SE511258C2 - Anordning för att uppskatta sidoacceleration hos ett rälsgående fordon - Google Patents

Description

15 25 30 35 511 258 För snabbgående tåg är denna tidsfördröjning av sidoaccelera- tionssignalen inte acceptabel eftersom tåget då hinner långt in i en kurva innan lutningen av tågets vagnkorgar initieras. För att passagerarna i ett sådant snabbgående tåg skall erhålla en god komfort bör denna fördröjning ej vara större än 200-300 ms.

Genom att placera mätutrustningen av sidoaccelerationen i den främre boggien, cirka 8 m framför tågvagnens mitt kan dock er- hållas en extra tid att filtrera den uppmätta signalen. Denna tid är cirka 150 ms vid en hastighet av 200 km/tim.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en an- ordning för uppskattning av sidoaccelerationen hos ett räls- gående fordon av det inledningsvis nämnda slaget, vilken gör det möjligt att erhålla en god uppskattning av sidoaccelerationen med en ringa tidsfördröjning. i Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att filteranord- ningen innefattar ett första filterorgan vilket är inrättat att med uppgift om nämnda störningar hos mätsignalen beräkna en från filteranordningen utgående signal. Ett sådant beräknande filter- organ uppvisar en mindre tidsfördröjning som väsentligen beror på de bortfiltrerade störningarnas karaktär och på filtrets arbets- frekvens. Medelst ett sådant beräknande filter är det möjligt att väsentligen reducera tidsfördröjningen hos signalen, eftersom ett beräknande filters fördröjning är avsevärt mindre än motsva- rande fördröjning hos ett motsvarande konventionellt lågpassfil- ter. Den sammanlagda tidsfördröjningen genom detta filterorgan kan därmed hållas på en nivå som ligger klart under den ovan nämnda tidsfördröjningen hos ett kraftigt filtrerande konventio- nellt lågpassfilter. För att erhålla en kvalitativt godkänd sido- accelerationssignal kan detta beräknande filterorgan erhålla uppgifter om flertalet av de vanligaste förekommande störning- arna hos signalen och därmed filtrera bort dessa. 10 15 20 25 30 35 511 258 Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är det första filterorganet inrättat att beräkna den utgående signalen med uppgifter om nämnda störningars frekvensinnehåll. Detta är möj- ligt då de flesta enskilda störningar uppstår vid bestämda frek- venser eller frekvensområden. Det är exempelvis känt att en lutningsanordning av vagnkorgen hos det rälsgående fordonet själv bidrar med störningar vid en bestämd frekvens medan ore- gelbundenheter l rälsen bidrar med störningar inom ett frekvens- område. Det är även en fördel om det första filterorganet är in- rättat att beräkna den utgående signalen med uppgift om frek- vensinnehållet hos den verkliga sldoaccelerationen som uppstår vid det rälsgående fordonets färd genom en kurva. Kan denna signals frekvensinnehåll bestämmas, så kan uppskattningen av sldoaccelerationen klart förbättras.

Det ovan beskrivna filterorganet kan betecknas som ett modell- baserat tidsdiskret filterorgan och kan innefatta ett Wienerfilter eller ett Kalmanfilter. Sådana filter används för att erhålla en op- timal lösning vid uppskattningsproblem i linjära system. Wiener- filter används praktiskt företrädesvis i kommunikationssystem och vid digitala bildrestaureringar medan Kalmanfilter mestadels används i styrsystem. l detta fall kan man med kännedom om kända störningars frekvensinnehåll beräkna via ett flertal ekva- tioner ett Wienerfilter, varefter Wienerfiltret ger en filtrerad ut- signal. Kalmanfiltret har en annorlunda beräkningsgång men ger under vissa förutsättningar samma resultat som ett Wienerfilter.

Enligt en fördelaktig utföringsform av uppfinningen innefattar fil- teranordningen även ett andra filterorgan som innefattar ett låg- passfilter som är inrättat att filtrera bort frekvenser hos mätsig- nalen över en bestämd grånsfrekvens. Att kombinera ett beräk- nande filterorgan med ett mindre kraftigt filtrerande lågpassfilter är gynnsamt. l jämförelse med ett konventionellt lågpassfilter kan ett sådant lågpassfilters grånsfrekvens höjas med en faktor 10. Därmed kommer en mindre del av mätsignalen att filtreras 10 15 20 25 30 35 511 258 bort av lågpassfiltret och tidsfördröjningen av signalen genom ett sådant lågpassfilter blir därför kraftigt reducerad i förhållande till ett konventionellt lågpassfilter.

