Anti-slip control of traction motor of rail vehicles

Railway transport is becoming an increasingly preferable transportation system worldwide. Due to the demand and emerging technologies in the railway sector, more powerful rail vehicles are produced. The recent development in power capacity of the vehicles enables them reaching high torques in a short time. On the other hand, the traction ability of these vehicles is limited by environmental conditions (i.e. rain, snow, leaves and mud) and human influences. Because of the mentioned reasons, wheel slip becomes one of the most important factors influencing the safety, traction performance and lifetime of the rail vehicles. Hence, this work deals with the use of anti-slip control methods for rail vehicles. Initially, to give readers a general picture of the research covered in the thesis, the adhesion and slip mechanism are explained. Furthermore, the slip detection methods and slip control methods based on the literature review are introduced. To verify the validity of the anti-slip control schemes, a numerical model of a tram wheel roller rig that includes nonlinear effects caused by time delay and disturbances to match the values of the experimental test setup has been generated using MATLAB editor. The provided numerical model consists of a PMSM, an AM, a wheel, a roller and two drive shafts. Freibauer and Polach adhesion force model has been employed to determine the coefficient of adhesion and adhesion force taking place between the wheel-roller. Five wheel slip control strategies -wheel slip control based on single threshold (WSCST), wheel slip control based on multiple thresholds (WSCMT), wheel slip control based on angular acceleration of wheel (WSCAA), PI wheel slip control (PI-WSC), and sliding mode wheel slip control (SM-WSC)- are suggested. In addition to the simulation calculations, this work includes an experimental part in which extensive experiments are carried out on laboratory test equipment where the anti-slip algorithms are implemented and tested. The validity of the developed numerical model is proven with the comparison of the simulation and experimental results. The performances of all the wheel slip control methods are evaluated through the mathematical model and experimental setup. The influences of different roller speeds and control parameters are analysed via validated numeric model.Železniční doprava se stává celosvětově preferovanějším dopravním systémem. Vzhledem k poptávce a vznikajícím technologiím v železničním sektoru se vyrábějí hnací vozidla se stále vyšším výkonem. Nedávný vývoj výkonové kapacity vozidel umožňuje v krátkém čase dosáhnout vysokých točivých momentů při rozjezdu. Na druhé straně je trakční schopnost těchto vozidel omezena podmínkami prostředí (tj. deštěm, sněhem, listy a bahnem) a lidskými vlivy. Z uvedených důvodů se prokluzování kol stává jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňujících bezpečnost, trakční výkon a životnost kolejových vozidel. Tato práce se proto zabývá využitím metod protiskluzového řízení pohonu kolejových vozidel. Nejprve jsou vysvětleny mechanismy adheze a skluzu. Dále jsou uvedeny metody detekce skluzu a metody regulace. Pro ověření platnosti schémat protiskluzové regulace byl pomocí editoru MATLAB vytvořen numerický model zkušebního laboratorního zařízení tramvajového kola, který obsahuje také nelinearity. Uvedený model se skládá ze synchronního motoru s permanentními magnety, asynchronního motoru, tramvajového kola, kladky (rotující kolejnice) a dvou hnacích hřídelí. Jednu z nelinearit tvoří model mechanismu adheze. Zde je použit model Freibauera a Polacha. Pro detekci a řízení skluzu je použito pět strategií (algoritmů): řízení skluzu kol na základě jednoduché prahové hodnoty (WSCST), řízení skluzu kol na základě více prahových hodnot (WSCMT), řízení prokluzu kol na základě úhlového zrychlení kola (WSCAA), PI regulace skluzu kol (PI-WSC) a metoda Sliding Mode Control (SM-WSC). Kromě simulačních výpočtů práce obsahuje experimentální část, kde jsou provedeny rozsáhlé experimenty na zkušebním laboratorním zařízení, kde byly uvedené protiskluzové algoritmy implementovány a testovány. Platnost vyvinutého numerického modelu je prokázána porovnáním simulačních a experimentálních výsledků. Vyhodnoceny jsou vlivy různých parametrů a chování systému při těchto protiskluzových metodách.Dopravní fakulta Jana PerneraDokončená práce s úspěšnou obhajobo

