Strategie řízení skluzu kolejových trakčních vozidel

Abstract

Disertační práce se zabývá návrhem skluzového regulátoru pro elektrické lokomotivy, který je založený na detekci sklonu adhezní charakteristiky. Úkolem skluzového regulátoru je přenést maximální sílu mezi koly a kolejnicemi, pokud je požadována a současně držet skluzovou rychlost kol na přijatelné hodnotě. Skluzové regulátory jsou vyvíjeny po desetiletí a velké množství skluzových regulátorů bylo během této doby vyvinuto. Nicméně, problematika skluzové regulace není stále dořešena a vývoj skluzových regulátorů je stále aktuální. Navržený skluzový regulátor nemá nedostatky známých skluzových regulátorů. Mezi hlavní nedostatky současných skluzových regulátorů patří to, že obvykle neuvažují nelinearitu adhezní charakteristiky a šum, který se vyskytuje v systému. Ignorování těchto jevů může způsobit selhání těchto skluzových regulátorů. Další problém, se kterým se musí současné skluzové regulátory vypořádat je určení rychlosti vlaku. Navržený skluzový regulátor bere v úvahu výše uvedené problémy a nepotřebuje znát rychlost vlaku a využívá pouze rychlost jedné nápravy. Skluzový regulátor je nevržený jako modulární a skládá se z detekční části, která určuje sklon adhezní charakteristiky a regulační části. Detekční část je založena na unscented Kalmanově filtru, který je určený pro nelineární systém a umí se tedy vypořádat s nelineární adhezní charakteristikou a poskytuje stabilní a odpovídající výsledky. Modularita navrženého skluzového regulátoru umožňuje nehradit unscented Kalmanův filtr jinou metodou stavového odhadu. Proto je také provedeno porovnání, aby byla ověřena správnost použití unscented Kalmanova filtru. Funkčnost navrženého skluzového regulátoru je ověřena na naměřených datech a na matematickém modelu za použití programu Matlab. Naměřená data byla naměřena na nákladním vlaku taženém elektrickou lokomotivou Škoda 93E.

The doctoral thesis deals with a novel slip controller for electric locomotives design that is based on adhesion-slip characteristic slope detection. The purpose of the slip controller is to transfer the maximum possible force between wheels and rails if it is required and at the same time keep a wheel slip velocity at the acceptable value. The slip controllers are developed for many decades, and a large number of slip control methods were developed. However, the problematics of the slip control is currently unresolved, and development of the slip controllers is very current till now. The proposed slip controller is designed to cope with the main drawbacks of the current slip control methods. The main drawbacks of the current slip control methods are that they, typically, do not consider a nonlinearity of the adhesion-slip characteristic and noise that occurs in the system for simplification. These simplifications can cause the existing methods fail. The second problem of the existing slip control methods is that the train velocity must be typically known which is difficult to determine. The proposed slip controller takes into account the problems mentioned above, and it does not need to know the train velocity and only one wheelset velocity is only required. The slip controller is designed as modular, and it consists of the adhesion-slip characteristic slope detection part and a controller part. The detection part is based on an unscented Kalman filter that is used as the estimator. The unscented Kalman filter is intended for nonlinear systems and can cope with the nonlinear adhesion-slip characteristic and provides the stable and appropriate results. The slip controller modularity enables to replace the unscented Kalman filter by another estimator. Therefore, a comparison of the proposed slip controller with the unscented Kalman filter with other selected estimation techniques to verify the correctness of the unscented Kalman filter use is made. The proposed slip controller functionality is verified by comparisons of the measured data and simulation model in Matlab software. The measured data were obtained on an electric locomotive Skoda 93E that hauls a freight train.