Geschwindigkeitsregelung bei Schienenfahrzeugen

Geschwindigkeitsregelung bei Schienenfahrzeugen
1. Regelstrecke: wo liegen die Probleme
2. Methoden, die Geschwindigkeit konstant zu halten
3. Realisierung eines Geschwindigkeitsreglers mit
sehr gutem Regel-Verhalten
4. Geschwindigkeitsregelung unter ETCS/LZB
Bombardier Transportation Zürich, 2010_05_20 / Brügger
Regelstrecke
Strassenbahn,
zugsdynamisch und totzeitmässig einfach
M
V
Masse: 30T…70T
Z
CPU
Lokbespannter Zug, zugsdynamisch kritisch, Drehzahlaufbereitung kritisch
M
M
V,Z
V,Z
CPU
Masse: 80T…8000T
• Kesselwagen kritisch
• Mittelpufferkupplung kritisch
Triebzug mit 2 Triebköpfen oder Steuerwagen, totzeitmässig kritisch
Können auch fest gekuppelt sein (Verschraubt, Gasfederung)
M
M
Z
CPU
Z
Masse: 100T…1000T
V
CPU
Totzeiten (Zug mit Steuerwagen)
Probleme (abhängig von Fahrrichtung):
Totzeiten addieren sich (MVB – VCU – MVB – GTW – WTB – GTW – MVB – VCU – MVB – DCU
Lösung:
Teileweise Synchronisation der VCU-tasks auf einkommende Telegramme
Fahrrichtung
M
M
Z
Z
V
DCUx
Z
INPUT-Modul
V
Fahrzeugbus (MVB)
Geschwindigkeitsregelung
VCU
Z
GTW
VCU
Z
Fahrzeugbus
Z
Zugbus (WTB)
Fahrzeugbus
GTW
Fahrzeugbus
Geschwindigkeitsaufbereitung (Drehzahl / Geschwindigkeitssignale)
• Drehzahlsignale ab Motorsonden (Lokomotiven)
Problem: schlupfbehaftet (hohe Adhäsionsausnutzung)
• Drehzahlsignal ab Laufrad (nicht angetrieben; bei Triebzügen)
Problem: kann mechanisch gebremst werden (schlupfbehaftet)
• Drehzahlsignale bei Strassenbahnen können durch Spurkranzaufläufe
miserabel sein (keine normale Weichen)
Lösung:
Mit verschiedensten Algorithmen in der Drehzahlaufbereitung kann
die Software meist eine vernünftige Drehzahl für den Geschwindigkeits-Regler
generieren
Bildung Maximal/Minimalwerte
Bildung virtuelle Geschwindigkeit aus Zugsmasse und Zugkraft
wichtig für gute Geschwindigkeitsregelung :
keine starke Filterung der Drehzahl-Signale (pt1 < 100ms)
Geschwindigleitsregelung unter Einbezug der mechanischen Bremse
Pneumatische oder Hydraulische Bremse
• Wird bei Güterzügen von Lokführeren nicht gerne angewandt
(Zugsdynamik, falscher Lösezeitpunkt der mech. Bremse)
• Bei Personenzügen/Strassenbahnen normal, da meist EPBremse,
daher kleinere Totzeiten als bei HL-Absenkung, aber höhere als rein elektrische Bremse
• Hydraulische Bremsen weniger lineares Verhalten, wegen passiven Bremssystemen
Lok Re4/4IV
(Anschnittgesteuert)
Charakteristik für Betrieb
zusammen mit
Stufenschalterlok (1980)
Motorcharakteristik
wirkt als gute
GeschwindigkeitsRegelung
“echte” Regelung
im gebirge bei
Güterzügen
unerwünscht
Fahrwiderstand
Lok Ge 4/4 II, He 4/4 II
Anschnittgesteuerte Gebirgslok, Rhätische Bahn
Grosse Gradientenänderungen
Typische Charakteristiksteuerung
Mischung aus Zugkraft- und Geschwindigkeitsvorgabe
Zugkraft (Motorstrom)
Stufen
(Handradposition)
Geschwindigkeit
Vorgaben Sollgeschwindigkeit / Zugkraft
• Handrad (Bild)
• Auf / Absteuerung (Zeitschritte mittels Joystick)
• Potentiometer / Winkeltransmitter
• Linearer Schieber
• Taste V-Hold
V-Regler: Auslegungsbeispiel
Vsoll
+
Vist
-
Delta-V
a_soll
X
KP
Differenzierer
50ms
+
a_delta
z.b.100=1ms-2
dv
dt
TD
a
X
a_ist
KD
KD_V
Zeitkonstante T
Zugkraft-Begrenzungen
KD
Bestimmt
a-Begrenzung
Z-Vorgabe Lokführer und
ändere Begrenzungen
Delta-V
AnnäherungsBereich
+/-15km/h
Hinweis: Dieses Verfahren ist
patentiert beim Europäischen Patentamt
EP 1 134 142 B1
Patentblatt 2005/31
+E
ZugkraftsollwertRampe
z.B.50kN/s
T
min
obere
Grenze
max
untere
Grenze
Z-V-Diagr.
