一种高速列车制动力分配优化控制方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高速列车制动力分配优化控制方法，涉及一种高速列车制动力分配优化控制系统，用于对各节列车应施加制动力进行协调控制；所述系统包括制动力分配优化控制模块，所述模块基于单节列车受力模型获取粘着重力FNi，还包括用于获取列车粘着力约束条件Fμ的比较器和乘法器、制动力分配优化控制单元和制动力再分配及其优化单元；所述方法包括粘着重力的计算，列车粘着力约束条件的确定，电制动优先的制动力优化控制算法，制动力再分配方法及其优化算法；本发明专利技术跟随列车粘着状态时变的动态过程，在各种复杂轨面状况条件下实现列车安全、平稳、可靠的制动，有效的解决高速列车制动滑行的问题，进一步提升了高速列车制动控制系统的稳定性和准确性。

An optimal control method and system for braking force distribution of high speed train

The invention discloses a high-speed train braking force distribution optimization control method, and relates to a high-speed train braking force distribution optimization control system for coordinated control of the braking force applied to the train; including the optimization of braking force distribution control module of the system, the module based on single train force model for adhesive the gravity of FNi, which is used for obtaining the train adhesion constraint multiplier, comparator and optimization of braking force distribution control unit and power unit and its optimization conditions of F redistribution; the method includes calculation adhesion gravity, train to determine viscosity constraints, electric braking priority braking force optimization control algorithm, the braking force redistribution the method and its optimization algorithm; the dynamic process of the invention the following train adhesion time-varying, train safety in complex rail surface conditions All, steady and reliable braking can effectively solve the problem of high-speed train braking and sliding, and further improve the stability and accuracy of high-speed train brake control system.

【技术实现步骤摘要】
一种高速列车制动力分配优化控制方法及其系统
本专利技术属于高速列车车辆控制
，更具体地，涉及一种高速列车制动力分配优化控制方法及其系统，能够特别适应不同自然环境、不同线路条件下高性能的高速列车制动力的分配控制。
技术介绍
