專利名稱：一種適用于軌道車輛牽引控制的仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種仿真方法，特別地，涉及一種方法適用于動力分散型軌道車輛牽引控制的仿真方法。
背景技術(shù)：
為了更快地完成軌道車輛設(shè)計(jì)以及降低成本，在實(shí)際制造樣車和對樣車進(jìn)行測試之前都需要先在計(jì)算機(jī)上對軌道車輛的設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬運(yùn)行，對軌道車輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真。軌道車輛牽弓I控制的仿真是軌道車輛的設(shè)計(jì)仿真運(yùn)行的重要組成部分。在現(xiàn)有的仿真方法中，牽引電機(jī)負(fù)載模型應(yīng)用的最為廣泛。它是牽引傳動系統(tǒng)仿真的重要組成部分。在牽引系統(tǒng)部件參數(shù)和容量選擇、電機(jī)控制方法、網(wǎng)壓波動、突變等許多與傳動系統(tǒng)相關(guān)的研究中都具有重要作用。然而，傳統(tǒng)電機(jī)負(fù)載模型是將車輛受到的阻力歸算為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，或者使用一個階躍函數(shù)，或是直接使用常數(shù)，然后將車輪速度等效于車體速度，沒有考慮車輪與軌道間的作用。這種方法用于牽引計(jì)算及線路仿真時，無法對實(shí)際中出現(xiàn)的車輪打滑的情況進(jìn)行仿真。因此，很大程度上影響了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。特別是對于如動車組、地鐵車輛等動力分散型軌道車輛，影響更為嚴(yán)重。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提出一種車輛牽引控制的仿真方法，包括改變車輛的車輪速度，作為仿真的第一輸入；改變軌面的粘著系數(shù)，作為仿真的第二輸入；以及根據(jù)車輛牽引負(fù)載模型，計(jì)算電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和/或車體速度作為輸出；其中所述牽引負(fù)載模型包括了考慮車輪與軌道間的相互作用的力傳遞模型。本發(fā)明可用于離線仿真、硬件在環(huán)仿真、半實(shí)物仿真、交流傳動試驗(yàn)臺負(fù)載電機(jī)的控制。本發(fā)明不僅具有現(xiàn)有技術(shù)所具有的功能，還可以模擬車輛運(yùn)行時真實(shí)的粘著改變和傳動系統(tǒng)的實(shí)時控制，從而考核粘著控制抑制空轉(zhuǎn)的效果，為改進(jìn)粘著控制方法提供依據(jù)。


下面，將結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的車輛單軸驅(qū)動系統(tǒng)的示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的地鐵車輛的力傳遞模型示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的圖2所示力傳遞模型的電機(jī)負(fù)載模型示意圖；圖4-圖7是應(yīng)用本發(fā)明的仿真方法進(jìn)行仿真實(shí)例的示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思是根據(jù)對地鐵車輛力傳遞關(guān)系的分析，采用本發(fā)明的考慮了輪軌作用的力傳遞模型來替代傳統(tǒng)的阻力負(fù)載模型，通過控制相應(yīng)物理量按照期望的規(guī)律變化來控制模擬負(fù)載。圖1所示為典型的地鐵車輛單軸驅(qū)動系統(tǒng)的示意圖?？梢钥吹?，牽引電機(jī)3輸出的電磁轉(zhuǎn)矩通過齒輪箱2傳遞到車輪I的驅(qū)動軸，在驅(qū)動軸的作用下，輪對向前滾動。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的地鐵車輛的力傳遞模型。如圖所示，Vd為車輪速度，Vt為車體速度，Vs為車輪與車體的速度差；F為輪周牽引力，F(xiàn)t為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩折算后的牽引力；r為車輪半徑，J為車輪轉(zhuǎn)動慣量；n為動拖比，Mm為動車質(zhì)量，MT為拖車質(zhì)量；f為地鐵車輛的基本阻力，其被表示為速度的二次函數(shù)a+bv+Cv2，其中a、b和c為常數(shù)；μ為粘著系數(shù)；積分符號表示積分關(guān)系。以下根據(jù)圖1所示的示意圖，在不考慮坡度的情況下，對圖2所示的力傳遞模型進(jìn)行進(jìn)一步的說明電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出既推動車輪加速滾動，同時通過車輪與軌道的粘著轉(zhuǎn)化為輪周牽引力推動車體向前運(yùn)動。以下公式3-1、3-2、3_3為牽引電機(jī)的動力學(xué)公式，說明了與粘著相關(guān)的牽引力矩與轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系Tm = J ——— + Tadh(3-1)
