《一種用於動車組的快速粘著控制方法》是株洲南車時代電氣股份有限公司於2014年02月27日申請的發明專利，該專利的公布號為：CN103818391A，專利公布日：2014年05月28日，發明人是：尚敬；李小平；劉可安；李江紅；胡云卿；喻勵志。
《一種用於動車組的快速粘著控制方法》其步驟為：（1）根據動車組自身設計參數和軌面綜合狀況來設定輪對加速度門限值aP；（2）根據動車組的反饋信號計算當前的輪對加速度值a（t）；（3）比較當前的輪對加速度值a（t）和輪對加速度門限值aP，如果當前的輪對加速度值a（t）超過了aP就認為該輪對出現了空轉現象，此時基於拋物線插值原理進行電機轉矩減載，同時通知司機室出現了空轉現象；在電機轉矩減載過程中，如果輪對加速度值a（t）降為0，則認為輪軌間的粘著狀態已經恢復，此時基於動態最佳化原理進行電機轉矩恢復，直到動車組前進速度達到司機指定的行駛速度。《一種用於動車組的快速粘著控制方法》能夠恰當地減載電機轉矩以消除空轉現象、並快速恢復輪軌間的良好粘著狀態等優點。
2020年7月14日，《一種用於動車組的快速粘著控制方法》獲得第二十一屆中國專利金獎。
（概述圖為《一種用於動車組的快速粘著控制方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種用於動車組的快速粘著控制方法
- 申請人：株洲南車時代電氣股份有限公司
- 專利代理機構：湖南兆弘專利事務所43008
- 申請號：2014100686158
- 代理人：趙洪; 周長清
- 地 址：湖南省株洲市石峰區時代路169號
- 申請日：2014.02.27
- 發明人：尚敬; 李小平; 劉可安; 李江紅; 胡云卿; 喻勵志
- 授權日：2014.05.28
- Int. Cl.：B61C17/00(2006.01)I; B60L15/00(2006.01)I
- 類 別：發明專利
- 公告號：CN103818391A
專利背景,發明內容,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
動車組為人們帶來了快捷舒適的出行方式，使得城市與城市之間、人與人之間的交流更為緊密。動車組輪對與鋼軌之間的粘著力是動車組前進的直接驅動力，粘著力控制是動車組牽引控制系統的重要組成部分。粘著力控制是指：在軌面狀況變化不定的情況下（如雨、雪天氣造成的軌面積水、結冰等），通過對電機速度、電機轉矩等信息的採集和處理，結合司機指令向電機控制器發出恰當的電機轉矩指令，使動車組發揮當前輪軌間所允許的最大粘著力。
動車組處於牽引工況時，如果電機轉矩超過當前輪軌間所允許的最大粘著力就會發生輪對空轉現象，造成嚴重的輪軌擦傷。有研究者也提出過一些粘著力控制的方案，例如：基於轉速控制的機車防空轉滑行方法、電力機車粘著力控制方法及裝置等，然而這些粘著力控制方法都未針對動車組的高速特徵考慮精細的電機轉矩減載和電機轉矩恢復策略，其結果是動車組未完全發揮出最大粘著力，所造成的牽引力損失對動車組本身的動力性能、定速巡航功能，以及高速鐵路的調度規劃等方面都產生了負面影響。
發明內容
《一種用於動車組的快速粘著控制方法》要解決的技術問題就在於：針對2014年技術存在的技術問題，結合動車組的高速特徵，《一種用於動車組的快速粘著控制方法》基於動態最佳化原理和拋物線插值原理，提供一種能夠恰當地減載電機轉矩以消除空轉現象、並快速恢復輪軌間良好粘著狀態的快速粘著控制方法。
