專利名稱：駝峰雷達微機控制系統(tǒng)的制作方法
駝峰雷達微機控制系統(tǒng)屬鐵路編組場對溜放車輛實行半自動或自動調(diào)速的測量控制設備。使用該系統(tǒng)可以使正在溜放的車輛的最后輪對在離開減速器時的速度符合作業(yè)員(半自動)或計算機(自動)的設定值。目前我國采用的雷達測控機為TZ-103駝峰雷達控制機，這種控制機采用分立元件，設計方案較落后，測量延遲時間大為0.15s，雷達多普勒信號處理質(zhì)量不高，誤差大為±2%±0.2Km/h，速度控制精度不高，僅為σ＝0.5Km/h，雷達不能自檢，另外，由于采用分立元件和繼電器，其可靠性不高，發(fā)生故障時不能立即報警，難以及時防護，無記錄監(jiān)測功能，一旦發(fā)生撞車事故，責任難以明確，故障難以查找，工作環(huán)境溫度上限為50℃，其指標無冗余，難以保證調(diào)車絕對安全，缺乏預留向自動化過渡的必要條件。
本發(fā)明的目的是為了克服上述缺點，并提供由微機和集成化元件制成的控制主機，完全取代分立元件構(gòu)成的控制主機，借助于微機，I/O接口柜及控制軟件，實現(xiàn)用微機對駝峰編組場的控制，提高控制精度、減小延遲時間，提高雷達多普勒信號的處理質(zhì)量，使雷達設備本身能實現(xiàn)自檢。
本系統(tǒng)是通過駝峰測速雷達、微型計算機系統(tǒng)、I/O接口柜、軌道電路、踏板、車輛減速器、控制臺、超隔離變壓器、不間斷供電電源以及相應的控制軟件實現(xiàn)的。微型計算機是由管理級計算機和控制級計算機構(gòu)成，管理級計算機采用TP-805微型計算機(含CRT、音頻盒式記錄器)，控制級計算機采用MCS-8039單片機為核心，管理級計算機與控制臺相聯(lián)接，控制級計算機通過接口與相應現(xiàn)場模塊相聯(lián)接，同時控制級計算機與管理級計算機之間有并行數(shù)據(jù)交換線相聯(lián)接，定時進行數(shù)據(jù)交換。測速雷達發(fā)射微波功率并接收鉤車反射波，經(jīng)混頻后獲得頻率與車速成正比的多普勒信號，該信號送控制級計算機處理后，獲得車速的數(shù)字量，并通過管理級計算機在控制臺上顯示出來，控制臺上的速度設定命令，通過管理級計算機輸入控制級計算機，后者根據(jù)實測車速和出口速度設定值自動控制車輛減速器，實現(xiàn)對溜放車輛速度的閉環(huán)自動控制。
本發(fā)明控制系統(tǒng)的特點是一、在軌道上設置兩臺減速器，一段軌道電路，并在減速器的前面設置兩塊踏板和測速雷達天線。測速雷達天線發(fā)射并接收經(jīng)鉤車反射的微波信號，混頻后獲得多普勒信號，并送控制級計算機處理，該計算機經(jīng)運算后直接控制車輛減速器，實現(xiàn)對鉤車減速，在雷達出現(xiàn)故障時，可用踏板代替雷達進行測速，并自動實現(xiàn)對鉤車的應急控制;
二、為提高對鉤車的控制精度，計算機對多普勒信號用下列方法進行處理1、多普勒信號是一個頻譜加上路基振動和多徑傳輸?shù)母缮?，形成一個十分雜亂的波形，因此會導致多普勒整形信號的瞬間丟失，即“丟脈沖”，也可能由于相位的突變，引起周期大幅度縮短，形成“多脈沖”，這兩種情況都屬于噪聲干擾，計算機處理多普勒信號的方法是用周期測量代替頻率測量，即首先在計算機內(nèi)部建立一個標準時鐘脈沖，取標準時鐘脈沖周期t＝60μS，雷達多普勒信號使計算機中斷，采樣計時脈沖數(shù)，兩脈沖中斷間時間脈沖數(shù)n乘以時鐘周期t，即得多普勒信號周期Td，為了減少計算機不必要的計算，本發(fā)明采用每100ms計算車速一次，在這段時間內(nèi)計算機被多普勒脈沖中斷M次，時鐘脈沖計數(shù)N個，則由多普勒測速公式可得V＝ (C)/(2f) ·fd＝ (C)/(2fTd) ＝ (CM)/(2fNt)式中C＝3×108m/sf＝9375×106Hz代入可得V＝266.
