-
H.Uebel-W.Rahn-H. Jetter 15-2-l Steueranordnung zur Geschwindigkeitsänderung
eines trassengebundenen Fahrzeuges.
-
Die Erfindung betrifft eine Steueranordnung zur Geschwindigkeitsänderung
eines trassengebundenen Fahrzeuges.
-
Bei der Steuerung von Fahrzeugen, z.B. Schienenfahrzeugen, wird normalerweise
die gewünschte Geschwindigkeit als Sollwert vorgegeben und die Ist-Geschwindigkeit
diesem Sollwert nachgeführt. So beginnt z.B. ein Abbremsvorgang mit der Anderung
des Geschwindigkeitssollwerts auf einen niedrigeren Sollwert. Speziell beim Abbremsen
soll jedoch eine konstante Bremsverzögerung erreicht werden, um dem Komfortbedürfnis
der Fahrgäste entgegenzukommen. Dementsprechend muß der vorgegebene Geschwindigkeitssollwert
einen definierten zeiteichen Verlauf haben. Bei konstanter Bremsverzögerung a muß
der Geschwindigkeitssollwert vs der Gleichung
(s = Bremsstrecke bis zum Stillstand) genügen (Bremsparabel').
-
Beim LZB (Linienzugbeeinflussung)-System der Deutschen Bundesbahn
wird dieses Verfahren bereits benutzt.
-
Allen Geschwindigkeitsänderungsvorgängen ist jedoch unabhängig vom
zeitlichen Verlauf des Geschwindigkeitssollwerts vs gemeinsam, daß infolge der Xnderung
der Beschleunigung
bzw. Verzögerung vom Wert 0 auf den Wert a im
Zeitpunkt T ein Anfahr- bzw, Bremsdruck auftritt, der durch die zeitliche Ableitung
der Beschleunigung a gegeben ist: r = da/dt. Theoretisch ist dieser Ruck unendlich
groß, da die Funktion des ze-tllchen Verlaufs der Beschleunigung a im Zeitpunkt
T eine Unstetigkeitsstelle aufweiset. Praktisch ist der Übergang vom Wert 0 auf
den wert a nicht unstetig, da hierfür eine gewisse Zeit benötigt wird; dementsprechend
entsteht ein endlicher Ruck r, der aber keiner Kontrolle unterworfen ist und insbesondere
bei starker Bremsung oder Beschleunigung einen Wert annehmen kann, der für die Fahrgäste
lästig und unbequem ist.
-
Andererseits ist es oft notwendig, z.Ez bei einer Bremsung, den vorgesehenen
erforderlichen Bremsweg nicht zu uberschreiten und damit evtl. ein Sicherheitsrisiko
einzugehen, was eine angemessene Bremsverzögerung a erforderlich macht.
-
Die Erfindung stellt sich unter den obigen Voraussetzungen die Aufgabe,
Belästigungen der Fahrgäste durch unverhältnismäßig hohe Anfahr- oder Bremsdrucke
zu vermeiden, ohne dadurch ein Sicherheitsrisiko einzugehen Die erfindung löst diese
Aufgabe dadurch, daß Begrenzungsmittel und eine Logikschaltung vorgesehen sind,
die die an die Fahrzeugsteuerung übermittelten Geschwindigkeits- bzw.
-
Beschleunigungssollwerte derart korrigieren, daß die auftretende Beschleunigungsänderung
(Ruck) des Fahrzeugs einen vorgegebenen Maximalwert ( rmax ) nicht übersteigt, Im
Falle, daß der Geschwindigkeitssollwert beim Beschleunigungs
- oder
Bremsvorgang nach der Gleichung
vorgegeben wird. sieht die Erfindung vor, daß durch die Logikschaltung ein korrigierter
Geschwindigkeitssollwert vorgegeben wird, der zusammen mit den Begrenzungsmitteln
während des Zustands konstanter Beschleungigung bzw, Verzögerung eine Geschwindigkeit
des Fahrzeugs bewirkt, die zumindest näherungsweise ebenfalls die Gleichung
erfüllt.
