列车制动缸压力控制方法及系统

摘要

本发明提供一种列车制动缸压力控制方法及系统，所述方法包括：列车出库前，在紧急制动试验的控制策略下采集电磁阀输出的Cv压力值；根据所述Cv压力值计算电磁阀参数；列车上线运行时，根据采集到的多组C‑Cv压力值更新中继阀的C‑Cv线性拟合函数；根据预设的C压力目标值以及所述C‑Cv线性拟合函数计算得到Cv压力目标值；根据所述Cv压力目标值以及所述电磁阀参数输出一控制信号，控制电磁阀动作以输出对应的Cv压力。本发明通过估计电磁阀和中继阀参数，并依此进行制动缸压力控制，具有更高的精确度，更快的控制速度，更少的电磁阀动作次数，极大的提升了阀的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及城市轨道交通车辆技术，特别涉及一种可应用于动车组的列车制动缸压力控制方法及系统。

背景技术

目前国内运营的动车组或城市轨道交通列车的空气制动中，制动缸压力的控制普遍采用一对电磁阀和一个中继阀作为主要执行机构。电子系统控制电磁阀充风/排风动作，通过中继阀进行流量放大，使制动缸压力达到设定值后，驱动制动夹钳，使闸片与闸瓦间形成一定摩擦力，从而实现列车的空气制动。

图1是电磁阀和中继阀的气路连接图。如图所示，中继阀3以R口的总风缸空气作为来源，根据Cv口的输入压力对C口输出的制动缸压力进行数值调节和流量放大。当电磁阀1和电磁阀2均得电动作时，空气由总风缸充入，此时中继阀3的Cv口输入压力升高；当电磁阀1和电磁阀2均失电时，空气排出，中继阀3的Cv口输入压力降低。当中继阀3的T口有压力输入时，C口输出低压力，以保证列车在高速行驶时的制动力不超过黏着极限。传统的制动缸压力控制过程是通过出厂前对中继阀在升降压/高低速下的C-Cv特性进行线性拟合，基于该拟合结果，根据C压力设定值计算出Cv压力设定值，再基于PWM对电磁阀进行开闭控制，对Cv压力进行闭环控制而实现的。在基于PWM对Cv压力进行的控制中，虽然控制精度能够保证，但采用控制误差和当前Cv压力区间作为输入，使得当Cv压力接近目标值时，控制系统输出PWM信号占空比为小于100％的变化值，造成电磁阀1和电磁阀2频繁动作。此外，由于批量生产中继阀的个体差异和运用环境不同，C-Cv的线性拟合与实际之间存在差异，导致Cv压力达到目标值后，制动缸C压力与设定值间具有较大差距。

图2所示的传统的制动缸压力控制方法并不考虑电磁阀和中继阀的特性变化和动作次数，对中继阀3的C口处的压力控制是开环的，且在实际运用中需根据压力区间重新调整控制参数，因而导致了更多的工作量和控制的制动缸压力偏离目标，这将对列车的制动性能和阀的使用寿命产生负面影响。例如在基于PWM的控制中，根据Cv误差，采用PID等方法进行压力调节时，当Cv压力接近目标值时，电磁阀会频繁进行充/排风动作，极大的降低了电磁阀的使用寿命；此外，由于长时间不同环境、工况下的使用以及阀的老化，控制算法中的关键参数：如电磁阀开闭响应时间、100％占空比下单周期压力最大变化值，以及中继阀在高低速、升降压下工况下的C-Cv特性均会发生变化，从而使输出的C压力偏离其目标值。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种列车制动缸压力控制方法，包括：