Protiskluzová ochrana a regulace pohonu motoru železničního vozidla

The purpose of the thesis is an overview of the anti-slip protection control system for the use in rail vehicle based upon literature resources. To fulfil our purpose, in the first part of our thesis, theoretical background information about slip, adhesion, slip detection method and control method of slip have been revised. In the second part of the study, mechanical description such as locomotive model and adhesion model was defined for simulation. A simple two axle locomotive similar to ČKD/CZ-LOCO with 10 DoF analysed analytically and necessary equations obtained for numerical computation. Then adhesion model have been defined using Freibauer/Polach to derive the equation of the adhesion forces in the front and rear wheelset of the locomotive. For the purpose of the Electric motor, approximated model of an induction is used in simulation. For the results of the dynamic simulation, finite difference method is used. The third part of the thesis includes the slip detection and control method algorithm. Five slip detection algorithms, which are "Velocity difference control Method", "Slip Control with Reference Wheelset", "Slip Control with angular acceleration of wheelset", "Slip Control with Reference Slip Generator" and "Steepest Gradient method with PI controller", are described. In the last part of the thesis, simulation results of five control algorithms have been evaluated. The comparison between the control systems in terms of performance and effectivity is carried out.Účelem této práce je představení protiskluzové ochrany používané v železničních vozidlech založené na literárních zdrojích. K dosažení vytyčeného cíle jsou v první části naší práce shrnuty teoretické základní informace o skluzu, přilnavosti, metodě detekce skluzu a kontrolní metodě skluzu. V druhé části studie, mechanický popis jako model lokomotivy a model přilnavosti byly definovány pro simulaci. Jednoduchá dvounápravová lokomotiva podobná ČKD/CZ-LOCO s 10 stupni volnosti byla analyzována analyticky a potřebné rovnice byly získané pro numerické výpočty. Potom model přilnavosti byl definován použitím Freibauer/Polach na odvození rovnice adhezních sil v předním a zadním dvojkolí lokomotivy. Pro účely elektromotoru je použit v simulaci přibližný model indukce. Pro výsledky dynamické simulace byla použita metoda konečného rozdílu. Třetí část této práce zahrnuje detekci skluzu a algoritmus kontrolní metody. Zde je popsaných pět algoritmů detekce skluzu: "Kontrolní metoda rychlostního rozdílu", "Kontrola skluzu s referenčním dvojkolím", "Kontrola skluzu s úhlovou rychlostí dvojkolí", "Kontrola skluzu s referenčním generátorem skluzu" a "Metoda nejstrmějšího stoupání s PI regulátorem". V poslední části práce jsou hodnoceny výsledky simulace pěti kontrolních algoritmů. Bylo provedeno porovnání mezi kontrolními systémy z hlediska výkonu a efektivity.Katedra dopravních prostředků a diagnostikyStudent přednesl obhajobu své diplomové práce, zodpověděl dotazy z posudků a pohotově reagoval na doplňující otázky členů komise

Nový přístup k regulaci protiskluzové ochrany kolejových vozidel založený na stanovení adhezních podmínek s využitím principů swarm intelligence