(M)/(N) (m/s)＝960 (M)/(N) (Km/h)由式中可見，脈沖數(shù)對公式中速度量測值的準確性起很大作用，為了準確計算出脈沖個數(shù)，本發(fā)明測量每一個多普勒信號周期，在測量時如果發(fā)現(xiàn)該脈沖周期突然縮短25%以上，則判定該脈沖為多脈沖，在計數(shù)時就要減去這一脈沖，如果周期突然增加50%以上，則判定該脈沖出現(xiàn)之前有脈沖丟失，在計數(shù)時就要加上這一丟失的脈沖，采用這種方法可準確計算出脈沖個數(shù)，使測得的速度與實際速度更為近似。
2、對車速量測值進行野值判別，對于單輛貨車，減速器緩解時，量測值與預估值之差大于±0.5Km/h及減速器制動時，量測值與預估值之差大于±1.5Km/h時判定為野值。發(fā)生野值時對量測變化量加以限制，其限制范圍分別為±0.5Km/h和±1.5Km/h。
3、由于測量出來的速度和加速度值具有離散性，為了使其特性更平滑更便于實現(xiàn)控制，本發(fā)明對速度和加速度的量測值進行數(shù)字濾波，濾波公式為Vn＇=Vn-1+An-1×tn△Vn＝Vn-Vn′Vn=Vn＇+K1△VnAn=An-1+K2(△Vn)/(tn)
式中V-本次速度濾波輸出值(Km/h)A-本次加速度濾波輸出值(Km/h·s)V-上次速度濾波輸出值(Km/h)A-上次加速度濾波輸出值(Km/h·s)tn-兩次濾波運算間隔時間(S)Vn-本次速度量測值(Km/h)Vn′-本次速度預估值(Km/h)△Vn-本次速度量測值與預估值之差(Km/h)K1-速度濾波系數(shù)K2-加速度濾波系數(shù)根據(jù)濾波公式可看出，濾波輸出由兩部分組成，一部分為本次量測值，一部分是根據(jù)上次濾波輸出的速度和加速度外推而得的預估值，K值越大則本次量測值占的比重越大、預估值比重越小，因而跟隨性好，平滑性差，K值越小，則本次量測值占的比重越小，預估值占的比重越大，因而跟隨性差，平滑性好，為兼顧跟隨性和平滑性，濾波系數(shù)取變值，本發(fā)明取濾波系數(shù)變化的原則是當車輛減速度發(fā)生變化時，采用大的K值，使濾波輸出盡快跟上實際車速的變化，當車速穩(wěn)定不變或作勻減速運動時，跟隨性不成問題，應以追求速度曲線平滑為主要目標，故采用小的K值。K值選取的具體方法如下
三、為提高減速器出口速度控制精度，減速器控制采用如下算法V車≤V定+At延+Bt剩t剩＝(L減-L雷達積分)/V緩式中V定-減速器出口速度設定值;
A-實測減速度;
t延-測量控制系統(tǒng)總延遲時間;
B-與車輛走行阻力、減速器區(qū)段線路坡度有關(guān)的參數(shù);
t剩-減速器緩解到車輛出清減速器所需時間;
L減-踏板1到減速器出口的距離;
L雷達積分-車輛最后輪對經(jīng)過踏板1時開始對雷達速度指示積分求得的相對于踏板1的車輪實際位置;
V緩-緩解時車速。
當不等式成立時，單片機發(fā)出緩解命令。該公式中A為實測值，t剩通過計算得到，t延和B為可選參數(shù)，根據(jù)實際情況選擇，并在應用中，通過控制實跡回歸修正。
四、從前減速器的控制命令是由JW-1700型繼電器轉(zhuǎn)達的，這種繼電器落下時間為100ms，為清除繼電器斷電時線圈兩端反向高壓脈沖的干擾，在線包上并聯(lián)反向二極管后，該繼電器的落下時間為300ms，這么長的延遲對控制機是不合適的，本發(fā)明用可控硅控制盒取代繼電器來控制減速器的電磁閥，延遲時間減小到10ms以下，提高了響應速度。
五、當溜放的鉤車入口速度小于12Km/h或制動前車速比定速高2Km/h以下，一臺減速器已能完成調(diào)速任務時，為了減小減速度值，只動作第二臺減速器，提高控制精度。
