列车节能控制的优化分析

为研究列车节能控制问题,采用带有非线性约束的微分方程描述列车运行过程,用牵引力积分形式描述节能优化目标,并将最大值原理应用于模型求解。在确保安全运行、满足线路限速约束、机车性能约束和运行时间约束的条件下,充分利用线路坡道,以能量消耗最小为控制目标,得到列车优化控制的策略。针对由于模型奇异性而使控制策略还不能确定出列车所有工况转换点的问题,结合列车操纵经验给出列车节能控制算法。在列车运行仿真平台上验证了优化控制方法与算法的正确性。

大秦线重载列车运行仿真计算研究

针对大秦线的实际情况,通过建立重载列车运行仿真计算模型,研究大秦线不同编组重载列车的牵引、制动等技术参数,为大秦线组织重载列车试验、制订合理的操纵方法和保证列车安全、可靠、正点、高效、节能运行提供技术依据。仿真计算表明:采用LOCOTROL技术,运用合理的操纵方法,按照SS4型机车(1+2+1)和(4×5 000 t)编组方式以及HXD1机车(1+1+0)编组方式牵引2万t组合列车,均能够满足大秦线运行时分以及长大下坡道对循环制动再充风时间的安全性要求。采用HXD1型机车(1+1+0)编组方式牵引2万t列车的最大纵向力比SS4型机车(1+2+1)编组方式的稍大,紧急制动最大纵向力一般在2 000 kN以下,常用全制动最大纵向力为1 000 kN左右,均有一定的安全裕量。仿真计算结果与实际试验结果相吻合,为大秦线成功开行2万t级重载组合列车提供了技术支持。

一种可在线调整的列车正点运行节能操纵控制算法

在给定列车站间运行时分的前提下,以能耗和时间成本最小为优化目标,以列车牵引力、制动力和速度为约束函数,建立基于列车受力特征函数的运动方程。运用动态规划法和二分法,通过回溯计算,建立回溯记录表和调整目标函数价值关系系数,设计列车离线最优节能操纵和正点运行在线调整的控制算法。算例分析以及与基于极大值原理的正点节能方案对比结果表明,给出的算法不仅可以获得与传统算法相似的离线最优节能操纵方案,而且可以对外界干扰做出动态响应,在线调整运行轨迹,在保证正点的前提下控制列车节能运行。

通用列车运行模拟软件系统研究

列车运行控制是运输系统设计与列车工作组织的重要内容。本文探讨了通用型铁路列车运行牵引过程模拟问题，开发了一套可用于不同机车类型、不同闭塞制式、不同列车参数条件的通用模拟软件。系统重点探讨了给定时分条件下列车操纵策略优化的模型及其启发式解法，初步实现了不同条件下列车运行的优化。此外，文章对电力机车进行了实例分析，所建立的系统对于分析给定区段条件下提高列车运行速度的可行性有重要实际意义。

列车属性对城市轨道交通牵引能耗的影响及列车用能效率评价

通过建立城市轨道交通列车牵引能耗模型,分析影响牵引能耗的列车属性,并基于灵敏度分析方法判断列车属性对牵引能耗的影响程度;定义牵引能耗模型中的被积函数为列车用能效率特征值,用于列车用能效率的评价。研究结果表明:影响牵引能耗的列车属性主要包括列车的质量、单位基本阻力和牵引电机效率,这三者中以列车质量对牵引能耗的影响最大,单位基本阻力对牵引能耗的影响最小,而牵引电机效率对牵引能耗的影响程度随着牵引电机效率的提高而减小;分别采用列车用能效率特征值和仿真的方法对同一线路上运行的列车进行牵引能耗比较,得到的列车牵引能耗排序完全一致,说明列车用能效率特征值可以准确判别列车用能效率的高低;根据列车用能效率特征值随速度变化的规律,可以分析不同列车在不同类型线路上节能运行的适用性,为城市轨道交通车辆的选型提供依据。

基于自适应终端滑模控制的城轨列车精确停车算法

为研究城轨列车精确停车算法,本文深入分析列车自动停车过程,结合列车牵引计算模型和制动系统模型,提出城轨列车停车控制算法的设计目标,即在避免控制输入切换频繁的前提下实现高精度的速度跟踪效果。应用终端滑模控制原理设计列车停车控制算法,并引入参数自适应机制,增强控制系统的自适应性。引入扰动观测器,进一步增强系统的抗干扰能力。仿真结果表明,基于扰动观测器的自适应终端滑模控制停车算法表现出良好的鲁棒性和自适应性。在系统模型具备参数不确定性和外部扰动的情况下,控制系统都能保证高精度的停车,提高了乘坐的舒适性。