為解決上述技術問題，《一種用於動車組的快速粘著控制方法》採用以下技術方案：
一種用於動車組的快速粘著控制方法，其特徵在於，步驟為：
（1）根據動車組自身設計參數和軌面綜合狀況來設定輪對加速度門限值aP；
（2）根據動車組的反饋信號計算當前的輪對加速度值a（t）；
（3）比較當前的輪對加速度值a（t）和輪對加速度門限值aP，如果當前的輪對加速度值a（t）超過了aP就認為該輪對出現了空轉現象，此時將進行電機轉矩減載，同時通知司機室出現了空轉現象；在電機轉矩減載過程中，如果輪對加速度值a（t）降為0，則認為輪軌間的粘著狀態已經恢復，此時進行電機轉矩恢復，直到動車組前進速度達到司機指定的行駛速度。
作為《一種用於動車組的快速粘著控制方法》的進一步改進：所述步驟（2）中的反饋信號包括電機轉速信號、電機轉矩信號以及司機指定的動車組行駛速度；所述電機轉速信號由安裝在電機軸端的速度感測器提供，所述電機轉矩信號由電機控制器提供的，所述司機指定的動車組行駛速度由列車通信網路直接從司機室傳遞到粘著力控制系統。
作為《一種用於動車組的快速粘著控制方法》的進一步改進：對所述電機轉速信號和電機轉矩信號進行低通濾波，以去除高頻干擾；
對電機轉速度信號濾波時，採用下式：
其中，表示tk時刻從電機軸端速度感測器採樣得到的轉速信號值，表示以tk為基準的前一個採樣時刻點轉速信號值，表示以tk為基準的前面第二個採樣時刻點轉速信號值，依此類推；ω（tk）是從上式計算得到的濾波後的tk時刻轉速信號值，λ為一個遠小於1的濾波係數；
對電機轉矩信號濾波時，採用下式：
其中，表示tk時刻從電機控制器反饋得到的轉矩信號值，表示以tk為基準的前一個採樣時刻點轉矩信號值，T（tk）是從上式計算得到的濾波後的tk時刻轉矩信號值。
作為《一種用於動車組的快速粘著控制方法》的進一步改進：所述步驟（2）中，輪對加速度信號採用二階前向有限差商公式得到：
其中，a（tk）是從上式計算得到的tk時刻的動車組輪對加速度值，R表示變速齒輪箱的減速比，r表示動車組輪對半徑，tS為採樣時刻點間距，即tS=tk-tk-1=tk-1-tk-2。
作為《一種用於動車組的快速粘著控制方法》的進一步改進：所述步驟（3）中進行電機轉矩減載時基於拋物線插值原理，具體步驟為：
步驟A1：設加速度曲線上縱坐標值為0.9aP的點為A點，縱坐標值為aP的點為B點，計算A與B點之間直線L1的斜率K；
步驟A2：記錄輪對加速度值a（t）達到aP時的電機轉矩值TP，在轉矩曲線上對應C點；
步驟A3：在轉矩曲線上，過C點作斜率為-K的直線L2，L2與水平直線T=0.9TP相交於D點；
步驟A4：在轉矩曲線上過C、D兩點進行拋物線插值，得拋物線L3；
步驟A5：在階段II，按照拋物線L3執行電機轉矩減載，輪對加速度值a（t）由於慣性會滯後一小段時間，但必然會隨著電機轉矩的減載而單調下降；
步驟A6：當輪對加速度值a（t）下降至0時，說明輪軌間的粘著狀態已經恢復，記錄轉矩曲線上對應的F點作為電機轉矩恢復的起點。
作為《一種用於動車組的快速粘著控制方法》的進一步改進：所述步驟（3）中進行電機轉矩恢復時基於動態最佳化原理，具體步驟為：
步驟B0：建模：將動車組從當前行駛速度通過增加牽引力達到司機指定行駛速度的過程，建模成為一個動態最佳化問題：
minJ
＝tf-t0
s（t0）=0
v（t0）=v0
v（tf）=vf
其中，t0表示電機轉矩恢復的起始時刻，v0為此時的動車組行駛速度，tf表示動車組行駛速度達到司機指定值vf的時刻，s（t）表示動車組從t0開始所行駛的距離；