六、當車速接近定速，并有明顯減速度時實行定時緩解。即根據(jù)實測速度，推算出應當發(fā)出緩解命令的確切時刻。當接近緩解時刻時，計算機踏步等待，時間一到，立即發(fā)出緩解命令，實現(xiàn)定時緩解，取消周期性循測造成的控制延遲。
七、為防止車輛在減速器區(qū)段追鉤引起超速沖撞，采用追鉤判別的方法，即雷達積分≥14m并在第一塊踏板上出現(xiàn)車輪信號時判定為發(fā)生追鉤現(xiàn)象，用雷達測得追鉤發(fā)生時前車速度和加速度，控制第一臺減速器，使前車以接近原定速要求的速度離開減速器，后車由雷達測速，并按正常方法利用第一臺減速器進行控制，從而可以防止尾追撞車。
八、為在沒有車輛通過時能檢測雷達是否正常，在計算機內(nèi)部產(chǎn)生1111.1Hz的脈沖，經(jīng)D觸發(fā)器分頻、驅(qū)動器驅(qū)動，即可輸出555.5Hz自檢標準頻率方波信號，此信號控制調(diào)制電源，使PIN調(diào)制器對體效應振蕩器產(chǎn)生的微波功率進行幅度調(diào)制，經(jīng)定向耦合器、環(huán)行器，天線加到混頻器的本振或信號輸入端，混頻器的輸出經(jīng)放大器放大后獲得555.5Hz自檢信號，其標準周期為1.8ms，相當于單片機30個計時脈沖，單片機接到此信號，并測得其周期為30±1個計時脈沖時，則表示雷達各部件工作正常，否則就發(fā)出故障警報，并改由踏板測速應急控制。
九、軌道上設置兩塊踏板，在雷達發(fā)生故障時，根據(jù)已知的踏板距離，由計算機算得車速，并在控制臺上顯示，并根據(jù)這個車速自動應急控制減速器，使離開減速器時車輛最后輪對速度基本符合作業(yè)要求。應急控制算法
T制＝ (V踏板－V定)/(A) +t制-t緩＋t前式中T制-應向減速器發(fā)出制動命令的時間;
V踏板-踏板測得的車速;
V定-出口速度設定值;
A-減速度，根據(jù)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，取大于平均值2σ的數(shù)值，不同輛數(shù)的車組取不同值;
t制-向減速器發(fā)出制動命令到實際產(chǎn)生減速度所需的轉(zhuǎn)換時間;
t緩-向減速器發(fā)出緩解命令到實際消失減速度所需的轉(zhuǎn)換時間;
t前-向減速器發(fā)出制動命令至車輛前輪對進入減速器所經(jīng)歷的時間。
單片機算出T制后，按定時緩解方法，對減速器實行控制。
十、駝峰編組場減速器控制設備由控制級計算機、接口、現(xiàn)場設備模塊、管理級計算機及控制臺組成，控制級計算機采集來自某個模塊的信號并對該模塊發(fā)出控制命令，控制臺為操作員提供操作和系統(tǒng)情況顯示的場所，操作員可通過控制臺上股道按鈕、定速按鈕設定車輛出口速度并監(jiān)視設備工作情況，管理級計算機負責接收來自控制臺和控制級計算機發(fā)來的信息，并將定速設定命令傳送給控制級計算機，將控制級計算機測量控制的結(jié)果，傳遞到控制臺，管理級計算機記錄并打印全部測量控制過程和結(jié)果。