Anti-slip control systems are essential for railway vehicle systems with traction. In order to propose an effective anti-slip control system, adhesion information between wheel and rail can be useful. However, direct measurement or observation of adhesion condition for a railway vehicle in operation is quite demanding. Therefore, a proportional-integral controller, which operates simultaneously with a recently proposed swarm intelligence-based adhesion estimation algorithm, is proposed in this study. This approach provides determination of the adhesion optimum on the adhesion-slip curve so that a reference slip value for the controller can be determined according to the adhesion conditions between wheel and rail. To validate the methodology, a tram wheel test stand with an independently rotating wheel, which is a model of some low floor trams produced in Czechia, is considered. Results reveal that this new approach is more effective than a conventional controller without adhesion condition estimation.Řízení protiskluzových ochran je u trakčních kolejových vozidel zcela zásadní. Pro účely návrhu efektivního systému řízení protiskluzové ochrany je užitečná znalost adhezních podmínek mezi kolem a kolejnicí. Přímé měření těchto podmínek v provozu vozidel je však náročné. Proto byl v rámci této studie navržen proporcionálně-integrační kontroler, který současně pracuje s navrženým algoritmem založeným na principu swarm intelligence. Tento přístup umožňuje stanovit optimum adhezní charakteristiky takovým způsobem, že hodnota referenčního skluzu na vstupu do kontroleru může být stanovena v závislosti na adhezních podmínkách mezi kolem a kolejnicí. Za účelem validace metodiky byl využit tramvajový zkušební stav, který je modelem pohonu české tramvaje s nezávisle otáčivými koly. Výsledky ukazují, že tento nový přístup je efektivnější než běžné kontrolery, které neumožňují provádět odhad adhezních podmínek

The slip control of a tram-wheel test stand model with single neuron PID control method

In this study, a single neuron PID (proportional, integral, and derivative) control algorithm is proposed for longitudinal slip control of a tram-wheel test stand. Hebb learning algorithm was employed for tuning the control parameters. The main advantages of the proposed algorithm are adaptivity, self-organizing, and self-learning. The performance of the control strategy is simulated using the mathematical model of the tram-wheel test stand that is developed in MATLAB environment. The simulation results show that the proposed algorithm has better closed-loop performance compared to traditional PID control method

Validace protiskluzového řízení metodou založenou na úhlovém zrychlení mezi kolem a rotující kolejnicí

This study deals with the validation of an anti-slip control method that is based on the acceleration of a wheel. The method uses the angular acceleration signal and a threshold value to prevent the wheel from a severe slip. Initially, the implemented method was tested with an experimental roller rig under several wheel-roller surface conditions (half-dry, wet and greasy). Then, the validity of the control algorithm was verified using the numerical model of a full-scale roller rig that is built via the MATLAB editor, with the simulation scenarios following the experiments. The results from both experiments and simulations confirm that the acceleration-based slip regulation controller prevents the excessive wheel slip and improves the traction performance of a rail vehicle. Moreover, it is observed that the performance of the controller could be further improved by properly setting the control parameters of the acceleration-based slip regulation controller.Tato studie se zabývá validací metody protiskluzového řízení, která je založena na zrychlení kola. Metoda používá signál úhlové akcelerace a prahovou hodnotu, aby se zabránilo kolu v prudkém skluzu. Zpočátku byla implementovaná metoda testována na experimentálním zařízení za několika podmínek povrchu kola a kolejnice (napůl suchá, mokrá a mastná). Poté byla platnost kontrolního algoritmu ověřena pomocí numerického modelu experimentálního zařízení, který byl vytvořen pomocí editoru MATLAB, se simulačními scénáři navazujícími na experimenty. Výsledky experimentů a simulací potvrzují, že regulační algoritmus založený na zrychlení zabraňuje nadměrnému prokluzu kola a zlepšuje trakční výkon kolejového vozidla. Kromě toho je pozorováno, že proces lze dále zlepšit správným nastavením regulačních parametrů regulátoru