列车出库前，输出压力控制策略控制电磁阀，并采集Cv压力变化至冗余紧急制动压力过程中的多个Cv压力值；

根据所述多个Cv压力值计算电磁阀参数；

列车上线运行时，根据采集到的多组C-Cv压力值更新中继阀的C-Cv线性拟合函数；

根据预设的C压力目标值以及所述C-Cv线性拟合函数计算得到Cv压力目标值；

根据所述Cv压力目标值以及所述电磁阀参数输出一控制信号，控制电磁阀动作以输出对应的Cv压力。

在一实施例中，所述列车制动缸压力控制方法还包括：

根据当前开闭控制周期内采集的Cv压力实际值、所述Cv压力目标值以及所述电磁阀参数计算下一开闭控制周期内的电磁阀输出占空比；

当所述电磁阀输出占空比为100％时，根据预设的第一更新函数对电磁阀的Cv压力变化序列进行更新。

在一实施例中，所述列车制动缸压力控制方法还包括：

连续采集中继阀的输入R压力；

若当前时刻的R压力值与前一时刻的R压力值的绝对差值超过变化阈值，根据预设的第二更新函数对当前时刻电磁阀的Cv压力变化序列进行更新。

在一实施例中，所述根据采集到的多组C-Cv压力值更新中继阀的C-Cv线性拟合函数，包括：

将预先设定的Cv压力值区间分割为m个连续区间；

分别在每个区间内连续采集两组C-Cv压力值；

分别根据每个区间的两组C-Cv压力值以及前一时刻该区间的斜率与截距计算当前时刻该区间的斜率和截距以更新对应的区间C-Cv线性拟合函数。

在一实施例中，所述列车制动缸压力控制方法还包括：

采集当前时刻输出的C压力实际值以及Cv压力实际值；

根据所述C压力实际值、Cv压力实际值以及对应的区间C-Cv线性拟合函数的斜率与截距计算Cv压力补偿值；

根据所述Cv压力补偿值对所述Cv压力目标值进行补偿。

本发明还提供一种列车制动缸压力控制系统，该系统包括：

第一压力控制器，用于在列车出库前，输出压力控制策略控制电磁阀，并采集Cv压力变化至冗余紧急制动压力过程中的多个Cv压力值；

电磁阀参数估计模块，用于根据所述多个Cv压力值计算电磁阀参数；

中继阀参数估计模块，用于在列车上线运行时，根据采集到的多组C-Cv压力值更新中继阀的C-Cv线性拟合函数；

线性拟合模块，用于根据预设的C压力目标值以及所述C-Cv线性拟合函数计算得到第一Cv压力目标值；

第二压力控制器，用于根据所述第一Cv压力目标值以及所述电磁阀参数输出一控制信号，控制电磁阀动作以输出对应的Cv压力。

在一实施例中，所述第二压力控制器包括：

占空比计算单元，用于根据当前开闭控制周期内采集的Cv压力实际值、所述第一Cv压力目标值以及所述电磁阀参数计算下一开闭控制周期内的电磁阀输出占空比；

第一压力变化序列更新单元，用于当所述电磁阀输出占空比为100％时，根据预设的第一更新函数对电磁阀的Cv压力变化序列进行更新。

在一实施例中，所述第二压力控制器包括：

R压力采集单元，用于连续采集中继阀的输入R压力；

第二压力变化序列更新单元，用于若当前时刻的R压力值与前一时刻的R压力值的绝对差值超过变化阈值，根据预设的第二更新函数对当前时刻电磁阀的Cv压力变化序列进行更新。

在一实施例中，所述中继阀参数估计模块包括：

压力值分段单元，用于将预先设定的Cv压力值区间分割为m个连续区间；

第一采集单元，用于分别在每个区间内连续采集两组C-Cv压力值；

第一计算单元，用于分别根据每个区间的两组C-Cv压力值以及前一时刻该区间的斜率与截距计算当前时刻该区间的斜率和截距以更新对应的区间C-Cv线性拟合函数。

在一实施例中，所述列车制动缸压力控制系统还包括压力补偿模块，所述压力补偿模块包括：

第二采集单元，用于采集当前时刻输出的C压力实际值以及Cv压力实际值；

第二计算单元，用于根据所述C压力实际值、Cv压力实际值以及对应的区间C-Cv线性拟合函数的斜率与截距计算Cv压力补偿值；

压力补偿单元，用于根据所述Cv压力补偿值对所述Cv压力目标值进行补偿。

本发明提供的列车制动缸压力控制方法及系统采用估计电磁阀和中继阀参数，并依此进行制动缸压力控制，相比以往的控制方法，具有更高的精确度，更快的控制时间，更少的电磁阀动作次数，极大的提升了阀的使用寿命，实时参数估计节省了大量人工标定工作。经过初步验证，本发明的压力控制方法及系统的控制效果可以实现电磁阀动作1-2次后制动缸压力达到目标值±5kpa区间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为电磁阀和中继阀的气路连接图。

图2为传统的制动缸压力控制流程示意图。

图3为本发明的制动缸压力控制方法的示意图。

图4为本发明的制动缸压力控制系统示意图。

图5为本发明的另一种制动缸压力控制系统示意图。

图6为本发明的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，本发明提供一种列车制动缸压力控制方法，包括：