圖1為應用在鐵路駝峰編組場上的用雷達系統(tǒng)進行測速和控制的實施例(1)為車輛減速器，是對通過車輛實現(xiàn)減速的裝置;(2)為雷達收發(fā)主機，產(chǎn)生并接收多普勒信號;(3)為單片機，處理多普勒信號，獲得數(shù)字量并控制減速器;(4)為管理級計算機，實現(xiàn)控制臺單片機之間數(shù)據(jù)交換并完成各個模塊信息的監(jiān)測控制功能;(5)為測速雷達天線;(6)(7)為設置在線路(8)上的踏板，在雷達失靈的情況下，用踏板測出鉤車的速度，并實現(xiàn)應急自動控制;(9)為控制臺，人機通信的主要設備。其作業(yè)程序是鉤車從線路(8)上駛向減速器(1)，雷達(2)產(chǎn)生微波功率，經(jīng)天線(5)射向鉤車，鉤車反射的微波信號也經(jīng)天線(5)接收，混頻后產(chǎn)生多普勒信號，并傳遞給單片機(3)，單片機(3)測量多普勒信號頻率，經(jīng)換算后，給出車速數(shù)字量，并根據(jù)作業(yè)員或控制主機(4)對車速的設定要求，結(jié)合鉤車現(xiàn)行狀態(tài)，控制減速器(1)，使通過減速器(1)后鉤車速度達到設定要求，若雷達發(fā)生故障，則改用踏板測速，通過踏板(6)和(7)的鉤車速度可被單片機測出，單片機根據(jù)踏板測得的速度應急控制減速器，實現(xiàn)對鉤車減速的效果。
圖2為測速雷達工作原理方框圖，圖2中(9)為發(fā)射和接收天線;(10)為振蕩器;(11)為混頻器;(12)環(huán)行器;(13)為微型隔離器;(14)為PIN調(diào)制器;(15)為定向耦合器;(16)為多普勒信號放大器;(17)為調(diào)制信號源;(18)為穩(wěn)壓電源;(19)為交流220V輸入端;(20)端為555.5Hz頻率輸入端;(21)為多普勒信號輸入端。
圖3為微機控制系統(tǒng)工作原理方框圖，該系統(tǒng)由控制級主機(23)和管理級微機(22)及控制臺(25)構(gòu)成;控制級計算機采用MCS-8039單片機通過相應接口對某一現(xiàn)場設備模塊(24)來的信息進行采集和處理，該現(xiàn)場設備模塊包括二臺車輛減速器、一臺雷達、一段軌道電路，二塊踏板，控制級計算機(23)與相應的現(xiàn)場設備模塊之間設置相應的接口電路，以便采集現(xiàn)場設備模塊的信息并對其加以控制，由于單片機的測量對象是一個現(xiàn)場設備模塊，這種一對一的對應關(guān)系，消除了程序調(diào)度的需要，可以按車輛溜放作業(yè)流程來安排程序流程，這個流程就是主循環(huán)。單片機測量控制全部任務在主循環(huán)內(nèi)完成，其流程見圖7。
單片機有4個中斷源，按優(yōu)先級順序排列為雷達多普勒信號、踏板1、踏板2、系統(tǒng)機數(shù)據(jù)交換的握手線，優(yōu)先級由硬件保證。單片機只有一條中斷線，單片機在響應中斷后，由軟件按優(yōu)先級次序判斷中斷源，并作相應處理，單片機外部中斷服務程序流程框圖見圖8。
控制級主機的工作是判別與處理丟/多脈沖，雷達積分;減速器區(qū)段無車時進行雷達自檢;減速器有車時計算車速;車輛進入減速器區(qū)段時進行初速處理;減速器區(qū)段停車判斷及處理;判非正常高速，并顯示故障;判野值及限幅處理;雷達速度數(shù)字濾波;對定速進行補償運算;對減速器實行閉環(huán)自動控制;車速接近定速時實行定時緩解控制;檢測并處理減速器區(qū)段追鉤;減速器動作檢查，發(fā)現(xiàn)卡閥，進行應急處理;接收并響應踏板信號的中斷申請;判別踏板干擾及故障，并作相應處理;雷達發(fā)生故障時，用踏板測車速，并對減速器實行應急控制;檢測軌道電路，判斷減速器區(qū)段占用與出清;判定軌道電路故障時，利用踏板信號開關(guān)控制機;減速器半自動/手動控制方式的轉(zhuǎn)換;定時輸出檢測脈沖，判斷單片機是否發(fā)生故障;與管理級主機TP-805交換數(shù)據(jù)。
