一种用于多机重联牵引列车的平稳性控制方法

摘要

本发明公开了一种用于多机重联牵引列车的平稳性控制方法，该方法包括如下步骤：以采样时间间隔实时获取机车的实际速度值，确定当前主控机车手柄挡位下的设定速度值以及准恒速控制牵引力与速度调节曲线；基于当前机车的实际速度值在曲线所处的速度范围，分别根据机车在不同路况下加减速等时交替运行、加速或减速运行、牵引力恒定运行以及超速运行的平稳性控制策略，计算新的机车设定牵引力；利用新的机车设定牵引力，调节机车的所述实际速度值，使得机车实际速度值接近设定速度值，从而控制机车平稳行驶。本发明解决了准恒速控制机车重联编组在牵引罐车编组、罐货混编编组存在的纵向振动问题，确保列车编组运行的平稳性和安全性。

权利要求

1.一种用于多机重联牵引列车的平稳性控制方法，所述多机重联牵引列车具备主控机车和若干从控机车，其特征在于，该方法包括如下步骤：以采样时间间隔实时获取机车的实际速度值，确定当前主控机车手柄档位下的设定速度值，以及基于所述设定速度值和与所述设定速度值匹配的准恒速区间参数构建对应的准恒速控制牵引力与速度调节曲线；

基于当前机车的所述实际速度值在所述曲线所处的速度范围，分别根据机车在不同路况下加减速等时交替运行、加速或减速运行、牵引力恒定运行以及超速运行的平稳性控制策略，计算新的机车设定牵引力；

利用新的所述机车设定牵引力，调节机车的所述实际速度值，使得所述实际速度值接近所述设定速度值，从而控制机车平稳行驶。

2.根据权利要求1所述的平稳性控制方法，其特征在于，进一步，根据主控机车手柄档位下的所述设定速度值、所述实际速度值与所述设定速度值之差、以及电机牵引速度，计算所述机车设定牵引力。

3.根据权利要求1或2所述的平稳性控制方法，其特征在于，在机车加减速等时交替运行时，进行如下平稳性控制：基于实时获取加减速等时交替运行时的所述机车设定牵引力，确定当前运行状态下的牵引力时刻曲线，获取每个加速或减速区间的牵引力加减载斜率，其中，所述牵引力加减载斜率为单位时间内所述机车设定牵引力的变化率；

获取所述牵引力时刻曲线拐点处的所述机车设定牵引力，计算出每个加速区间或减速区间的所述机车设定牵引力的波峰波谷差值；

基于所述牵引力时刻曲线，减小所述牵引力加减载斜率，进一步调整所述波峰波谷差值，减缓所述机车设定牵引力的波动。

4.根据权利要求3所述的平稳性控制方法，其特征在于，利用如下表达式计算调整后的所述波峰波谷差值：FD＝λ×TD

其中，TD表示所述机车设定牵引力的最大值与最小值之间的时间差，λ表示所述牵引力加减载斜率，FD表示调整后的所述波峰波谷差值。

5.根据权利要求1或2所述的平稳性控制方法，其特征在于，在机车加速或减速运行时，进行如下平稳性控制：增大所述准恒速控制牵引力与速度调节曲线中的所述准恒速区间参数，减小所述机车设定牵引力。

6.根据权利要求1或2所述的平稳性控制方法，其特征在于，在机车牵引力恒定运行时，进行如下平稳性控制：获取机车上一时刻的所述实际速度值，以及当前时刻的所述实际速度值，得到机车当前时刻的实际速度变化率；

若当前时刻的所述实际速度变化率大于预设的准恒速区间速度变化率阈值时，利用预设的速度阶梯参数，调整机车下一时刻的所述实际速度值，降低实际速度变化频率，减缓所述机车设定牵引力的变化频率。

7.根据权利要求6所述的平稳性控制方法，其特征在于，利用如下表达式计算机车下一时刻的所述实际速度值：其中，Vt1表示机车当前时刻的所述实际速度值，Vt2表示机车下一时刻的所述实际速度值，θ表示所述速度阶梯参数。

8.根据权利要求1或2所述的平稳性控制方法，其特征在于，

当机车所述实际速度值大于所述设定速度值时，机车处于所述超速运行状态，若计算后的所述机车设定牵引力小于预设的超速牵引力阈值时，所述机车设定牵引力更新为所述超速牵引力阈值。

