列车主动倾摆控制方法和控制系统与流程

1.本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种列车主动倾摆控制方法和控制系统。


背景技术：

2.高速化和舒适性是轨道车辆发展的趋势，但是由于线路条件限制，比如曲线段数量大、小半径曲线多等特点，单纯提高车辆运行速度会增大转弯过程中车辆的未平衡离心力，影响乘客的舒适度和车辆的安全性、稳定性。考虑到建设高速铁路成本高、维修费用高、技术要求高等因素，期望现有线路上对车辆进行改造，从而达到提高车辆运行速度的目的。
3.摆式列车是在既有线路提速的一种有效技术措施，作用原理如图1所示。其特点是当车辆进入曲线段时,根据检测系统测得线路信息,传输给控制系统计算出车体需要额外产生的倾斜角度,相当于增加了一个额外的超高,因而增大了向心力,使超速离心力大部分得到平衡,保证了列车能高速平稳通过弯道,乘客感觉到的离心力大大减小,乘坐舒适度显著提高。
4.那么如何科学合理的通过控制系统的控制计算，对主动倾摆装置进行控制，能够同时满足列车运行的安全性、稳定性和乘坐的舒适性，是本发明重点讨论的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种列车主动倾摆控制方法和控制系统，通过检测装置获得线路曲线和车辆运行情况，通过倾摆控制器计算车体倾摆角度β下发指令给倾摆执行机构，通过作动控制器控制将车体倾摆角度β转换为倾摆作动器的作动行程、作动速度，并最终达到设定行程，以实现车体倾摆。
6.为此，第一方面，本发明实施例提供了一种列车主动倾摆控制方法，包括：检测装置对车辆的未平衡离心加速度和超高时变率进行采集，倾摆控制器根据处理后的未平衡离心加速度和超高时变率确定是否需要进行主动倾摆控制以及倾摆方向；
7.在确定需要进行主动倾摆控制时，倾摆控制器根据处理后的未平衡离心加速度计算车体所需倾摆角度，并根据列车的车长和列车的运行速度计算数据发送延时；
8.所述倾摆控制器根据所述数据发送延时将车体所需倾摆角度发送给相应的倾摆执行机构的作动控制器；
9.所述作动控制器根据所述车体所需倾摆角度确定倾摆执行机构的作动行程和作动速度，并生成倾摆动作控制指令控制所述倾摆执行机构的倾摆作动器根据所述作动行程和作动速度控制车体的主动倾摆。
10.优选的，所述检测装置对车辆的未平衡离心加速度和超高时变率进行采集，倾摆控制器根据处理后的未平衡离心加速度和超高时变率确定是否需要进行主动倾摆控制以及倾摆方向具体包括：
11.所述检测装置实时检测车辆的未平衡离心加速度，对所述未平衡离心加速度进行
第一滤波处理后，得到处理后的未平衡离心加速度；
12.确定所述处理后的未平衡离心加速度是否达到第一设定阈值；
13.当达到第一设定阈值时，所述检测装置获取超高时变率，进行第二滤波处理后，得到处理后的超高时变率；
14.根据所述处理后的超高时变率确定列车行驶对应的逻辑状态参数，并确定是否需要进行主动倾摆控制以及倾摆方向。
15.进一步优选的，所述根据所述处理后的超高时变率确定列车行驶对应的逻辑状态参数，并确定是否需要进行主动倾摆控制以及倾摆方向具体为：
16.根据所述处理后的超高时变率确定列车行驶对应的逻辑状态的状态参数；所述逻辑状态的状态参数包括：用以表示列车行驶不在缓和曲线上的第一状态参数，用以表示缓和曲线上超高递增状态的第二状态参数和用以表示缓和曲线上超高递减状态的第三状态参数；
17.当所述逻辑状态的状态参数为第一状态参数时，不需要进行主动倾摆控制；
18.当所述逻辑状态的状态参数为第二状态参数时，需要进行主动倾摆控制，倾摆方向向内轨方向；