管理級主機(22)采用TP-805微型計算機，該管理級主機(22)與控制級主機(23)之間有數(shù)據(jù)交換握手線和數(shù)據(jù)交換線相聯(lián)接，定時與控制級主機(23)進行數(shù)據(jù)交換;管理級主機(22)與控制臺(25)亦相聯(lián)接，接收并顯示信息，其工作流程見圖9。
它的主要工作是每隔200ms巡測股道按鈕繼電器、定速按鈕繼電器、制動命令繼電器和自動控制繼電器一次，并作相應處理;每隔200ms與單片機交換一次數(shù)據(jù);每隔200ms巡檢單片機自檢結(jié)果，發(fā)現(xiàn)故障，立即報警;每隔200ms向控制臺發(fā)送測量、控制數(shù)據(jù)一次;顯示故障的股道號和故障代號，發(fā)出音響報警;打印輸出的故障表及測量控制結(jié)果;時鐘計時顯示;每隔200ms輸出自檢脈沖一次。
圖4為自檢工作原理圖。圖中(26)為計算機內(nèi)部芯片CTC，工作于定時方式，產(chǎn)生1111.1Hz的回零脈沖，經(jīng)D觸發(fā)器(27)2分頻，驅(qū)動器(28)驅(qū)動，輸出555.5Hz自檢標準頻率方波信號，該信號控制調(diào)制電源(29)，PlN調(diào)制器(30)，對體效應振蕩器(31)產(chǎn)生的微波進行幅度調(diào)制，調(diào)制信號經(jīng)定向耦合器(32)，環(huán)行器(33)，天線(34)加到混頻器(35)的本振或信號輸入端，混頻器(35)的輸出經(jīng)放大器(36)放大后，獲得555.5Hz自檢信號，其周期為1.8ms，相當于單片機30個計時脈沖，單片機(37)接收到這個信號，并測得其周期為30±1個計時脈沖時，則表示雷達各部件工作正常，否則若任何一個部件失效，則自檢信號消失或自檢信號周期偏離30±1個計時脈沖時，單片機判定雷達自檢失效，經(jīng)一定時間確認后，發(fā)出警報。本發(fā)明中的自檢軌道繼電器(38)在無車時前接點閉合，實現(xiàn)自檢，有車時軌道繼電器(38)的后接點閉合，調(diào)制電源(29)的輸入端接地，實現(xiàn)正常測速。
圖5為單片機與系統(tǒng)機數(shù)據(jù)交換電路原理圖，單片機與系統(tǒng)機數(shù)據(jù)交換是通過接口板匯總或驅(qū)動的，每塊接口板連接同一層的16個單片機，因此，整個機柜需三塊接口板。圖5中A為單片機雷達信號處理及減速器控制單元;B為單片機接口單元;C為雷達控制機I/O接口單元。
圖6為減速器可控硅控制盒工作原理圖。該電路安裝在一只安全型繼電器的外殼內(nèi)，可象一臺安全型繼電器一樣，插在組合架的一個繼電器插座上，當控制命令輸入端(73)為低電平時，反相器(39)輸出高電平，反相器(40)輸出低電平，固態(tài)繼電器(42)輸入端光耦二極管點亮，雙向可控硅導通，控制盒輸出端(61)輸出交流220V電源，使減速器制動電磁鐵(45)勵磁，減速器制動。同時，繼電器(44)吸合，其接點(48)閉合，使緩解繼電器(47)吸合。當控制命令輸入端(73)由低電平轉(zhuǎn)為高電平時，反相器(40)輸出高電平，固態(tài)繼電器(42)的雙向可控硅關(guān)斷，制動電磁鐵失磁，繼電器(44)落下，緩解繼電器(47)緩放。同時，反相器(41)輸出低電平，通過緩放的緩解繼電器(47)的接點(49)或緩解表示繼電器后接點(50)，使固態(tài)繼電器(43)輸入光耦的二極管點亮，雙向可控硅導通，在控制盒的(63)端輸出交流220V電源，使減速器緩解電磁鐵(46)勵磁，減速器緩解。待緩解表示繼電器吸起，緩解繼電器(47)緩放時間過去后，接點(49)，(50)斷開，固態(tài)繼電器(43)的雙向可控硅關(guān)斷緩解電磁鐵(46)失磁，減速器保持在緩解位置。