För att erhålla en lämplig filtrering av högfrekventa störningar och samtidigt erhålla en avsevärt kortare tidsfördröjning av sido- accelerationssignalen genom lågpassfiltret kan detta lämpligen uppvisa en gränsfrekvens av storleksordningen 1,5-2,0 Hz. Ett sådant lågpassfilter i serie med ett Wienerfilter ger en tidsför- dröjning av 250-350 ms, vilket är klart under motsvarande tids- fördröjning vid ett konventionellt lågpassfilter.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen kan nämnda andra filterorgan innefatta ett flertal parallellt anordnade beräk- nande filter inrättade för filtrering av olika typer av störningar.

Eftersom det kan vara svårt att konstruera en störningsmodell som passar alla typer av miljöer kan man i stället utforma ett flertal varianter. En signalbehandlande enhet kan vara anordnad att utvärdera de respektive parallellt anordnade filtrens utgående signaler varvid signalen hos det för tillfället lämpligaste filtret används. Det lämpligaste filtret är det som uppvisar den tyd- ligaste signalkurvan med minst störningar.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen kan anordningen även innefatta en andra mätanordning för mätning av rollvinkelhastighet och avgivande av en signal i proportion till denna uppmätta rollvinkelhastighets storlek. Genom att med exempelvis ett gyro, mäta rollvinkelhastigheten i det rälsgående fordonets ledande boggie kan man erhålla en tidig indikation på när tåget går in i en kurva respektive när det går ut ur en kurva.

Denna mätsignal av rollvinkelhastigheten innehåller även stör- ningar, varvid lämpligen en filteranordning även här är anordnad att filtrera nämnda rollvinkelhastighetssignal. Denna andra filter- anordning kan även innefatta ett första filterorgan vilket är in- rättat att med uppgift om nämnda störningar hos mätsignalen be- räkna en från filteranordningen utgående signal. Detta filterorgan 10 15 20 25 30 35 511 258 kan företrädesvis även utgöras av ett Wienerfilter och beräk- ningen av denna mätsignal kan utföras på ett motsvarande sätt som med sidoaccelerationens signal. I praktiken kan det vara lämpligt att kombinera ett sådant beräknande filterorgan med ett làgpassfilter som är inrättat att filtrera bort frekvenser hos mät- signalen över en bestämd gränsfrekvens. I kombination med ett beräknande filter kan ett sådant làgpassfilter utföras betydligt mindre kraftigt filtrerande och med en avsevärt höjd gränsfre- kvens i förhållande till ett konventionellt làgpassfilter, varvid tidsfördröjningen genom ett sådant filter blir mycket liten. Slutli- gen kan nämnda utgående signaler avseende uppmätt sido- acceleration och rollvinkelhastighet ledas till en signalbehand- lande enhet som är inrättad att mot bakgrund av dessa signal- värden avge en utgående signal för uppskattning av fordonets sidoacceleration. Härvid utnyttjas att man med rollvinkelhastig- heten snabbt känner av när det rälsgàende fordonet är på väg in i en kurva respektive när nämnda kurva upphör.

Vid ett rälsgàende fordon innefattande åtminstone en främre och en bakre boggie kan, för att minska fördröjningstiden på i sig känt sätt, nämnda mätanordningar avseende mätning av sido- acceleration och rollvinkelhastighet vara anordnade i det räls- gàende fordonets främre boggie. Genom denna placering ham- nar mätinstrumenten cirka 8 m framför ett normalt järnvägsfor- dons mitt, varvid fordonets tid för att förflytta sig dessa 8 m re- ducerar den uppkomna tidsfördröjningen av signalen i filter- anordningen.

Nämnda uppskattade signal avseende det rälsgàende fordonets sidoacceleration används företrädesvis till att styra lutningen av det rälsgàende fordonets vagnkorgar i kurvor, vilket är vanligt förekommande vid höghastighetståg för att mildra sidoaccelera- tionens inverkan på passagerarna under färd i kurvor. Nämnda uppskattade signal kan dock även användas till t.ex. en så kallad "hold-off device", d.v.s. en anordning som motverkar förflyttning av vagnkorgen i sidled vid färd i kurvor. 10 15 20 25 30 35 511 258 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs såsom exempel föredragna utföringsfor- mer av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig. 1 visar en schematisk beskrivning av en anordning enligt uppfinningen för uppskattning av sidoaccelerationen enligt en första utföringsform.