-
Damit ist eine optimale Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens
an das bereits bestehende Verfahren zur Bremsung gewährleistet: von dem vor dem
Bremsvorgang maßgebenden Sollgeschwindigkeitswert wird kontinuierlich mit konstantem
Ruck zu einem Sollgeschwindigkeitswert Ubergegangen, der exakt oder zumindest näherungsweise
durch
gegeben ist und vor Erreichen der Zielgeschwindigkeit oder vor dem Stillstand (vs
= O) wird wiederum kontinuierlich mit konstantem Ruck diese neue Geschwindigkeit
erreicht.
-
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Prinzips sind in weiteren Unteransprüchen
angegeben.
-
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert,
wobei als Ausführungsbeispiel die Anwendung des erfindungsgemäBen Verfahrens auf
das bestehende Bremsverfahren ("Bremsparabel) gewählt wurde.
-
Es zeigen: Fig. la und b das Prinzip des bekannten Bremsverfahrens;
Fig.
2 eine erste Steueranordnung zur erfindungsgemäßen Abbremsung eines Fahrzeuges,
Fig. 3 die in der Steueranordnung nach Fig. 2 erzeugten Signale und ihre Wirkung;
Fig. 4 eine zweite Steueranordnung zur erfindungsgemäßen Abbremsung eines Fahrzeuges,
Fig. 5 die in der Steueranordnung nach Fig. 4 erzeugten Signale und ihre Wirkung.
-
Fig. la) zeigt das Prinzip des bereits bei der Deutschen Bundesbahn
verwendeten Bremsverfahrens; dabei ist der Verlauf der Sollgeschwindigkeit vs als
Funktion des Bremsweges s dargestellt. Das Fahrzeug hat zunächst seine zulässige
Maximalgeschwindigkeit Vmax, am Punkt S1 beginnt die Bremsung: die Steuerung des
Fahrzeuges erhält nunmehr eine Sollgeschwindigkeit vs, die nach der Gleichung
berechnet wird, wobei a die konstante Bremsverzögerung darstellt. Dieser Funktionsverlauf
wird auch als ''Bremsparabel'! bezeichnet. Soll -das Fahrzeug bis zum Stillstand
abgebremst werden, wird diese Sollgeschwindigkeit vs beibehalten; hier soll jedoch
der allgemeinere Fall dargestellt werden, daß zu einer niedrigeren Zielgeschwindigkeit
vz übergegangen (abgebremst) werden soll. Am Punkt S 2 ist diese Zielgeschwindigkeit
vz erreicht und das Fahrzeug behält diese bei; der Bremsvorgang ist abgeschlossen.
-
Fig. lb) zeigt den zeitlichen Verlauf der Beschleunigung a (t) und
des Ruckes r(t) als zeitliche Ableitung der Beschleunigung a(t). Zu Beginn im Zeitpunkt
tl t^- Punkt S1)
springt der Wert der Beschleunigung von 0 auf den
Wert a (Bremsverzögerung), der während des Bremsvorgangs bis zum Zeitpunkt t2 (-
Punkt S2) beibehalten wird. Der konstante Jert a ist dabei durch den parabelförmigen
Verlauf der Sollgeschwindigkeit vs gewährleistet, denn aus den Gesetzen der gleichförmig
beschleunigten Bewegung folgt mit s = 1/2#at² und v = at :
Der untere Teil der Figur lb zeigt den Verlauf der zeitlichen Ableitung (=Steigung)
der Beschleunigung a(t), die als Ruck r bezeichnet werden kann: r = da/dt. Es ist
zu erkennen, daß infolge des plötzlichen, theoretisch unstetigen Anwachsens bzw.