9.根据权利要求1或2所述的平稳性控制方法，其特征在于，所述从控机车从所述主控机车中获取所述机车设定牵引力，调整所述从控机车的所述实际速度值。

说明书

一种用于多机重联牵引列车的平稳性控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及铁路罐车的多机重联领域，具体地说，是涉及一种多机重联牵引液固耦合负载的平稳性控制方法。

背景技术

[0002] 铁路罐车作为铁路车辆中的重要组成部分，它担负着运输液体、气体和粉状货物的重要任务，在国内外广泛应用。铁路罐车编组在运行中，尤其是在长大坡道、起伏坡道等复杂线路的情况下，不可避免会出现轻微或激烈的晃动，而罐车的不稳定会使罐体与罐内的液体产生强烈地耦合作用，将会对牵引机车产生前后涌动作用，特别是准恒速控制机车，为保持机车准恒速运行，需要不断调节机车牵引力，机车的牵引力加载和减载将与多质点罐车编组的涌动力形成共振，放大列车编组的纵向振动，严重影响行车的行使平稳性、安全性。

发明内容

[0003] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于多机重联牵引列车的平稳性控制方法，所述多机重联牵引列车具备主控机车和若干从控机车，该方法包括如下步骤：以采样时间间隔实时获取机车的实际速度值，确定当前主控机车手柄挡位下的设定速度值，以及基于所述设定速度值和与所述设定速度值匹配的准恒速区间参数构建对应的准恒速控制牵引力与速度调节曲线；基于当前机车的所述实际速度值在所述曲线所处的速度范围，分别根据机车在不同路况下加减速等时交替运行、加速或减速运行、牵引力恒定运行以及超速运行的平稳性控制策略，计算新的机车设定牵引力；利用新的所述机车设定牵引力，调节机车的所述实际速度值，使得所述实际速度值接近所述设定速度值，从而控制机车平稳行驶。

[0004] 优选地，进一步，根据主控机车手柄挡位下的所述设定速度值、所述实际速度值与所述设定速度值之差、以及电机牵引速度，计算所述机车设定牵引力。

[0005] 优选地，在机车加减速等时交替运行时，进行如下平稳性控制：基于实时获取加减速等时交替运行时的所述机车设定牵引力，确定当前运行状态下的牵引力时刻曲线，获取每个加速或减速区间的牵引力加减载斜率，其中，所述牵引力加减载斜率为单位时间内所述机车设定牵引力的变化率；获取所述牵引力时刻曲线拐点处的所述机车设定牵引力，计算出每个加速区间或减速区间的所述机车设定牵引力的波峰波谷差值；基于所述牵引力时刻曲线，减小所述牵引力加减载斜率，进一步调整所述波峰波谷差值，减缓所述机车设定牵引力的波动。

[0006] 优选地，利用如下表达式计算调整后的所述波峰波谷差值：

[0007] FD＝λ×TD

[0008] 其中，TD表示所述机车设定牵引力的最大值与最小值之间的时间差，λ表示所述牵引力加减载斜率，FD表示调整后的所述波峰波谷差值。

[0009] 优选地，在机车加速或减速运行时，进行如下平稳性控制：增大所述准恒速控制牵引力与速度调节曲线中的所述准恒速区间参数，减小所述机车设定牵引力。

[0010] 优选地，在机车牵引力恒定运行时，进行如下平稳性控制：获取机车上一时刻的所述实际速度值，以及当前时刻的所述实际速度值，得到机车当前时刻的实际速度变化率；若当前时刻的所述实际速度变化率大于预设的准恒速区间速度变化率阈值时，利用预设的速度阶梯参数，调整机车下一时刻的所述实际速度值，降低所述实际速度变化频率，减缓所述机车设定牵引力的变化频率。

[0011] 优选地，利用如下表达式计算机车下一时刻的所述实际速度值：

[0012]

[0013] 其中，Vt1表示机车当前时刻的所述实际速度值，Vt2表示机车下一时刻的所述实际速度值，θ表示所述速度阶梯参数。

[0014] 优选地，当机车所述实际速度值大于所述设定速度值时，机车处于所述超速运行状态，若计算后的所述机车设定牵引力小于预设的超速牵引力阈值时，所述机车设定牵引力更新为所述超速牵引力阈值。

[0015] 优选地，所述从控机车从所述主控机车中获取所述机车设定牵引力，调整所述从控机车的所述实际速度值。

[0016] 与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

[0017] 本发明解决了准恒速控制机车重联编组在牵引罐车编组、罐货混编编组存在的纵向振动问题，确保列车编组运行的平稳性、安全性。

[0018] 本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0019] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