步驟B1：初始化階段，包括設定時間段的分段數N、設定電機轉矩恢復策略的初始曲線為T（i）（t）、設定數值計算的精度要求tol值、將疊代次數i置零；
步驟B2：將微分方程組在時間段進行N段離散，然後求解離散微分方程組的初值問題：
s（t0）=0
v（t0）=v0
獲取目標函式值J（i）和約束函式值v（i）（tf）-vf；當i＝0時跳過步驟B3直接執行步驟B4；
步驟B3：如果J（i）與上一次疊代的目標函式值J（i-1）之差的絕對值，以及約束函式值v（i）（tf）-vf均小於精度要求tol值時，則判斷收斂性滿足，並將電機轉矩恢復策略T（i）（t）輸出到電機控制器；如果收斂性不滿足，則繼續執行步驟B4；
步驟B4：更新動態參數階段，包括用T（i）（t）的值覆蓋T（i-1）（t）的值、將疊代次數i增加1；
步驟B5：求解非線性規劃問題：
minJ
s.t.v（i）（tf）=vf
獲得比T（i）（t）更優的電機轉矩恢復策略T（i+1）（t）；該步驟執行完成後再次跳轉至步驟B2，直至收斂性滿足為止。
與2014年技術相比，《一種用於動車組的快速粘著控制方法》的優點在於：《一種用於動車組的快速粘著控制方法》的用於動車組的快速粘著力控制方法，當空轉現象發生時能夠恰當地減載電機轉矩以消除空轉現象，並快速恢復輪軌間的良好粘著狀態，以達到司機指定的行駛速度。由於粘著力控制性能的提高，動車組的動力性能、定速巡航的精度、高速鐵路調度規劃的準確度等方面都將隨之改善。
附圖說明
圖1是《一種用於動車組的快速粘著控制方法》在具體套用後所形成的快速粘著力控制系統的框架原理圖。
圖2是《一種用於動車組的快速粘著控制方法》中電機轉矩減載策略的原理示意圖。
圖3是《一種用於動車組的快速粘著控制方法》電機轉矩指令恢復策略的算法流程圖。
圖4是階段III的電機轉矩指令恢復策略的原理示意圖。
技術領域
《一種用於動車組的快速粘著控制方法》主要涉及到動車組牽引傳動系統的控制技術領域，特指一種適用於動車組的快速粘著控制方法。
權利要求
1.一種用於動車組的快速粘著控制方法，其特徵在於，步驟為：（1）根據動車組自身設計參數和軌面綜合狀況來設定輪對加速度門限值aP；（2）根據動車組的反饋信號計算當前的輪對加速度值a（t）；（3）比較當前的輪對加速度值a（t）和輪對加速度門限值aP，如果當前的輪對加速度值a（t）超過了aP就認為該輪對出現了空轉現象，此時將進行電機轉矩減載，同時通知司機室出現了空轉現象；在電機轉矩減載過程中，如果輪對加速度值a（t）降為0，則認為輪軌間的粘著狀態已經恢復，此時進行電機轉矩恢復，直到動車組前進速度達到司機指定的行駛速度。
2.根據權利要求1所述的用於動車組的快速粘著控制方法，其特徵在於，所述步驟（2）中的反饋信號包括電機轉速信號、電機轉矩信號以及司機指定的動車組行駛速度；所述電機轉速信號由安裝在電機軸端的速度感測器提供，所述電機轉矩信號由電機控制器提供的，所述司機指定的動車組行駛速度由列車通信網路直接從司機室傳遞到粘著力控制系統。
3.根據權利要求2所述的用於動車組的快速粘著控制方法，其特徵在於，對所述電機轉速信號和電機轉矩信號進行低通濾波，以去除高頻干擾；對電機轉速度信號濾波時，採用下式：其中，表示tk時刻從電機軸端速度感測器採樣得到的轉速信號值，表示以tk為基準的前一個採樣時刻點轉速信號值，表示以tk為基準的前面第二個採樣時刻點轉速信號值，依此類推；ω（tk）是從上式計算得到的濾波後的tk時刻轉速信號值，λ為一個遠小於1的濾波係數；對電機轉矩信號濾波時，採用下式：其中，表示tk時刻從電機控制器反饋得到的轉矩信號值，表示以tk為基準的前一個採樣時刻點轉矩信號值，T（tk）是從上式計算得到的濾波後的tk時刻轉矩信號值。
