一种车载卫星定位系统速度延滞间隔周期数测量方法

本发明属于机车牵引控制，尤其是涉及一种车载卫星定位系统速度延滞间隔周期数测量方法。

背景技术：

1、列车运行通过轮轨间的相互作用来实现，只有在保证轮轨间的有效粘着为前提条件下，才能进一步利用牵引电机的功率。轮轨粘着特性不仅与机车自身和轮轨材料有关，也与线路状况、轨面清洁度等一系列随时空变化的不确定因素相关。若机车运行过程中牵引力大于轮轨间可用粘着力，多余牵引力将加速车轮形成空转，相对滑动速度很快加大，可用粘着力则迅速降低，会造成轮轨的磨损甚至毁坏，不仅增加了铁路运营的保养维修费用，也会威胁到机车的安全运行。由于机车运行的条件千变万化，牵引中，司机操纵的改变或轨面条件的恶化，空转并不能完全避免；目前国内交直机车主要采用组合校正法进行防空转防滑控制，首先对车轮加速度进行判断，当加速度超过一定阈值时表示空转滑行现象比较严重，则快速深度削减动轮驱动转矩，即削减机车牵引力；如果车轮加速度没有超过阈值，则对蠕滑速度进行判断，当蠕滑速度超过阈值时，对驱动转矩进行较大幅度的调整，反之，判定为正常运行状况。在用的组合校正法采用2个或者是多个单项阈值条件判断是否发生空转，在未发生空转时，不能实现空转风险的综合判断；在已经发生空转时，不能实现空转程度的综合判断。

2、由于蠕滑，特别是轮对空转的存在，机车轮对速度与实际的机车车速之间并不一致，且在判断是否发生轮对空转，计算蠕滑率、蠕滑度等数据的时候，需要分别单独测量机车轮对速度与机车车速，不能使用机车轮对速度来代替机车车速。机车车速常用雷达测速、卫星定位测速方法。卫星定位测速是通过卫星定位实时跟踪机车的运行速度与位置等信息，再通过卫星传输给机车控制端进行处理，最终得到机车车速；卫星定位测速可以克服机车轮对空转、打滑所造成的误差，但卫星定位能力受天气与地形影响大，不能100％时段实现速度测量；存在数据传输延迟且因距离、电离层情况的变化使传输延迟时间不固定，影响速度测量的实时性。雷达测速装置一般安装在机车车底，雷达天线以与地面成一定夹角的方向发射雷达波，当机车与地面有相对运动时，接收到的雷达波会产生频移，依据对雷达波长、频移量、夹角雷达安装高度等数据进行解算，即可得到机车车速；但夹角雷达安装高度等数据可能产生时移波动，且机车路面情况并不一致，雷达安装高度也可能随路面情况发生变化，从而给雷达测速的精度带来影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现在已有技术的缺陷，提供一种车载卫星定位系统速度延滞间隔周期数测量方法，其步骤是：

2、步骤①，获取当前时刻的机车加速度变化率β(k)和定位状态信息x(k)；

3、步骤②，判断是否满足计算延滞间隔周期数的条件；满足式

4、的关系且最近连续的m1次判断车载卫星定位系统速度u(k)均为有效时，转到步骤③计算延滞间隔周期数τ，否则退出；其中，m1≥10，β(k-i)为最近的m1次机车加速度变化率，ε为大于0的加速度变化阈值；机车加速度变化率按照式

5、

6、进行计算；其中，α(k)为最近一次采集的机车加速度，α(k-1)为前一次采集的机车加速度；机车加速度α(k)由加速度计进行测量采集，采集周期为tu；

7、步骤③，优化获取延滞间隔周期数τ；设待优化的参数为延滞间隔周期数为τ*和雷达速度调整系数pw*；延滞间隔周期数为τ*时，与u(k-i)相对应的同步采集时间点采集的机车雷达速度为w*(k-i)，最小值优化目标函数是

8、

9、取满足最优值q的延滞间隔周期数τ*为延滞间隔周期数τ；τ*的取值范围是大于0且小于2/tv的整数，pw*取值范围是大于等于0.8且小于等于1.2。

10、车载卫星定位系统速度u(k)和定位状态信息x(k)的采集周期为tu，tv是机车雷达速度w(h)的采集周期，tu大于tv。

11、判断车载卫星定位系统速度u(k)是否有效的方法是，当定位状态信息x(k)中的定位状态为无效时，车载卫星定位系统速度u(k)无效；当定位状态信息x(k)中的定位状态为有效时，车载卫星定位系统速度u(k)有效。

