atarget；
扰动估计部，根据从车辆信息获取部获得的信息，对制动过程中的总扰动进行在线估计和更新，获得总扰动估计值；
所述总扰动估计值的计算方法如下：
T1、求解微分方程
Figure FDA0001699394600000011
获得参数a的估计值；
T2、获得总扰动的估计值
Figure FDA0001699394600000012
其中，
Figure FDA0001699394600000013
为参数a的估计值的导数，p为控制增益常数；W＝1-e-λt，λ是***常数；WT是W的转置，
Figure FDA0001699394600000014
Figure FDA0001699394600000015
为列车的载重设定值,
Figure FDA00016993946000000112
为车辆信息获取部获取的列车电制动力和列车空气制动力之和,t为当前时刻，所述当前时刻t相对于制动减速起始时刻计时；
制动力运算及管理部，结合扰动估计部计算得到的总扰动估计值进行列车制动力计算，获得目标制动力
Figure FDA0001699394600000016
2.轨道车辆制动减速度闭环控制方法，包括以下步骤：
第1步、实时获取当前时刻的列车速度v、列车电制动力、列车空气制动力和目标制动减速度atarget；
第2步、求解微分方程
Figure FDA0001699394600000017
获得参数a的估计值，并对参数a的估计值不断更新；
其中，
Figure FDA0001699394600000018
为参数a的估计值的导数，p为控制增益常数；W＝1-e-λt；λ是***常数；WT是W的转置，
Figure FDA0001699394600000019
Figure FDA00016993946000000110
为列车的载重设定值,
Figure FDA00016993946000000111
为车辆信息获取部获取的列车电制动力和列车空气制动力之和,t为当前时刻，所述当前时刻t相对于制动减速起始时刻计时；
第3步、计算总扰动的估计值
Figure FDA0001699394600000021
第4步、计算目标制动力
Figure FDA0001699394600000022
3.根据权利要求2所述的轨道车辆制动减速度闭环控制方法，其特征在于：当列车减速度与目标制动减速度的差值小于0.1m/s2时，则令
Figure FDA0001699394600000023
4.根据权利要求2所述的轨道车辆制动减速度闭环控制方法，其特征在于：当列车发生滑行时，若Ftarget有增大趋势，则令
Figure FDA0001699394600000024
5.根据权利要求2所述的轨道车辆制动减速度闭环控制方法，其特征在于：所述第3步中，对计算获得的总扰动的估计值进行低通滤波或滑动平均滤波处理。
6.根据权利要求2所述的轨道车辆制动减速度闭环控制方法，其特征在于：对总扰动的估计值
Figure FDA0001699394600000025
进行低通滤波或滑动平均滤波处理。
7.根据权利要求2所述的轨道车辆制动减速度闭环控制方法，其特征在于：p的取值范围(0,40]，λ的取值范围为[0.1,10]。
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