轨道机车恒速平稳性控制方法及相应轨道机车与流程

1.本公开涉及轨道机车技术领域，尤其涉及一种轨道机车恒速平稳性控制方法及相应轨道机车。


背景技术：

2.轨道机车运行按照速度模式控制，当司机设定速度目标值后，控制系统自动计算牵引电制力输出值控制整列车组加速或减速，并最终趋近设定目标速度。调节过程中整列组应该运行平稳，无冲动现象。然而，在实际线路运行中，由于运用环境、编组类型、载客数量及线路坡道等因素的差异，在长上坡、起伏破等特殊路况会造成实际速度过冲或者牵引电制力频繁震荡的现象，影响了旅客的乘坐舒适性。因此，需要一种有效的冲动抑制方法来进行动态调节，提升速度标定精度及运行平稳性。
3.现有技术1为一种机车及其定速巡航方法(cn 110723173 a)，该方法通过速度差进行pi调节，控制参数为设定速度与实际速度的差值。在坡道较大路段发生冲动时，由于直接作用参数为车钩力，而车钩力与牵引力、阻力和整车载重有关，并直接影响加速度变化。速度差的变化滞后于加速度的变化，仅采用速度差进行控制将在大坡道坡度转换时，由于pi调节器积分值过大无法快速切换为电制力，速度产生过冲现象，因此该方法对冲动的响应存在一定的滞后性。
4.现有技术2一种电力机车恒速控制方法、装置及设备(cn 112083649 a)，该控制方法通过对加速度进行实时调节，相较现有技术1提高了响应性能，减小了计算量，但需要对加速度限制曲线进行预先测算，加速度限制曲线的设置误差将直接影响控制模型的精度。同时，在设定速度与实际速度临近的时候，该方案为保证平稳性会将加速度限制曲线的阈值设置较小，如果线路坡道发生变化，基于加速度的pi调节器比基于速度差的pi调节器更具有预判性和实时响应性，输出力会跟随加速度波动发生快速调节，极易触碰加速度限制曲线，引起牵引力突增突降。这种快速响应性虽然提高了控速精度，但是由于牵引力的反复震荡，将导致不必要的冲动问题。
5.现有技术3电力机车恒速运行工况下的平稳性控制方法(cn 107487228a)，该方法的控制实质依旧是利用速度差进行pi调节，并根据速度差的大小来限制计算力矩的输出。相较于现有技术方案一，其对设定速度的突增突降增加没有滤波处理，仅对输出力矩的极值进行限制，无法实时响应加速度的变化。在起伏坡或加速度突变的运用场景下，由于力矩极值的限制也无法实现快速响应。同时，由于该方法根据速度差动态调节pi控制器的比例、积分系数，在切换时会破坏原有pi控制器的稳定性，造成输出力矩震荡，也不利于运行平稳性。
6.基于此，现有技术仍然亟待改进。