12、所述机车为能够进行n轴轴控式牵引的电力机车，n为轴控式牵引电力机车的轴数。

13、延滞间隔周期数τ用于确定车载卫星定位系统速度u(k)同步采集时间点采集的轴1至轴n的机车车轮旋转速度vj(k)和机车雷达速度w(k)；机车车轮旋转速度vj(h-τ)为机车车轮旋转速度vj(k)，机车雷达速度w(h-τ)为机车雷达速度w(k)；j的取值为1至n之一。进一步地，用于迭代计算机车车速v和轴1至轴n的蠕滑度变化率xj2，方法是：

14、步骤1，读取第k次迭代计算时的车载卫星定位系统速度u(k)、定位状态信息x(k)；

15、步骤2，读取车载卫星定位系统速度u(k)同步采集时间点采集的机车雷达速度w(k)和轴1至轴n的机车车轮旋转速度vj(k)；

16、步骤3，判断采集的车载卫星定位系统速度u(k)是否有效并统计连续有效次数，得到连续有效次数值m2；判断是否能够进行速度调整模型参数的卫星速度同步整定；判断为能够进行速度调整模型参数的卫星速度同步整定时，转到步骤4；判断为不能够进行速度调整模型参数的卫星速度同步整定时，转到步骤5；

17、步骤4，按照式

18、

19、整定当前雷达速度调整系数pw(k)和当前轴1至轴n的轮/车速度比系数pj(k)；当m2小于m0时，m等于m2-1；当m2大于等于m0时，m等于m0-1；m0为大于等于3的整数；按照式

20、

21、计算当前的雷达同步调整速度w*(k)；转到步骤6；

22、步骤5，对m0个点(k-1,pw(k-1))、(k-1,pw(k-1))、…、(k-m0,pw(k-m0))进行直线拟合得到雷达速度调整一阶拟合直线，取雷达速度调整一阶拟合直线上点(k,pw*(k))上的值pw*(k)为当前雷达速度调整系数pw(k)；按照式

23、

24、计算当前的雷达同步调整速度w*(k)；按照式

25、

26、整定当前轴1至轴n的轮/车速度比系数pj(k)；转到步骤6；

27、步骤6，按照式

28、

29、计算当前机车速度vc(h)，取机车车速v为当前机车速度vc(h)；按照式

30、

31、计算轴1至轴n的蠕滑度变化率xj2。

32、判断是否能够进行速度调整模型参数的卫星速度同步整定的方法是，当定位状态信息x(k)和x(k-1)中的定位状态均为有效定位时，则判断为能够进行速度调整模型参数的卫星速度同步整定，否则，判断为不能够进行速度调整模型参数的卫星速度同步整定。

33、蠕滑度变化率xj2用于机车轮对空转牵引力控制；轴j的机车轮对空转牵引力控制过程是：

34、过程i，空转牵引力减小过程；从空转风险值ej大于等于1且持续增大开始，至空转风险值ej从持续增大变为开始减小时结束，轴j空转牵引力控制比φj以减载斜率djd减小；过程i结束时的φj值为最低维持值φjl；

35、过程ii，空转牵引力最低维持值维持过程；从过程i结束开始，空转风险值ej持续减小至小于1时结束，空转牵引力控制模块控制φj等于最低维持值φjl；

36、过程iii，空转牵引力恢复过程；从过程ii结束开始，控制φj以恢复斜率dju增大，至φj增大到等于1时结束。恢复斜率dju的上升速率在0.05/s至0.5/s之间选择。

37、空转牵引力控制比φj为空转牵引力控制后的轴j机车牵引力与空转牵引力控制前的轴j机车牵引力之间的比值，且有0≤φj≤1。

38、空转风险值ej按照式

39、

40、进行计算，其中，xj1为轴j的轴间速度差，θ1为轴间速度差阈值；xj2为轴j的蠕滑度变化率，θ2为蠕滑度变化率阈值；γ1、γ2为非线性加权指数因子，且有γ1≥2、γ2≥2；轴1至轴n分别计算空转风险值并单独判断。

41、轴j减载斜率djd的大小由轴j蠕滑减载因子ej控制，按照式

42、

43、计算蠕滑减载因子ej，其中，γ0为蠕滑减载控制因子，且1≤γ0≤2。轴j的减载斜率djd按照式

44、

45、进行计算，其中，其中，dh为减载斜率上限值，dl为减载斜率下限值；em为蠕滑减载因子限值，且有

46、

47、轴间速度差xj1用于轴间牵引力分配，方法是，按照式

48、，按照式

49、

50、计算轴j的速差权重值bj；其中，γf为非线性调整系数，γf的取值范围是0.85≤γf≤1.5。按照式

51、

52、进行牵引力分配，其中，fj1为分配给轴j的机车牵引力，pj为轴j的轮荷重，pl为轴l的轮荷重，bl为轴l的速差权重值，f为机车总牵引力。

53、机车车速v用于对机车牵引力进行上限限幅控制，方法是，

54、

55、其中，μk是计算粘着系数，fj1是上限限幅控制前的轴j机车牵引力，fj2是上限限幅控制后的轴j机车牵引力。依据式

56、

57、计算得到计算粘着系数μk，其中，a1、a2、a3、a4、a5为计算粘着系数的经验公式参数。

58、对采样得到的机车车轮旋转速度滤波后得到采集的机车车轮旋转速度；对采样得到的机车雷达速度滤波后得到采集的机车雷达速度；对采样得到的车载卫星定位系统速度滤波后得到采集的车载卫星定位系统速度。在采集第一次车载卫星定位系统速度之前，令