高速动车组制动过程的建模及跟踪控制

通过分析动力分散式高速动车组多动力单元制动过程中制动力和速度之间的关系,根据动车组制动过程中的运行数据和制动特性曲线,建立高速动车组制动过程多动力单元的分布式三阶自回归模型;采用多变量广义预测控制方法,实时生成各动力单元所需制动力,实现制动过程中对动车组各动力单元给定速度的跟踪控制。采用MATLAB软件和给出的建模方法以及跟踪控制方法,以CRH380A型高速动车组为例进行跟踪控制仿真。结果表明:由仿真计算得到的动力单元速度与其实际速度的最大正负误差之绝对值均小于2km·h^(-1),均方根误差小于1km·h^(-1),均满足高速动车组运行过程的速度误差要求,验证了所建模型的准确性;高速动车组在制动过程中各动力单元对给定速度跟踪控制的最大绝对误差仅为0.195 8km·h^(-1),大大优于传统的多变量比例积分微分控制方法,满足制动过程中对动车组运行安全、舒适和停靠准确的要求。

单列高速列车运行仿真模型与算法

根据高速铁路线路特性,构建线路的3层节点网络模型。第1层描述车站和区间,第2层描述车站中心点、车站与区间的分界点和线路限速变化点及连接这些点的线路,第3层描述线路实际属性变化点及连接这些点的线路。鉴于高速动车组具有动力分散、质量均衡分布的特点,将动车组视为质量均匀且具有动力的绳体,创建高速动车组绳体模型。以动车组通过变坡点和变曲率点为例,分析动车组的受力状态,推导出对应的列车加速度计算公式。提出一种基于预推演的高速列车运行仿真算法。依据建立的线路模型、列车模型和仿真算法,开发了单列高速列车运行仿真系统。通过实例仿真验证了仿真模型与算法的准确性和实用性。

高速铁路牵引计算层次约束方法

为了实现高速铁路牵引计算过程的连续性和自动化,研究并提出层次约束方法。根据高速列车具有连续控制能力的技术特点,给出以限速约束为主线、辅以操纵约束的层次约束方法计算步骤。按照当前限速段的出口速度必须满足下一限速段限速、当前限速段的入口状态应是前一限速段的出口状态的要求,通过建立入口状态反馈机制实现限速约束,解决了牵引计算的连续性问题;通过标准操纵曲线的运用实现了操纵约束,解决了牵引计算结果的实施性问题。以京沪高速铁路牵引计算为例验证了层次约束方法的实用性。

列车牵引能耗计算方法

针对列车牵引能耗既有计算方法缺乏统计标准和能耗预测手段,通过分析机车性能、线路属性等因素对列车牵引能耗的影响,提出新的能耗计算方法。算法步骤是:客车按照车次、货车按照机车交路确定列车运行经路;按照列车起停、运行、惰行及空转、出入段及调车、上坡5种牵引过程,分别计算各区段的列车牵引能耗;按照列车径路累加各区段的能耗值,并换算为油、电的消耗量,最终计算出能耗费用。据此开发列车牵引能耗计算软件系统,以宝成线、丰台机务段为例进行能耗计算及影响因素分析,以DJ4和SSJ3为例进行新型机车牵引能耗的预测。结果表明,应用此计算方法和系统能够及时掌握列车牵引能耗的变化。

高速列车空气阻力测量分析方法

为从高速列车阻力中分离出空气阻力和其他阻力,基于空气阻力与列车质量基本无关、其他阻力与列车质量成正比的假设,以及列车满载和空载状态下的惰行工况阻力测量数据,建立列车空气阻力、其他阻力、质量和速度的关联方程组,并对空气阻力项施加过零点且单调递增的约束,从而得到高速列车的空气阻力及其他阻力的计算公式;然后采用速度—加速度拟合和基于时间—速度曲线的列车阻力优化2种方法对CRH3型高速动车组的空气阻力进行分析。研究结果表明:利用空气阻力与列车质量基本无关、其他阻力与列车质量成正比的工程假设,可实现高速列车空气阻力与其他阻力的解耦及耦合分析;CRH3型动车组的空气阻力和其他阻力算式中均包含了与列车速度有关的二次项和一次项,但在空气阻力算式中与列车速度有关的一次项数值很小,可以忽略不计;对高速列车而言,采用列车总阻力的形式较采用列车单位基本阻力的形式更能准确地表达列车阻力的特性。

基于遗传算法的追踪列车节能优化

为了研究追踪列车的节能优化操纵策略,提出了四显示固定闭塞系统下的列车静态速度约束条件和追踪列车动态速度约束条件.在此基础上,建立了以列车操纵手柄级位和工况转换点为控制变量的追踪列车节能优化模型.采用染色体长度可变多目标遗传算法,结合外部惩罚函数对该模型进行了求解,并利用遗传算法中的染色体变长算子对列车操纵手柄变换策略进行了优化.在四显示固定闭塞平台上的仿真结果表明,该方法可在安全、准点的前提下,使追踪列车的能耗下降4.3%,运行时间误差减小1.7%.