步骤S101，列车出库前，输出压力控制策略控制电磁阀，并采集Cv压力变化至冗余紧急制动压力过程中的多个Cv压力值。

步骤S102，根据所述多个Cv压力值计算电磁阀参数。

可以理解的是，列车在非运营时段停放在车库中，在每次出库前，列车需完成多项制动试验，其中包括紧急制动试验(UB试验)。列车的制动是通过控制器输出控制信号使电磁阀作出相应动作来实现的，控制信号的形成与电磁阀参数密切相关，当电磁阀参数发生变化时，如果未能及时更新，就会产生电磁阀频繁动作、控制精确度降低等问题。而紧急制动试验中电磁阀输出冗余的Cv压力，因此可以利用该控制过程对电磁阀参数进行估计。步骤S102中的电磁阀参数包括：最大压力变化能力Cv

结合图1，电磁阀1和电磁阀2可以是同一型号的电磁阀，电磁阀1负责充气，电磁阀2负责排气。参数最大压力变化能力Cv

参数最大压力变化能力Cv

参数t

步骤S103，列车上线运行时，根据采集到的多组C-Cv压力值更新中继阀的C-Cv线性拟合函数。

其中，该C-Cv线性拟合函数指的是中继阀的C压力和Cv压力的线性拟合函数。结合图1，C压力为中继阀3的C口输出的制动压力；Cv压力中继阀3的Cv口输入的预控制压力，Cv压力由电磁阀1或电磁阀2提供；R压力为中继阀3的R口输入的制动风源压力。当中继阀的预控制压力(Cv压力)和制动风源压力(R压力)同时被提供时，中继阀被打开，产生制动压力(C压力)。

步骤S104，根据预设的C压力目标值以及所述C-Cv线性拟合函数计算得到Cv压力目标值。

可以理解的是，C-Cv线性拟合函数用以表示C压力和Cv压力的线性关系。因此，当输入一C压力目标值后，根据C-Cv线性拟合函数即可计算得到相应的Cv压力目标值。

步骤S105，根据所述Cv压力目标值以及所述电磁阀参数输出一控制信号，控制电磁阀动作以输出对应的Cv压力。

具体地，结合图1，电磁阀1和电磁阀2动作输出Cv压力值，当电磁阀1全开，且电磁阀2关闭时，空气进入中继阀3的Cv口；电磁阀2全开，且电磁阀1关闭时，空气从中继阀3中排出至大气中。通过对电磁阀1和电磁阀2的启闭控制，可以调整中继阀3的Cv口的压力。而电磁阀1和电磁阀2的启闭控制可以由一控制器实现，控制器可通过输出一控制信号控制电磁阀1和电磁阀2的启闭，例如，假设电磁阀的开闭控制周期为100ms，在某一开闭控制周期的控制动作为电磁阀1开启68ms，控制器即可向电磁阀1发送一个控制信号“68”。确定电磁阀的控制动作的方法可参照现有技术进行实现，本发明不在此详述。

上述实施例中，在列车出库前，通过步骤S102实时估计电磁阀的六个核心控制参数Cv

在一实施例中，为了在列车运行过程中实时获取列车充/排气时的压力变化曲线，在列车进行常用制动控制时，所述列车制动缸压力控制方法还包括：

步骤S201，根据当前开闭控制周期内采集的Cv压力实际值、所述Cv压力目标值以及所述电磁阀参数计算下一开闭控制周期内的电磁阀输出占空比；

步骤S202，当所述电磁阀输出占空比为100％时，根据预设的第一更新函数对电磁阀的Cv压力变化序列进行更新。

其中，Cv压力变化序列dCv用于近似表示当前R压力下，充/排气时的压力变化曲线，为制动缸压力控制前根据理论充排风曲线预先生成的。所述Cv压力变化序列可表示为

步骤S201中，计算下一开闭控制周期内的电磁阀输出占空比具体为：假设在当前开闭控制周期内采集到的Cv压力实际值表示为Cv

此时，下一开闭控制周期内的电磁阀输出占空比v

per＝per1+per2+per3

其中，v

步骤S202中，当所述电磁阀输出占空比为100％时，根据预设的第一更新函数对电磁阀的Cv压力变化序列进行更新具体为：根据所述当前测得的压力变化斜率dCv

其中，r

需要注意的是，步骤S202中仅更新第j周期内采集到的Cv压力实际值Cv

本实施例采用了前述实施例中实时估计的电磁阀的核心控制参数，当与目标压力值具有不同偏差时可以精确计算需要输出的控制周期占空比，当距离目标压力较近时可以精确估计所需要调整的占空比，压力控制过程中，电磁阀仅需动作一次(打开-关闭)，压力即可达到目标压力值±Ess区间内。