技术实现要素：

7.为解决上述的技术问题，本发明实施例提出了一种轨道机车恒速平稳性控制方法
及相应轨道机车。
8.本公开实施例所提供的一种轨道机车恒速平稳性控制方法，采用速度pi调节器和加速度调节器共同控制力矩的输出，包括：
9.步骤1，设置速度差阈值
△va
、加速度上限值aa和加速度下限值ab；
10.步骤2，速度差
△
v与速度差阈值
△va
比较、以及加速度a与加速度上限值aa及加速度下限值ab比较，进行工况的判定，速度差
△
v＝vset-spdact，其中，vset为设定速度、spdact为实际速度；
11.步骤3，根据判定的工况的不同，选择采用速度pi调节器或加速度调节器的输出值控制输出力矩fout，
12.其中，各种工况均用输出力矩fout对速度pi调节器或加速度调节器的基准值复位。
13.进一步地，速度差阈值
△va
》0、加速度上限值aa》0、加速度下限值ab》0。
14.进一步地，步骤2中工况包括：
15.工况1：速度差
△
v大于速度差阈值
△va
、加速度a大于加速度上限值aa，或速度差
△
v小于负的速度差
△va
且加速度a小于0且大于负的加速度下限值ab；
16.工况2：速度差
△
v大于速度差阈值
△va
、加速度a大于0且小于加速度下限值ab，或速度差
△
v小于负的速度差阈值
△va
、加速度a小于负的加速度上限值aa；
17.工况3：速度差
△
v的绝对值小于速度差阈值
△va
。
18.进一步地，根据加速度调节器输出值的中间变量fchange_temp控制输出力矩fout，中间变量fchange_temp分别为-1、0和1。
19.进一步地，根据中间变量fchange_temp的一阶惯性滤波输出值fchange控制输出力矩fout，-1《fchange《1。
20.进一步地，步骤3中：
21.工况1：fchange_temp＝-1，采用速度pi调节器与加速度调节器输出的较小值控制输出力矩fout；
22.工况2：fchange_temp＝1，采用速度pi调节器与加速度调节器输出的较大值控制输出力矩fout；
23.工况3：fchange_temp＝0，采用速度pi调节器输出值控制输出力矩fout。
24.进一步地，步骤3中：
25.工况1：-1《fchange《0，采用速度pi调节器与加速度调节器输出的较小值控制输出力矩fout；
26.工况2：0《fchange《1，采用速度pi调节器与加速度调节器输出的较大值控制输出力矩fout；
27.工况3：fchange＝0，采用速度pi调节器输出值控制输出力矩fout。
28.进一步地，根据中间变量fchange_temp进行基准值复位：
29.工况1：输出力矩值赋给速度pi调节器与加速度调节器的输出值的较大值，对相应调节器进行基准值复位；
30.工况2：输出力矩值赋给速度pi调节器与加速度调节器的输出值的较小值，对相应调节器进行基准值复位；
31.工况3：pi调节器与加速度调节器的输出值保持当前值不变。
32.进一步地，根据一阶惯性滤波输出值fchange进行基准值复位：
33.工况1：将上一个周期计算的输出力矩赋给pi调节器与加速度调节器的输出值的较大值，对相应调节器进行基准值复位；
34.工况2：将上一个周期计算的输出力矩赋给pi调节器与加速度调节器的输出值的较小值，对相应调节器进行基准值复位；
35.工况3：pi调节器与加速度调节器的输出值保持当前值不变。
36.另外，本发明实施还公开了一种轨道机车，其采用上述的轨道机车恒速平稳性控制方法进行恒速平稳性控制。
37.采用上述技术方案，本发明至少有如下有益效果：
38.本发明所公开的轨道机车恒速平稳性控制方法，通过引入加速度调节器与速度pi调节器共同作用，避免了单独使用速度差进行pi调节的弊端，提升了控制系统对起伏坡及加速度突变工况的快速响应性；通过综合选取速度pi调节器与加速度调节器的输出值，进行比较处理并对调节器进行基值复位，兼顾了速度pi调节器的稳态响应性优势和加速度调节器的动态响应性优势，避免了加速度突变造成的力矩频繁震荡；通过对加速度限制值进行滞环处理及一阶惯性滤波，并在持续加速或持续减速过程中仅使用一套pi调节器整定参数，避免了参数反复变化对控制器连续性的影响。
附图说明
39.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1是本公开实施例的轨道机车恒速平稳性控制方法的结构图；
41.图2是本公开实施例的加速度调节器输出值的中间变量fchange_temp条件方框图；
42.图3是本公开实施例公开的基于一阶惯性滤波输出值fchange基准值复位方框图。
具体实施方式
43.下面结合附图和实施例对本公开的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本公开的原理，但不能用来限制本公开的范围，本公开可以以许多不同的形式实现，不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
44.本公开提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
45.需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是大于或等于两个；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方
位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
46.此外，本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。
47.还需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。
48.本公开使用的所有术语与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
49.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
50.如图1所示，本公开针对轨道机车平稳性控制算法的不足，提出了一种全新的控制策略，逐一解决了现有技术的各项缺点，大幅提高了轨道机车运行稳定性，具体地，本公开一些实施例提供了一种轨道机车恒速平稳性控制方法，采用速度pi调节器和加速度调节器共同控制力矩的输出，包括：
