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1、浙江大学硕士学位论文磁浮列车运行控制系统相关性质及辅助停车区特性研究姓名：卞建光申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：韦巍20060501浙江大学硕十研究生学位论文第一章绪论站以及辅助停车区设置供电轨。如果列车故障时停在辅助停车区以外的地方，那么即使维修人员将故障排除以后，列车也会因为供电不足而无法悬浮，造成列车无法启动的状况。所以，要保证磁悬浮列车顺利、安全的运行，需要合理的选择线路，并根据线路特点确定理想的运行速度曲线，并实时对列车的运行速度进行监控，以保证列车在出现故障的时候，能够准确的停靠在辅助停车区上。而对于我们的研究，需要更深入的了解辅助停车区的特性，结合线路特点来确
2、定辅助停车区的长度以及两个辅助停车区之间的距离，在保证列车安全运行的情况下，尽量的减少辅助停车区的长度，增加两个辅助停车区之间的间隔距离，以减少花费在辅助停车区上的建设费用。辅助停车区设置的一般原则：辅助停车区应设置在适合疏散和安全停留( 地面或平台) 的区域：辅助停车区的布置应满足运行组织的要求( 组织方式及间隔要求) ；辅助停车区的布置应保证车辆正常运行的速度曲线与牵引系统的设计运行曲线一致；在大坡道地形的坡底及坡顶附近应设置辅助停车区；在道岔、桥梁、大坡道坡面以及恶劣地形等区域不应设置辅助停车区：除H O P 点外，辅助停车区一般不能跨越分区。除了上述的辅助停车区设置原则外，辅助停车区的
3、设置还要考虑如下一些因素：运行控制系统如：列车安全运行的步进控制方式：牵引系统及车辆系统如：正常运行速度曲线、最小速度曲线、正常制动曲线、最大制动曲线、列车长度及分区布置等；运输组织如：站停、通过、限速、单双向运行等；线路配置数据如：纵坡、地形、桥梁、隧道等；其他特殊要求浙江大学硕上研究生学位论文第一章绪论如：限速区域、必须停靠区域等。1 4 问题的提出日本超导磁浮系统与德国Transrapid磁浮系统是当今世界两个最先进的高速磁浮铁路系统，它们代表着磁浮铁路技术的最高水平。两种高速磁浮系统有着各自的特点和优势。相对来说，德国Transrapid系统的安全速度防护对我国来说更适合更符合我国的国
4、情。德国T r a n s r a p i d 系统在铁本要比日本超导磁浮系统低。另外，在故障紧急制动时，德国Transrapid系统采用涡流制动，这相对于日本超导磁浮系统的空气动力制动来说，在制动效率和维护上都有一定的优势。同时，涡流制动技术是当今机车制动技术的一个发展方向，对这方面的研究可以带动我们机车基础技术的发展。但是德国Transrapid磁浮铁路是一个非常封闭的技术系统，它采用的各项技术都是对外保密的。我国要发展高速磁浮铁路。首先着力研究磁浮列车运行的安全性和可靠性。同时需要研究的还有如何避免或故障发生时的人身伤亡和财产损失。所以磁浮列车运行控制系统设计以及运行安全研究是目前我国高
5、速磁浮铁路控制系统研究的一个热点。而我们对磁悬浮列车线路特性的研究，对列车的速度曲线进行优化。在此基的磁浮列车线路的造价。使得磁悬浮技术在国内的应用前景更加广阔。目前国内对辅助停车区方面的研究还比较少，尤其是对辅助停车区的诸多特性我们尚不清楚，从而导致设计上的盲目性。而我们的研究可以在这方面进行优化，以达到降低磁浮线路造价，更好的保证列车安全的目的。磁浮列车辅助停车区需要研究几个问题：1 ) 研究磁浮列车辅助停车区的特性，了解各影响因素辅助停车区设置的影响。2 ) 结合线路特征，提出一个合理的辅助停车区设置方法。6浙江大学硕士研究生学位论文第二章磁悬浮列车速度曲线监控第二章磁悬浮列车速度曲线监
