一种重载机车智能撒砂控制系统及控制方法与流程

本发明涉及一种重载机车智能撒砂控制系统及控制方法。

背景技术：

在重载机车运行过程中，其牵引力与制动力的形成依赖于轮轨间的粘着。轮轨粘着性能受到诸多因素的影响，比如冰、雪、雨、树叶、油脂等，这些因素会使轮轨间的粘着急剧下降。在轮轨干燥、清洁的情况下，轮轨间的粘着力能够保证机车牵引力与制动力的发挥，而在轨面湿滑或有污染物的情况下，通常不能满足重载机车牵引力与制动力发挥的要求，需要在轮轨间喷撒砂粒提高轮轨间的粘着，撒砂的可靠性、及时性和准确性对改善轮轨间的粘着非常重要。

目前大多数撒砂控制主要通过两种方式实现：1机车司机手动控制撒砂；2牵引控制系统自动控制撒砂。司机手动控制撒砂由于是人工完成，因此可能会造成撒砂不及时，或者在粘着状态恢复后继续撒砂造成浪费的情况。由于牵引控制系统的响应时间是毫秒级，因此可以实现快速、准确撒砂。

目前牵引控制系统自动撒砂方法主要有：

1)基于车轮加/减速度阈值的撒砂方法。

依靠车轮加/减速度阈值判定是否撒砂，当车轮加/减速度超过一定阈值后开始撒砂。这种方法容易受到机车振动、线路不平稳等情况的影响。

2)基于蠕滑速度阈值的撒砂方法。

采用蠕滑速度进行判断是否撒砂，当蠕滑速度超过一定值则启动撒砂动作。由于在机车运行过程中，蠕滑速度是间接得到的，如果出现所有车轮同时空转或滑行时，蠕滑速度将出现偏差，影响撒砂判断的准确性。

3)利用空转/滑行信号撒砂方法。

通过空转/滑行信号进行判断撒砂，这需要依靠空转或滑行信号的准确性，如果空转/滑行信号判断不准确，或者判断过程有延时都会造成撒砂的不准确。

4)基于层次分析法的撒砂方法。

通过层次分析法，采用蠕滑速度、车速、轮缘加速度进行加权判断，这种方法建立在模型和权重的精确性上，由于机车运行环境复杂多变，轮轨粘着状态模型无法精确建立，在不同运行状况中可能达不到良好撒砂的效果。

针对现有撒砂控制方法的问题，本发明结合二型模糊系统具有不确定性处理能力强、不需要控制系统精确模型、易于融入专家知识等特点，设计了一种重载机车智能撒砂控制方法。将机车速度、蠕滑速度、轮缘加速度作为二型模糊控制系统的输入，通过模糊系统推理获得撒砂倾向值。同时结合牵引空转降速信号综合判定得到机车撒砂信号，自动控制撒砂系统进行撒砂。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种重载机车智能撒砂控制系统及控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种重载机车智能撒砂控制系统，包括二型模糊撒砂系统模块、牵引空转降速模块和撒砂综合判定模块，其中：所述二型模糊撒砂系统模块的输入为机车速度、蠕滑速度和轮缘加速度，输出为撒砂倾向值；所述牵引空转降速模块的输入为机车速度、牵引状态、空转信号和转矩指令，输出为空转降速信号；所述撒砂综合判定模块的输入为机车速度、空转降速信号和撒砂倾向值数据，输出为撒砂信号，用于控制撒砂设备。

本发明还提供了一种重载机车智能撒砂控制方法，所述撒砂综合判定模块进行判断的流程如下：

步骤1、判断机车速度v是否在低速阈值vmin和高速阈值vmax之间，若是则继续下一步，否则程序结束；

步骤2、判断撒砂倾向值h是否大于设定阈值ho，若是则输出撒砂信号，否则进行下一步；

步骤3、判断牵引空转降速信号是否为1，若是则进行下一步，否则程序结束；

步骤4、输出撒砂信号，程序结束。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明基于二型模糊系统设计智能撒砂控制器，选取机车速度、蠕滑速度、轮缘加速度作为二型模糊系统的输入，输出为撒砂倾向值。如果撒砂倾向值大于设定值，且机车速度在规定撒砂范围内，结合空转降速信号综合判定输出撒砂信号，完成重载机车的自动撒砂控制。本发明的技术效果具体表现如下：