19.当所述逻辑状态的状态参数为第三状态参数时，需要进行主动倾摆控制，倾摆方向向外轨方向。
20.进一步优选的，所述方法还包括：根据列车行驶对应的逻辑状态的持续时间确定所述处理后的未平衡离心加速度的信号延时补偿时间。
21.优选的，所述倾摆控制器根据处理后的未平衡离心加速度计算车体所需倾摆角度具体包括：
22.通过公式β＝arcsin((a'
‑
a)/g)计算车体所需倾摆角度；
23.其中，a为未平衡离心加速度；a'为期望得到的加速度值；g为重力加速度；β为车体所需倾摆角度。
24.进一步优选的，所述作动控制器根据所述车体所需倾摆角度确定倾摆执行机构的作动行程具体为：
25.通过公式n＝(l/2/i)*β/(360/r)计算所述作动行程；
26.其中，l为两侧的作动器的中心间距；i为扭臂长度；r为倾摆执行机构中减速机的减速比；
27.所述作动控制器根据所述车体所需倾摆角度确定倾摆执行机构的作动速度具体为：
28.通过公式r＝n/t计算所述作动速度；
29.其中，t为预先设定的在所有工况下要求完成倾摆动作的时间。
30.进一步优选的，所述方法还包括：
31.设定最大倾摆角度β
max
；
32.当β大于β
max
时，通过公式n＝(l/2/i)*β
max
/(360/r)计算所述作动行程。
33.优选的，所述作动控制器根据所述车体所需倾摆角度确定倾摆执行机构的作动行程和作动速度，并生成倾摆动作控制指令控制所述倾摆执行机构的倾摆作动器根据所述作动行程和作动速度控制车体的主动倾摆具体包括：
34.监测反馈装置检测倾摆作动器的高度变化量和/或车体的倾角变化量生成倾摆角度反馈信号；
35.所述作动控制器根据所述车体所需倾摆角度和所述倾摆角度反馈信号确定倾摆执行机构的作动行程和作动速度，并生成倾摆动作控制指令。
36.第二方面，本发明实施例提供了执行上述第一方面所述的列车主动倾摆控制方法的控制系统，所述控制系统包括上述第一方面中所述的检测装置、倾摆控制器和至少一个倾摆执行机构；
37.所述检测装置包括：加速度传感器、速度传感器和陀螺仪；
38.所述倾摆执行机构包括作动控制器和倾摆作动器。
39.优选的，所述控制系统还包括监测反馈装置；
40.所述监测反馈装置包括位移传感器和/或角位移传感器。
41.本发明实施例提供的列车主动倾摆控制方法，通过检测装置获得线路曲线和车辆运行情况，通过倾摆控制器计算车体倾摆角度β下发指令给倾摆执行机构，通过作动控制器控制将车体倾摆角度β转换为倾摆作动器的作动行程、作动速度，并最终达到设定行程，以实现车体倾摆。
附图说明
42.图1为现有技术应用的摆式列车原理示意图；
43.图2为本发明实施例提供的一种列车主动倾摆控制方法流程图；
44.图3为本发明实施例提供的控制系统的框图；
45.图4为本发明实施例提供的控制系统所执行控制方法的一个具体的控制算法过程示意图；
46.图5为本发明实施例提供的控制方法控制的主动倾摆装置的示意图；
47.图6为本发明实施例提供的主动倾摆装置的具体结构示意图。
具体实施方式
48.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
49.本发明实施例提供了一种列车主动倾摆控制方法，用于列车行驶过程中的车体主动倾摆控制，根据检测装置获得线路曲线和车辆运行情况，通过控制器计算并下发指令给倾摆执行机构，通过倾摆执行机构动作实现车体的倾摆动作。
50.图2为本发明实施例提供的列车主动倾摆控制方法流程图，图3为本发明实施例提供的控制系统的框图。
51.为便于理解，先根据图3对控制系统的组成进行介绍。
52.本发明的控制系统用于执行本发明的列车主动倾摆控制方法，包括：检测装置1、倾摆控制器2和至少一个倾摆执行机构3；