考虑列车追踪的自动驾驶控制算法

为了研究追踪列车安全、平稳的操纵策略,在分析列车间相互纵向动力学关系的基础上,提出了列车追踪模型.列车在不同情况下控制目标有所不同:单独运行模式下以最优速度模式曲线运行,追踪运行模式下保证安全追踪间隔运行.为了实现不同的控制目标,采用模型预测控制的分层结构,结合二次型优化算法实现最优列车速度控制.以CRH2型列车、武广线为例验证该模型的有效性.仿真结果表明,本文方法可使追踪列车安全性得到有效提高,且当使加速度控制在-0.75～0.5 m/s2之间,加加速度控制在-0.5～0.5 m/s3之间时,乘车舒适性得到了有效的保障.

高速列车牵引性能优化分析

为提高高速列车的牵引性能,在分析京津城际客运铁路上运行的CRH3型列车牵引性能的基础上,在牵引阻力不变的工况下,提出增加额定电压和增加额定电流两种功率提升方案。从转矩裕量、逆变器容量和电机损耗三个方面对两种方案进行对比分析,确定增加额定电流为首选方案。在该方案的基础上,进一步分析如何选择合理的附加恒转矩工作区,使系统不仅满足功率提升以及列车速度在0～200 km/h范围内平均加速度的设定需求,同时实现附加损耗最小化。优化结果验证了方案的正确性。

列车运行时分力学模型的建立与仿真

为了建立列车运行时分计算的仿真力学模型,比较不同模型对计算结果的影响,分别采用单质点列车力学模型和多质点列车力学模型,通过对列车运行过程中受力的动态分析,得到2种模型的列车运行数据。模拟仿真说明,多质点列车力学模型较好地考虑了列车长度,附加阻力的变化是连续的,列车速度曲线平滑,符合列车实际运行状况。

地铁动车牵引特性设计

比较地铁动车与干线铁路列车牵引特性设计方法,分析地铁动车牵引特性的特点。提出用迭代法进行地铁动车牵引特性设计的方法,通过实际算例和牵引计算仿真,验证该算法的准确性。

基于牵引效率曲线的动车组能耗仿真计算

动车组能耗评估对于列车顶层参数设计、新建线路能耗评估等工作意义重大,其关键在于动车组能耗的准确测算。文中采用基于牵引效率曲线的能耗计算方式进行仿真计算。根据实测动车组牵引效率曲线,总结不同级位下牵引效率特点,并将其作为能耗测算的输入条件,建立能耗计算模型进行仿真计算。将能耗仿真计算结果与实际线路测试的能耗数据进行对比分析,误差在2.4%~7.3%之间,验证了该能耗仿真计算模型及方法的实用性和准确性。

高速与重载列车3个牵引计算参数的界定值

我国高速铁路与重载铁路发展迅速,尤其高速铁路与高速列车的数量与品质已居世界前列,所以界定高速列车与重载列车一些有歧见的牵引计算参数非常重要。依据分析与研讨结果,3个相关的牵引计算参数(回转质量系数、牵引力使用系数及保有加速度)的界定值已经得出并予以推荐:(1)我国高速列车(含空货物列车)的回转质量系数应取定为0.10,重载列车的回转质量系数仍维持0.06,相关的列车运行时间和距离的计算公式见表3;(2)对于高速与重载列车而言,牵引力使用系数完全没有必要;(3)高速列车与重载列车以及其他列车保有加速度可按表6选用,对于最高速度360 km/h及其以上的高速与超高速列车保有加速度(计入回转质量系数)可降至0.04 m/s2左右,而重载列车的保有加速度至少要选用0.01 m/s2。

城市轨道交通列车牵引节能综合技术研究与实践

牵引能耗与单车驾驶策略、列车运行计划的编排、线路规划设计等因素相关。结合广州地铁运营能耗数据分析,利用城市轨道交通列车牵引计算仿真系统对牵引节能技术进行仿真模拟。经对比分析,总结出有利于降低牵引能耗的单车牵引曲线、节能运行图及线路条件等综合节能技术措施,且综合节能效果达5%~10%,可为已开通地铁线路的运营综合节能提供参考,也为国内城市轨道交通规划设计阶段的节能措施提供参考。

城市轨道车辆牵引仿真计算

分析了城市轨道车辆牵引计算的动态数学模型,通过预算列车特性为其逆变器和电动机的选型提供参考;简要介绍了用面向对象的C++语言实现的仿真计算程序。实践表明该软件具有一定的实用价值。