Control systems and control strategies of active wheelset steering of railway vehicles

QC251028

Abstract

Denna doktorsavhandling behandlar aktiv hjulparstyrning av järnvägsfordon. Aktiv hjulparstyrning är ett mekatroniskt tillvägagångssätt som för hjulpar med solid axel ger förbättrad kurvtagning. Flera aspekter undersöks inklusive reglerstrategier, reglersystem samt styrning vid spårväxlar. Denna avhandling syftar till att utforska interaktionen mellan olika delar av löpverk med aktiv hjulparstyrning.

Aktiv hjulparstyrning kan utföras med olika reglerstrategier. Allmänt erkända reglerstrategier strävar mot perfekta styrförhållanden. Flera variabler kan användas för att uppnå detta tillstånd. Två exempel på variabler är hjulparets girvinkel och dess sidoförskjutning relativt rälen. För att använda sidoförskjutning som variabel krävs det både att sidoförskjutningen kan mätas samt kunskap om hjul och räls kontaktparametrar. Dessa parametrar motsvarar koniciteten i hjul-räl systemet som kan uppskattas med den tvåsidigt utvidgade Kalmanfilter tekniken utformad för att uppskatta fordonets tillstånd och hjulparets ekvivalenta konicitet. Denna uppskattning kan appliceras för aktiv hjulparstyrning baserad på sidoförskjutning. För att förenkla kraven på sensorer och uppskattning föreslås det att betrakta hjulparets vinkelhastighet som en reglerparameter, eftersom denna är lätt tillgänglig genom direkta mätningar. Denna reglerstrategin introduceras först med huvudmålet att minimera det längsgående krypet mellan hjul och räl vid kurvtagning. Inverkan av olika hjul och spår kombinationer undersöks eftersom de kraftigt påverkar de föreslagna reglerstrategierna. Därefter föreslås den förenklade reglerstrategin och reglerstrategin baserad på hjulparets vinkelhastighet som alternativa lösningar för att lösa utmaningar från olika hjul och räls kombinationer. Dessutom studeras en robust reglering för aktiv hjulparstyrning eftersom järnvägsfordon utsätts av störningar från rälsen som huvudsakligen beror på variationer av hjul och räls parametrar. Designen och utvecklingen av ett robust reglersystem baseras på styrning längs en glidande yta med motsvarande reglering. Komplexiteten av den framtagna regleringen bestäms till stor del av vilka signaler som krävs. Därefter undersöks den förenklade regleringen baserat på glidande yta tekniken. Tillämpningen av den förenklade regleringen som passiv feltolerant styrning analyseras med fokus på fel där ställdon inte ger kraft. Den adaptiva regleringen visar på full hantering av analyserade ställdonsfel. Ett annat bidrag i denna avhandling är förbättrad styrning i spårväxlar. Detta har granskats eftersom spårväxlar påverkar fordonets rörelser och slitage. Flera utmaningar vid spårväxlar i kombination med aktiv hjulparstyrning undersöks. En optimerad styrning vid spårväxlar föreslås, optimeringen inkluderar en framförhållning av tågets position genom användning av kartbaserad tågpositionering. Denna föreslagna metod kan dramatiskt minska toppar i hjul och räls-slitage i spårväxlar.

Sammanfattningsvis bidrar denna forskning till utveckling av aktiv hjulparstyrning för järnvägsfordon inom områden som reglerstrategier, robusta reglersystem och val av reglering vid spårväxlar. Resultaten som presenteras i denna avhandling kan användas vid implementering av aktiv hjulparstyrning samt för att minska hjul och räls-slitage i spårväxlar.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-372080