F
Vist
-1
v
1. Zugkraft-Integrator; festlegen der Zugkraft-Rampe mit Zugkraft / t = E / T (E ist proportional Beschleunigungswert)
Der Eingangswert E muss begrenzt sein z.B. auf +/-100; somit T festlegen (z.B. Vorgabe Zugkraftrampe = 40kN/s -> T = E/Z = 100/40 = 2.5s
2. Zug-/Bremskraftbegrenzungen (durch Lokführer, ZV-Diagramm) z.B. 100 = 100kN
3. Bildung Steuersignal des Integrators a_delta aus a_soll und a_ist (z.B. v = 100 = 100Km/h; Erfahrung: KP=6 (Lok), KP=40 (Tram), a_soll wird begrenzt
auf einen gewünschte Beschleunigungswert (z.B. 100 = 1ms-2. Beim Strassenbahnen ist KP nicht ein Faktor, sondern eine einfache
Kennlinie (a_soll = f[delta_v]), wobei der mittlere Gradient der Kennline etwa KP=40 ist
4. Bildung Differenzial-Anteil der Geschwindigkeit: Wichtig: TD klein halten (1 Taskzyklus resp. 30…100ms); somit kann KD berechnet werden aus
a_ist (100 = 1ms-2) und TD; Beispiel: TD=64ms
Ausgang eines Differenzierers berechnet sich aus: Eingangsrampe * KD * TD; Eingangsrampe bei 1ms-2 ist 3.6Km/h/s = 3.6/s
Damit 1ms-2 = 100: 3.6/s * KD * TD = 100; somit ist KD = 100 / (3.6 * TD) = 100 / (3.6 *0.064) = 434
5. KD kann für Fahrzeuge mit nicht variablen Massen konstant bleiben. Bei Loks, wo die ZugsMassen von 80T….10000T ändern können,
muss KD in Funktion der Masse im Annäherungsbereich leicht angepasst werden. Für hohe Stabilität des Reglers gilt:
KD = f(Masse0.5); der Regler bleibt also stabil, wenn im Bereich Vsoll=Vist KD etwa proportional der Zugsmasse ist. .
Geschwindigkeitsregelung unter ETCS/LZB
Automatische Fahr/Bremssteuerung AFB, um dem Lokführer
das Fahren zu erleichtern:
• Hohe Geschwindigkeiten, schnelles Durchfahren von Gefällsbrüchen
• Zulässiges Überschreiten von Geschwindigkeitslimiten ist sehr klein
(Zugsicherung)
• Fahrplan sehr eng ( Zugfolgedichte, Taktfahrplan)
• Bremseinsatzpunkte (auch für energiesparendes Bremsen) durch
Lokführer schwierig einzuhalten
Geschwindigkeitsregelung unter ETCS
mit:
AFB (automatische Fahr/Bremssteuerung), ATO (Automatic Train Operation)
minimal benötigte Signale :
• Aktuelle zulässige Geschwindigkeit (vPermitted)
• Zielgeschwindigkeit (vTarget)
• Release-Geschwindigkeit (vRelease)
• Bremsverzögerung (für el.Bremse, Zugstyp)
• Distanz zum Bremseinsatzpunkt
• Distanz zur Zielgeschwindigkeit
• (Sollverzögerung)
Speed control as described is used in the following projects:
Re460 SBB (Switzerland), includes driving trailer
Re465 BLS (Switzerland)
KCRC (Hongkong)
VRSR2 (Finnland)
GSRC High speed train (China)
Eurotunnel locomotives (England, France)
CL92 Multi system locomotives (England,France)
EL18 locomotives (Norway)
IC70 Norway (incl. control of pneumatic train brake)
RhB Raetic Railway (Glacier Express, Switzerland)
Urban railway Zürich (incl. control of pneumatic train brake, Switzerland)
ICN SBB, tilting train (incl. control of pneumatic train brake)
BD, SZU (commuter trains, Switzerland)
Loco 1822 OeBB (Austria)
Tramway Cobra Zürich (incl. Control of hydraulic brake)
E412 multiple system locomotives (Italy)
E405 DC locomotives (Italy)
Talgo 350 High speed train (Spain); (incl. control of pneumatic train brake)
New commuter Trains Switzerland
Loco WAG9 (Heavy load coal trains India), Loco WP5 (Passenger trains India)
Loco Kiruna (Heavy iron ore train); speed control used for loading/unloading load (low speed)
High speed train ETR500 (Multisystem Eurostar Italy)
Loco EP10 Russia,
etc…