一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法，包括以下步骤：S1、根据单轴动力学模型和全维状态观测器原理设计粘着力矩观测器，用于实时估算列车轮轨间的粘着力矩S2、根据粘着力矩车体加速度值a和变步长算法推导计算出牵引电机的自适应限制转矩Tlim；S3、根据牵引电机的自适应限制转矩Tlim和上级牵引控制系统所给定的电机输出转矩指令值Tm*，设计出粘着控制器，协调牵引控制和粘着控制。本发明专利技术有效提高列车牵引制动效率，降低轮轨磨耗，这对加强列车安全稳定运行，延长轮轨使用寿命，改善旅客乘车舒适度，减少列车能源消耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铁路及轨道交通领域，更具体的说，是涉及一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法和系统。
技术介绍
轮轨间相互作用所产生的粘着力是轨道车辆动力系统的一个关键组成部分，其为轨道车辆提供实际的牵引或制动力。然而轮轨间的粘着是一个具有较大不确定性的复杂过程，受机车设计、轮轨条件、车辆速度、线路状况、气候条件等诸多因素影响。随着动车组列车的运行速度和范围的不断增加，列车运行环境也变得更为复杂多变。为保证列车在这种高速度远距离的条件下能安全有效运行，其对动车组列车粘着控制性能提出了更高的要求与挑战。目前实际应用于动车组列车上的粘着控制方法均属于再粘着控制方法，其工作原理是当检测到牵引制动工作点进入到空转或打滑区后再采取相应动作将其拉回到蠕滑区。近年来一些学者，从理论上提出一些优化粘着控制方法(如基于最优蠕滑率/蠕滑速度/粘着斜率的优化粘着控制方法)，试图将其工作点一直保持在最大粘着点附近。然而这些方法在应对“低粘着”所导致的打滑空转问题时都属于事后补偿控制方法，且其需要测量精确的车体速度和获取轮轨表面的粘着特性以保证控制的有效性。而在目前的实际应用中，精确的车体速度和轮轨表面粘着特性的获取存在一定的难度。
技术实现思路
有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法和系统，有效提高列车牵引制动效率，降低轮轨磨耗，这对加强列车安全稳定运行，延长轮轨使用寿命，改善旅客乘车舒适度，减少列车能源消耗。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法，包括以下步骤：S1、根据单轴动力学模型和全维状态观测器原理设计粘着力矩观测器，用于实时估算列车轮轨间的粘着力矩S2、根据粘着力矩车体加速度值a和变步长算法推导计算出牵引电机的自适应限制转矩Tlim；S3、根据牵引电机的自适应限制转矩Tlim和上级牵引控制系统所给定的电机输出转矩指令值Tm*，设计出粘着控制器，协调牵引控制和粘着控制。作为优选的，所述步骤S1中，所述单轴动力学模型的动力学方程为：Fr＝M·(a0+b0V+c0V2)式中，M表示单轴平均质量,Jw表示轮对平均旋转惯量,N表示单轴轴重,Tm表示电机输出转矩,r表示车轮半径,Fa表示轮轨间切向方向的粘着力,TL表示粘着力矩,ω表示车轮旋转角速度,V表示车体速度,Vw表示车轮轮周速度,a表示车体加速度,μ表示粘着系数,Fr表示列车运行阻力,a0,b0,c0表示单位质量列车运行阻力系数。作为优选的，根据单轴动力学方程，推出一阶状态空间表达式：令Y＝ω，u＝Tm,C＝[10]；上述表达式改写为：计算可得矩阵的秩为2。作为优选的，所述粘着力矩观测器的设计表达式为：其中，反馈矩阵为L＝[l1l2]T，通过合理配置反馈矩阵L,使得系统矩阵A-LC的所有特征值具有负实部及所期望的衰减速度，则可实现状态估计值渐进逼近被估计系统的状态X。