6、控2 1 磁浮列车运行控制系统磁浮列车运行控制系统是与磁浮交通系统的车辆、牵引供电、线路以及道岔等设备或系统协同配合，为实现列车运行控制、安全防护，并为车辆、牵引供电、线路提供指挥、控制及通信的平台。T r a n s r a p i d 运行控制系统作为一个安全控制与防护系统，其基本任务是控制列车的运行，确保列车运行的安全，提高运输组织的效率，实现列车运行的自动化，所以，磁浮列车的运行控制系统不仅仅是实现列车运行的安全控制和防护，它还兼有列车运行的管理和列车运行的调度等功能，其基本功能有：1 操作与显示指在操作员终端系统的控制台上接受操作员指令和显示整个系统的运行状态。2 驾驶顺序控制对列车
7、自动运行功能以及操作与显示功能所发出的命令进行检查，如果检查通过，则发送给相应的功能模块。3 进路防护给列车分配轨道。并对其进行防护。4 道岔防护监控道岔状态，并将该状态安全地在中央控制系统的操作员控制台上显示。5 牵引切断在必要时切断牵引供电。保证在任何运行模式下执行切断后，都不会再有牵引电流或制动电流流向轨旁电缆。当列车运行中出现需要进行安全牵引切断的情况时，分区安全计算机撤回牵引供电释放命令，分区牵引切断立即安全地切断牵引供电。这个动作是通过两部分实现的，即电子切断和电气切断。6 列车防护系统中列车的登录、列车的状态、列车的安全悬浮、列车的运行模式和列车的安全制动等内容。8浙江大学硕十研
8、究生学位论文第二章磁悬浮列车速度曲线监控当列车速度低于最小速度曲线时，分区控制系统将实施牵引切断。停车点步进控制。停车点步进控制由分区控制系统和车载控制系统共同完成。分区控制系统接收车载控制系统传来的步进请求，检查分区控制系统对停车点步进的条件是否满足。如果任意一个条件没有满足，则分区控制系统发出否定的确认报文绘车载控制系统。如条牛全部满足，则分区控制系统完成自身的停车点步进，同时，发出肯定的确认报文给车载控制系统。人工强制停车控制。在系统运行过程中，操作员可以根据需要，利用强制停车到当前或指定停车点操作命令要求列车立即强制停车到当前停车点或强刽停车到指定停车点。人工强制停车的功能由分区控制系
9、统和车载控制系统共同完成，表现为禁止停车点步进。2 1 2 速度曲线监控的概念速度曲线监控功能对列车当前位置的速度进行监视，以确保列车速度在任何时刻均处于所设定的速度范围内，即处于安全驾驶状态。速度曲线监控功能监视线路允许的最高速度，以及到当前停车点所需的最小速度。通过由最大允许速度和最小所需速度构成的速度范围，确保列车不进入危险速度区域。在正常运行时，所允许的速度范围始终处于系统的安全监视之下。线路的最高速度限制一般是由线路本身的状况决定的，比如在列车经过市区的时候考虑到减少对居民的影响，需要把列车的速度限制在一个较小的范围。或者在上坡、转弯以及过隧道的时候，都需要对列车的运行速度做一个限制
10、，以免列车出意外。而列车的最小速度限制主要是因为磁悬浮列车本身的原因。只能停靠在车站以及辅助停车区。所以为了保证列车在出故障( 如牵引系统出问题) 的时候，能够依靠列车自身的势能运行到最近的辅助停车区，需要对列车的速度做一个限制，一旦速度低于最小速度值，说明如果这时候列车的牵引系统出故障，那么列车将没有足够的动力停靠到下一个辅助停车区，这种情况是不允许的。我们的速度曲线监控正是为了保证列车运行在最大速度和最小速度之间的一个速度允许范围内，以保证列车运行的安全。为了更好的实现列车运行的速度曲线监控功能，运行控制系统对线路上的停J 0浙江大学硕士研究生学位论文第二章磁悬浮列车速度曲线监控车区定义了
11、可达点和危险点的概念。可达点是指在辅助停车区内系统设计的列车至4 达的目标停车地点。危险点是运行控制系统从安全防护角度定义的线路上特定的停车区域极限边界点。停车点和危险点之间保持一定的安全距离。2 3 磁浮列车运行时的受力分析为了定量计算磁悬浮列车的最大和最小运行速度曲线，我们有必要对磁悬浮列车运行时的受力情况进行分析。高速磁悬浮列车在正常运行的情况下主要受以下几个力的影响：1 同步直线电机的牵引力或者制动力牵引力由同步直线电机提供，根据不同的路况和速度曲线的要求，输出牵引力或者制动力。2 空气阻力根据经验公式，空气阻力可以表示为：F A = W l V6 2 ( N )式中，v 表示列车的运