高速列车是国家公共交通的主要载体，承担着国家互联、互通的重大发展战略，制动系统作为高速列车的关键部件，是安全运营的重要前提。高速列车在制动过程中，制动控制装置产生的制动力以轮轨间粘着力的形式阻碍列车的运动趋势。根据高速列车的粘着特性曲线，车轴制动力的发挥受轮轨间粘着力的约束。当制动力大于轨面间的粘着力时，车轮即会在轨面上产生滑行的问题，既而擦伤轨面。然而，现有的制动力分配控制模块并未考虑粘着力的约束条件，难以有效发挥高速列车的制动效率。列车在制动过程中，必然发生轴重转移；轮轨间的粘着状态呈现出非线性、快速时变的特征，轮轨间的粘着力各有差异。在车控模式下，列车粘着最小的轮对率先发生滑行，而其它节列车的粘着力约束条件却没有得到充分利用，因此，提供一种高性能的制动力分配控制系统，显得至关重要。
技术实现思路
为了克服上述现有技术中的缺点，本专利技术提供一种高速列车制动力分配优化控制方法及其系统，利用各节列车粘着冗余进行制动力分配，以更加有效得预防列车制动滑行的问题，从而使列车制动过程更加平稳的重要保障。具体技术方案如下：一种高速列车制动力分配优化控制方法，涉及一种高速列车制动力分配优化控制系统，用于对各节列车应施加制动力进行协调控制，所述高速列车制动力分配优化控制系统包括制动力分配优化控制模块，所述制动力分配优化控制模块基于单节列车受力模型获取粘着重力FNi，还包括用于获取列车粘着力约束条件Fμ的比较器和乘法器、制动力分配优化控制单元和制动力再分配及其优化单元；所述高速列车制动力分配优化控制方法具体包括以下步骤：S1.粘着重力的计算；根据单节列车受力模型，计算列车各轴粘着重力Pfi＝FNi(i＝1,2,3,4)式中，Pfi为列车第i轴的粘着重力，FNi为列车第i轴的法向约束力；S2.列车粘着力约束条件的确定；根据粘着系数的定义，粘着系数μ在采用经验公式下，当前轨面状态下各轴的粘着力Fμi＝Pfi·μ，选取其中的最小值作为该节列车各轴的粘着力约束条件，所述该节列车的粘着力约束为最小粘着力的四倍；S3.电制动优先的制动力优化控制算法；根据步骤S2所述粘着力约束条件，采用电制动优先的制动力优化分配方法，具体包括以下步骤：T1.在制动单元内，优先施加动车总的电制动力Fed，所施加的电制动力不能超过其当前状态下该节列车粘着力约束；T2.当电制动力不足时则优先由拖车总的空气制动力Fept补足，同样地，所施加的制动力依然不能超过其当前状态下该节列车粘着力约束；T3.若拖车施加的制动力仍然不能满足制动要求时，则再由动车施加空气制动力Fepm补足，直至其粘着力约束；S4.制动力再分配方法及其优化算法；根据步骤S3的分配方法，为得到各节列车应施加制动力的大小，提出一种制动力再分配的控制方法，利用列车受粘着约束下的粘着力的大小按照正比例对制动力再分配，即可得各节列车应施加的制动力的大小式中，Fe为动车或拖车应施加的总的制动力，Fμi、Fi分别为动车或拖车第i节列车的粘着力约束和应施加的制动力，n为动车或拖车的数量，Fμj其中第j节列车的粘着力约束；S5.对步骤S4所述制动力再分配控制方法进行优化，根据第i节列车第k时刻的列车粘着力参与第(k+1)时刻制动力的再分配，以此往复循环即可实现制动力的动态再分配过程更具体地，制动力分配优化控制模块，由列车自动运行系统ATO或司机制动控制器发送制动指令，DSP中央控制单元接收到制动指令后，提取车载雷达测得的车体速度信号vt，由列车粘着重力计算模块获取粘着重力FNi，经由列车粘着力约束单元获取列车粘着力约束Fμ，制动力分配优化控制单元基于粘着力约束条件得到动车应施加总的电制动力Fed和空气制动力Fepm、拖车应施加总的空气制动力Fept，通过制动力再分配及其优化单元即可获取各节列车应施加的制动力的大小，与MVB总线交互。进一步地，所述高速列车制动力分配优化控制系统还包括列车自动运行系统ATO、司机制动控制器、DSP中央控制单元、车载雷达和设置于各节列车基础制动装置，所述制动力分配优化控制模块和列车基础制动装置之间通过MVB总线连接，所述列车自动运行系统ATO和司机制动控制器与DSP中央控制单元连接，所述车载雷达与DSP中央控制单元连接。进一步地，所述列车基础制动装置包括牵引变流器、DSP机车控制单元、电流信号采集单元、牵引电机、制动供给风缸、电空转换阀、中继器、盘形制动装置；所述DSP单节列车控制单元通过MVB总线与制动力分配优化控制模块连接。