4.根據權利要求3所述的用於動車組的快速粘著控制方法，其特徵在於，所述步驟（2）中，輪對加速度信號採用二階前向有限差商公式得到：其中，a（tk）是從上式計算得到的tk時刻的動車組輪對加速度值，R表示變速齒輪箱的減速比，r表示動車組輪對半徑，tS為採樣時刻點間距，即tS＝tk-tk-1＝tk-1-tk-2。
5.根據權利要求1或2或3所述的用於動車組的快速粘著控制方法，其特徵在於，所述步驟（3）中進行電機轉矩減載時基於拋物線插值原理，具體步驟為：步驟A1：設加速度曲線上縱坐標值為0.9aP的點為A點，縱坐標值為aP的點為B點，計算A與B點之間直線L1的斜率K；步驟A2：記錄輪對加速度值a（t）達到aP時的電機轉矩值TP，在轉矩曲線上對應C點；步驟A3：在轉矩曲線上，過C點作斜率為-K的直線L2，L2與水平直線T＝0.9TP相交於D點；步驟A4：在轉矩曲線上過C、D兩點進行拋物線插值，得拋物線L3；步驟A5：在階段II，按照拋物線L3執行電機轉矩減載，輪對加速度值a（t）由於慣性會滯後一小段時間，但必然會隨著電機轉矩的減載而單調下降；步驟A6：當輪對加速度值a（t）下降至0時，說明輪軌間的粘著狀態已經恢復，記錄轉矩曲線上對應的F點作為電機轉矩恢復的起點。
6.根據權利要求1或2或3所述的用於動車組的快速粘著控制方法，其特徵在於，所述步驟（3）中進行電機轉矩恢復時基於動態最佳化原理，具體步驟為：步驟B0：建模：將動車組從當前行駛速度通過增加牽引力達到司機指定行駛速度的過程，建模成為一個動態最佳化問題：minJ＝tf-t0s（t0）＝0v（t0）＝v0v（tf）＝vf其中，t0表示電機轉矩恢復的起始時刻，v0為此時的動車組行駛速度，tf表示動車組行駛速度達到司機指定值vf的時刻，s（t）表示動車組從t0開始所行駛的距離；步驟B1：初始化階段，包括設定時間段的分段數N、設定電機轉矩恢復策略的初始曲線為T（i）（t）、設定數值計算的精度要求tol值、將疊代次數i置零；步驟B2：將微分方程組在時間段
進行N段離散，然後求解離散微分方程組的初值問題：s（t0）＝0v（t0）＝v0獲取目標函式值J（i）和約束函式值v（i）（tf）-vf；當i＝0時跳過步驟B3直接執行步驟B4；步驟B3：如果J（i）與上一次疊代的目標函式值J（i-1）之差的絕對值，以及約束函式值v（i）（tf）-vf均小於精度要求tol值時，判斷是否滿足收斂性，並將電機轉矩恢復策略T（i）（t）輸出到電機控制器；如果收斂性不滿足，則繼續執行步驟B4；步驟B4：更新動態參數階段，包括用T（i）（t）的值覆蓋T（i-1）（t）的值、將疊代次數i增加1；步驟B5：求解非線性規劃問題：minJ s.t.v（i）（tf）＝vf獲得比T（i）（t）更優的電機轉矩恢復策略T（i+1）（t）；該步驟執行完成後再次跳轉至步驟B2，直至收斂性滿足為止。
實施方式
《一種用於動車組的快速粘著控制方法》的一種用於動車組的快速粘著控制方法，其步驟為：
（1）根據動車組自身設計參數和軌面綜合狀況來設定輪對加速度門限值aP；
（2）根據動車組的反饋信號計算當前的輪對加速度值a（t）；