59、

60、其中，i＝1,2,……,m-1；j＝1,2,……,n。

61、本发明的有益效果是：在卫星定位测速有效时，由卫星定位测速数据整定推算轮/车速度比调整模型参数、机车雷达速度调整模型参数；在卫星定位测速无效时，由之前被整定得到的机车雷达速度调整模型参数依据给定表达式，或者是采用一阶拟合直线的方法推算新的机车雷达速度调整模型参数，由调整后的雷达速度调整模型参数去整定推算轮/车速度比调整模型参数，然后依据轮/车速度比调整模型推算得到机车车速和各轴蠕滑度变化率、蠕滑度、轴间速度差等各机车速度相关量。该方法结合了卫星定位测速精度高，雷达测速实时性好且能够长时段正常工作的优点，提高了测量各机车速度相关量的准确性与可靠性。采用判断机车是否处于变速运动状态，若处于变速运动状态，则采集机车变速运动后的雷达测速、卫星定位测速、机车轮对测速得到的信息进行卫星定位数据传输时间，即延滞间隔周期数的优化计算，以得到准确的实时卫星定位数据传输延迟时间(即延滞间隔周期数)，进一步保证了前述机车速度调整方法推算相关速度数据的准确性与可靠性。

62、当在依据轴间速度差进行牵引力分配加上限限幅仍然没有避免轮对空转，例如，总牵引力大，不管如何分配牵引力和进行上限限幅的情况下，限制幅度后各轴牵引力之和(轮周切线力之和)仍然超过轮轨粘着力之和，均不能避免部分轮对或者所有轮对发生空转的情况；此时，判断出某轴轮对发生空转后，该轴牵引力减载的速率则由本轴的蠕滑度大小进行非线性控制，当该轴的蠕滑度大时，意味着空转严重，因此减载速率大，以便迅速消弭空转因素；蠕滑度小时，意味着空转较轻，进行减载但减载速率小。蠕滑度采用非线性方式控制牵引力减载速率，使在蠕滑度阈值附近的控制灵敏度高，能够提高空转轮对的控制效果，从而提高整体空转控制效果。依据蠕滑度控制牵引力减载速率的非线性影响因素大小能够通过设置的参数进行改变，以适应不同场合，达到最佳效果。本发明采用非线性数学模型计算空转风险值来进行各轮轴的空转判断，将传统轮对空转的多个单项阈值判断条件与单项阈值条件均不满足的情况下的加权判断条件综合为一个整体，简化了判断依据，也在单项阈值条件均不满足的情况下，将多个因素量化后进行加权计算，实现多因素的综合判断，使空转判断更为全面准确。非线性数学模型的选取，能够尽量避免单项阈值条件均不满足的情况下加权判断条件的误判可能性。同时，加权判断条件的作用大小可以通过参数来进行设置与调节，各加权项的相对作用大小也可以通过参数来进行设置与调节，使该非线性数学模型归一化的机车轮对空转判断方法能够适用于不同的机车类型与运行状况。对于多轴轴控式牵引的电力机车，当轴重转移使减载量大的轮对有空转趋势时，轴间速度差将变大；本发明还能够不具体分析计算轴重转移量的大小，依据轴间速度差进行轴间的牵引力分配，轴间速度差小则牵引力分配比例大，轴间速度差大则牵引力分配比例小，不同轴间速度差对牵引力分配比例的影响为非线性，轴间速度差较小时其变化对牵引力分配比例的影响小，即在空转风险低时尽量依据轮荷重平均分配各轴的牵引力，或者是与其他轴间速度差小的轮轴平均承担空转高风险轮轴所减载的机车牵引力；在轴间速度差较大，特别是处于轴间速度差阈值(即空转判断阈值)附近，轴间速度差的变化对牵引力分配比例的影响大，即对空转风险高的轮轴则较大幅度减小牵引力的分配，使牵引力分配阶段在维持总机车牵引力不变的前提下，尽量避免轮轴发生空转。依据轴间速度差分配牵引力的非线性影响因素大小能够通过设置的参数进行改变，以适应不同场合，达到最佳效果。同时系统依据以大量实验数据为基础所得到的计算粘着系数经验公式限制各轴的最大牵引力，使机车的最大牵引力限制能够随机车速度的变化实时改变，尽量在不发生轮对空转的情况下进行机车牵引。