本系統(tǒng)與原有設備相比具有可靠性好，雷達測量精度高，其測量精度＜±1%，測量延遲小，其延遲＜30ms，減速器控制精度高，誤差只有σ＝0.4Km/h，冗余度大，邏輯功能強，具有監(jiān)測、自檢等功能，有利于實現(xiàn)自動化，有利于設計、施工、維修。
權(quán)利要求
1.一種由軌道電路、踏板、減速器、測速雷達、控制臺及控制主機構(gòu)成的駝峰雷達微機控制系統(tǒng)，其特征在于控制主機是由管理級計算機和控制級計算機及相應接口電路構(gòu)成，由測速雷達、軌道電路、踏板傳來的信號通過接口電路傳給各自的控制級計算機，管理級計算機通過相應接口電路采集控制級計算機傳來的信號，并結(jié)合控制臺的定速信號對控制級計算機發(fā)出指令，對減速器實現(xiàn)控制，其中控制級計算機只采集某一模塊的信息，并只對該模塊實行自動控制，其測量控制的方法是A、在軌道需要使車輛減速的地方設置兩臺減速器，并于減速器前設置兩塊踏板和一臺測速雷達天線，天線發(fā)射并接收經(jīng)鉤車反射的微波信號，經(jīng)混頻后得多普勒信號，并將此信號送給控制級計算機；B、控制級計算機在接收到多普勒信號后，在計算機內(nèi)進行丟/多脈沖判別和處理，測量脈沖周期，并計算出車速，對車速量測值進行判別并限制量測值在最大減速度可能范圍內(nèi)；C、計算出的車速經(jīng)不定時簡化卡爾曼濾波，得車輛速度和加速度數(shù)字量，濾波系數(shù)根據(jù)各種情況可變，并按給出的規(guī)則選擇；D、根據(jù)濾波后得到的速度和加速度值，控制級計算機結(jié)合控制臺的定速要求對鉤車速進行自動控制，當溜放的鉤車入口速度小于12Km/h或制動前車速比定速高2Km/h以下，只動作第二臺減速器，車速接近定速并有明顯減速度，則控制級計算機根據(jù)實測速度發(fā)出定時緩解命令，控制減速器實現(xiàn)定時緩解；E、對溜放車組在減速器上的追鉤現(xiàn)象進行判別，發(fā)生追鉤時對前車用第二臺減速器由計算機盲目控制，后車用第一臺減速器由計算機正?？刂?；F、雷達發(fā)生故障時，由踏板測量并自動應急控制減速器；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的駝峰雷達微機控制系統(tǒng)，其特征在于所用的控制繼電器換為可控硅控制盒;
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述駝峰雷達微機控制系統(tǒng)，其特征在于對雷達電源進行調(diào)制以產(chǎn)生自檢信號，單片機在接收到雷達自檢信號后，判斷雷達信號周期，并在計算出自檢信號周期不為30±1個標準計時脈沖時發(fā)出警報。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于鐵路駝峰編組場對溜放貨車實現(xiàn)微機自動減速控制的工作系統(tǒng)。它是由測速雷達、微型計算機、單片機I/O接口柜、減速器、踏板、軌道電路UPS電源、超隔離變壓器及控制臺等設備構(gòu)成，該系統(tǒng)利用多普勒雷達進行測速，由單片機進行速度值處理，并根據(jù)人工或計算機給出的出口速度設定值，發(fā)出控制命令，對減速器實現(xiàn)自動控制。
文檔編號B61J3/02GK1055150SQ9010166
公開日1991年10月9日 申請日期1990年3月28日 優(yōu)先權(quán)日1990年3月28日
發(fā)明者湯百華, 包維曾, 孫占嶺, 齊文明, 溫光和, 白保善, 姚大春, 張福信, 霍麗榮 申請人:鐵道部科學研究院通信信號研究所, 國營第七八○廠