53.检测装置1可以具体包括：加速度传感器11、速度传感器12和陀螺仪13；其中，加速度传感器11安装在头车前端转向架上，测量车辆的未平衡离心加速度a；速度传感器12安装在头车前端转向架上，测得车辆的运行速度；陀螺仪13安装在头车前端转向架上，测得轨道的超高时变率。
54.倾摆控制器2接收来自检测装置1的信号，确定是否需要进行主动倾摆控制以及倾摆方向，并计算车体倾摆角度β。
55.每个倾摆执行机构3安装在一个转向架上，包括作动控制器31和倾摆作动器32。作动器控制器31将车体倾摆角度β转换为倾摆作动器32的作动行程、作动速度，控制倾摆作动器32动作使车体倾摆。
56.控制系统还包括监测反馈装置4，具体可以包括设置在车体上的位移传感器41和/或角位移传感器42。可以通过位移传感器41或角位移传感器42测出车体两侧高度差，计算出车体的角度；或通过角位移传感器42，测出车体的倾角，反馈给作动控制器31，进行闭环反馈控制。
57.在具体的控制方法中，尤其是对于高速列车，还要考虑信号处理的延时，各个车体的控制信号发送延迟等具体情况。下面通过主动倾摆控制方法的流程进行说明。
58.根据图2所示，本发明的主动倾摆控制方法，可以主要按照如下步骤执行。
59.步骤110，检测装置对车辆的未平衡离心加速度和超高时变率进行采集，倾摆控制器根据处理后的未平衡离心加速度和超高时变率确定是否需要进行主动倾摆控制以及倾摆方向；
60.具体的，检测装置通过加速度传感器实时检测车辆的未平衡离心加速度，对未平衡离心加速度进行第一滤波处理后，得到处理后的未平衡离心加速度；第一滤波处理采用低通滤波器滤波掉轨道不平顺引起的车体横向振动加速度，但在实际应用中，这会造成信号的延迟发送，因此需要进行利用陀螺仪测得的超高时变率，补偿加速度的延迟，补偿时间在后面会进行说明。
61.确定处理后的未平衡离心加速度是否达到第一设定阈值；当达到第一设定阈值时认为车辆进入曲线，检测装置通过陀螺仪获取超高时变率，进行第二滤波处理后，得到处理后的超高时变率；在实际中，实际测得的超高时变率信号虽然也须经过适当处理才能使用，但并不需要将信号滤得很光滑,因此陀螺仪滤波器的延时就会小一些。
62.根据处理后的超高时变率确定列车行驶对应的逻辑状态参数，并确定是否需要进行主动倾摆控制以及倾摆方向。其中，逻辑状态的状态参数包括：用以表示列车行驶不在缓和曲线上的第一状态参数，用以表示缓和曲线上超高递增状态的第二状态参数和用以表示缓和曲线上超高递减状态的第三状态参数；当逻辑状态的状态参数为第一状态参数时，不需要进行主动倾摆控制；当所述逻辑状态的状态参数为第二状态参数时，需要进行主动倾摆控制，倾摆方向向内轨方向；当所述逻辑状态的状态参数为第三状态参数时，需要进行主动倾摆控制，倾摆方向向外轨方向。
63.在一个具体的例子中，通过安装在转向架上的陀螺仪测量线路外轨超高的变化,即超高时变率,由此判断机车是否进/出缓和曲线,并给出三种逻辑状态:不在缓和曲线上为“0”,缓和曲线上超高递增为“1”,缓和曲线上超高递减为
“‑
1”。这几种逻辑状态对应控制车体倾摆与否及倾摆的方向,逻辑状态持续的时间就是前面所说的补偿时间。在具体的例子中，这个时间补偿可以以加一个固定增量来补偿作动器转动角度的形式实现，即，以信号延时带来的转动角度差进行补偿。
64.步骤120，在确定需要进行主动倾摆控制时，倾摆控制器根据处理后的未平衡离心加速度计算车体所需倾摆角度，并根据列车的车长和列车的运行速度计算数据发送延时；
65.具体的，可以通过公式β＝arcsin((a'
‑
a)/g)计算车体所需倾摆角度；其中，a为未平衡离心加速度；a'为期望得到的加速度值；g为重力加速度；β为车体所需倾摆角度。