[0020] 图1为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法步骤图。

[0021] 图2为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法的简单理想力影响模型示意图。

[0022] 图3为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法的准恒速控制牵引力与速度调节曲线图。

[0023] 图4为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法的牵引力波动优化(加减速等时交替运行)示意图。

[0024] 图5为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法的牵引力波动优化(牵引力恒定运行)示意图。

[0025] 图6为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法的牵引力波动优化(加速或减速运行)示意图。

[0026] 图7为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法的牵引力波动优化(超速运行)示意图。

具体实施方式

[0027] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

[0028] 为了解决上述问题，本发明实施例利用针对主控机车手柄挡位下的准恒速控制牵引力与速度调节曲线，构建了针对上述曲线的多种运行状态下的应对策略，解决了多机重联车辆的纵向振动问题，确保列车编组运行的平稳性和安全性。

[0029] 通常，多机重联的准恒速控制机车具备主控机车、若干从控机车以及若干货运机车，在针对整车机车控制中，主控机车在设定完参数后，发送至从控机车控制系统中。在本申请中，从控机车的机车设定牵引力从主控机车控制系统中获得，从而实时调整相应从控机车的实际速度值；货运机车负载液体物质，罐体与负载物构成了液固耦合负载系统。

[0030] 图1为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法步骤图。如图1所述，该方法包括如下步骤，下面针对该方法进行详细说明。

[0031] 在预处理步骤S110中，先对多机重联机车在复杂路况行驶过程中影响牵引力的因素进行分析，基于分析结果，将机车的平稳性控制进行分类，并构建针对不同运行过程的应对策略，进而对机车平稳性控制进行数据预处理，进一步，机车通过传感器设备以采样时间间隔实时获取机车的实际速度值，确定当前主控机车手柄挡位下的设定速度值，以及基于设定速度值和与设定速度值匹配的准恒速区间参数构建对应的准恒速控制牵引力与速度调节曲线。

[0032] 具体地，首先，对影响多机重联机车牵引力的因素进行分析，通常，将上述影响因素分为三类。下面针对这三类影响因素进行一一说明。其一，液固耦合负载与运行路况因素。图2为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法的简单理想力影响模型示意图。如图2所述，准恒速控制机车多机重联牵引油罐列车编组等液固耦合负载，分别运行在起伏坡道、长大上坡道转平缓坡道、以及平缓坡道转长大上坡道时，易发生纵向振动。这是由于油罐车等液固耦合负载一般装载汽油、柴油等液体(充液比一般为60％-80％)，整列油罐列车组成了一个复杂的多质点耦合液固系统，在上述路况运行时，随着列车编组不断往前运动，罐内液体易出现左右及前后晃动，使罐体与罐内的液体产生强烈地耦合作用，对机车产生不断变化的非线性的前推力或后拉力，从而使机车速度发生变化，影响机车牵引力调节。具体地，当列车运行在起伏坡道时，随着列车编组不断运行，油罐车涌动产生的后拉力和前推力在不断地非线性变化，对机车速度产生影响，进而影响牵引力调节；当列车运行在长大上坡道转平缓坡道时，随着列车编组不断运行，油罐车涌动产生的后拉力在不断地非线性变小，对机车的实际速度产生影响，从而影响牵引力调节；当列车运行在平缓坡道转长大上坡道时，随着列车编组不断运行，油罐车涌动产生的后拉力在不断地非线性变大，对机车实际速度产生影响，从而影响机车牵引力的调节。

[0033] 其二，机车准恒速控制因素对牵引力的影响。电力机车准恒速控制是针对机车牵引设定力的一种控制方式，其主要针对牵引工况，当机车实际速度接近设定速度一定值时，机车设定牵引力将以一定的加减载斜率参数随着实际速度的变化进行线性调节，从而确保机车实际速度保持在设定速度左右，其中，加减载斜率参数是指机车在单位时间内牵引力变化率。图3为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法的准恒速控制牵引力与速度调节曲线图。如图3所述，具体地，操作人员控制主控机车手柄挡位，使机车牵引加速时，机车设定牵引力保持恒定力矩运行；当机车实际速度在设定速度左右一定范围内时，控制系统将根据实际速度，实时调节机车设定牵引力，此时，机车设定牵引力随设定速度、实际速度的实时调节而变化的区间为准恒速调节区间，进一步，在该区间内实际速度变化范围的起点速度与终点速度的差值即为准恒速区间参数。其中，机车设定牵引力根据获取到的机车的实际速度值、主控机车手柄挡位下的设定速度值、电机牵引速度以及实际速度值与所述设定速度值之差等参数计算得到。需要说明的是，当准恒速控制机车多机重联时，从控机车的牵引设定力跟随主控机车准恒速控制牵引力与速度调节曲线计算出的牵引设定力进行更新。