Fig. 2 visar i kurvform accelerationen som funktion av tiden för en ideal sidoacceleration, för uppskattad sidoacceleration enligt uppfinningen och för uppskattad sidoacceleration enligt en kon- ventionell filteranordning med enbart ett lågpassfilter.

Fig. 3 visar en övre kurva med uppmätt sidoacceleration och undre kurvor med uppskattad sidoacceleration dels med en filter- anordning enligt uppfinningen och dels med en konventionell fil- teranordning med enbart ett lågpassfilter.

Fig. 4 visar motsvarade kurvor som i Fig. 3 men under en längre tidsperiod.

Fig. 5 visar en alternativ utföringsform av en anordning enligt uppfinningen.

Fig. 6 visar en ytterligare alternativ utföringsform av en anord- ning enligt uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN l Fig. 1 visas schematiskt hur en anordning för uppskattning av sidoaccelerationen 1 kan vara utformad. En accelerometer 2 som i praktiken kan vara en pendel eller ett annat konventionellt mät- 10 15 20 25 30 35 511 258 instrument av acceleration, påverkas av sidoaccelerationen 1.

Dessutom påverkas denna accelerometer 2 av en mängd stör- ningskällor 3 vilka till exempel kan utgöra oregelbundenheter i rälsen, det enskilda tågets dynamiska rörelser och lutningsan- ordningen för vagnkorgen. Nämnda störningskällors 3 störningar 4 utgör en icke obetydlig del av accelerometerns 2 uppmätta si- doaccelerationen. Accelerometern 2 avger således en mätsignal 5 som består av sidoacceleration 1 och störningar 4. Denna mätsignal 5 uppvisar vanligtvis så pass kraftiga bidrag från stör- ningarna 4 att den inte obearbetad kan utnyttjas för att till exem- pel styra sidolutningen av ett tågs vagnkorgar. Mätsignalen 5 leds därför till ett lågpassfilter 6 som filtrerar bort frekvenser över en bestämd gränsfrekvens. Enligt uppfinningen är det lämp- lig att nämnda gränsfrekvens är av storleksordningen 1,5-2.0 Hz.

Därmed kommer lågpassfiltret endast att filtrera bort en liten del av den totala ingående signalen och således erhålls en relativt ringa tidsfördröjning av signalen i lågpassfiltret 6. Samtidigt är många uppträdande störningar högfrekventa och ligger i ett frek- vensområde över denna gränsfrekvens varvid dessa således filtreras bort även med det enligt uppfinningen föreslagna lågpassfiltret 6. Den i lågpassfiltret 6 filtrerade signalen 7 leds därefter vidare till ett s.k. Wienerfilter 8. Wienerfiltret 8 är ett modellbaserat tidsdiskret, digitalt filter och realiseras vanligtvis med hjälp av en dator. Genom att lägga in uppgifter om kända störningars 4 frekvenser beräknar Wienerfiltret 8 utifrån dessa uppgifter och den lågpassfiltrerade signalen 7 ett utgående sig- nalvärde 9 av sidoaccelerationen. Kvaliteten på den utgående signalen 9 är här beroende av hur pass detaljerad störningsmo- dell som lagts in i Wienerfiltret 8. Fördröjningen av tidssignalen över ett Wienerfilter 8 är betydligt mindre än genom ett konven- tionellt lågpassfilter och denna fördröjnings storlek är beroende av de bortfiltrerade störningarnas karaktär. Ett lågpassfilter med en gränsfrekvens av 1,5-2,0 Hz i serie med ett Wienerfilter ger en tidsfördröjning av storleksordningen 250-350 ms, och ger därmed ett acceptabelt värde på tidsfördröjningen av signalen 10 15 20 25 30 35 511 258 som med fördel kan användas för att styra lutningen av ett tågs vagnkorgar.

Fig. 2 visar något förenklat i kurvform hur en ideal sidoaccelera- tionen 1 uppträder hos ett färdande tåg. Under tidsintervallet 0- 0,5s. färdas tåget rakt fram och sidoaccelerationen är därmed 0.