66.步骤130，倾摆控制器根据数据发送延时将车体所需倾摆角度发送给相应的倾摆执行机构的作动控制器；
67.因为检测装置是检测车头的参数，对于后面各个车体，控制器可以根据已经确定的车长、速度来相应的计算延时时间，延时向后面各个车体的倾摆执行机构逐一发送所需倾摆角度。
68.步骤140，作动控制器根据车体所需倾摆角度确定倾摆执行机构的作动行程和作动速度，并生成倾摆动作控制指令控制倾摆执行机构的倾摆作动器根据作动行程和作动速度控制车体的主动倾摆。
69.具体的，可以通过公式n＝(l/2/i)*β/(360/r)计算倾摆作动器的作动行程；其中，l为两侧的作动器的中心间距；i为扭臂长度；r为倾摆执行机构中减速机的减速比；
70.进一步的，对于车体的倾摆控制，倾摆作动器存在最大行程，如果车体所需倾摆角度β过大超出最大行程对应的最大倾摆角度β
max
，此时通过公式n＝(l/2/i)*β
max
/(360/r)计算作动行程。
71.在确定作动行程后，通过公式r＝n/t计算作动速度；其中，t为预先设定的在所有工况下要求完成倾摆动作的时间。比如需要在2秒内完成倾摆动作，则r＝n/2。对应不同工况，要求完成倾摆动作的时间可以设置为不同。
72.在优选的实施例中，控制系统还可以通过设置在车体上的监测反馈装置来检测倾摆作动器的高度变化量和/或车体的倾角变化量生成倾摆角度反馈信号。
73.具体可通过安装在车体上的位移传感器/角位移传感器，测出车体两侧高度差，计算出车体的角度，或通过安装在车体上的角位移传感器，测出车体的倾角，生成倾摆角度反馈信号反馈给作动器控制器。然后作动控制器根据车体所需倾摆角度和倾摆角度反馈信号确定倾摆执行机构的作动行程和作动速度，并生成倾摆动作控制指令，由此形成闭环反馈控制。
74.图4为本发明实施例提供的控制系统所执行控制方法的一个具体的控制算法过程示意图；根据该过程示意图可以看到一个完整的车体倾摆动作的控制过程。
75.如图4所示，加速度传感器测量车辆的未平衡离心加速度经过滤波后得到滤波后的未平衡离心加速度a；陀螺仪测得轨道的超高时变率，根据对应的逻辑状态持续时间对未平衡离心加速度a进行补偿。在具体的例子中，补偿以加一个固定增量来补偿作动器转动角度的形式实现。速度传感器测得车辆的运行速度，根据运行速度，将倾摆角度的信号延迟传给后面各车体的作动控制器；
76.作动器控制器根据倾摆控制器发送的车体需求的倾摆角度，转换为倾摆作动器的作动行程、作动速度，控制倾摆作动器动作使车体倾摆，同时根据车体上位移传感器/角位移传感器监测的车体的实际倾摆角的反馈进一步的调整修正作动行程的控制形成闭环反馈控制。
77.本发明实施例提供的控制方法和控制系统，可以实际应用在对如图5、图6所示的主动倾摆装置的控制。此处主动倾摆装置仅为举例，本发明可控制方法能够加以实施的主动倾摆装置的具体实现形式不限于此。
78.图5为本发明实施例提供的主动倾摆装置结构示意图，图6为主动倾摆装置的透视图；结合图5、图6所示，本实施例提供的主动倾摆装置包括：第一可调连杆11、第二可调连杆12、第一扭臂21、第二扭臂22、第一扭杆31、第二扭杆32、第一法兰41、第二法兰42、第三法兰43、减速机5、电机6和外套支座7；
79.减速机5的输入端通过第三法兰43与电机6连接，外套支座7连接在减速机5的外壳上，电机6设置在外套支座7内；
80.第一法兰41通过螺钉连接在减速机5的输出端，第一扭杆31的一端与第一法兰41过盈配合，另一端与第一扭臂21过盈配合；第一可调连杆11与第一扭臂21球铰连接，方便第一可调连杆11与第一扭臂21之间相互转动；
