机车节能运行速度的预测及仿真_庄会华.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n机车节能运行速度的预测及仿真庄会华,阮玉华(昆明铁路铁道职业技术学院,云南 昆明 6 5 0 0 0 0)摘 要:本文介绍了预测控制的基本原理,在满足安全、时间、速度限制的条件下,根据列车实际运行的线路纵断面信息,选择列车运行的节能优化操纵方法,预测列车节能运行的速度,利用MAT L A B仿真软件对典型区间的速度预测进行了仿真。关键词:节能优化;操纵策略;预测控制思想 中图分类号:U 2 1 1.4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 6 7-0 3P r e d i c t i o na n dS i m u l a t i o no fL o c o m o t i v eE n e r g y-s a v i n gR u n n i n gS p e e dZ h u a n gH u i-h u a,R u a nY u-h u a(K u n m i n gR a i l w a yV o c a t i o n a l a n dT e c h n i c a lC o l l e g e,Y u n n a nK u n m i n g6 5 0 0 0 0)A b s t r a c t:T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fp r e d i c t i v ec o n t r o l,s u b j e c tt os a f e t y,t i m ea n ds p e e dc o n s t r a i n t s,a c c o r d i n gt ot h et r a i nr u n n i n gl i n ep r o f i l e i n f o r m a t i o n,s e l e c t t h ee n e r g ys a v i n go p t i m i z a t i o nc o n t r o lm e t h o do f t r a i no p e r a t i o n,p r e d i c t t h e s p e e da tw h i c ht r a i n s c a no p e r a t ew i t he n e r g ye f f i c i e n c y,MAT L A Bs i m u l a-t i o ns o f t w a r e i su s e dt os i m u l a t e t h es p e e dp r e d i c t i o no f t y p i c a l i n t e r v a l.K e yw o r d s:E n e r g ys a v i n go p t i m i z a t i o n;M a n e u v e r i n gs t r a t e g y;P r e d i c t i v ec o n t r o l i d e a基金项目:云南省教育厅科学研究基金项目2 0 2 2年课题“机车节能运行控制的研究”(项目批准号:2 0 2 2 J 1 6 6 2)作者简介:庄会华(1 9 8 2)女,汉族,湖北襄阳人,硕士,讲师,研究方向:电气系统控制。1 引言预测控制算法的核心是滚动优化。将预测控制思想运用于机车运行控制,采用多步预测、滚动优化和反馈校正等控制策略,对机车的节能运行速度进行预测。预测控制的基本思想可以用图1说明:图1 预测控制原理图列车运行中所受到的外力是随着运行工况、线路纵断面的变化而变化,要实现机车节能运行,需要研究列车运行过程中所受合力作用,进行列车运行速度时分的解算。不同的操纵方法,机车的牵引能耗也是不相同的,选择节能优化的操纵方法,机车的牵引能耗较少,比较节能。利用基本预测模型进行预测控制需要不断地采集列车的运行信息,根据列车运行实际线路纵断面情况选择节能优化操纵方法,不断优化机车节能运行过程。2 预测模型分析预测控制的功能是根据被控对象的历史信息和未来的输入,预测系统的未来输出。根据模型预测控制的功能分为以下几部分:被控制对象的历史信息:列车运行线路信息,包括实际纵断面、标高、曲线半径、曲线长度、隧道长度、道岔信号、区间限速、公里标等。