Brevet FR2702723A1 — publié le 19940923

Dispositif et procédé pour régler un glissement de consigne de surfaces qui frottent l'une sur l'autre sous l'action d'une force L'invention concerne un dispositif perfectionné et un procédé pour régler un glissement de consigne entre des surfaces qui frottent l'une sur l'autre sous l'action d'une force, notamment dans des systèmes roue rail. Des systèmes réalisant une transmission de force selon une liaison à frottement sont présents dans de nombreux domaines techniques Fréquemment, on les utilise lorsqu'il faut transmettre des moments élevés dans des conditions de frottement qui changent A titre d'exemples, on peut citer des embrayages patinants dans la construction de machines, ou des embrayages dans le domaine de l'automobile Des moments élevés apparaissent par exemple également entre une roue motrice et son support ou embase. Dans un grand nombre de ces systèmes techniques, dans lesquels des moments sont transmis, il est souhaitable qu'il n'apparaisse aucun glissement, c'est-à-dire qu'une liaison rigide soit établie entre deux surfaces Alors que dans d'autres systèmes il est souhaitable, pour l'obtention d'une transmission de force maximale, qu'un glissement déterminé soit respecté d'une manière aussi précise que possible Un exemple à cet égard est le système rail roue, par exemple dans le cas d'une locomotive entraînée Dans des locomotives modernes de grande puissance par exemple, la transmission de force entre la roue et le rail s'effectue essentiellement par l'intermédiaire du glissement qui est défini comme étant la différence entre la vitesse tangentielle de la roue au point de support et la vitesse du véhicule La force qui entraîne le véhicule, est, par conséquent, la force de frottement qui s'établit entre la roue et le rail Cette force de frottement est en équilibre, d'une part, avec les forces agissant au niveau de la roue et, d'autre part, les forces agissant au niveau du corps du véhicule En outre, il existe un équilibre entre les forces qui agissent sur la roue et sur un arbre du moteur, qui entraîne la roue et auquel est appliqué le moment d'entraînement désiré par le conducteur La force de frottement est déterminée par le poids du véhicule et par le coefficient de frottement p, qui, pour sa part, dépend du glissement S La relation entre p et S, c'est-à- dire entre le glissement et le coefficient de frottement n'est en général pas linéaire et est déterminée par les paramètres "vitesse du véhicule" et "état de surface du couple roue rail" Des courbes idéales glissement coefficient de frottement présentent un coefficient de frottement maximum ou passent par un plateau En réalité, on ne peut en aucun cas rencontrer de telles conditions idéales Au lieu de cela, les courbes sont affectées de parasites et représentent, en outre, par suite de l'hétérogénéité des conditions de la voie, des formes mixtes de courbes idéales. Ces formes mixtes peuvent apparaître par exemple sous l'effet d'un changement drastique des conditions de la voie, du type apparaissant par exemple dans le cas de la sortie d'un tunnel dans lequel les rails sont secs, avec passage à des rails humides Habituellement, une courbe du coefficient de frottement est subdivisée en une zone stable et une zone instable La zone stable se caractérise par le fait que le système véhicule rail se stabilise de lui-même sur la branche montante de la courbe du coefficient de frottement, dans le cas o le couple moteur requis ne dépasse pas, conjointement avec les forces d'inertie, d'amortissement et de ressort, un maximum de la force de frottement, qui correspond au coefficient maximum de frottement pour un poids constant du véhicule Bien que deux valeurs de glissement soient associées à un coefficient de frottement déterminé, le glissement le plus faible en valeur absolue s'établit toujours lorsqu'à l'état d'équilibre des forces, la force de frottement dépasse les forces d'inertie, d'amortissement et de ressort Si au contraire il apparaît des moments du moteur, qui perturbent l'équilibre de forces indiqués plus haut, le système cherche à produire, au moyen d'un accroissement du glissement, une force de frottement qui conduise à nouveau à l'équilibre Un tel accroissement du glissement conduit cependant à la zone instable de la courbe caractéristique, dans laquelle un accroissement de la force de frottement au moyen d'un accroissement du glissement n'est pas possible Au contraire: la force de frottement diminue (courbe caractéristique ayant un maximum accusé) ou reste constante (courbe caractéristique présentant un plateau). Pour le processus de démarrage, on obtient le patinage et pour l'opération de freinage on obtient un glissement Ces relations ont également déjà été décrites dans la littérature