81.第二法兰42与外套支座7固定连接，第二扭杆32的一端与第二法兰42过盈配合，另一端与第二扭臂22过盈配合；第二可调连杆12与第二扭臂22球铰连接，方便可调第二可调连杆12与第二扭臂22之间相互转动。
82.为保证部件强度，第一扭臂21、第二扭臂22、第一扭杆31、第二扭杆32、第一法兰41、第二法兰42的加工方式选择锻造，并且进行热处理提高强度。
83.本发明的减速机5可以具体根据额定转矩、减速比、承受冲击，重量等因素选择适合的减速机，具体可以为rv减速机、谐波减速机等。
84.本发明的外套支座7具体为金属材质制成，可根据需要的尺寸、强度、重量来选择适当的材质，外套支座7通过螺钉连接在减速机5的外壳上，对减速机5的输入端和电机6起防护作用，并将扭杆2间接与减速机5的外壳连接。
85.本实施例的主动倾摆装置安装于车体下侧的枕梁100和转向架构架200之间；第一扭杆31和第二扭杆32的端部分别通过支座101与枕梁100连接；支座101的内部装有轴承，用以第一扭杆31和第二扭杆32分别绕轴承的轴向转动；第一可调连杆11和第二可调连杆12的末端分别设有橡胶球铰节点或球铰轴承，第一可调连杆11和第二可调连杆12通过橡胶球铰节点或球铰轴承与转向架构架200的支座201连接，用以第一可调连杆11和第二可调连杆12分别相对于支座201转动。两个空气弹簧300分别设置在两侧的第一可调连杆11和第二可调连杆12的内侧。
86.该主动倾摆装置由本发明提出的列车的控制系统控制，在列车行驶过程中，通过检测装置会实时检测列车的各项行驶状态参数，并发送给倾摆控制器，对行驶状态进行判定。
87.当判定车辆在直线行驶中，作动控制器控制电机6反向扭矩抱死减速机5的输入轴，此时电机6和减速机5不发生转动。
88.当判定车体进入缓和曲线，作动控制器根据倾摆控制器计算的倾摆角度生成控制信号，控制电机6转动，驱动减速机5的输出端和外壳向相反方向转动，分别带动第一扭杆31和第二扭杆32向相反方向转动，进而带动第一扭臂21和第二扭臂22一上一下转动，实现车辆的倾摆。
89.在车体倾摆过程中，两侧的空气弹簧300跟随车体高度升高、降低，由于两点支撑，空气弹簧的高度阀设置在中间位置，基本不会发生充排气。两空气弹簧附加气室在枕梁内侧相通，高度降低的空气弹簧内的气体会流向高度升高的空气弹簧内，这样两空气弹簧对车体倾摆产生阻力很小。
90.此外，在电机失电时，还可以通过电机自带刹车装置抱死减速机，从而能够保持该装置的抗侧滚功能，避免因电机故障造成抗侧滚功能失效。也就是说，即使发生电机失电故障，也仅是失去倾摆功能，扭杆和可调连杆依然发挥其正常连接作用，车辆仍能安全正常的直线运行和以较高速度曲线运行。
91.本发明实施例提供的列车主动倾摆控制方法，通过检测装置获得线路曲线和车辆运行情况，通过倾摆控制器计算车体倾摆角度β下发指令给倾摆执行机构，通过作动控制器控制将车体倾摆角度β转换为倾摆作动器的作动行程、作动速度，并最终达到设定行程，以实现车体倾摆。
92.专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
93.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、倾摆控制器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd
‑
rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
94.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。