作为优选的，所述步骤S2中具体包括：S201、根据积分的基本性质，得引理1：不等式是不等式的充分不必要条件；其中，不等式为列车在牵引加速工况下，保证车轮处在蠕滑状态时，蠕滑率λ必须满足的条件；S202、将车体加速度和代入不等式可得其中为粘着力矩观测器所估计的粘着力矩，a为车体加速度计所测量得到的车体加速度值；；移项化简可得：根据引理1可推导出上式是不等式成立的充分不必要条件；S203、在Tm的取值范围内定义一个自适应限制转矩为：λx的值在初始启动阶段采用设置的经验值；当列车遭遇“低粘着”条件后，轮轨间粘着力矩TL产生突降，此时以粘着力矩观测器所估计的的突降为触发条件，强制将λx赋值为0，以快速抑制轮对的空转现象；恢复稳定后，启动变步长算法：λx(i+1)＝λx(i)+α，其中更新λx的值，当不再增加时，算法自动停止工作，此时实现低粘着条件下的最大化粘着利用。作为优选的，所述步骤S3中，采用自适应限制转矩Tlim对牵引控制系统所给定的电机转矩指令值Tm*进行动态限制，以实现主动粘着控制；其饱和限制型控制逻辑关系如下式所述：当给定电机转矩指令值Tm*的绝对值小于自适应限制转矩值Tlim绝对值时，实际电机输出转矩Tm等于给定电机转矩指令值Tm*，满足牵引控制目标要求；当给定电机转矩指令值Tm*绝对值大于自适应限制转矩值Tlim绝对值时，此时±Tlim作为Tm的饱和值，限制住Tm，使其等于±Tlim，满足粘着控制目标要求。一种根据上述方法进行动车组列车的主动粘着控制系统，包括粘着控制器、数据处理模块；所述数据处理模块用于通过反馈回来的轮轴转速信号和牵引电机输出转矩信号估计出实时的轮轨间粘着力矩，并通过估计出实时的轮轨间粘着力矩和车体加速度值，在无需车体速度和轮轨粘着特性的条件下，实时计算出能够适应当前轨面条件的牵引电机输出转矩限制值，为粘着控制器提供牵引电机的自适应限制转矩Tlim；所述粘着控制器通过数据处理模块中所计算的自适应限制转矩Tlim和上级牵引控制系统所给定牵引电机转矩指令值Tm*，在一定的控制逻辑下，产生电机输出转矩的控制指令Tm。作为优选的，所述数据处理模块包括粘着力矩观测器、变步长算法模块和自适应限制转矩计算模块；所述粘着力矩观测器用于通过反馈回来的轮轴转速信号和牵引电机输出转矩信号估计出实时的轮轨间粘着力矩，为下一步信号处理提供可用的粘着力矩值；所述变步长算法模块和自适应限制转矩计算模块用于根据估计出实时的轮轨间粘着力矩和车体加速度值，在无需车体速度和轮轨粘着特性的条件下，实时计算出能够适应当前轨面条件的牵引电机输出转矩限制值，为粘着控制器提供牵引电机的自适应限制转矩Tlim。作为优选的，所述轮轴转速信号由安装在轮轴端的车轴转速传感器输出，车体加速度信号由安装在转向架上的车加速度传感器输出，牵引电机输出转矩信号由粘着控制器输出，上级给定牵引电机转矩信号由列车通信网络传输进来。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术在无需获取车体速度和轮轨粘着特性的条件下，采用观测器和变步长算法实时计算出牵引电机的自适应限制转矩，利用该转矩对牵引电机输出转矩进行在线动态监控，从而能以主动事先预防而非消极事后补偿机制来实现轮对的粘着控制。该控制方法能更有效地解决再粘着控制方法和优化粘着控制方法所难以应对的“低粘着”问题，实现在轨面突变的瞬间，快速有效地抑制空转打滑现象，并在系统恢复稳定后，完成“低粘着”条件下的最大化粘着利用。本专利技术的应用将优化粘着力的控制性能，这将更有效提高列车牵引制动效率，降低轮轨磨耗，这对加强列车安全稳定运行，延长轮轨使用寿命，改善旅客乘车舒适度，减少列车能源消耗等方面具有重要意义。附图说明图1为本专利技术实施例的方法流程图；图2为本专利技术实施例的系统结构框图；图3为本专利技术实施例的粘着力矩观测器结构图；图4为本专利技术实施例的变步长算法流程图；图5为本专利技术实施例的饱和限制型控制逻辑示意图；图6为本专利技术实施例不同控制方法下蠕滑率变化对比图；图7为本专利技术实施例主动粘着控制下各力矩变化曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术所述的一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法和系统作进一步说明。