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摘 要：目前在线运营的CRH2型动车组恒速控制逻辑普遍使用双滞环策略，其控制功能基本可以满足平直道恒速±3km/h运行目标，但若遇到大坡道、恶劣天气等状况，则很难满足控制需求，本文根据其实际运行效果分析其特性，提出了进一步优化的控制策略。
关键词：恒速；双滞环；优化；逻辑
0 引言
CRH2型动车组已在全国范围内广泛运营，其核心部件牵引变流器主电路采用三电平整流器、三电平逆变器，牵引电机为三相感应电动机。恒速控制可以有效地减轻列车运行中司机的重复、繁琐地驾驶操作任务，且有效的恒速控制有利于列车运行准点率。目前动车组采用的恒速控制策略有PID控制、双滞环控制[1]等，本文针对CRH2型动车组双滞环控制逻辑进行分析，并对其不足进行补充优化。而PID控制器由于其参数整定难以实现通过理论计算直接应用于实际工程，必须在列车实际运行过程中进行修订，且PID调节的力矩输出变化太快，不利于列车乘坐舒适度、全列同步等需求，本文不涉及。
1 CRH2型动车组恒速控制分析
CRH2型动车组恒速控制逻辑使用双滞环策略：
a.牵引变流器控制装置接收来自网络的恒速运行指令时，将当前时刻的列车速度设定为恒速控制目标速度。
b.控制装置实时采集列车速度，将列车实时速度与目标速度的偏差作为转矩调节依据。
c.当目标速度超过列车实时速度1km/h时，牵引变流器启动整流、逆变门极，进入牵引运行模式，并根据速度偏差实时调节牵引转矩输出，当速度偏差等于0时，牵引变流器进入惰行模式，并关断整流、逆变门极；
d.当列车实时速度超过目标速度3km/h时，牵引变流器启动整流、逆变门极，进入再生制动运行模式，并根据速度偏差实时调节制动转矩输出，当速度偏差小于等于2km/h时，牵引变流器进入惰行模式，并关断整流、逆变门极；
e.由于速度采样精度、数据传输延时等因素，为避免各节动车同时存在牵引、再生制动工况，恒速控制设置了速度偏差一定范围内惰行运行逻辑；
f.转矩设定与速度偏差成线性关系，速度偏差越大，转矩相应增大。如下图所示[2]：
双滞环控制原理简单，软件易于实现，但存在大上坡牵引不足、转矩扰动频繁导致牵引变流器主回路电压波动、低速大下坡制动不足等问题。
2 双滞环控制优化
1）引入风阻曲线、坡道阻力计算
既有控制策略的转矩设定仅根据速度偏差进行线性计算，缺乏对列车系统性的受力模型分析。对列车进行受力分析如下[3]：
忽略列车内部摩擦损耗及其他机械损耗，列车受力模式为：
Tf = Tmotor + TM + Twind
Tmotor为电机转矩，牵引时为正数，制动时为负数；TM为重力分量，下坡时为正数，上坡时为负数；Twind为风阻，负数；Tf为列车最终受力总和。
由上式可知，恒速控制的根本目的为，当实时速度高于目标速度时，施加制动力，克服下坡重力分量降低或维持车速，当实时速度低于目标速度时，施加牵引力，克服上坡重力分量及风阻提高或维持车速。所以在既有恒速控制力矩计算中引入风阻曲线、坡道重力分量，得到更准确的力矩输出。
风阻计算如下：
Twind = （3.26 + 0.0386*Vvehicle + 0.001203* Vvehicle2）*M
Vvehicle为列车实时速度；M为列车载荷（出去旋转惯量）；
坡道重力分量为：
TM = M*g*Sinα
g为当地重力加速度；α为线路坡道角度；
通过设定目标加速度a，即可近似得出恒速控制时，力矩设定值为：
Tmotor = M*a - TM + Twind
2）调整基准速度步长
恒速控制中使用的偏差速度固定为精确度为0.1km/h，由于实际运行中存在速度传感器采样精度、信号传输延时、速度脉冲解码偏差等因素，速度信号本身细微波动剧烈，在稳态运行中，通常存在±0.3km/h范围内速度扰动，恒速控制中，此种现象导致的就是力矩计算值频繁扰动，从而影响列车运行舒适度、牵引变流器中间主回路直流电压波动等问题，因而对恒速控制中的力矩给定与速度偏差曲线的计算中，引入速度偏差计算步长调节，降低力矩扰动频率及幅度，从而改善乘车舒适度及系统稳定性。如下式：
Vdiff0 = abs（Vvehicle – Vset）
Vdiff1 = Vdiff0 mod Vbase
Vdiff = Vdiff0 - Vdiff1
Vdiff0为计算的实时速度偏差值；Vdiff1为实时速度偏差值模数基准速度的余数；Vdiff为计算力矩给定用的速度偏差值；Vset为恒速控制目标速度值；Vbase为计算力矩给定的基准速度精度，可调节，此值越大，则力矩给定变化越平稳，可根据实际运行效果调整。
