随着铁路的提速,怎样保证列车既正点运行又安全、节能,这是一个值得研究的问题。在一定的牵引机车、车辆、线路等硬件环境下和既定的运行图、列车编组计划等运营管理状况下,改进机车的操纵方法以实现列车的节能运行,是一条经济有效且直接可行的节能途径。

列车优化操纵问题的数学模型是一个非线性有约束的动态最优化问题。本文以优化原理与自适应控制为理论基础,利用离线寻优计算与在线自适应控制相结合的方法,在以C8051F020为核心的单片机测控装置上,建立了智能操纵优化模型。

一、列车优化操纵自适应控制原理

列车在理想条件下运行时,优化操纵问题可用一组方程来描述,即

状态方程:dv/dt=120C,ds/dt＝v

性能指标:

约束条件:0≤S≤Se,0≤V≤v_max

边界条件:S(t₀)＝0,V(t₀)＝0:S(t_f)＝Se,V(t_f)＝0

求解问题:J=J_min式中,V-机车运行速度；S-运行距离；c-单位合力；Vmax-限制速度；E-小时耗油量；I-司机手柄位；t₀,t_f分别为起始和终止时间；Se-区间距离。

由此可见,在理想条件下列车优化操纵是一个非线性,有约束条件和边界条件的动态最优化问题。

在该控制系统内,将理想条件下的列车优化模型作为参考模型,实际运行的列车作为基本调节回路,见图l,二者的输入为同一个输入量时间t,输出分别为理想速度量和位移量V_m(t)、S_m(t)以及实际速度量和位移量V_r(t)、S_r(t),两路输出进行比较,得到输出偏差△V、△s。通过△V、△s和理想的手柄位I_m以及实际的V_r(t)、S_r(t)得到预测预报、手柄修正模型,并给出手柄优化修正位△I。司机通过调整实时手柄位,控制列车在实际运行中达到理想条件下列车的运行特性,或尽可能接近理想特性即在安全正点运行的前提下,耗油量最小。

二、优化自适应控制器的设计与实现

1．在理想情况下列车优化操纵方案的确定

虽然列车在区间上的运行时间是一个定值,但列车在各个子区间上的运行时间是可以调节的,因而存在着各种操纵序列,相应的机车能耗也不相同。于是可在保证列车安全平稳正点的前提下,寻求能耗较少的操纵方式实现优化操纵。根据牵引计算分析,可总结出有利于节能的列车运行工况:运行时间一定时列车以匀速前进运行克服的基本阻力功最小；列车以最大制斌能力制动有利于节能；列车制动前惰行以降低制动前的运行速度有利于减少列车动能的损失；下坡时尽可能利用列车的势能,尽量避免或减少下坡道调速制动。这些节能原则在一定限制条件下可以实施。

本系统根据列车编组,线路纵断面,运行距离及运行时分等给定数据制定了列车优化操纵方案,并将其存入车载单片机中。其原理流程图如图2所示。

在列车首次运行时,进行运行线路状况、牵引重量自整定等工作,获取位置、时刻表后,进入寻优流程,并给出理想状态输出。如果行车途中产生临时停车,就需要重新输入行车计划。在系统中的寻优流程采用网格法[3]进行寻优。最后记录油耗最少方案,即理想数字模型。

2．手柄位修正值查询表的设计

列车运行中要受到各种阴力作用,其中摩擦阻力,风力,突发事件产生的突发力等随机性及变化性强,难以准确计算。通过分析,将列车作为一个整体,利用计算机的快速计算能力,把列车放在一个区间进行研究。首先柴油机的功率输出与手柄位成正比,而柴油机的功率输出经传动装置损耗后,输出与手柄位还成正比,克服阻力做功后的纯功率输出依然与手柄位成正比,而机车阻力与列车的速度成正比。通过此能量守恒原理建立各级手柄的修正值与单位质量的纯功率映射关系,并将此映射关系建立成表格存储到单片机中。

依据能量守恒原理建立数学模型:

式中,N-手柄对应的纯动力功率输出；V_T-运行T时间达到的速度；g-重力加速度；V₀-起始速度；T-运行的时间；H-坡的高度。

由式(1)得

(2)

N／M为单位质量的纯动力功率输出。列车运行区间依据安全点线路纵断面把区间用特殊点分成n个小区间,Vm为每个特殊点计算达到的理想速度。实际运行中列车到达每个特殊点的速度与理想速度会有一个偏差值△V＝Vr一Vm(Vr为实际速度,Vm为理想速度),又因为第i个子区间的出口速度为第i+1个子区间的入口速度,即V_out(i)＝V_in(i+1),所以式(2)在理想状态下,在第i个小区间的运行可描述为

而在实际运行中上式应写成

由 、可得

列车运行中在各特殊点逐一采集速度量值,计算出△v(i)的数值,利用单片机软件查表程序,即可求得手柄位修正值△I_i,然后通过显示向司机提供最佳操纵手柄位。

3．牵引重量的自整定

提高列车速度是当代铁路发展所追求的主要目标之一。为了衡量列车的可利用程度,要求在空旷平直道上的最高速度运行时还保有一定的加速度,牵引重量随之也受到一定的限制,即牵引重量也是制约列车速度的一个因素,继而影响寻优过程的能源消耗。因此列车启动后在空旷平直道路上运行时要对牵引重量进行计算。本系统将牵引重量的计算公式存储到单片机中,列车启动后调用该公式实现牵引重量的自整定。计算公式如下:

式中,Fg-列车构造速度即最高运行速度时的机车牵引力；w0’,w0’’-列车最高运行速度时的机车、车辆单位基本阻力；r-回转质量系数,取为0．06；a-列车在空旷平直路段以最高速度运行时要求保有的加速度；P-机车计算重量。

三、实时预测、预报功能

由于列车在长大上下坡道运行时速度难以控制,往往会出现上坡时速度过快而下坡时为了不超速不得不用制动来减速,这就浪费了一部分动能。如果对上坡时列车到达坡顶的速度进行预测,若速度超速则预报,司机可以通过调解手柄降速。下坡时预测到达坡底的速度,如果该速度超限,则预报,司机执行适当的制动手柄使列车到达坡底的速度接近但不超过限制速度。这样就很好地避免了上述问题。预测、预报的模型原理图如图3所示。

根据行车指定路线首先将路况分为三种基本类型；长大上坡路段、长大下坡路段和一般路段(无限制速度)。状态机根据实际的位移Sr(t)来确定该时一刻列车运行于何种路段下,调用该路段的相对应的参数和计算模型进行预测、预报。

本设计装置通过对现场测试。采用美国进口机车ND5390参考机车操纵优化向导装置操纵牵引列车,区段:金州至沈阳南,牵引吨数:3000吨,车长60辆。用同一司机操纵,测得耗油数据如表1所示。

由表1可见,节能效果比较明显。

虽然本设计思路主要针对美国NDS型机车,但由于采用了预报和质量的自测,该向导通过适当修改也适用于国产DF4D和电力机车。

四、结束语

该系统将列车、线路作整体视为受控对象虚拟了一个数字优化系统,同时建立了一个预测预报手柄修正模块,司乘人员执行最终的控制操作。由于系统的实时信号来自于监控器和自整定,故系统的性能高造价低,安全便于推广。

null