更具体地，列车基础制定装置，MVB总线接收制动力分配优化控制模块的信号，对高速列车各节列车的基础制动装置DSP单节列车控制单元发送电气制动指令，对于动车而言，电制动的发挥是依靠DSP单节列车控制单元输出的PWM调制波形控制牵引变流器中电路的开关，使得牵引电机由电动状态转换为发电状态，将电能反馈到电网中；对于列车空气制动力是由DSP单节列车控制单元发送电信号，经电空转换阀、中继器等部件，盘形制动装置在空气压力推动的作用下，依靠于轮对之间的摩擦实施制动，继而完成列车的制动。进一步地，所述制动力分配优化控制单元包括：电制动优先判别单元、粘着力约束下基于粘着力正比例的制动力分配单元、动车和拖车总的制动力存储单元，用于给定动车和拖车应施加制动力；更具体地，在一个制动单元内，优先施加动车总的电制动力Fed，所施加的电制动力不能超过动车粘着力约束；当电制动力不足时则优先由拖车总的空气制动力Fept补足，同样地，所施加的制动力依然不能超过其粘着限制；若拖车施加的制动力仍然不能满足制动要求时，则再由动车施加空气制动力Fepm补足，直至其粘着限制。进一步地，所述制动力再分配及其优化单元包括基于粘着力正比例的制动力再分配单元、单节列车受力模型、时变条件下制动力再分配优化单元，用于确定各节列车应施加制动力；更具体的，制动力再分配及其优化单元，利用列车受粘着约束下的粘着力的大小按照正比例对制动力再分配，即可得各节列车应施加的制动力的大小；由各车轴制动力Fi代入单节列车受力模型中，得到当前时刻粘着重力的大小，进而得到在下一时刻各节列车粘着力约束条件，参与该时刻制动力的分配，即实现制动力再分配的优化。进一步地，步骤1的具体过程为：步骤1.1，对车体进行受力分析和力矩平衡方程F1+F2+F0＝Ma步骤1.2，对转向架1进行受力分析和力矩平衡方程2F-F1＝ma步骤1.3，对转向架2进行受力分析和力矩平衡方程2F-F2＝ma步骤1.4，将步骤1.1、步骤1.2、步骤1.3方程联立，可得到列车各轴法向约束力式中，M、m分别为车体质量和转向架质量，g为重力加速度；N5、N6分别为车体对两个转向架的压力，FN1、FN2、FN3、FN4分别为列车各轴受到轨面法向约束力，F0为列车车间力的合力，H、h分别为车钩和转向架牵引点到轨面之间的距离，2b为轴距，2L为转向架中心距，F1和F2分别为两个转向架对车体的制动力，v、a分别为列车的车速和加速度。进一步地，步骤3的具体过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速列车制动力分配优化控制方法，涉及一种高速列车制动力分配优化控制系统，用于对各节列车应施加制动力进行协调控制，其特征在于，所述高速列车制动力分配优化控制系统包括制动力分配优化控制模块，所述制动力分配优化控制模块基于单节列车受力模型获取粘着重力FNi，还包括用于获取列车粘着力约束条件Fμ的比较器和乘法器、制动力分配优化控制单元和制动力再分配及其优化单元；所述高速列车制动力分配优化控制方法具体包括以下步骤：S1.粘着重力的计算；根据单节列车受力模型，计算列车各轴粘着重力Pfi＝FNi(i＝1,2,3,4)式中，Pfi为该节列车第i轴的粘着重力，FNi为列车第i轴的法向约束力；S2.列车粘着力约束条件的确定；根据粘着系数的定义，粘着系数μ在采用经验公式下，当前轨面状态下各轴的粘着力Fμi＝Pfi·μ，选取其中的最小值作为该节列车各轴的粘着力约束条件，所述列车粘着力约束为最小粘着力的四倍；S3.电制动优先的制动力优化控制算法；根据步骤S2所述粘着力约束条件，采用电制动优先的制动力优化分配方法，具体包括以下步骤：T1.在制动单元内，优先施加动车总的电制动力Fed，所施加的电制动力不能超过其当前状态下该节列车粘着力约束；T2.当电制动力不足时则优先由拖车总的空气制动力Fept补足，同样地，所施加的制动力依然不能超过其当前状态下该节列车粘着力约束；T3.若拖车施加的制动力仍然不能满足制动要求时，则再由动车施加空气制动力Fepm补足，直至其粘着力约束；S4.制动力再分配方法及其优化算法；根据步骤S3的分配方法，为得到各节列车应施加制动力的大小，提出一种制动力再分配的控制方法，利用列车受粘着约束下的粘着力的大小按照正比例对制动力再分配，即可得各节列车应施加的制动力的大小...