3）全程维持整流器、逆变器门极启动
恒速运行中列车会在牵引、再生制动、惰行工况反复切换，而既有控制逻辑设定为惰行时，关断整流、逆变器门极，当恒速运行由惰行转入牵引、惰行转入再生制动时，都需要经历整流器重启，牵引变流器主回路中间直流电压建立，逆变器重启励磁，磁场建立后相应力矩输出的过程。从而导致恒速牵引/再生制动调节滞后，不利于恒速控制的精准性。且由于三相电机反复励磁、取消励磁，也存在励磁失效风险。综合考虑，为避免以上不足，在恒速运行过程中可保持整流器一直启动状态，维持牵引变流器主回路中间直流电压稳定，逆变器一直处于励磁控制状态，保障恒速控制逻辑生成力矩指令时可以快速实时响，提高速度控制精准性。
4）按需調节牵引/再生制动工况切换速度点
列车运行过程中，由于风阻与列车速度正相关，高速恒速运行时，由于风阻大，当列车运行于再生制动工况时，要控制速度下降，再生制动力输出较小时即可达到目的。低速恒速运行时，由于风阻小，当列车运行于再生制动工况时，要控制速度下降，则再生制动力输出需要较大值才可达到目的。因此为了达到全速范围内控制的准确性及力矩输出的及时性，考虑调整恒速控制逻辑中低速、高速工况牵引/再生制动工况切换速度偏差点，低速更早开始输出再生制动力，即降低进入/退出再生制动工况的速度偏差值Von及Voff，高速稍晚输出再生制动力，即提高进入/退出再生制动工况的速度偏差值Von及Voff。如下式：
Vdiff3 = Vvehicle – Vset
当 （Vdiff3 >= Von）时再生制动运行有效，当（Vdiff3 <= Voff）时，再生制动运行退出，形成滞环控制，从而保证全速范围的再生制动力响应及控制效果。
3 结束语
本文针对CRH2动车组既有恒速控制逻辑进行了详细分析，并引入风阻曲线、坡道阻力、速度步长计算、保持门极、切换牵引制动速度门槛等策略，进一步优化恒速控制的舒适性、稳定性及精准性，并已于同类车辆恒速控制中使用，控制效果良好，达到预期。
参考文献
[1] 李官军，冯晓云，王利军，陈世浩.高速动车组恒速控制策略的研究与仿真[J].机车电传动，2007，（05）：12-14.
[2] 丁菊霞，蒋奎.CRH3动车组两种恒速控制策略研究与仿真[J].铁道机车车辆，2013，（06）：0073-05.
[3] 侯月明.电动汽车定速巡航控制策略的研究.哈尔滨工业大学，2012，（04）：U469.72.
关键词：恒速；双滞环；优化；逻辑
0 引言
CRH2型动车组已在全国范围内广泛运营，其核心部件牵引变流器主电路采用三电平整流器、三电平逆变器，牵引电机为三相感应电动机。恒速控制可以有效地减轻列车运行中司机的重复、繁琐地驾驶操作任务，且有效的恒速控制有利于列车运行准点率。目前动车组采用的恒速控制策略有PID控制、双滞环控制[1]等，本文针对CRH2型动车组双滞环控制逻辑进行分析，并对其不足进行补充优化。而PID控制器由于其参数整定难以实现通过理论计算直接应用于实际工程，必须在列车实际运行过程中进行修订，且PID调节的力矩输出变化太快，不利于列车乘坐舒适度、全列同步等需求，本文不涉及。
1 CRH2型动车组恒速控制分析
CRH2型动车组恒速控制逻辑使用双滞环策略：
a.牵引变流器控制装置接收来自网络的恒速运行指令时，将当前时刻的列车速度设定为恒速控制目标速度。
b.控制装置实时采集列车速度，将列车实时速度与目标速度的偏差作为转矩调节依据。
c.当目标速度超过列车实时速度1km/h时，牵引变流器启动整流、逆变门极，进入牵引运行模式，并根据速度偏差实时调节牵引转矩输出，当速度偏差等于0时，牵引变流器进入惰行模式，并关断整流、逆变门极；
d.当列车实时速度超过目标速度3km/h时，牵引变流器启动整流、逆变门极，进入再生制动运行模式，并根据速度偏差实时调节制动转矩输出，当速度偏差小于等于2km/h时，牵引变流器进入惰行模式，并关断整流、逆变门极；
e.由于速度采样精度、数据传输延时等因素，为避免各节动车同时存在牵引、再生制动工况，恒速控制设置了速度偏差一定范围内惰行运行逻辑；
f.转矩设定与速度偏差成线性关系，速度偏差越大，转矩相应增大。如下图所示[2]：
双滞环控制原理简单，软件易于实现，但存在大上坡牵引不足、转矩扰动频繁导致牵引变流器主回路电压波动、低速大下坡制动不足等问题。
2 双滞环控制优化
1）引入风阻曲线、坡道阻力计算
既有控制策略的转矩设定仅根据速度偏差进行线性计算，缺乏对列车系统性的受力模型分析。对列车进行受力分析如下[3]：