（3）比較當前的輪對加速度值a（t）和輪對加速度門限值aP，如果當前的輪對加速度值a（t）超過了aP就認為該輪對出現了空轉現象，此時基於拋物線插值原理進行電機轉矩減載，同時通知司機室出現了空轉現象；在電機轉矩減載過程中，如果輪對加速度值a（t）降為0，則認為輪軌間的粘著狀態已經恢復，此時基於動態最佳化原理進行電機轉矩恢復，直到動車組前進速度達到司機指定的行駛速度。
如圖1所示，為《一種用於動車組的快速粘著控制方法》用於動車組的快速粘著控制方法在具體套用後所形成的快速粘著力控制系統的控制框架原理示意圖。其中，輸入信號包括電機轉速信號、電機轉矩信號以及司機指定的動車組行駛速度。電機轉速信號由安裝在電機軸端的速度感測器提供，電機轉矩信號由電機控制器提供的，司機指定的動車組行駛速度由列車通信網路直接從司機室傳遞到粘著力控制系統。其輸出信號為電機轉矩指令。在實施方面，所述快速粘著力控制系統採用型號為TMS2812的DSP實現。
與快速粘著力控制系統相連的還有一部分外部器件，外部器件包括列車通信網路、電機控制器、電機本體及軸端速度感測器、變速齒輪箱、輪對。列車通信網路的功能是將司機指定的動車組行駛速度傳送到所述快速粘著力控制系統，以及將空轉警報傳送到司機室的顯示器。電機控制器接收由快速粘著力控制系統輸出的電機轉矩指令，並通過其內部的電機控制算法，使電機本體發揮所要求的電機轉矩值。最後，通過變速齒輪箱將電機轉矩值傳遞到動車組輪對上，以輪對與鋼軌間的粘著力形式牽引動車組前進。
快速粘著力控制系統的內部包括輸入信號預處理模組、控制信號實時計算模組、控制信號保護門限值設定模組、粘著狀態檢測模組、空轉警報模組、電機轉矩減載模組、電機轉矩恢復模組。在該實施中，所有模組均在TMS2812的DSP中實現和集成，當然，採用其他晶片實現的上述模組也應在《一種用於動車組的快速粘著控制方法》的保護範圍之內。
其中，輸入信號預處理模組的功能是對反饋回來的電機轉速信號和電機轉矩信號進行低通濾波，目的是去除其中的高頻干擾。在實施方面，《一種用於動車組的快速粘著控制方法》中採用一階低通濾波算法，以電機轉速度信號濾波為例：
其中表示tk時刻從電機軸端速度感測器採樣得到的轉速信號值，表示以tk為基準的前一個採樣時刻點轉速信號值，表示以tk為基準的前面第二個採樣時刻點轉速信號值，依此類推。是從上式計算得到的濾波後的tk時刻轉速信號值，λ為一個遠小於1的濾波係數。電機轉矩信號濾波方法類似：
其中表示tk時刻從電機控制器反饋得到的轉矩信號值，表示以tk為基準的前一個採樣時刻點轉矩信號值，T（tk）是從上式計算得到的濾波後的tk時刻轉矩信號值。
控制信號實時計算模組的功能是計算精確的動車組輪對加速度信號，因為輪對加速度信號是判定輪對與鋼軌之間粘著狀態的依據。在實施方面，輪對加速度信號採用二階前向有限差商公式得到：
其中，a（tk）是從上式計算得到的tk時刻的動車組輪對加速度值，R表示變速齒輪箱的減速比，r表示動車組輪對半徑，tS為採樣時刻點間距，即tS=tk-tk-1=tk-1-tk-2。
控制信號保護門限值設定模組的功能是根據動車組自身設計參數和軌面綜合狀況來設定輪對加速度門限值aP，然後送入粘著狀態檢測模組。
粘著狀態檢測模組比較當前的輪對加速度值a（t）和門限值aP，如果當前的輪對加速度值a（t）超過了aP就認為該輪對出現了空轉現象，此時將進行電機轉矩減載，同時通過空轉警報模組通知司機室出現了空轉現象。在電機轉矩減載過程中，如果輪對加速度值a（t）降為0，則認為輪軌間的粘著狀態已經恢復，此時進行電機轉矩恢復，直到動車組前進速度達到司機指定的行駛速度。