[0034] 再次参考图3，该曲线的横坐标为机车的实际速度值V实，纵坐标为机车设定牵引力 FT，并且基于设定速度值V设以及与设定速度值匹配的准恒速区间参数VT构建。在本申请中，利用实际速度值将该曲线分为准恒速非调节区间(其实际速度值的范围为0～V设-α1) 和准恒速调节区间(其实际速度值的范围为V设-α1～V设+β1)，其中，当机车的实际速度值的范围为V设～V设+β1时，机车所在区间属于准恒速调节区间中的超速区间。另外，利用如下表达式表示准恒速区间参数的范围与其范围两端速度值的关系：

[0035] VT＝α1+β1

[0036] 其中，α1表示所述准恒速区间参数范围中的最小值；β1表示所述准恒速区间参数范围中的最大值。

[0037] 需要说明的是，该曲线的准恒速区间参数是根据车辆运行工况数据的历史数据得到的，针对不同的手柄挡位的设定速度值，设定相对应的准恒速区间参数，进而构建与手柄挡位相对应的准恒速控制牵引力与速度调节曲线；当机车的当前实际速度处于0～V设-α1范围内时，由于机车处于低速行驶状态，液固耦合作用较小，故可看作在此速度范围内机车设定牵引力恒定不变；当机车的当前实际速度处于V设-α1～V设范围内时，随着机车运行速度的增大，液固耦合作用对机车的影响程度越来越大，牵引力释放量逐渐增大，故在该速度范围内机车设定牵引力逐渐减小；当机车的当前实际速度处于V设～V设+β1范围内时，机车的实际速度超过机车的设定速度，机车牵引力时而卸载至零，时而恢复度较小，故在该速度范围内机车设定牵引力会随着实际速度的增大而逐渐减小至零。另外，当准恒速区间参数VT设置过小时，会导致牵引力施加释放频率过快；当准恒速区间参数VT设置过大时，机车牵引力的加减载斜率参数过大，也同样会导致牵引力波动幅值过大。

[0038] 接着，针对重联机车的车钩因素进行分析。当前国内货物列车启动的经验是压缩车钩起动，即利用车辆间的间隙和车钩间的弹簧缓冲作用使各节车辆分别起动，而不是全列车一起动作，这样可以使列车平均起动阻力较小,起动比较容易，但是这样也会因为车钩间隙的存在使列车冲击力加剧。特别是起伏坡道时，机车实际速度易超出设定速度(参考图 2)，导致机车牵引力时而卸载至0时而恢复，造成车钩状态频繁改变引起列车纵向振动。

[0039] 针对以上影响机车牵引力的因素，本申请针对准恒速控制机车多机重联牵引油罐列车编组等液固耦合负载的纵向振动问题，制定了如下的四种平稳性控制策略。进一步，在步骤S120中，基于当前机车的实际速度值在准恒速控制牵引力与速度调节曲线所处的速度范围，利用与主控机车手柄挡位对应的准恒速控制牵引力与速度调节曲线，分别根据针对机车在不同路况下加减速等时交替运行、加速或减速运行、牵引力恒定运行以及超速运行的平稳性控制策略，计算新的机车设定牵引力。下面针对上述四种机车运行状态对应的控制策略进行一一说明。

[0040] 在本申请实施例中，当机车处于加速过程、减速过程交替行驶，且加速区间或减速区间的时间相等时，则机车处于加减速等时交替运行状态。需要说明的是，本申请基于加减速等时交替运行状态下的加、减速区间的行驶距离误差在1～2公里，本申请针对这一误差参数不作具体限定，本发明实施人员可根据实际情况将该参数进行调整。具体地，基于实时获取加减速等时交替运行时的机车设定牵引力，确定当前运行状态下的牵引力时刻曲线，获取每个加速或减速区间的牵引力加减载斜率，其中，牵引力加减载斜率为单位时间内机车设定牵引力的变化率；接着，获取牵引力时刻曲线拐点处的机车设定牵引力，计算出每个加速区间或减速区间的机车设定牵引力的最大值与最小值的差值(波峰波谷差值)。