被控制对象的未来的输入:被控对象为机车的运行速度,在速度预测的过程中,首先对列车实际运行线路进行线路纵断面的化简,化简后的线路纵断面划分为不同的区间,依据区间限速条件设定末区间的终点速度,并以此进行区间其它各点的速度预测。预测系统的未来输出:根据机车运行的力学模型进行牵引计算,结合实际线路纵断面情况,选择机车优化操纵策略,对速度进行预测,预测系统的未来输出即机车节能运行的速度-距离曲线。司机操纵水平有差异,机车运行一段距离后,机车的实际速度与预测速度误差比较大,需及时修正,优化速度预测曲线。机车在不同的位置,预测控制系统计算出当前状态最佳节能运行预测速度。预测控制系统通过预测曲线及提示信息指导司机,进行节能优化操纵。由于实际中存在的各种因素,实际车速和预测速度偏差较大,需要进行反馈校正。速度预测过程中,周期预测输出速速-距离曲线,预测控制的反馈校正是将与预测速度有偏差的实际速度反馈到速度预测模型中重新预测速度曲线,使实际速度与预测曲线的偏差减小。当机车的实际运行曲线与预测曲线的重合度越来越大时,机车的节能效果会更明显。速度预测模型中的每次预测过程都是动态的,预测过程根据区段长度划分为不同的区间,中间区间的数目会不相同,对每一个内部区间都要进行牵引计算。3 预测机车节能运行速度列车在不同的运行工况下,所受合力是不一样的,需76DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.0062 0 2 3年第8期要分析在不同速度时作用于列车的合力变化规律,建立列车运行速度、距离、时间和合力之间的关系,利用列车运动方程式计算列车的运行速度、距离及时间。列车的运动是一种复杂的非匀变速运动,为了计算方便,在解算列车运行问题时通常是用分段累计的近似方法。这样每一个速度间隔内列车的运动近似为匀变速运动。3.1 列车运动方程式列车运行时间的计算公式,可按照匀变速运动的规律进行计算。若速度单位以公里/小时计,时间单位以小时计,牵规中规定的列车运行时间的计算公式为:t=v2-v11 2 0c(h)(1)式中:v1速度间隔的初速度,k m/h;v2速度间隔的终速度,k m/h;c列车单位合力,N/k N。牵规中规定的列车运行距离的计算公式为:S=v1+v22t=v22-v212 4 0c(k m/h)(2)若运行距离取m作单位,则:S=1 0 0 0v22-v212 4 0c=4.1 7(v22-v21)c(m)(3)根据匀加速运动规律,列车运行时间、距离和速度的关系式,运行时间也可用下式表示为:t=Sv2+v12=2(S2-S1)v1+v2(h)=1 2 0(S2-S1)v1+v2(m i n)(4)以上是计算列车运行时间、距离的计算公式,v,t,S之间的关系将作为计算列车运行速度、时间和距离的基本公式。3.2 机车节能运行速度预测的过程分析及仿真机车节能运行速度的预测需要采集机车实际运行线路的纵断面信息,计算机车所受单位合力、机车的运行速度和运行时间。预测机车的节能运行速度,必须要考虑并满足机车运行过程中限速、时间等限制的条件。图2所示为S S 4改型电力机车牵引3 0 0 0 t的货物列车线路纵断面图,区间线路纵断面有坡度比较大的上坡道和下坡道。区间列车的限速为6 0 k m/h,列车的初速v0=0。图2 线路纵断面图首先分析线路纵断面信息,OA段坡道千分数为0,A B段与B C段为上坡道,其中A B段为1 2的大坡道,C D段和D E段为下坡道,C D段是坡度比较大的增速坡道,D E是坡度比较小的减速坡道且长度比较短。在满足限速和时间约束条件下,依据线路纵断面信息,选择列车运行的节能优化策略。根据实际线路纵断面情况,可以采用两种操纵策略,第一种:图1中第1段列车牵引运行,以最大牵引力,使列车运行速度接近限速;第2段列车全牵引运行,第3段列车恒速运行,第4段列车利用动能闯坡惰行加速,第5段继续惰行减速。第二种:第1段与第2段运行操纵方法与第一种运行策略相同;在第3段(B C段),列车先牵引运行,再惰行至C点;第4段(C D段)列车惰行运行加速;第5段坡道距离较短且坡度较小,列车惰行运行。这两种操纵策略均考虑了机车的节能运行,将速度预测控制算法运用于机车节能运行速度的预测,计算列车运行时间及牵引能耗,进行比较后选择合适的节能优化策略。因第5段(D E段)的坡度千分数小且距离短,而第4段(C D段)坡度千分数为1 0,是增速坡道。故只对第1至4段 进 行 速 度 预 测,将 第1至4段 分 成 末 区 间(C D段),中间 区 间(A B段 及B C段)和 初 始 区 间(OA段)。