[发明专利]基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换

说明书

本发明公开一种基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换方法。针对货运列车运行过程中列车的加速度变化，建立货运列车基于速度自适应的单质点模型和多质点模型，研究其平滑切换方法。采集列车加速度信号，通过前一刻与这一刻的加速度之差，得到加速度偏差值。对列车模型建立状态观测器，根据状态观测器得到列车速度和加速度偏差估计值。通过加速度估计值获取下一时刻的牵引力或制动力，对列车运行速度进行控制。该发明通过加速度变化率来实现列车模型的平滑切换，控制列车平稳运行。

技术领域

本发明涉及货运列车运行过程模型切换及速度控制，属于货运列车自动驾驶领域。

背景技术

铁路运输是现代交通领域重要的一环，货运列车的发展方兴未艾，前景广阔。目前我国铁路运输上列车模型多采用单质点模型，但由于货运列车运量不断加大、运行速度不断加快，列车的运输安全问题，如车钩断钩、速度突变等问题开始突显，此时单质点模型显然不再适用。

货运列车在运行过程中，列车的加速度会由于线路坡度、弯道、工况等参数的变化而发生改变。当列车加速度不发生改变时，各车辆受力比较均匀，通常可以忽略车辆之间的车钩力，故采用单质点模型；当列车加速度发生改变时，车辆受力会发生很大变化，此时需要考虑车辆之间的车钩力，以防发生车钩断钩现象。

当前我国铁路运输上列车模型仍多采用单质点模型，由于误差较大，我国开始逐渐深入到多质点模型的研究中。单质点模型通常造成特殊线路时车钩断钩、列车速度突变，影响列车对车速的控制。多质点模型由于其需要对每一辆列车单独建模，对于货运列车来说，其列车数量较多，编程比较困难。本发明与常规列车模型不同之处在于采用了质点混合模型，收集列车加速度数据，以加速度变化率来进行模型切换。列车加速度不变时，采用单质点模型，列车加速度改变时，此时采用多质点模型。引用加速度作为反馈量，通过加速度偏差信号，计算出列车所需的牵引力或制动力，保证列车模型切换时速度平滑。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换方法，保证列车平稳运行。同时，考虑上坡段速度提升太慢，要尽可能的加速行驶。下坡段速度变化太快，要尽可能的稳，缓冲慢。通过所得加速度偏差信号，可以对列车运行进行控制，使列车平稳运行。

本发明可用以下技术方案来实现：

一种基于速度自适应的货运列车质点混合模型平滑切换方法，建立货运列车基于速度自适应的单质点模型和多质点模型。根据列车加速度状态变化，利用速度变换公式，确保整个切换过程速度平滑。通过对路况切换或工况改变导致的加速度偏差信号，计算出列车所需的牵引力或制动力，保证列车平稳运行。本发明由以下步骤来实现：

步骤一：设计货运列车在各线路信息条件下单质点和多质点的数学模型，模型由列车动力学模型和列车加速度偏差所建立。

列车加速度不变时，整个列车可以看成一个整体，对列车采用单质点模型，此时加速度偏差值为0。列车单质点模型动力学方程为：

式中：M为车辆的总质量；为车辆的加速度；F_T为牵引力；F_B为制动力；F_W为车辆运行基本阻力；F_Wc为曲线阻力；F_Wr为坡道阻力。

列车加速度改变时，采用多质点模型。考虑加速度偏差的列车多质点模型动力学方程为：

式中：m_i为车辆的质量；为车辆的加速度；γ为加速度偏差值；F_t为牵引力；F_b为制动力；F_cqi-1为前车钩力；F_chi+1为后车钩力；F_ri为第i辆车运行总阻力。