在一实施例中，为了在列车运行过程中实时获取列车充/排气时的压力变化曲线，在列车进行常用制动控制时，所述列车制动缸压力控制方法还包括：

步骤S301，连续采集中继阀的输入R压力；

步骤S302，若当前时刻的R压力值与前一时刻的R压力值的绝对差值超过变化阈值，根据预设的第二更新函数对当前时刻电磁阀的Cv压力变化序列进行更新。

具体地，设置R压力的变化阈值为Ess

其中，

需要注意的是，步骤S302中更新的是Cv压力变化序列的全部值。

本实施例提供的Cv压力闭环控制考虑了R压力的变化，并在每次获取压力变化值后都更新压力变化序列，有效保证了压力控制方法紧跟系统变化而实时调整，提高控制精度。

在一实施例中，所述步骤S103中，根据采集到的多组C-Cv压力值更新中继阀的C-Cv线性拟合函数，包括：

步骤S1031，将预先设定的Cv压力值区间分割为m个连续区间。实际应用中，不同列车的Cv压力值区间可能略有差异。

步骤S1032，分别在每个区间内连续采集两组C-Cv压力值。

步骤S1033，分别根据每个区间的两组C-Cv压力值以及前一时刻该区间的斜率与截距计算当前时刻该区间的斜率和截距以更新对应的区间C-Cv线性拟合函数。

具体地，假设在出厂时刻，图1中的中继阀3的C-Cv线性拟合函数表示为C＝k

其中，n

本实施例中，根据中继阀的实际变化按Cv压力值区间分别实时更新各区间C-Cv线性拟合函数，使中继阀的特性估计更加精确。此处需要说明，由于电磁阀特性以及运行环境的变化等原因，中继阀的C-Cv线性拟合函数亦可能发生变化，同时考虑到中继阀C压力和Cv压力的关系可能不再是简单的线性关系，因此，仅使用中继阀出厂时刻的C-Cv线性拟合函数对后续制动过程中的所有Cv目标值进行拟合，可能会产生较大的误差。使用本实施例提供的实时估计中继阀参数的方法，可大大减小上述误差。

在一实施例中，所述步骤S104，根据预设的C压力目标值以及所述C-Cv线性拟合函数计算得到Cv压力目标值，包括：

步骤S1041，确定所述C压力目标值所在的区间以及该区间对应的区间C-Cv线性拟合函数。可以理解的是，Cv压力值已经被划分为连续的区间，而C压力值与Cv压力值在每个区间内都存在线性关系，因此，根据C压力值也可以确定其所在的区间。

步骤S1042，根据所述C压力目标值以及所述区间C-Cv线性拟合函数计算得到Cv压力目标值。此处将C压力目标值代入对应的区间C-Cv线性拟合函数即可得到Cv压力目标值。

在一实施例中，考虑到中继阀个体之间存在差异，且在不同环境下长期运用的过程中可能使得中继阀的特性发生变化，使得实际的C压力与Cv压力的变化关系也随之产生变化。由于中继阀的C-Cv线性拟合函数的更新是滞后的，即是根据已经输出的C压力与Cv压力更新下一个C-Cv线性拟合函数，而该C压力则是根据更新前的C-Cv线性拟合函数以及Cv压力目标值得到的，为了消除由于电磁阀特性的改变带来的误差，需要对Cv压力目标值进行补偿。因此，当中继阀特性发生变化时，所述列车制动缸压力控制方法还包括：

步骤S401，采集当前时刻输出的C压力实际值C

步骤S402，根据所述C压力实际值C

步骤S403，根据所述Cv压力补偿值对所述Cv压力目标值进行补偿。具体为，将原Cv压力目标值与Cv压力补偿值相加得到补偿后的Cv压力目标值。

本实施例考虑到当中继阀特性出现改变时，根据已有的C-Cv线性拟合函数得到的第一Cv压力目标值对应的C压力输出值与C压力目标值之间依旧存在误差，通过本实施例的方法即可进一步缩小误差，提高精度。

本领域技术人员应该明白，实际应用中，对Cv压力目标值进行补偿的步骤始终存在，当中继阀特性发生变化时，进行如上述实施例所述的方法对Cv压力目标值进行补偿，补偿后的Cv压力目标值与补偿前的Cv压力目标值不同；当中继阀特性变化不会导致C压力控制误差超过预设范围时，Cv压力目标值的补偿值为0，此时，补偿后的Cv压力目标值与补偿前的Cv压力目标值一致。