Dynamický model a simulační výpočty zkušebního stavu tramvajového kola

Track experiments and tests for railway vehicles are challenging tasks. In order to realize methods and validate models which are developed for railway vehicle systems, roller-rig test equipments are widely used. In this study, a torsional dynamic model of a tram wheel test stand, which has a wheel on roller configuration and has been used for research purposes in faculty of transport engineering, university of Pardubice for many years, is proposed. Numerical simulations are validated by the measurements taken from this roller-rig. This model includes solution to geometrical, normal and tangential problems for wheel-rail interface and models of electric motors. Comparison with measurements shows that this modelling formalism is promising to test and verify proposed methods for the test stand and railway vehicle systems.Zkoušení železničních vozidel na trati představuje náročnou úlohu. Pro vývoj metod a validaci modelů vyvinutých pro systémy kolejových vozidel se proto hojně využívají kladkové zkušební stavy. V této studii je předložen torzní dynamický model zkušebního stavu tramvajového kola, který obsahuje jedno kolo a kladku a který se již delší dobu využívá pro výzkumné účely na Dopravní fakultě Jana Pernera Univerzity Pardubice. Simulační výpočty jsou ověřeny pomocí měření na zkušebním stavu. Dynamický model zahrnuje řešení geometrického, normálového a tangenciálního problému kontaktu kola a kolejnice, jakož i modely elektromotorů. Srovnání s experimenty ukazuje, že model je vhodný pro zkoušení a ověřování metod pro daný zkušební stav a pro systémy kolejových vozidel

New experience and results from experimental measurement of adhesion on a roller rig

Článek se věnuje aktuálním pokrokům v experimentálním výzkumu adheze kolo-kolejnice na zkušebním stavu v plném měřítku. Na zkušebním stavu byla zavedena bezdemontážní reprofilace kola a kladky, byl vyvinut nový měřicí a řídicí software, rozšířily se možnosti úpravy adhezních podmínek. Jako příklad nových výstupů jsou představeny výsledky měření adhezních charakteristik v podmínkách povrchů suchých, mokrých a znečištěných plastickým mazivem.The article presents current advancements in experimental research of wheel-rail adhesion on a full-scale roller rig. On-site reprofiling of the wheel and roller has been implemented, new measurement and control software has been developed and the possibilities of influencing the adhesion conditions have been extended. Out of the new outputs, results of measurement of creep curves in dry, watered and grease-lubricated conditions are chosen for presentation

Adaptivní skluzové řízení ke stabilizaci skluzu kola a zlepšení využití trakčního výkonu

Advanced antislip control methods are available these days. However, due to increasing requirements with regard to demand and emerging technologies in the field of railways, further research on antislip control is required. Therefore, in this study, an antislip control algorithm, based on a sliding mode control, is proposed to stabilize the slip and improve the traction ability of a full-scale tram wheel test stand. To verify the validity of the control scheme, a numerical model of a tram wheel test stand has been generated using the MATLAB editor. The Freibauer and Polach contact theory has been employed to determine the coefficient of adhesion and adhesion force. Moreover, the derived algorithm was implemented on a full-scale tram wheel test stand. Experiments were carried out under several wheel-roller surface conditions. The results of the refined numerical model are in good agreement with the experimental data obtained from the tram wheel test stand. For both the experimental tests and the numerical model, the response of the proposed control algorithm is rather satisfactory with regard to the stabilization of the slip and improvement of the traction ability.V současné době jsou k dispozici pokročilé metody kontroly skluzu. Vzhledem k rostoucím požadavkům na poptávku a vznikající technologie v oblasti železnic je však zapotřebí další výzkum tohoto řízení. Proto se v této studii navrhuje algoritmus protismykového řízení založený na řízení posuvné rychlosti, který stabilizuje skluz a zlepšuje trakční schopnost zkušebního zařízení tramvajového kola v plném měřítku. Pro ověření řídicího algoritmu byl pomocí editoru MATLAB vytvořen numerický model zkušebního stendu. Pro stanovení koeficientu adheze a adhezní síly byla použita teorie kontaktu Freibauera a Polacha. Kromě toho byl odvozený algoritmus implementován na zkušebním zařízení. Pokusy byly prováděny za několika alternativ podmínek povrchů. Výsledky numerického modelu jsou v souladu s experimentálními údaji. Pro experimentální testy i numerický model jsou srovnané výsledky z hlediska stabilizace skluzu a zlepšení trakční schopnosti uspokojivé