Absinkens der Beschleunigung a(t) in den Zeitpunkten tl und t2 ein theoretisch unendlich
großer Wert des Ruckes r auftritt, der zu einer Belästigung der Fahrgäste führt.
-
Die Erfindung erreicht nun, daß dieser Wert des Ruckes r auf einen
Maximalwert rmax begrenzt bleibt. Die folgenden Figuren zeigen zwei erfindungsgemäße
Anordnungen zu diesem Zweck und deren Funktionsweise.
-
Fig. 2 zeigt eine erste Anordnung zur Abbremsung. Ein Fahrzeuggerät
1 erhält die benötigten Informationen: Ist-Get schwindigkeit vm, Maximalgeschwindigkeit
VmaxJ Zielgeschwindigkeit vz und Bremsweg s' und ermittelt daraus die Sollgeschwindigkeit
vs nach folgenden Kriterien: vs = vmax für vp > vmax (vgl.Fig. la) vs = vp für
vz < vp < Vmax vs = vz für vp c vz mit
( Parabelgeschwindigkeit ).
-
Diese Anordnung wird bereits zum Teil bei der Deutschen Bundesbahn
verwendet. Ausgangssignal ist ein Sollfeschwindigkeitssignal vs, das an die automatische
Fahr- und Bremssteuerung AFB gegeben wird. Die Erfindung sieht nun vor, daß ein
weiteres Ausgangssignal vl, wie folgt, gewonnen wird: vl = vp für vs = vmax vl =
vz für vs = vp Dieses Signal wird zusammen mit dem Sollgeschwindigkeitssignal vs
an eine Logikschaltung 4 gegeben, die ein Korrektursignal vk erzeugt; zu diesem
Zweck werden ihr zwei Schwellenwerte vHl und vH2 zugeführt und das Signal vk wird
dann wie folgt gewonnen: Vk = v1-vs für vl<vsRvHz oder vH« vs<vl und v1<v
Vk = 0 sonst Die Schwellenwerte vH1 und vH2 sind fest vorgegeben und legen den Zeitpunkt
des Bremsbeginns bzw. des Auslaufens in die Zielgeschwindigkeit vz fest. Dieses
Korrektursignal vk gelangt an ein Filter zweiter Ordnung (5) und erzeugt ein Sig
nal vf.
-
Das derart gewonnene Signal vf wird vom Sollgeschwindigkeitssignal
vs subtrahiert; daraus entsteht ein korrigiertes Sollgeschwindigkeitssignal vsl
= vs - vf. Dieses korrigierte Sollgeschwindigkeitssignal liegt zusammen mit der
gemessenen Istgeschwindigkeit vm des Fahrzeuges an der automatischen Fahr- und Bremssteuerung
AFB des Fahrzeuges an.
-
Dort wird ein Abweichsignal dv = vs' - vm gebildet.
-
In der Fahr- und Bremssteuerung AFB werden noch zusätzliche Aufgaben
erfüllt, wie z.B. Stabilisierung des Regelbereichs, Begrenzung der Sollbeschleunigung,
die hier nicht interessieren und nicht näher dargestellt sind.
-
Die erfindungsgemäße weitere Begrenzung des Ruckes r findet in einer
Begrenzeranordnung B statt. Das Signal dv wird begrenzt und anschließend in einem
Integrator I integriert.
-
Durch die Begrenzung des Signals dv, das eine Beschleunigung darstellt,
auf einen Wert rmax können aufeinanderfolgende Signale, d.h. Beschleunigungsänderungen(=Rucke),
niemals um mehr als diesen Betrag rmaX differieren, d.h. aber, daß damit ein maximaler
Ruck r =rmax gewährleistet ist.
-
Die Figur 3 zeigt, wie sich die erfindungsgemäßen MaBnahmen auswirken.
-
Der obere Teil zeigt, wie Figur 1, die übliche "Bremsparabel" mit
den Schwellenwerten vNl und vH2. Darunter ist das in der Logikschaltung 4 gewonnene
Korre-ktursignal vk dargestellt, gefolgt von der Darstellung des Signals vf am Ausgang
des Filters 5.