以下是本专利技术所述的一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法和系统的最佳实例，并不因此限定本专利技术的保护范围。图1示出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据单轴动力学模型和全维状态观测器原理设计粘着力矩观测器，用于实时估算列车轮轨间的粘着力矩S2、根据粘着力矩车体加速度值a和变步长算法推导计算出牵引电机的自适应限制转矩Tlim；S3、根据牵引电机的自适应限制转矩Tlim和上级牵引控制系统所给定的电机输出转矩指令值Tm*，设计出粘着控制器，协调牵引控制和粘着控制。

【技术特征摘要】
1.一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据单轴动力学模型和全维状态观测器原理设计粘着力矩观测器，用于实时估算列车轮轨间的粘着力矩S2、根据粘着力矩车体加速度值a和变步长算法推导计算出牵引电机的自适应限制转矩Tlim；S3、根据牵引电机的自适应限制转矩Tlim和上级牵引控制系统所给定的电机输出转矩指令值Tm*，设计出粘着控制器，协调牵引控制和粘着控制。2.根据权利要求1所述的动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述单轴动力学模型的动力学方程为：Jwω·=Tm-TL]]>MV·=Fa-Fr=Ma]]>Fr＝M·(a0+b0V+c0V2)式中，M表示单轴平均质量,Jw表示轮对平均旋转惯量,N表示单轴轴重,Tm表示电机输出转矩,r表示车轮半径,Fa表示轮轨间切向方向的粘着力,TL表示粘着力矩,ω表示车轮旋转角速度,V表示车体速度,Vw表示车轮轮周速度,a表示车体加速度,μ表示粘着系数,Fr表示列车运行阻力,a0,b0,c0表示单位质量列车运行阻力系数。3.根据权利要求2所述的动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法，其特征在于，根据单轴动力学方程，推出一阶状态空间表达式：ω·T·L=0-1/Jw00ωTL+1/Jw0Tm]]>ω=10ωTL]]>令Y＝ω，u＝Tm，C＝[10]；上述表达式改写为：X·=AX+BuY=CX]]>计算可得矩阵的秩为2。4.根据权利要求3所述的动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法，其特征在于，所述粘着力矩观测器的设计表达式为：X^·=AX^+Bu+L(CX-CX^)]]>其中，反馈矩阵为L＝[l1l2]T，通过配置反馈矩阵L,使得系统矩阵A-LC的所有特征值具有负实部及所期望的衰减速度，实现状态估计值渐进逼近被估计系统的状态X。5.根据权利要求4所述的动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法，其特征在于，所述步骤S2中具体包括：S201、根据积分的基本性质，得引理1：不等式是不等式的充分不必要条件；其中，不等式为列车在牵引加速工况下，保证车轮处在蠕滑状态时，蠕滑率λ必须满足的条件；S202、将车体加速度和代入不等式可得其中为粘着力矩观测器所估计的粘着力矩，a为车体加速度计所测量得到的车体加速度值；移项化简可得：根据引理1可推导出上式是不等式成立的充分不必要条件；S203、在Tm的取值范围内定义一个自适应限制转矩为：Tlim=T^L+Jwa(1-λx)r,λx∈[0,λopt];]]>λx的值...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖文豪，陈小梅，张敏慧，沈志凌，郭勇，习博，杜广宇，朱春芳，
申请(专利权)人：中铁第四勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42