Därefter färdas tåget in i en kurva varvid den ideala sidoaccele- rationen 1 ökar väsentligen rätlinjigt under tidsintervallet 0,5- 2,5s. l kurvan under tidsintervallet 2,5-4,5s. utsätts tåget för en väsentligen konstant sidoacceleration 1. Därefter upphör kurvan varvid sidoaccelerationen 1 åter sjunker väsentligen rätlinjigt ned tiil 0, detta sker i tidsintervallet 4,5-6,5s. Vid användning av den i Fig. 1 visade anordningen för uppskattning av sidoacceleration 1 erhålls en utgående signal 9 vars tidsvarierande värde visas i diagrammet i Fig. 2. Som synes följer nämnda utgående signals 9 kurva kurvan för den ideala sidoaccelerationen 1 mycket väl med endast en mindre tidsfördröjning. I diagrammet är även visat en motsvarande uppskattning av sidoaccelerationen 1 för en konventionell anordning med ett kraftigt filtrerande làgpassfilter. Denna kurva är i Fig. 2 betecknad med 10 och uppvisar en relativt stor tidsfördröjning i förhållande till den ide- ala sidoaccelerationskurvan 1.

Fig. 3 och 4 visar sidoaccelerationskurvor under en kortare re- spektive en längre tidsperiod. I de övre diagrammen visas hur mätsignalen 5 av sidoaccelerationen kan variera i tiden och i de undre diagrammen visas med heldragen linje det beräknade ut- gående signalvärdet 9 av sidoaccelerationen enligt den uppfin- ningsenliga uppskattningsanordningen medan den streckade linjen 10 visar den uppskattade sidoaccelerationen enligt en konventionell anordning med enbart ett làgpassfilter. l figurerna ses att den uppmätta mätsignalen 5 på grund av störningar är kraftigt varierande och att den därför måste filtreras för att ut- göra en användbar signal. Av figurerna framgår även att signalen 9 anpassar sig snabbare än signalen 10 efter mätsignalens 5 värde vid exempelvis ingång och utgång ur kurvor. 10 15 20 25 30 35 511258 l Fig. 5 visas en alternativ utföringsform av uppfinningen som skiljer sig från den i Fig. 1 visade utformningen genom att an- ordningen här uppvisar ett flertal parallellt anordnade Wiener- filter 8a-8d, vilka är inrättade för olika typer av störningar i skilda miljöer. För att erhålla en godtagbart filtrerad signal avseende sidoaccelerationen måste en väl fungerande detaljerad stör- ningsmodell anordnas i Wienerfiltret 8. Under vissa omständig- heter kan det vara svårt att erhålla en sådan fungerande stör- ningsmodell som fungerar under alla omständigheter. Enligt denna utföringsform filtreras därför signalen 7 parallellt i respek- tive Wienerfilter 8a-8d varefter var och en av dessa sänder en utgående signal 9a-9d till en signalbehandlande enhet 11. Denna signalbehandlande enhet 11 utvärderar därefter var och en av signalerna 9a-9d och använder den för tillfället mest störnings- fria signalen som utsignal 12.

Fig. 6 visar ytterligare en utföringsform av uppfinningen där även rollvinkelhastighet 13 uppskattas. Med rollvinkelhastighet 13 av- ses vinkelhastigheten hos en i kurvor svängande del av det räls- gående fordonet, företrädesvis dess främre boggie. Denna kan mätas med hjälp av ett gyro 14 som företrädesvis placeras till- sammans med accelerometern 2 i det rälsgående fordonets främre boggie. Även vid mätningen av rollvinkelhastigheten 13 uppstår störningar 15 från störningskällor 3. Den uppmätta roll- vinkelhastigheten 16 måste därför filtreras för att utgöra en an- vändbar signal. På motsvarande sätt som vid uppskattningen av sidoaccelerationen filtreras denna mätsignal 16 genom ett låg- passfilter 17 varefter denna delvis filtrerade signal 18 leds vidare till ett Wienerfilter 19. Detta Wienerfilter 19 innefattar en förpro- grammerad störningsmodell av rollvinkelhastigheten varvid nämnda Wienerfilter 19 beräknar en utgående signal 20. En signalbehandlande enhet 21 är anordnad för mottagning av nämnda utgående signal 20 avseende rollvinkelhastigheten samtidigt med en från den första filteranordningen utgående sig- nal 9 avseende fordonets sidoacceleration. Genom mätning av 10 15 511 258 10 rollvinkelhastigheten kan på ett snabbare och mer effektivt sätt bestämmas när rälsfordonet går in i en kurva respektive går ut ur en kurva. Därmed kan den signalbearbetande enheten 21 i vissa fall bestämma en bättre uppskattad utgående signal 22 av- seende sidoaccelerationen än signalen 9.