12、行速度，单位m s ；w 1 为列车运行时的空气阻力系数。w l 的计算公式为：W l = ( O 5 3 + 州2 + 0 3 ) + O 5 + P L + C x s F其中：n 为列车的编组车辆数，一般为5 l O 节，在上海磁浮线中取8 节；P L 为空气密度；C x 为空气阻尼系数；S F 为列车前端部的面积。根据德国T R 0 8 磁悬浮列车在标准大气条件下w l 的估算值及计算出的其他列车编组数时的值W I 如下：N23468ol 弼( 刖s “n r )3 2 04 1 65 1 27 0 48 9 6- 。8 8表2 1 列车不同编组对应的w 1浙江大学硕士研究生学位论文第
13、二章磁悬浮誊莲羹喜耋要蠹霾霎雾。塑鋈薹埘嚣墅氍她日朔鹚雒删撒鐾力神翔州甄魏酢醣獒翟；蓁粪囊蚕蒌霎妻囊雾霎霪攀漭j 吲冈j 带劐i 嘲舅叫霉裂瓮器捌引萎群搿剐鹭蛋出! 箍裳簏鲜乳瓣鹫耗鞴豁臻螅一越挈i 羽嘤朗彳瓣瘩j 强i 撼淄游编溺舅矗耀霸垲。珀掣毳氆编滋港塌鳌罐臻竣箍撇掩诧蛰搿掣蜘屠j 豁韩稚雌甜辨燃拍铺妊爵嚣耐罄!；0存在的一些不足之处做了浙江大学硕士研究生学位论文第三章磁浮运行牵引控制仿真系统及其相关通讯特性分析第三章磁浮运行牵引控制仿真系统及其相关通讯特性分析3 - 1 磁浮运行牵引控制仿真系统概述为了更好的研究磁悬浮运行控制系统的特点，我们建立了一个磁悬浮列车运行牵引控制仿真系统。该
14、仿真系统设计采用面向对象的程序设计思想。软件设计根据功能要求实现模块化。利用我们做好的磁悬浮列车直线电机运行的仿真模型，将列车的数据送到电机模型中，让模型根据数据去运行。并可显示实时运行曲线图，实时运行地理图模拟，铁路各路段列车运行速度和位置指示，模拟列车故障下紧急刹车过程等功能。通过我们建立的仿真模型，我们能更好的模拟列车的运行情况，并研究各种异常状况下列车的运行情况。比如列车在运行过程中的参数变化，在理想计算中一般将这些参数作为常数来计算，但是通过模型我们可以实时计算列车参数发生变化时对列车的影响，并研究控制算法如何对这些参数的变化进行补偿，以保证列车的平稳运行。另外，我们也可以通过这个系
15、统模拟列车在故障状态下的运行情况，这对我们研究列车的安全运行起到很大的作用。再者，通过系统仿真列车的实时性问题，研究在系统传输有时延的情况下对系统的影响等等。图3 1 所示的为系统的基本结构框图。P L c 控制模块牵引仿真模型图3 1 仿真系统基本结构框图渐扛人学硕士研究生学位论文第三章磁浮运行牵弓l 控制仿真系统及其相关通讯特性分析磁悬浮列车由于列车速度快、密度大，因此，对列车的安全运行提出了更高的要求。磁悬浮列车的运行控制必须实现计算机集中调度控制。与传统铁路运输相比，高速磁悬浮铁路运行系统具有以下特点：1 列车运行集中调度和指挥。中央控制系统负责磁悬浮铁路上列车运行的实时信息、安全信息
16、的实时处理，建立安全信息实时监测、传输、处理和决策的控制中心。能够保证在故障条件下及时报警和紧急处理，给出必要的自动减速控制。以保证所有行车的安全。2 磁悬浮列车与地面的快速信息交互。高速磁悬浮列车的驾驶基本上无需司机干预。它完全可以的计算机控制下快速安全运行。因此，列车上的状态和信息必须及时反应到地面控制系统上。由于磁悬浮列车的加速、减速、制动、岔道控制都是由地面控制系统完成的。因此，高速、大容量的实现地面和列车的信息实时传输与自动交换。3 关键设备的实时状态自诊断。列车、供电设备、通讯系统等关键设备必须具备自诊断功能，并能将信息及时传送到列车运行指挥中心。以保证磁悬浮铁路列车的安全运行。因此，我们的仿真系统也需要更多的考虑列车的安全以及实时性等方面的问题。这一方面需要合理选择构成模型的硬件在冗余、运行速度等方面的性能，另一方面，也要对系统通讯问题进行规划，采用合理的通讯方案以保证列车的实时性性能。3 2S o c k e t 通讯模型中安全计算机和监控计算机之间的通讯采用s