-
Der untere Teil zeigt schließlich, wie der korrigierte Geschwindigkeitssollwert
vs' verläuft. Man erkennt die Glättung des "Knicks" am Beginn und am Ende des Bremsvorgangs.
-
Aufgrund der vorliegenden Regelcharakteristik folgt die Geschwindigkeit
v des Fahrzeugs dem Geschwindigkeitssollwert vs' ohne dauernde Regelabweichung nach.
-
Durch die zusätzliche Begrenzung des Ruckes in der rahr-und Bremssteuerung
AFB ist somit gewährleistet, daß ein kontinuierlicher Übergang der Fahrzeuggeschwindigkeit
von einer Geschwindigkeit vmax auf eine Zielgeschwindigkeit vz erfolgt, wobei das
Fahrzeug im Bereich konstanter Bremsverzögerung a der "Bremsparabel" genau folgt
und damit auch die Sicherheitsanforderungen erfüllt.
-
Figur 4 zeigt eine zweite Anordnung zur Erzielung desselben Erfolgs,
die von der Anordnung nach Figur 2 in einigen Pun'-ten abweicht. In der Logikschaltung
4 wird ein korrigierter Geschwindigkeitssollwert vs' mit Hilfe eines Schwellensignals
VH durch folgende Vorschrift ermittelt: vs = vmax für vl - vH> vmax vs' = vs
- vH für vz <vs - vH < vmax vs = vz für vs - vH vz Der derart gewonnene Geschwindigkeitssollwert
vs' liegt wieder zusammen mit der gemessenen Seschwindigkeit vm an der Fahr- und
Bremssteuerung AFB. Die Begrenzung des Signals dv erfolgt hier durch den Begrenzer
B und einen Tiefpaß TP.
-
Aus der Figur 4 liest man ab: maximale zeitliche Änderung des Sollbeschleunigungssignals
dbs # Pl bs = dt max = Tl dv' maximaler Wert von dv' = R1 damit wird dbs # = Ll
.R1 = r max dt max Tl
In diesem Fall ergibt sich eine konstante
Regelabweichung der Fahrzeuggeschwindigkeit. Dies ist in Figur 5 dargestellt. Der
korrigierte Geschwindigkeitssollwert vst liegt um den Schwellenwert vH unter dem
Geschwindigkeitssollwert vs. Infolge der "Trägheit" durch die Regelabweichung nähert
sich die Fahrzeuggeschwindigkeit automatisch dem Parabel-Verlauf von vs am Anfang
des Bremsvorgangs und schwenkt dann nachVorgabe von vz auf die Zielgeschwindigkeit
vz ein.
-
Damit eröffnet die Erfindung eine weitere Möglichkeit, durch das Zusammenwirken
von korrigiertem Geschwindigkeitssollwert vs' und geeigneter Begrenzung einen kontinuierlichen
Übergang von einer Geschwindigkeit vmax zu einer Zielgeschwindigkeit vz durchzuführen.
-
Die Erfindung wurde oben anhand zweier Aus führungs beispiele erläutert,
die die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips im Zusammenhang mit dem bereits
verwendeten Prinzip der Bremsung auf einer Parabelbahn zeigen. Dies hat natürlich
den besonderen Vorzug, daß das erfindungsgemäße Prinzip das bestehende Prinzip vorteilhaft
ergänzt und verbessert.
-
Selbstverständlich kann die Erfindung aber auch dort angewendet werden,
wo dieses Prinzip nicht benutzt wird; insbesondere ergibt sich aus obiger Beschreibung,
daß auch Beschleunigungsvorgänge durch die Wirkung der Begrenzer evtl.
-
ebenfalls im Zusammenhang mit einem korrigierten Geschwindigkeitssollwert
mit begrenztem Ruck durchgerührt werden können.