concernée lvoir 1, 2, 3 à la fin de la descriptionl. Il faut empêcher l'apparition de telles variations drastiques du glissement pour éviter une contrainte mécanique trop grande, atténuer des contraintes appliquées avec une énergie élevée à la machine motrice, permettre une transmission optimale de force de la roue aux rails. Le problème à la base de l'invention consiste à indiquer un dispositif perfectionné et un procédé perfectionné pour régler un glissement de consigne entre des surfaces qui frottent l'une sur l'autre sous l'action d'une force. Ce problème est résolu, en ce qui concerne le dispositif, à l'aide d'un dispositif pour régler un glissement de consigne prescrit de surfaces frottant l'une sur l'autre sous l'action d'une force, caractérisé en ce que a) il est prévu un premier circuit de normalisation (Ne), auquel un signal d'erreur de glissement (es) est envoyé en tant que différence entre un glissement de consigne prescrit et un glissement réel, ce circuit de normalisation produisant un signal (e SN) normalisé sur un intervalle fixe, b) il est prévu un second circuit de normalisation (Ne), auquel une variation dans le temps de l'erreur de glissement est envoyée en tant que signal (es), ce circuit de normalisation produisant un signal (e SN) normalisé sur un intervalle fixe, c) il est prévu un circuit d'application de logique floue (Fuzz), auquel un signal de valeur absolue ISNI est envoyé en tant que valeur absolue d'une combinaison additive de (e SN) et (e SN), ce circuit d'application de logique floue produisant à partir de là, un signal (p), d) il est prévu un régulateur à logique floue (Fuzzy-R), qui produit un signal de grandeur de réglage (pu) déterminé en logique floue, à partir du signal (ps), e) il est prévu un circuit de suppression de logique floue (Defuzz) qui produit, à partir du signal (pu) un signal de grandeur de réglage scalaire normalisé, qui est converti, dans un circuit de suppression de la normalisation (N-1 U) prévu en supplément, en une grandeur de réglage en logique floue (K Fuzz)' f) à partir de la grandeur de réglage en logique floue et d'un signal (-sat (c/SN), est produit, dans un circuit de formation de produit, prévu en supplément, un signal de produit (P) que l'on obtient après que le signal (SN) ait traversé un générateur de fonction prévu à cet effet et présentant la caractéristique 2702723 x x sat()=(-) pour I( X X X x x x sat()=sgn() pour I() I 1, et g) dans un circuit de sommation, une somme du signal (P) et d'un signal de compensation (-À es) est formée, avec À = Ne/Ni, et Ne, Né: facteurs de normalisation pour les signaux es et es- En ce qui concerne le procédé, ce problème est résolu conformément à l'invention à l'aide du procédé pour régler un glissement de consigne de surfaces, qui frottent l'une sur l'autre sous l'action d'une force, caractérisé en ce qu'il présente les caractéristiques suivantes: a) une modification de la force, qui agit sur les surfaces pour la régulation du glissement, est déterminée conformément à u = AF = -K Fuzz sat(s N/O)- X es avec K Fuzz, résultat, dont sont supprimées la logique floue et la normalisation, fourni par le régulateur à logique flou: K Fuzz = K Fuzz NNu-1 Nu étant le facteur de suppression de normalisation, et: sat(x) = sgn(x) pour IxlÄl, sat(x)=x pour lxkl. avec es = Sconsigne Sréel, Sconsigne = glissement de consigne Sréel: glissement réel indice : dérivée dans le temps SN = e SN + e SN indice N: grandeur normalisée, SN: distance par rapport à la droite de commutation dans le plan de phase normalisé, et @, épaisseur d'une couche limite; b) le régulateur à logique floue utilise, pour la détermination de la grandeur de réglage normalisée (p N)' une règle linéaire se présentant au moins sous la forme IF ISNI très faible, THEN lUNI très faible IF |SN| moyenne, THEN I UN | moyenne IF |S Ni très élevé, THEN IUNI très élevée, c) si conformément au procédé usuel des barycentres pour supprimer la logique floue, on forme le barycentre commun des surfaces qui sont situées au-dessous de toutes les fonctions d'association qui servent à la détermination de la grandeur de réglage normalisée (UN), dans le cas d'une distance, normalisée à 1, par rapport à la droite de commutation, ce barycentre est situé entre 0,5 et 1. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé est exécuté périodiquement. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins une variation de force (AF), qui est associée aux grandeurs d'entrée (es et es), est mémorisée dans un tableau de valeurs, auquel l'accès est réalisé pendant un fonctionnement de régulation avec glissement. Un avantage du dispositif selon l'invention réside dans le fait que grâce à l'utilisation d'un régulateur à logique floue, on obtient une régulation précise, qui réagit d'une manière rapide Un autre avantage du dispositif réside dans le fait que grâce à la formation de la valeur absolue de la distance par rapport à la droite de commutation, seule la moitié de la dépense du point de vue calcul doit être mise en oeuvre pour l'évaluation des résultats Ainsi, on peut résoudre des tâches plus complexes en un bref intervalle de temps, c'est-à-dire que le régulateur réagit plus rapidement à des variations du flux de force. Un avantage du procédé selon l'invention réside dans le fait qu'en dehors d'une erreur de glissement, on évalue également sa variation dans le temps, c'est-à-dire sa dérivée Ainsi le régulateur qui fonctionne selon le procédé conforme à l'invention, possède une caractéristique remarquable, c'est-à-dire qu'il possède un comportement de régulation stable. Un autre avantage du procédé selon l'invention réside dans l'utilisation des fonctions d'association prédéterminées conformément à l'invention Grâce à cette fonction d'association, la courbe caractéristique du régulateur prend une allure tout d'abord plate, puis plus pentue Cela signifie que le régulateur ne réagit presque même pas à de faibles perturbations et réagit à des perturbations de plus en plus conséquentes, au moyen d'une grandeur de réglage qui augmente d'une manière plus que proportionnelle Grâce à cela, on obtient autour de l'origine un comportement de fonctionnement stable du régulateur Pour des grandeurs perturbatrices dont la valeur absolue augmente, la réaction du régulateur est alors également plus intense et plus rapide En outre, dans le procédé selon l'invention, on utilise avantageusement la symétrie de la grandeur de réglage par rapport à la droite de commutation Cela signifie que des distances au- dessus de la droite de commutation et au-dessous de la droite de commutation requièrent la même grandeur de réglage, mais avec des signes différents Grâce à l'utilisation de cette symétrie de signes, on obtient une division par deux du nombre des régulateurs à logique floue. Ceci conduit à une exécution plus rapide du procédé et à une dépense plus faible d'évaluation. Grâce à une exécution périodique du procédé selon l'invention, on obtient un temps d'adaptation que l'on peut choisir librement, ou bien des conditions d'environnement variables. Grâce à la mémorisation de la caractéristique du régulateur à logique floue dans un tableau de valeurs, lors du déplacement, par exemple dans le cas d'une locomotive entraînée, le calculateur pilote peut réagir rapidement à des changements d'état de la voie, étant donné qu'il lui suffit d'accéder à un tableau En outre, il est avantageux qu'aucune opération de calcul ne doit être exécutée et que par conséquent la dépense en logiciel doit être réduite pour une telle régulation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci- après, prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente une courbe idéalisée du coefficient de frottement; la figure 2 représente un dispositif usuel de régulation pour réaliser la régulation de véhicules; la figure 3 représente un dispositif de régulation selon l'invention; et la figure 4 représente la relation entre une fonction d'association et une courbe caractéristique du régulateur. La figure 1 représente une courbe reproduisant le coefficient de frottement En ordonnées, on a représenté le coefficient de frottement R et en abscisses on a représenté le glissement S en km/h Pour la valeur 8 km/h, la courbe présente un maximum M Au niveau de ce point de maximum, on obtient un coefficient de frottement égal à 0,22 La courbe reproduisant le coefficient de frottement est divisée en deux zones, la zone stable ST et la zone instable IN La zone stable est caractérisée par le fait que, lorsque le glissement augmente, le coefficient de frottement augmente également La zone instable est caractérisée par le fait que lorsque le glissement augmente à partir du maximum, le coefficient de frottement diminue En fonction du fait que, lors du démarrage ou lors du freinage, on se situe dans la zone instable, on parle de patinage ou de glissement dans le cas des instabilités qui apparaissent Ces états de déplacement instables peuvent par conséquent apparaître, étant donné que dans la courbe représentée qui indique le coefficient de frottement, deux valeurs de glissement possibles peuvent apparaître pour un coefficient de frottement fixé Dans le cas d'une liaison roue rail, il est souhaitable de fonctionner au voisinage du maximum M, étant donné qu'en cet endroit il existe la meilleure transmission de force possible et que la meilleure utilisation possible de l'énergie d'entraînement est garantie. La figure 2 représente un dispositif de régulation servant à régler le fonctionnement de déplacement d'un système roue