【技术特征摘要】
1.一种高速列车制动力分配优化控制方法，涉及一种高速列车制动力分配优化控制系统，用于对各节列车应施加制动力进行协调控制，其特征在于，所述高速列车制动力分配优化控制系统包括制动力分配优化控制模块，所述制动力分配优化控制模块基于单节列车受力模型获取粘着重力FNi，还包括用于获取列车粘着力约束条件Fμ的比较器和乘法器、制动力分配优化控制单元和制动力再分配及其优化单元；所述高速列车制动力分配优化控制方法具体包括以下步骤：S1.粘着重力的计算；根据单节列车受力模型，计算列车各轴粘着重力Pfi＝FNi(i＝1,2,3,4)式中，Pfi为该节列车第i轴的粘着重力，FNi为列车第i轴的法向约束力；S2.列车粘着力约束条件的确定；根据粘着系数的定义，粘着系数μ在采用经验公式下，当前轨面状态下各轴的粘着力Fμi＝Pfi·μ，选取其中的最小值作为该节列车各轴的粘着力约束条件，所述列车粘着力约束为最小粘着力的四倍；S3.电制动优先的制动力优化控制算法；根据步骤S2所述粘着力约束条件，采用电制动优先的制动力优化分配方法，具体包括以下步骤：T1.在制动单元内，优先施加动车总的电制动力Fed，所施加的电制动力不能超过其当前状态下该节列车粘着力约束；T2.当电制动力不足时则优先由拖车总的空气制动力Fept补足，同样地，所施加的制动力依然不能超过其当前状态下该节列车粘着力约束；T3.若拖车施加的制动力仍然不能满足制动要求时，则再由动车施加空气制动力Fepm补足，直至其粘着力约束；S4.制动力再分配方法及其优化算法；根据步骤S3的分配方法，为得到各节列车应施加制动力的大小，提出一种制动力再分配的控制方法，利用列车受粘着约束下的粘着力的大小按照正比例对制动力再分配，即可得各节列车应施加的制动力的大小式中，Fe为动车或拖车应施加的总的制动力，Fμi、Fi分别为动车或拖车第i节列车的粘着力约束和应施加的制动力，n为动车或拖车的数量，Fμj其中第j节列车的粘着力约束；S5.对步骤S4所述制动力再分配控制方法进行优化，根据第i节列车第k时刻的列车粘着力参与第(k+1)时刻制动力的再分配，以此往复循环即可实现制动力的动态再分配过程2.根据权利要求1所述的一种高速列车制动力分配优化控制方法，其特征在于，所述高速列车制动力分配优化控制系统还包括列车自动运行系统ATO、司机制动控制器、DSP中央控制单元、车载雷达和设置于各节列车的基础制动装置，所述制动力分配优化控制模块和列车基础制动装置之间通过MVB总线连接，所述列车自动运行系统ATO和司机制动控制器与DSP中央控制单元连接，所述车载雷达与DSP中央控制单元连接。3.根据权利要求2所述的一种高速列车制动力分配优化控制方法，其特征在于，所述列车基础制动装置包括牵引变流器、DSP单节列车控制单元、电流信号采集单元、牵引电机、制动供给风缸、电空转换阀、中继器、盘形制动装置；所述DSP单节列车控制单元通过MVB总线与制动力分配优化控制模块连接。4.根据权利要求1所述的一种高速列车制动力分配优化控制方法，其特征在于，所述制动力分配优化控制单元包括：电制动优先判别单元、粘着力约束下基于粘着力正比例的制动力分配单元、动车和拖车总的制动力存储单元，用于给定动车和拖车应施加制动力。5.根据权利要求1所述的一种高速列车制动力分配优化控制方法，其特征在于，所述制动力再分配及其优化单元包括基于粘着力正比例的制动力再分配单元、单节列车受力模型、时变条件下制动力再分配优化单元，用于确定各节列车应施加制动力。6.根据权利要求1所述的一种高速列车制动力分配优化控制方法，其特征在于，所述步骤S1法向约束力FNi与粘着重力Pfi为一对作用力与反作用力，所述步骤S1的粘着重力的计算基于单节列车受力模型，对列车进行受力分析和列写力矩平衡方程、联立求得列车各轴粘着重力，具体过程为：S11.对车体进行受力分析和力矩平衡方程F1+F2+F0＝MaS12.对转向架1进行受力分析和力矩平衡方程2F-F1＝maS13.对转向架2进行受力分析和力矩平衡方程2F-F2＝maS14.将步骤1.1、步骤1.2、步骤1.3方程联立，可得到列车各轴法向约束力

【专利技术属性】
技术研发人员：张昌凡，殷晓飞，何静，刘建华，豆兵兵，何云国，程翔，史来诚，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43