at
TM=Ft · r/Rg (3-2)Tadh=F · r/Rg (3-3)由此，可以得出以下公式3-4
Jwr(3.4)以上公式中，Tm為電磁轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)動慣量，Tadh為與粘著有關(guān)的牽引力矩;wm為電機(jī)轉(zhuǎn)速，Rg為齒輪傳動比。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速與車輪速度Vd之間存在如下關(guān)系Wm =
r
dw Redvd即Y = ^7^
", 廠",(3-5)由此，可以得出圖2所示的力傳遞模型的第一行(如圖2中虛線A所示)，即公式3-6 —(I· -1 ) = ^_Wl
Jdt輪周牽引力克服車體的運(yùn)行阻力，并且推動車體加速運(yùn)動。為了簡化模型，采用車體的如下的運(yùn)動公式3-7，其中僅考慮基本阻力和坡道阻力(Mm + nMT)^- = F-(Mm + nMT)g-{i + f)(3 7)
dt上述公式中，η為動拖比；Mm為動車質(zhì)量;MT為拖車質(zhì)量；vt為車體速度；i為坡度，f為地鐵車輛的基本阻力，f或i可以是一個分?jǐn)?shù)。在不考慮坡度的情況下，得出力傳遞模型的第二行(如圖2中虛線B所示)，即公式3-8 F = (Mm + ηΜτ、^~ + (Mm + nMT )g · (a + bv + cv2)飛 S)
dt輪軌接觸面的粘著力由下式計(jì)算，由此得出力傳遞模型的第三行(如圖2中虛線C所不)，即公式3-9 F=U · Mmg (3-9)考慮圖2所示的力 傳遞模型之間的連接關(guān)系，輪軌接觸面的粘著力既為車體提供牽引力，也同時克服車體運(yùn)行的阻力。同時，粘著系數(shù)μ也受車體速度vt和車輪與車體的速度差Vs的影響。具體而言，粘著系數(shù)μ的計(jì)算方法很多，例如可采用卡爾克線性理論模型，Oldrich Polach粘著力模型,或是fastsim算法模型。無論是上述哪一種粘著系數(shù)μ的算法，都考慮到了速度對粘著系數(shù)μ的影響，都可以應(yīng)用到本發(fā)明的力傳遞模型的計(jì)算中。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的力傳遞模型的電機(jī)負(fù)載模型。其中，電機(jī)負(fù)載模型的輸入為車輪轉(zhuǎn)速vd，輸出為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TYMd，同時負(fù)載轉(zhuǎn)矩IYtjad也牽引車體向前運(yùn)動。圖3中其他參數(shù)的含義及其相互關(guān)系，與圖2所示相同，這里不再贅述。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，本發(fā)明的電機(jī)負(fù)載模型根據(jù)輸入的電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出一個合適的負(fù)載轉(zhuǎn)矩反饋至電機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，利用本發(fā)明的電機(jī)負(fù)載模型對牽引控制進(jìn)行仿真時，當(dāng)軌面狀態(tài)良好時，電機(jī)轉(zhuǎn)速略高于車體速度，粘著系數(shù)穩(wěn)定在一個較大的值，輸出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩也相對穩(wěn)定。當(dāng)軌面狀態(tài)變差時，粘著系數(shù)突然減小，導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩也劇烈下降，如果此時電機(jī)牽引力矩不變，則由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小而轉(zhuǎn)速增大，使得車輪與車體間的速度差也變大，進(jìn)一步使粘著系數(shù)下降，車輛發(fā)生空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。本模型采用考慮輪軌作用的力傳遞模型來替代傳統(tǒng)的阻力負(fù)載模型，通過控制相應(yīng)物理量按照期望的規(guī)律變化來控制模擬負(fù)載，可以模擬車輛運(yùn)行時真實(shí)的粘著改變和傳動系統(tǒng)的實(shí)時控制，從而考核粘著控制抑制空轉(zhuǎn)的效果，也可以為改進(jìn)粘著控制方法提供依據(jù)。以下通過一個具體的實(shí)例，進(jìn)一步說明本發(fā)明的電機(jī)負(fù)載模型仿真方法如圖4所示，通過改變負(fù)載電機(jī)模型的參數(shù)，設(shè)計(jì)如下仿真條件地鐵車輛行駛在最大的粘著系數(shù)為O. 38的鐵軌上，車輛從車速為O開始運(yùn)行，軌面狀態(tài)良好；當(dāng)?shù)罔F車輛起動15秒后，最大粘著系數(shù)降低至O. 05。圖4中蠕滑的大小程度通常用無量綱的蠕滑率表示，計(jì)算公式如以下產(chǎn)U