忽略列车内部摩擦损耗及其他机械损耗，列车受力模式为：
Tf = Tmotor + TM + Twind
Tmotor为电机转矩，牵引时为正数，制动时为负数；TM为重力分量，下坡时为正数，上坡时为负数；Twind为风阻，负数；Tf为列车最终受力总和。
由上式可知，恒速控制的根本目的为，当实时速度高于目标速度时，施加制动力，克服下坡重力分量降低或维持车速，当实时速度低于目标速度时，施加牵引力，克服上坡重力分量及风阻提高或维持车速。所以在既有恒速控制力矩计算中引入风阻曲线、坡道重力分量，得到更准确的力矩输出。
风阻计算如下：
Twind = （3.26 + 0.0386*Vvehicle + 0.001203* Vvehicle2）*M
Vvehicle为列车实时速度；M为列车载荷（出去旋转惯量）；
坡道重力分量为：
TM = M*g*Sinα
g为当地重力加速度；α为线路坡道角度；
通过设定目标加速度a，即可近似得出恒速控制时，力矩设定值为：
Tmotor = M*a - TM + Twind
2）调整基准速度步长
恒速控制中使用的偏差速度固定为精确度为0.1km/h，由于实际运行中存在速度传感器采样精度、信号传输延时、速度脉冲解码偏差等因素，速度信号本身细微波动剧烈，在稳态运行中，通常存在±0.3km/h范围内速度扰动，恒速控制中，此种现象导致的就是力矩计算值频繁扰动，从而影响列车运行舒适度、牵引变流器中间主回路直流电压波动等问题，因而对恒速控制中的力矩给定与速度偏差曲线的计算中，引入速度偏差计算步长调节，降低力矩扰动频率及幅度，从而改善乘车舒适度及系统稳定性。如下式：
Vdiff0 = abs（Vvehicle – Vset）
Vdiff1 = Vdiff0 mod Vbase
Vdiff = Vdiff0 - Vdiff1
Vdiff0为计算的实时速度偏差值；Vdiff1为实时速度偏差值模数基准速度的余数；Vdiff为计算力矩给定用的速度偏差值；Vset为恒速控制目标速度值；Vbase为计算力矩给定的基准速度精度，可调节，此值越大，则力矩给定变化越平稳，可根据实际运行效果调整。
3）全程维持整流器、逆变器门极启动
恒速运行中列车会在牵引、再生制动、惰行工况反复切换，而既有控制逻辑设定为惰行时，关断整流、逆变器门极，当恒速运行由惰行转入牵引、惰行转入再生制动时，都需要经历整流器重启，牵引变流器主回路中间直流电压建立，逆变器重启励磁，磁场建立后相应力矩输出的过程。从而导致恒速牵引/再生制动调节滞后，不利于恒速控制的精准性。且由于三相电机反复励磁、取消励磁，也存在励磁失效风险。综合考虑，为避免以上不足，在恒速运行过程中可保持整流器一直启动状态，维持牵引变流器主回路中间直流电压稳定，逆变器一直处于励磁控制状态，保障恒速控制逻辑生成力矩指令时可以快速实时响，提高速度控制精准性。
4）按需調节牵引/再生制动工况切换速度点
列车运行过程中，由于风阻与列车速度正相关，高速恒速运行时，由于风阻大，当列车运行于再生制动工况时，要控制速度下降，再生制动力输出较小时即可达到目的。低速恒速运行时，由于风阻小，当列车运行于再生制动工况时，要控制速度下降，则再生制动力输出需要较大值才可达到目的。因此为了达到全速范围内控制的准确性及力矩输出的及时性，考虑调整恒速控制逻辑中低速、高速工况牵引/再生制动工况切换速度偏差点，低速更早开始输出再生制动力，即降低进入/退出再生制动工况的速度偏差值Von及Voff，高速稍晚输出再生制动力，即提高进入/退出再生制动工况的速度偏差值Von及Voff。如下式：
Vdiff3 = Vvehicle – Vset
当 （Vdiff3 >= Von）时再生制动运行有效，当（Vdiff3 <= Voff）时，再生制动运行退出，形成滞环控制，从而保证全速范围的再生制动力响应及控制效果。
3 结束语
本文针对CRH2动车组既有恒速控制逻辑进行了详细分析，并引入风阻曲线、坡道阻力、速度步长计算、保持门极、切换牵引制动速度门槛等策略，进一步优化恒速控制的舒适性、稳定性及精准性，并已于同类车辆恒速控制中使用，控制效果良好，达到预期。
参考文献
[1] 李官军，冯晓云，王利军，陈世浩.高速动车组恒速控制策略的研究与仿真[J].机车电传动，2007，（05）：12-14.
[2] 丁菊霞，蒋奎.CRH3动车组两种恒速控制策略研究与仿真[J].铁道机车车辆，2013，（06）：0073-05.
[3] 侯月明.电动汽车定速巡航控制策略的研究.哈尔滨工业大学，2012，（04）：U469.72.