1)本发明提出了一种基于二型模糊系统的智能撒砂控制方法。由于二型模糊系统具有不需要控制系统精确模型、不确定性处理能力强、易于融入专家知识和经验等特点，因此本方法针对重载机车复杂的运行工况和运行环境的适应性比传统方法更强。

2)本发明综合牵引空转降速工况判断撒砂，通常重载机车在长大坡道上运行，如果轮轨间的粘着较差，即使机车牵引力指令值很大，由于可用粘着力的限制，整个列车可能不断降速。这种情况一定要撒砂，避免出现坡停事故。本发明将此工况独立出来判断撒砂。

3)本发明采用机车速度、蠕滑速度、轮缘加速度、空转降速信号作为撒砂控制信号的判断依据，比传统撒砂方法可靠。

4)本发明将二型模糊撒砂系统和牵引空转降速系统输出进行综合判定来输出撒砂控制信号，比传统撒砂方法及时、准确。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为智能撒砂控制系统结构图；

图2为机车速度语言变量隶属函数；

图3为蠕滑速度语言变量隶属函数；

图4为轮缘加速度语言变量隶属函数；

图5为输出语言变量隶属函数；

图6为牵引空转降速判断流程图；

图7为综合撒砂判断流程。

具体实施方式

本发明根据机车车速、蠕滑速度和轮缘加速度作为二型模糊系统的输入，建立一个模糊撒砂控制系统，通过该模糊控制系统输出撒砂倾向值，再结合空转降速信号综合判定撒砂信号。

智能撒砂控制系统结构如图1所示，包括：

二型模糊撒砂系统模块：根据输入机车速度、蠕滑速度和轮缘加速度数据，得出撒砂倾向值。

牵引空转降速模块：根据输入机车速度、牵引状态、空转信号和转矩指令数据，得出牵引空转降速信号。

撒砂综合判定模块：根据输入机车速度、牵引空转降速信号、撒砂倾向值数据，得出撒砂信号，控制撒砂设备。

1二型模糊撒砂系统模块

模糊控制能有效处理不精确、不确定的信息，由于一型模糊的隶属度函数是精确的，不能更好地解决复杂的机车运行环境和数据干扰等信息，而二型模糊将一型模糊精确的隶属度函数再次划分为模糊集合，给隶属度函数以更大的自由度，且在描述非线性、不确定性、复杂性系统方面具有更好的效果，故采用二型模糊系统设计智能撒砂控制方法能够有效提高撒砂动作的可靠性和准确性。

步骤1二型模糊撒砂系统模型的设计。

1.1设计二型模糊撒砂系统的输入变量

(a)机车速度

在机车运行过程中，很难获取机车的准确速度，一般根据以下方法估计机车速度：

当机车处于牵引状态时，机车速度为：

vt＝min(v1,v2,…,vn)(1)

当机车处于制动状态时，机车速度为：

vt＝max(v1,v2,…,vn)(2)

上式中，vi是各轴轮对转速，n是机车的轴数(重载机车通常为6轴、8轴、12轴)。

(b)蠕滑速度

在机车运行过程中，车轮与钢轨之间会产生很小的滑动，这种现象称之为蠕滑，蠕滑速度表达如下：

上式中，ω是车轮角速度，r是车轮半径，vs是蠕滑速度。

(c)轮缘加速度

轮对旋转运动的公式如下：

上式中，j是转动惯量，t是牵引转矩，tl是负载转矩，fμ是轮轨之间的粘着力。

则轮缘加速度为：

采用所述的二型模糊撒砂系统，包括如下步骤：

1.2输入变量的模糊划分

根据专家经验和实际运用数据，设计输入变量机车速度、蠕滑速度、轮缘加速度的模糊语言变量。

机车速度vt:

模糊子集为小(s)、中(m)、大(b)，论域选取为[0,120]km/h，语言变量的二型隶属函数如图2所示。

蠕滑速度vs:

模糊子集为小(s)、中(m)、大(b)，论域选取为[0,20]km/h，语言变量的二型隶属函数如图3所示的。

轮缘加速度|as|:

模糊子集为小(s)、中(m)、大(b)，论域选取为[0,5]m/s²，语言变量的二型隶属函数如图4所示的。

1.3确定输出变量及其模糊划分：确定撒砂倾向值为二型模糊系统的输出变量，便于在综合判定模块确定撒砂信号。为了简化运算，将输出变量划分为最小(ns)，次小(nm)，中(m)，次大(pm)，最大(pb)五个模糊子集合，输出变量的范围在0～1之间，隶属函数如图5所示。二型模糊系统输出撒砂倾向值为撒砂综合判定模块提供信号判据；撒砂倾向值的模糊语言变量和隶属度函数主要是根据经验确定，随着系统运行获得到一定量的数据后再根据实际情况动态调节。模糊语言变量设计的越多，控制越准确，但是计算复杂度越高，因此需要综合考虑计算精度和复杂度。

1.4构建模糊推理规则库：根据已有的机车速度、蠕滑速度、轮缘加速度的离线数据，结合专家知识和经验，建立二型模糊系统推理规则库。机车速度越大，撒砂对改善轮轨粘着的效果越小，撒砂倾向越小；蠕滑速度和轮缘加速度是衡量轮对空转/滑行的程度，蠕滑速度和轮缘加速度越大，即代表空转/滑行的程度越大，撒砂倾向越大。设计模糊规则共27条具体如下：

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步骤2二型模糊撒砂系统的在线运行

实时采集机车运行相关数据，计算得到机车速度、蠕滑速度、轮缘加速度数据，输入到二型模糊撒砂系统模型中，采用单点模糊化方法，然后进行二型模糊推理，再进行降型运算和解模糊化处理，最后输出得到撒砂倾向值，撒砂倾向值大于设定值则输出撒砂信号。

模糊系统在线运算方法包括：模糊化、模糊推理、降型计算和解模糊化方法，具体如下：

(1)模糊化

将向量映射成一个区间二型模糊形式，采用单点模糊化方法，三个输入变量的模糊化如下：

(2)模糊推理

输入函数是区间二型模糊集：

输出则为：

上式中，是模糊规则集。

(3)降型计算

模糊规则数n＝27，设第k条规则的激发隶属度的上下限分别为和fk，对应的规则输出为yk，中心集降型方法如下：

区间集合由yl和yr这两个端点值决定：

(4)解模糊化

解模糊化输出为：

2牵引空转降速判定模块

将牵引状态、牵引转矩、机车速度和空转信号作为系统的输入，空转降速信号作为系统的输出。

牵引空转降速判断流程如图6所示，判断流程如下：

步骤1：采集牵引状态、牵引转矩、机车速度和空转信号；

步骤2：判断是否为牵引且空转状态，若是则继续下一步，否则输出牵引空转降速信号为0，程序结束；

步骤3：判断牵引转矩指令是否大于阈值(通过维持机车匀速运行所需的牵引转矩确定)，若是则继续下一步，否则输出牵引空转降速信号为0，程序结束；

步骤4：判断是否满足机车速度v(i)＞v(i+1)，若是则输出牵引空转降速信号为1，程序结束；否则输出牵引空转降速信号为0，程序结束。

3撒砂综合判定模块

撒砂综合判定模块的输入为空转降速信号、机车速度、撒砂倾向值，输出为撒砂信号。若机车速度在低速阈值vmin(取5km/h)和高速阈值vmax(取80km/h)之间，则将空转降速信号和撒砂倾向综合判定，输出撒砂信号。

撒砂综合判定过程如下：

步骤1：判断机车速度v在低速阈值vmin和高速阈值vmax之间，若是则继续下一步，否则程序结束；

步骤2：判断撒砂倾向值h是否大于设定阈值ho(根据运行线路选取，取值在0.5～0.6之间)，若是则输出撒砂信号，否则进行下一步；

步骤3：判断牵引空转降速信号是否为1，若是则进行下一步，否则程序结束；

步骤4：输出撒砂信号程序结束。

撒砂综合判断流程如图7所示。