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原文传递一种基于最优滑移率的列车防滑控制方法及其控制装置

专利名称：	一种基于最优滑移率的列车防滑控制方法及其控制装置
摘要：	本发明公开了一种基于最优滑移率的列车防滑控制方法及其控制装置，该方法首先根据制动缸压力计算出机车制动力；其次根据轮对速度和机车制动力估计出黏着力和黏着系数，并根据黏着力求出机车速度，再次根据黏着系数和滑移率之间的非线性关系，通过极值搜索算法计算出最优滑移率；然后根据实际滑移率和最优滑移率差值，防滑阀控制板通过运行PID控制算法，求解得到制动力矩；基于制动力矩控制防滑阀开关来对制动缸进行排风或再充风，调节制动缸压力直到达到求解出的制动力矩。本发明的防滑控制方法以实现滑移率最优为控制目标，通过调整控制器参数，使车轮滑移率控制在最优滑移率附近，保证在不同轨道环境下行驶时都具有良好的防滑控制效果。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	中南大学
发明人：	彭军;李恒;徐小康;张晓勇;陈彬;张瑞;黄志武;蒋富;杨迎泽;刘伟荣
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-05T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-18T00:00:00+0800
申请号：	CN201910164540.6
公开号：	CN109895754A
代理机构：	长沙市融智专利事务所(普通合伙)
代理人：	龚燕妮
分类号：	B60T8/17(2006.01);B;B60;B60T;B60T8
申请人地址：	410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号
主权项：	1.一种基于最优滑移率的列车防滑控制方法，其特征在于：包括如下步骤： S1：获取制动缸压力以及轮对速度，并基于制动缸压力与轮对速度分别计算出机车制动力、黏着力、黏着系数以及机车速度； S2：判断步骤S1计算出的机车速度是否大于预设阈值，若大于，对制动缸压力进行调整控制，执行步骤S3；否则，保持制动缸压力不变； S3：基于黏着系数和滑移率之间的非线性关系采用扰动极值算法计算出最优滑移率，以及基于当前机车速度以及轮对速度计算出实际滑移率； S4：判断所述最优滑移率和实际滑移率是否相等，若相等，保持制动缸压力不变；否则，执行步骤S5； S5：根据所述最优滑移率与实际滑移率的差值运行PID控制算法得到制动力矩；其中，根据计算出的制动力矩对制动缸进行排风或充风调节制动缸压力，所述制动力矩的计算公式如下：式中，Tb为制动力矩，R是车轮的半径，Fr是车辆受到的基本阻力，J是转动惯量，kp，Ti和Td分别是PID控制器的比例系数、时间积分常数、时间微分常数，m是车辆的质量，为黏着力，e(t)为当前时刻最优滑移率与实际滑移率的差值，λ为最优滑移率。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1的执行过程如下：首先，根据制动缸压力计算出每个车轮对应的机车制动力；所述机车制动力的计算公式如下： Fbi＝i·φ·K,1≤i≤n 式中，Fbi表示第i个车轮对应的机车制动力，φ为高磨合成闸瓦和闸片之间的摩擦系数，K为制动缸压力，n为车轮个数，即每个制动夹钳的闸片数目；然后，根据轮对速度以及每个车轮对应的机车制动力计算出每个车轮对应的黏着力以及黏着系数；所述黏着力与黏着系数的关系如下：式中，μ(λ)i表示第i个车轮对应的黏着系数，表示第i个车轮对应的黏着力，g是重力加速度；最后，根据每个车轮对应的黏着力计算出机车速度；所述机车速度的计算公式如下：式中，表示制动初始时刻车辆的瞬时速度，t0表示制动初始时刻，t表示制动时间；其中，当前时刻选取任意一个车轮对应的机车制动力、黏着力以及黏着系数作为机车的机车制动力、黏着力以及黏着系数。 3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：根据轮对速度以及车轮对应的机车制动力计算出车轮对应的黏着力以及黏着系数的过程如下：首先，构建扩张状系统状态观测器，其中，将轮对速度和未知黏着系数分别作为两个状态变量x1和x2，将机车制动力Fb作为控制输入，并定义两个状态变量x1和x2的估计值和并给出状态变量x1的估计值然后，计算状态变量x1的观测误差值并将观测误差值乘以比例控制系数k后得到控制输入u0；其次，基于状态变量x2获取估计值并乘以控制输入补偿控制律作为补偿控制输入ud；式中，μ(λ)表示黏着系数，为控制输入补偿控制率，k1为补偿系数，b1是控制输入系数；最后，根据机车制动力Fb、控制输入u0、补偿控制输入ud的关系式以及黏着力与黏着系数的关系式计算出黏着力和黏着系数： Fb＝u0+ud。 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3中基于黏着系数和滑移率之间的非线性关系采用扰动极值算法计算出最优滑移率的过程如下： S31：定义最优滑移率λ的滑移率估计值以及定义最优滑移率λ与滑移率估计值的误差并设定估计值的初值以及寻优范围或寻优规律； S32：获取黏着系数和滑移率之间的非线性关系，并将黏着系数作为输出信号y；式中，y表示实际存在但未知的黏着系数极值，表示输出信号y的二阶导数； S33：基于寻优范围或寻优规律更新滑移率估计值并基于更新后的输入信号y执行如下操作获取到满足操作过程执行条件下的滑移率估计值，满足执行条件下的滑移率估计值为当前最优滑移率；其中，操作过程如下：首先，将扰动信号a sin(x)作用于输出信号y得到新输出信号y，其中，a为幅值；然后，将新输出信号进行变换并经过高通滤波器消除直流部分信号，再将剩余信号与正弦信号相乘解调得到解调信号；最后，将解调信号通过积分器极大衰弱高频信号处理；其中，满足上述操作过程将得到如下信号：式中，表示最优滑移率λ*与滑移率估计值的误差的导数，k2为积分器的比例系数。 5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3中实际滑移率的计算公式如下：式中，λ表示实际滑移率，v(t)为当前时刻的机车速度，ω为当前时刻的轮对速度。 6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中所述预设阈值为3km/h。 7.一种基于权利要求1-6任一项所述方法的装置，其特征在于：所述装置上设有电子制动控制单元，所述电机制动控制单元通过防滑阀与制动缸连接；所述电机制动控制单元包括模拟板、控制板、DIO板以及电源板，所述模拟板和DIO板均与所述控制板连接，所述模拟板、控制板、DIO板均与所述电源板连接；其中，所述模拟板与速度传感器以及压力传感器连接，用于采集轮对速度以及制动缸压力信号；所述模拟板将采集的轮对速度以及制动缸压力信号发送给控制板；所述控制板，用于根据权利要求1-6所述方法计算出制动力矩；所述控制板基于制动力矩通过DIO板执行输出命令来控制防滑阀开关，通过所述防滑阀对所述制动缸进行排风或充风。 8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述模拟板与所述控制板通过CAN总线连接，所述控制板与所述DIO板通过数据地址总线连接。 9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：还包括风源系统、防滑阀、压力传感器、速度传感器以及制动缸；其中，风源系统通过防滑阀与所述制动缸连通，所述压力传感器设于所述制动缸内，用于检测制动缸压力；所述速度传感器设于车轮上，用于检测机车的轮对速度。
所属类别：	发明专利