rail On a représenté une unité LZB d'influence linéaire de la traction, une unité AFB de régulation automatique du freinage et le véhicule F, un dispositif TOMAX rendant maximum le couple et un régulateur de glissement, à savoir le régulateur S. Par exemple, une vitesse Vconsigne est produite par l'unité LZB sur la base d'un programme de déplacement Cette vitesse est comparée, dans l'unité AFB de régulation automatique de freinage, à la vitesse réelle actuelle Vréelle L'unité AFB produit, à partir de là, une force d'entraînement non corrigée F 1 * Cette dernière est combinée à une valeur AF, qui a été produite par le dispositif TOMAX et par le régulateur S et est envoyée en tant que force d'entraînement au véhicule Dans le véhicule les grandeurs, qui sont la force Ffrottement en tant que force de frottement, la vitesse de roue Vroue et la vitesse Vréellel sont déterminées On obtient le glissement Sréel à partir de la différence entre Vroue et Vréelle Les grandeurs Fréelle et Sfrottement sont appliquées au dispositif TOMAX A partir de là, ce dernier produit un glissement de consigne Sconsigne par exemple par le fait que la courbe reproduisant le coefficient de frottement est formée dans un régulateur à action proportionnelle et intégrale Le glissement réel Sréel est soustrait de ce glissement de consigne, et la différence35 est envoyée au régulateur de glissement, à savoir le régulateur S Ce régulateur du glissement peut être par exemple un régulateur à logique floue, du type proposé dans le dispositif selon l'invention En outre, ce régulateur à logique floue peut fonctionner selon le procédé conforme à l'invention Le régulateur S produit alors une valeur AF, qui, en étant combinée avec le signal F 1 * délivré par l'unité AFB, fournit une valeur F*, qui est appliquée au véhicule en tant que force d'entraînement réelle. La figure 3 représente un dispositif selon l'invention pour régler un glissement de consigne Une erreur de glissement e S et la vitesse d'erreur de glissement é sont envoyées au dispositif selon l'invention Le signal es est multiplié par un facteur de normalisation Ne et le signal e S est multiplié par un facteur de normalisation Ne et ces signaux sont additionnés On obtient la distance par rapport à la droite de commutation SN, qui traverse un circuit de commutation formant la valeur absolue et est envoyée, en tant que signal SN, à une unité d'application d'une logique floue, qui produit, à partir de là, une valeur d'application de logique floue ps Ce signal ps est envoyé au régulateur à logique floue Fuzzy-R Ce régulateur applique alors les différentes règles concernées de la logique floue et fournit une fonction d'association pu pour la grandeur de réglage, qui fournit ensuite, dans une unité de suppression de logique floue, par exemple au moyen du procédé du barycentre, une grandeur scalaire possible KFUZZN Alors cette grandeur est multipliée par un facteur de normalisation inverse NU-' dans un multiplicateur Ceci fournit la grandeur KFUZZ Ensuite, cette valeur de signal est multipliée par le signal de résultat de la valeur de signal SN, qui a été traitée selon la fonction de saturation -sat(@/SN) dans un circuit fonctionnel, et X S est soustrait de cette valeur de signal, de manière à fournir la valeur AF. Avec ce dispositif conforme à l'invention, on décrit pour la première fois un régulateur à logique floue fonctionnant dans le mode Sliding, c'est-à-dire de glissement, tel que décrit dans le document l 4 l, mentionné plus loin, en tant que système de régulation de glissement pour des surfaces frottant l'une sur l'autre sous l'action d'une force. La figure 4 représente la relation entre la fonction d'association et l'allure de la courbe caractéristique du régulateur. Dans la partie de gauche de la figure 4, on a représenté les fonctions d'association pour VL, L, M, H et VH On a les significations suivantes VL: très faible L: faible M: moyenne H: élevée VH: très élevée. En abscisses, on a porté le degré d'association p et en ordonnées la distance SN par rapport à la droite de commutation dans le plan de phase normalisé Sur le côté droit de la figure 4, on a représenté la variation de la courbe caractéristique normalisée Elle représente la dépendance de la grandeur de réglage UN, ici par exemple le glissement de consigne, vis-à-vis de la distance à la droite de commutation s N dans le plan de phase normalisé On reconnaît nettement l'allure, qui est désirée conformément à l'invention, de la courbe caractéristique Elle s'élève d'une manière relativement plate à partir du point zéro et est ensuite plus pentue De ce fait, conformément à ce qui est souhaité, on obtient le résultat selon l'invention selon lequel le régulateur réagit avec de très faibles grandeurs de réglage dans le cas