電機轉矩減載模組基於拋物線插值原理，如圖2所示。使用該策略的優點是可以減輕乘客在電機轉矩減載時的不舒適感。該原理具體為：
假設階段Ｉ時間段內的軌面狀況不好。當T增加時，輪對加速度值a（t）隨電機力矩T（t）的增加而增加，並最終超過aP而發生空轉現象。電機轉矩按下列步驟減載：
步驟A1：設加速度曲線上縱坐標值為0.9aP的點為A點，縱坐標值為aP的點為B點，計算A與B點之間直線L1的斜率K。
步驟A2：記錄輪對加速度值a（t）達到aP時的電機轉矩值TP，在轉矩曲線上對應C點。
步驟A3：在轉矩曲線上，過C點作斜率為-K的直線L2，L2與水平直線T=0.9TP相交於D點。
步驟A4：在轉矩曲線上過C、D兩點進行拋物線插值，得拋物線L3。
步驟A5：在階段II，按照拋物線L3執行電機轉矩減載，輪對加速度值a（t）由於慣性會滯後一小段時間，但必然會隨著電機轉矩的減載而單調下降。
步驟A6：當輪對加速度值a（t）下降至0時，說明輪軌間的粘著狀態已經恢復，記錄轉矩曲線上對應的F點作為電機轉矩恢復的起點。
電機轉矩恢復模組基於動態最佳化原理，如圖3所示。使用該策略的優點是使動車組儘快再次發揮出最大粘著力，動力損失少。
動車組從當前行駛速度通過增加牽引力達到司機指定行駛速度的過程，可以被建模成為一個動態最佳化問題：
minJ
=tf-t0
s（t0）=0
v（t0）=v0
v（tf）=vf
其中，t0表示電機轉矩恢復的起始時刻，v0為此時的動車組行駛速度，tf表示動車組行駛速度達到司機指定值vf的時刻，s（t）表示動車組從t0開始所行駛的距離。該問題的實質是：計算出一條使動車組從v0加速到vf的電機轉矩恢復曲線，並使消耗的時間tf-t0最短，以實現粘著力儘快恢復的目的。
《一種用於動車組的快速粘著控制方法》採用控制變數參數化方法（Controlvariableparameterization，簡稱CVP）求解上述動態最佳化問題，求解流程如圖3所示：
步驟B1：初始化階段，包括設定時間段
的分段數N、設定電機轉矩恢復策略的初始曲線為T（i）（t）、設定數值計算的精度要求tol值、將疊代次數i置零。
步驟B2：將微分方程組在時間段
進行N段離散，然後求解離散微分方程組的初值問題
s（t0）=0
v（t0）=v0
獲取目標函式值J（i）和約束函式值v（i）（tf）-vf。當i＝0時跳過步驟B3直接執行步驟B4。
步驟B3：如果J（i）與上一次疊代的目標函式值J（i-1）的絕對值之差，以及約束函式值v（i）（tf）-vf均小於精度要求tol值時，則判斷是否滿足收斂性，並將電機轉矩恢復策略T（i）（t）輸出到電機控制器；如果收斂性不滿足，則繼續執行步驟B4。
步驟B4：更新動態參數階段，包括用T（i）（t）的值覆蓋T（i-1）（t）的值、將疊代次數i增加1。
步驟B5：求解非線性規劃問題（Non-linearProgramming，簡稱NLP）。
minJ
s.t.v（i）（tf）=vf
獲得比T（i）（t）更優的電機轉矩恢復策略T（i+1）（t）。該步驟執行完成後再次跳轉至步驟B2，直至收斂性滿足為止。
典型的電機轉矩恢復策略如圖4中轉矩曲線的第111階段所示。F點處是開始恢復電機轉矩的起始時刻t0，在G點處滿足行駛速度達到司機指定值的要求，且耗時最短。
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種用於動車組的快速粘著控制方法》獲得第二十一屆中國專利金獎。