[0041] 最后，利用如下表达式对上述波峰波谷差值进行调节：

[0042] FD＝K×TD＝λ×TD

[0043] 其中，FD表示调整后的波峰波谷差值，λ表示牵引力加减载斜率，K表示单位时间内机车设定牵引力的变化率，TD表示机车设定牵引力的最大值与最小值之间的时间差。利用优化后的上述牵引力时刻曲线，减小牵引力加减载斜率，使得波峰波谷差值降低。图 4为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法的牵引力波动优化(加减速等时交替运行)示意图。如图4所示，在实现了牵引力的波动优化后，牵引力的幅值减小，进一步减缓机车设定牵引力的波动，对机车实际速度进行调节，从而控制机车平稳行驶。

[0044] 参考图3，当机车行驶在准恒速非调节区间或匀速行驶时，机车处于牵引力恒定运行状态，为维持牵引力不变的情况，需要减小液体负载对罐体的影响。具体地，增大机车准恒速调节区间参数值，从而降低了单位时间内机车设定牵引力变化率。利用如下表达式表示恒定力区间的机车设定牵引力的调节策略：

[0045]

[0046] 其中，FT表示机车设定牵引力，VT表示准恒速区间参数。其中，机车设定牵引力为机车在相应的设定速度下所发挥的最大牵引力，并基于设定速度结合机车牵引包络线计算得出的。进一步，当准恒速区间参数增大时，相应的单位时间内机车设定牵引力变化率降低，使得机车设定牵引力变化平缓，从而使得机车的实时速度平稳变化，优化了当前运行状态下的机车设定牵引力的变化曲线，如图5所示，图5为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法的牵引力波动优化(牵引力恒定运行)示意图。

[0047] 接着，当机车行驶在准恒速调节区间时，即机车处于加速或减速运行状态，速度的变化将会导致牵引力的变化，因此，需要对速度的变化频率进行调节，从而实现降低牵引力的变化频率。进一步，需要获取机车上一时刻的实际速度值，以及当前时刻的实际速度值，得到机车当前时刻的实际速度变化率；若当前时刻的实际速度变化率大于预设的准恒速区间速度变化率阈值时，利用预设的速度阶梯参数，调整机车下一时刻的实际速度值。具体地，利用如下表达式调节下一时刻的机车实际速度，

[0048]

[0049] 其中，Vt1表示机车当前时刻的实际速度值(即机车t1时刻实际速度值)，单位为km/h； Vt2表示机车下一时刻的实际速度值(即机车t2时刻实际速度值)，单位为km/h；θ表示速度阶梯参数。需要说明的是，机车下一时刻的实际速度值用于计算新的机车设定牵引力。图6为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法的牵引力波动优化(加速或减速运行)示意图。如图6所示，当机车以速度阶梯参数对下一时刻的速度进行调节时，不仅降低了实际速度的变化频率，也实现了降低机车设定牵引力的变化频率，使得机车设定牵引力在一定时间内保持不变，机车更加平稳的运行。

[0050] 最后，当机车获取到的实际速度值大于机车针对主控机车手柄挡位下的设定速度值时，机车处在超速运行状态(参考图3)。为避免机车设定牵引力过小或为零而导致车钩间牵引力释放，从而影响其他机车连接设备，需要设定超速牵引力阈值FP，当计算出的机车设定牵引力小于预设的超速牵引力阈值时，新的机车设定牵引力将上述超速牵引力阈值输出。图7为本申请实施例的多机重联牵引列车平稳性控制方法的牵引力波动优化(超速运行)示意图。如图7所述，按照上述对应方法，机车牵引力不会卸载至0而是保持较小牵引力FP，从而减少车钩状态频繁改变，确保车钩一直处于拉伸状态，以消除车辆车钩与缓冲器间隙等造成的冲动。

[0051] 再次参考图1，在对机车的不同运行状态分别进行调节后，输出了新的机车设定牵引力，而后，进入步骤S130中。进一步，利用新的机车设定牵引力，调节机车的实际速度值，使得机车实际速度值接近操作手柄挡位下的设定速度值，从而控制机车平稳行驶。

[0052] 本发明制定了针对机车复杂路况下的多机重联牵引液固耦合负载的平稳性控制策略，解决了准恒速控制机车重联编组在牵引罐车编组、罐货混编编组等液固耦合负载存在的纵向振动问题，确保列车编组运行的平稳性和列车编组车钩的安全性，同时，相应的控制策略思想也可以扩展到其它恒速/定速调节领域，本申请对此不作具体限定。

[0053] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。