V,其中，Y表示蠕滑率，Vw為車輪速度，Vt為車體速度。
在粘著系數(shù)改變之前，車輛行駛穩(wěn)定。此時車輛的狀態(tài)可以參考圖4中的實(shí)線部分以及圖5中15秒之前的狀態(tài)。從圖5中可以看出，單軸輪速與車體速度基本保持一致。接下來，在仿真運(yùn)行15s后改變粘著系數(shù)。此時車輛的狀態(tài)可以參考圖4中虛線部分或圖5中15秒之后的狀態(tài)。在粘著控制不工作，在軌面條件變差后，就會發(fā)生劇烈的打滑現(xiàn)象，出現(xiàn)如圖5所示的情況。顯然，這樣大的空轉(zhuǎn)會導(dǎo)致車輪和鋼軌損壞，必須加以避免。如果在軌面條件變差后可以采用如圖7所示的粘著控制方法，其具體為當(dāng)車輪速度與車體速度之差超過一個閾值以后，通過粘著控制機(jī)制減小或者暫停牽引力矩的輸出，從而降低車速，避免空轉(zhuǎn)打滑的出現(xiàn)。增加了粘著控制后的仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6的仿真結(jié)果看，粘著控制可以避免地鐵車輛出現(xiàn)大空轉(zhuǎn)，并保持地鐵車輛處于再粘著狀態(tài)。上述實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而并非是對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此，所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)屬于本發(fā)明公開的范疇。
權(quán)利要求
1.一種車輛牽引控制的仿真方法，包括改變車輛的車輪速度，作為仿真的第一輸入；改變軌面的粘著系數(shù)，作為仿真的第二輸入；以及根據(jù)車輛牽引負(fù)載模型，計(jì)算電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和/或車體速度作為輸出；其中所述牽引負(fù)載模型包括了考慮車輪與軌道間的相互作用的力傳遞模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿真方法，其中所述的負(fù)載轉(zhuǎn)矩以如下公式計(jì)算 其中，F(xiàn)為輪周牽引力，r為車輪半徑，Rg為齒輪傳動比。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿真方法，其中所述的輪周牽引力以如下公式計(jì)算
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的仿真方法，其中所述的車體速度以如下公式計(jì)算
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的仿真方法，所述的車體速度以如下公式計(jì)算
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的仿真方法，其中所述的車輪粘著力包括F= μ · Mmg其中，μ為粘著系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的仿真方法，其中粘著系數(shù)也受車體速度和車輪與車體的速度差的影響。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的仿真方法，其中所述的粘著系數(shù)可采用卡爾克線性理論模型，Oldrich Polach粘著力模型，或是fastsim算法模型計(jì)算。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的仿真方法，所述車輛的基本阻力采用如下方法計(jì)算f=a+bvt+cvt2,其中a、b和c為常數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種車輛牽引控制的仿真方法，包括改變車輛的車輪速度，作為仿真的第一輸入；改變軌面的粘著系數(shù)，作為仿真的第二輸入；以及根據(jù)車輛牽引負(fù)載模型，計(jì)算電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和/或車體速度作為輸出；其中所述牽引負(fù)載模型包括了考慮車輪與軌道間的相互作用的力傳遞模型。本發(fā)明的仿真方法適于動車組、地鐵和城際列車的牽引控制的仿真應(yīng)用。
文檔編號G05B17/02GK103034129SQ20121052440
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者張波, 高翔, 陸陽, 黃金, 郭曉燕, 李杰波, 王志峰 申請人:中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所, 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司