本发明还提供一种列车制动缸压力控制系统，可用于实现本发明提供的列车制动缸压力控制方法的全部步骤，参见图4，该系统包括：

第一压力控制器，用于在列车出库前，输出压力控制策略控制电磁阀，并采集Cv压力变化至冗余紧急制动压力过程中的多个Cv压力值；

电磁阀参数估计模块，用于根据所述多个Cv压力值计算电磁阀参数；

中继阀参数估计模块，用于在列车上线运行时，根据采集到的多组C-Cv压力值更新中继阀的C-Cv线性拟合函数；

线性拟合模块，用于根据预设的C压力目标值以及所述C-Cv线性拟合函数计算得到第一Cv压力目标值；

第二压力控制器，用于根据所述第一Cv压力目标值以及所述电磁阀参数输出一控制信号，控制电磁阀动作以输出对应的Cv压力。

在一实施例中，所述第二压力控制器包括：

占空比计算单元，用于根据当前开闭控制周期内采集的Cv压力实际值、所述第一Cv压力目标值以及所述电磁阀参数计算下一开闭控制周期内的电磁阀输出占空比；

第一压力变化序列更新单元，用于当所述电磁阀输出占空比为100％时，根据预设的第一更新函数对电磁阀的Cv压力变化序列进行更新。

在一实施例中，所述第二压力控制器包括：

R压力采集单元，用于连续采集中继阀的输入R压力；

第二压力变化序列更新单元，用于若当前时刻的R压力值与前一时刻的R压力值的绝对差值超过变化阈值，根据预设的第二更新函数对当前时刻电磁阀的Cv压力变化序列进行更新。

在一实施例中，所述中继阀参数估计模块包括：

压力值分段单元，用于将预先设定的Cv压力值区间分割为m个连续区间；

第一采集单元，用于分别在每个区间内连续采集两组C-Cv压力值；

第一计算单元，用于分别根据每个区间的两组C-Cv压力值以及前一时刻该区间的斜率与截距计算当前时刻该区间的斜率和截距以更新对应的区间C-Cv线性拟合函数。

在一实施例中，所述列车制动缸压力控制系统还包括压力补偿模块，参见图5，所述压力补偿模块包括：

第二采集单元，用于采集当前时刻输出的C压力实际值以及Cv压力实际值；

第二计算单元，用于根据所述C压力实际值、Cv压力实际值以及对应的区间C-Cv线性拟合函数的斜率与截距计算Cv压力补偿值；其中，对应的区间C-Cv线性拟合函数是根据所述Cv压力实际值确定的。

压力补偿单元，用于根据所述Cv压力补偿值对所述Cv压力目标值进行补偿。

本领域技术人员应该明白，实际应用中，该压力补偿模块始终存在，当中继阀特性发生变化时，进行如上述实施例所述的Cv压力补偿，补偿后的Cv压力目标值与补偿前的Cv压力目标值不同；当中继阀特性变化不会导致C压力控制误差超过预设范围时，该压力补偿模块的压力补偿值为0，此处，补偿后的Cv压力目标值与补偿前的Cv压力目标值一致。为了便于理解，补偿值为0时，未在图4中示出“压力补偿模块”。

在一实施例中，所述线性拟合模块包括：

第二函数确定单元，用于确定所述C压力目标值所在的区间以及该区间对应的区间C-Cv线性拟合函数；

第三计算单元，用于根据所述C压力目标值以及所述区间C-Cv线性拟合函数计算得到Cv压力目标值。

本发明提供的列车制动缸压力控制系统采用估计电磁阀和中继阀参数，并依此进行制动缸压力控制，相比以往的控制方法，具有更高的精确度，更快的控制时间，更少的电磁阀动作次数，极大的提升了阀的使用寿命，实时参数估计节省了大量人工标定工作。经过初步验证，本发明的压力控制方法及系统的控制效果可以实现电磁阀动作1-2次后制动缸压力达到目标值±5kpa区间。

本发明还提供一种电子设备，可用于实现本发明提供的列车制动缸压力控制方法的全部步骤。参见图6，该电子设备600具体包括：

中央处理器(processor)610、存储器(memory)620、通信模块(Communications)630、输入单元640、输出单元650以及电源660。

其中，所述存储器(memory)620、通信模块(Communications)630、输入单元640、输出单元650以及电源660分别与所述中央处理器(processor)610相连接。所述中央处理器610可调用所述存储器620中存储的计算机程序，所述中央处理器610执行所述计算机程序时实现上述实施例中的列车制动缸压力控制方法中的全部步骤。

本申请的实施例还提供一种计算机存储介质，用于存储计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行。所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所提供的任一列车制动缸压力控制方法。

本领域技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本说明书实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。