de faibles perturbations et avec des grandeurs de réglage très élevées dans le cas de grandeurs de perturbations importantes On obtient ainsi, dans l'ensemble du comportement de transmission du régulateur, une correction rapide de perturbations conséquentes. il Littérature l 1 l Brevet: Verfahren und Anordnung zur selbstadaptierenden Regelung der Raddrehzahl elektrischer laufachsenloser, mit einer Drehmomentenregelung ausgestatteter Triebfahrzeuge auf5 das Kraftschlussmaximum des Rad-Schiene-Kontaktes Inventeur: K Hahn DE 4020350 C 2, Classe internationale B 60 L 3/10, publication de l'attribution du brevet 4 6 92 l 2 l W Harprecht: Anfahrverhalten, Leistung und Zuverlâssigkeit der Lokomotiven der Baureihe 120 der Deutschen Bundesbahn eb Elektrische Bahnen 82 ( 1984) 2, 30 - l 3 l U Vogel: Untersuchung eines Verfahrens zur Hochausnutzung des Rad-Schiene-Kraftschlusses bei Triebfahrzeugen eb elektrische Bahnen 89 ( 1991), 10, 285-292 l 4 l R Palm: Sliding Mode Fuzzy Control, FUZZY-IEEE '92 San Diego 1992, Proceedings, pages 519-526. REVENDICATIONS 1 Dispositif pour régler un glissement de consigne prescrit de surfaces frottant l'une sur l'autre sous l'action d'une force, caractérisé en ce que a) il est prévu un premier circuit de normalisation (Ne), auquel un signal d'erreur de glissement (es) est envoyé en tant que différence entre un glissement de consigne prescrit et un glissement réel, ce circuit de normalisation produisant un signal (e SN) normalisé sur un intervalle fixe, b) il est prévu un second circuit de normalisation (Ne), auquel une variation dans le temps de l'erreur de glissement est envoyée en tant que signal (bs), ce circuit de normalisation produisant un signal (;SN) normalisé sur un intervalle fixe, c) il est prévu un circuit d'application de logique floue (Fuzz), auquel un signal de valeur absolue l S Nl est envoyé en tant que valeur absolue d'une combinaison additive de (e SN) et (éSN), ce circuit d'application de logique floue produisant à partir de là, un signal (ps), d) il est prévu un régulateur à logique floue (Fuzzy-R), qui produit un signal de grandeur de réglage (pu), déterminé en logique floue, à partir du signal (ps), e) il est prévu un circuit de suppression de logique floue (Defuzz) qui produit, à partir du signal (pu), un signal de grandeur de réglage scalaire normalisé, qui est converti, dans un circuit de suppression de la normalisation (N 1 u)^ prévu en supplément, en une grandeur de réglage en logique floue (K Fuzz), f) à partir de la grandeur de réglage en logique floue et d'un signal (-sat( /SN), est produit, dans un circuit de formation de produit, prévu en supplément, un signal de produit (P) que l'on obtient après que le signal (SN) a traversé un générateur de fonction prévu à cet effet et présentant la caractéristique x x x sat()=() pour l() Ne, Né: facteurs de normalisation pour les signaux es et es. 2 Procédé pour régler un glissement de consigne de surfaces, qui frottent l'une sur l'autre sous l'action d'une force, caractérisé en ce qu'il présente les caractéristiques suivantes: a) une modification de la force, qui agit sur les surfaces pour la régulation du glissement, est déterminée conformément à u = AF = -K Fuzz sat(s N/)- és avec K Fuzz, résultat, dont sont supprimées la logique floue et la normalisation, fourni par le régulateur à logique flou: K Fuzz = K Fuzz N Nu-1 Nu étant le facteur de suppression de normalisation, et: sat(x) = signe(x) pour I xl 1, sat(x)=x pour I x I avec es = Sconsigne Sréel, consigne = glissement de consigne Sréel: glissement réel indice a: dérivée dans le temps SN = e SN + e SN indice N grandeur normalisée, SN distance par rapport à la droite de commutation dans le plan de phase normalisé, et (>, épaisseur d'une couche limite; b) le régulateur à logique floue utilise, pour la détermination de la grandeur de réglage normalisée (p N), une règle linéaire se présentant au moins sous la forme IF ISNI très faible, THEN |UN| très faible IF ISNI moyenne, THEN IUNI moyenne IF ISNI très élevé, THEN lUNI très élevée, c) si conformément au procédé usuel des barycentres pour supprimer la logique floue, on forme le barycentre commun des surfaces qui sont situées au-dessous de toutes les fonctions d'association qui servent à la détermination de la grandeur de réglage normalisée (UN), dans le cas d'une distance, normalisée à 1, par rapport à la droite de commutation, ce barycentre est situé entre 0,5 et 1. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre périodiquement. 4 Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins une variation de force (AF), qui est associée aux grandeurs d'entrée (es et es), est mémorisée dans un tableau de valeurs, auquel l'accès est réalisé pendant un fonctionnement de régulation avec glissement.