51.步骤1，设置速度差阈值
△va
、加速度上限值aa和加速度下限值ab；
52.步骤2，速度差
△
v与速度差阈值
△va
比较、以及加速度a与加速度上限值aa及加速度下限值ab比较，进行工况的判定，速度差
△
v＝vset-spdact，其中，vset为设定速度、spdact为实际速度；
53.步骤3，根据判定的工况的不同，选择采用速度pi调节器或加速度调节器的输出值控制输出力矩fout，
54.其中，各种工况均用输出力矩fout对速度pi调节器或加速度调节器的基准值复位。
55.本公开的控制算法基于速度差的阈值进行分段处理。当速度差大于设定阈值时，表明当前为提速或降速过程，通常该过程需保证持续稳定的牵引力输出，使车钩始终处于拉伸状态，不能一味快速响应线路起伏导致的加速度变化而引起牵引力的频繁调节，因此本公开采用基于速度差的pi调节器与加速度调节器共同调节的策略。
56.在一些实施例中，设置速度差阈值
△va
》0来限定pi调节器和加速度调节器的使用条件；设置加速度上限值aa》0、加速度下限值ab》0来限定提速或降速过程中加速度调节器的滞环作用范围，避免了单一加速度曲线限制所带来的频繁震荡问题。
57.具体地，步骤2中工况包括：
58.工况1：速度差
△
v大于速度差阈值
△va
、加速度a大于加速度上限值aa，或速度差
△
v小于负的速度差
△va
且加速度a小于0且大于负的加速度下限值ab；
59.工况2：速度差
△
v大于速度差阈值
△va
、加速度a大于0且小于加速度下限值ab，或速度差
△
v小于负的速度差阈值
△va
、加速度a小于负的加速度上限值aa；
60.工况3：速度差
△
v的绝对值小于速度差阈值
△va
。
61.进一步地，本公开采用基于速度差的增量式pi调节器和加速度调节器共同控制力矩的输出，持续加速或减速过程中保证力矩稳定的同时，当实际速度逼近设定目标速度时能够平滑过渡，避免速度过冲或牵引力震荡问题。
62.具体地，速度pi调节器输出值计算公式为：
63.fpi＝fpi’ k1
×
(vset-spdact)
curterror-k2
×
(vset-spdact)
preverror
,
64.其中，fpi为速度pi调节器输出值，k1＝kp ki,k2＝kp，fpi’为fpi的上一个计算周期值，kp是pi调节的比例系数，ki是pi调节的积分系数，(vset-spdact)
curterror
为当前周期的速度差，(vset-spdact)
preverror
为上一个周期的速度差。
65.加速度调节器输出值计算公式为：
66.fa＝fa’ fchange
×af
67.其中，fa为加速度调节器输出值，fa’为fa的上一个计算周期值，fchange为fchange_temp的一阶惯性滤波输出值，af为加速度调节系数。
68.具体地，fchange_temp为加速度调节器输出值的中间变量，优选地，通过fchange_temp控制输出力矩fout，中间变量fchange_temp分别为-1、0和1。
69.进一步地，在一些实施例中，
70.工况1：fchange_temp＝-1，采用速度pi调节器与加速度调节器输出的较小值控制输出力矩fout；
71.工况2：fchange_temp＝1，采用速度pi调节器与加速度调节器输出的较大值控制输出力矩fout；
72.工况3：fchange_temp＝0，采用速度pi调节器输出值控制输出力矩fout。
73.为了进一步增强加速度调节器的平稳性，对fchange_temp进行一阶惯性滤波得到条件值fchange，优选地，在一些实施例中，根据fchange控制输出力矩fout，具体地，-1《fchange《1。
74.在一些实施例中，
75.工况1：-1《fchange《0，采用速度pi调节器与加速度调节器输出的较小值控制输出力矩fout；
76.工况2：0《fchange《1，采用速度pi调节器与加速度调节器输出的较大值控制输出力矩fout；
77.工况3：fchange＝0，采用速度pi调节器输出值控制输出力矩fout。
78.由于动车组冲动的本质是车钩力在整车加速度变化不均时，车钩在拉伸与压缩状态间变换造成的，因此需要在持续加速或减速时避免牵引力的频繁调节，保持相对稳定的状态输出。基于速度差的pi调节算法以速度差为调节输入，比例调节对加速的短时瞬变的响应性较低，能够在持续加速或减速的过程中较好的保持输出力矩的稳定性，从而有效维持车钩力的状态。但在持续加速过程中，由于速度差始终存在，因此积分调节会产生累计误
差，当到达设定速度目标值时造成牵引力仍旧较大，如果快速将牵引力减载会导致冲动现象。因此，本公开为防止冲动现象发生，通过输出力矩fout对速度pi调节器或加速度调节器的基准值复位。
79.在一些实施例中，根据中间变量fchange_temp进行基准值复位，具体为：
80.工况1：fchange_temp＝-1，输出力矩值赋给速度pi调节器与加速度调节器的输出值的较大值，对相应调节器进行基准值复位；
81.工况2：fchange_temp＝1，输出力矩值赋给速度pi调节器与加速度调节器的输出值的较小值，对相应调节器进行基准值复位；
82.工况3：fchange_temp＝0，pi调节器与加速度调节器的输出值保持当前值不变。
83.优选地，在一些实施例中，根据fchange_temp的一阶惯性滤波输出值fchange进行基准值复位，具体为：
84.当-1《fchange《0时，输出力矩fout等于fpi与fa的较小值，并且当fpi》fa时，将上一个周期计算的输出力矩值fout’赋给fpi，反之则将fout’赋给fa。当0《fchange《1时，输出力矩fout等于fpi与fa的较大值，并且当fpi《fa时，将上一个周期计算的输出力矩值fout’赋给fpi，反之则将fout’赋给fa。当fchange＝0时，输出力矩值等于fpi，并且fpi与fa保持当前值不变。
85.另外，本发明实施还公开了一种轨道机车，其采用上述的轨道机车恒速平稳性控制方法进行恒速平稳性控制。
86.至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
87.虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。