1)末区间速度预测采用逆向思维分析法,以D点的列车限速作为末区间的终点速度,计算出列车在C点的运行速度。在C D区间,依据运行策略及列车运行数学模型进行牵引计算,计算出列车在C点的运行速度vc,及在C D区间运行的时间t。速度预测用到计算公式(3)及(4)。2)中间区间速度预测第一种运行策略列车在B C段恒速运行,第二种运行策略,列车先恒速运行一段距离后再惰行至终点,列车恒速运行的速度可以利用预测控制算法进行计算。列车在C点的运行速度vc已在末区间速度预测计算中算出,若采用第二种运行策略,列车在B C段惰行运行的距离为S,由列车恒速运行的速度vB及C点的运行速度vc可计算出惰行距离S,列车在B C段恒速运行的距离为(1 0 0 0-S)。因A B段是坡度比较大且距离较长的上坡道,列车的运行速度是减小的,为了提高列车的区间运行速度,列车在A B段采用全牵引的运行方式。根据列车运行力学模型进行牵引计算,由vA及SA B利用列车运动方程式可计算出列车在B 3点的运行速度即vB。列车节能运行速度分析如图3所示。图3 B C段列车节能运行速度预测分析图如果第3段的坡道长度较短,列车可以由B点惰行至C点。运行速度分析如图4所示:图4 B C段(长度较短)节能运行速度预测分析图3)初始区间速度预测第1段坡道的坡度千分数为0,列车以最大牵引力起动加速,根据列车在第1段段所受单位合力进行牵引计算,列车在A点时的速度为5 7 k m/h,已接近列车最大运86内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n行限速。采用第一种运行策略,利用MA T L A B对区间的速度预测 进 行 仿 真,列 车 节 能 运 行 速 度-距 离 曲 线 如 图5所示。图5列车节能运行速度-距离曲线采用第二种操纵策略,与第一种运行策略不同的是,列车在B C段先牵引后惰行。利用MA T L A B对区间的速度预测进行仿真,列车节能运行速度-距离曲线如图6所示:图6 列车节能运行速度-距离曲线第一种运行策略与第二种运行策略进行比较,比较列车在B C段的运行时间及牵引能耗。依据列车牵引计算规程,列车牵引能耗的计算可以用下面的公式:Q=t0U I d t式中,U为牵引电机电压;I为牵引电机电流。表1 两种方案列车运行情况对比运行策略区间长度(m)运行时间(m i n)能耗(k Wh)第一种运行策略1 0 0 01.3 53 2.7 1第二种运行策略1 0 0 01.43 4.4 7 从表1数据可以得出,第一种运行策略比第二种运行策略列车牵引能耗小,运行时间少。在区间O D段,列车的节能运行优化操纵策略选择第一种。列车节能运行速度预测的过程中在满足安全、时间、速度限制的条件下,选择能耗较少的节能优化操纵方法。如果第4段(C D段)不采用列车节能运行速度的预测,列车运行到第2段坡顶时,继续加速,运行速度与限速接近时,需采取制动减速以避免超速。利用MA T L A B进行仿真,列车运行速度-距离曲线如图7所示:图7 列车运行速度-距离曲线在B D段采用第一种操纵方法和没有运用速度预测的列车的运行时间及牵引能耗的计算值如表2所示。表2 第一种运行策略与未加入速度预测的列车运行情况对比运行方案区间长度(m)运行时间(m i n)能耗(k Wh)第一种运行策略2 0 0 02.4 23 2.7 1未加入速度预测2 0 0 02.3 41 5 0.1 2 通过表2中的数据可以得出,运用了速度预测的第一种操纵方法列车牵引能耗小。4 结语将预测控制的思想运用于列车节能运行速度的预测,在满足安全、时间、速度限制的条件下,列车节能运行速度预测的过程中选择节能优化操纵策略,不仅避免了超速,而且达到了节能的目的。参考文献:1 李科亮.机车节能运行控制系统的研究.西南交通大学研究生学位论文.2 0 0 8.5.2 张中 央.列 车 牵 引 计 算 M.北 京:中 国 铁 道 出 版社,2 0 2 1.3 席裕庚.预测控制M.北京:国防工业出版社,2 0 1 3.4 高志远.铁路电力机车节能优化操纵研究.J.铁路运输与经济,2 0 1 8,4 0(0 4):9 5-9 9.5 杨 杰.货运列车节能运行优化与智能控制方法D.北京:北京交通大学,2 0 1 7.6 诸静等.智能预测控制及其应用M.杭州:浙江大学出版社,2 0 0 2.7 饶 忠.列 车 牵 引 计 算 M.北 京:中 国 铁 道 出 版社,2 0 1 9.96