Uppfinningen är företrädesvis tillämpbar på rälsgående fordon med en främre och bakre boggie och med en vagnskorg som kan luta i förhållande till dess boggier.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till de ovan och i figu- rerna angivna utföringsformerna utan kan utformas fritt inom patentkravens ramar. Exempelvis kan även andra typer av be- räknande filter användas, såsom Kalmanfilter. Kalmanfilter är också ett modellbaserat, tidsdiskret, digitalt filter som realiseras med hjälp av en dator för att utifrân inkommande mät- och stör- signaler beräkna en utgående signal.

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 11 511 258 Patentkrav

1. Anordning för att uppskatta sidoacceleration hos ett räls- gående fordon, varvid anordningen innefattar en mätanordning (2) för mätning och avgivning av en mätsignal (5) i proportion till uppmätt sidoaccelerations storlek och en filteranordning inrättad att filtrera bort störningar (4) hos nämnda mätsignal (5) så att dess utgående signal (9, 12, 22) är användbar för tillämpningar som är styrda av sidoaccelerationen, kännetecknad av att filter- anordning innefattar ett första filterorgan (8) vilket är inrättat att med uppgift om nämnda störningar (4) hos mätsignalen (5) be- räkna en från filteranordningen utgående signal (9, 12, 22).

2. Anordning enligt kravet 1, kännetecknad av att det första filterorganet (8) är inrättat att beräkna den utgående signalen med uppgifter om nämnda störningars (4) frekvensinnehåll.

3. Anordning enligt kravet 1 eller 2, kännetecknad av att det första filterorganet (8) är inrättat att beräkna den utgående sig- nalen med uppgift om frekvensinnehållet hos den verkliga sido- accelerationen.

4. Anordning enligt krav 2 eller 3, kännetecknad av att det första filterorganet innefattar ett Wienerfilter (8).

5. Anordning enligt krav 2 eller 3, kännetecknad av att det första filterorganet innefattar ett Kalmanfilter.

6. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad g att filteranordningen innefattar även ett andra filterorgan (6) som innefattar ett lågpassfilter som är inrättat att filtrera bort frekvenser hos mätsignalen (5) över en bestämd gränsfrekvens.

7. Anordning enligt krav 6, kännetecknad av att det andra fil- terorganet (6) har en gränsfrekvens av storleksordningen 1,5-2,0 Hz. 511 258 10 15 20 25 30 35 12

8. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad a_v att det första filterorganet (8) innefattar ett flertal parallellt anordnade filter (8a-8d) inrättade för filtrering av olika typer av störningar.

9. Anordning enligt krav 8, kännetecknad av att en signalbe- handlande enhet (11) är anordnad att utvärdera de parallellt an- ordnade filtrens (8a-8d) utgående signaler (9a-9d) varvid det för tillfället lämpligaste filtret (8a-8d) används.

10. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad a_v att den innefattar en andra mätanordning (14) för mätning av rollhastighet och avgivning av en mätsignal (16) i proportion till uppmätt rollvinkelhastighets (13) storlek och en andra filter- anordning som är inrättad att filtrera bort störningar (15) hos nämnda mätsignal (16).

11. Anordning enligt krav 10, kännetecknad av att den andra filteranordningen innefattar ett första filterorgan (19) vilket är inrättat att med uppgift om nämnda störningar (15) hos mätsig- nalen (16) beräkna en från filteranordningen utgående signal (20).

12. Anordning enligt krav 11, kännetecknad av att den andra filteranordning även innefattar ett andra filterorgan (17) som innefattar ett lågpassfilter inrättat att filtrera bort frekvenser hos mätsignalen (16) över en bestämd gränsfrekvens.

13. Anordning enligt något av kraven 11-12, kännetecknad av att nämnda utgående signaler avseende uppmätt sidoaccelera- tion (9) och rollvinkelhastighet (20) leds till en signalbehand- lande enhet (21) som är inrättad att mot bakgrund av dessa sig- nalvärden avge en utgående signal (22) för uppskattning av for- donets sidoaccelerationen (1). 10 511 258 13

14. Anordning enligt något av föregående krav, varvid det räls- gående fordonet innefattar åtminstone en främre och en bakre boggie, kännetecknad av att nämnda mätanordningar (2, 14) av- seende mätning av sidoacceleration (1) och rollvinkelhastighet (13) är anordnade i det rälsgående fordonets främre boggie.

15. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda uppskattade signal (9, 12, 22) avseende det räls- gående fordonets sidoacceleration 1 används till att styra lut- ningen av det rälsgående fordonets vagnkorgar i kurvor.