關(guān)于地鐵列車電空制動系統(tǒng)控制單元的研制和設(shè)計研究

陳云　饒宏濱

摘 要 地鐵列車電空制動系統(tǒng)控制單元是地鐵車輛制動性能的主要影響因素。PID技術(shù)、模糊技術(shù)和Bang-Bang技術(shù)等技術(shù)在地鐵列車電空制動系統(tǒng)控制單元中的應(yīng)用，可以讓電空制動系統(tǒng)經(jīng)控制單元更好地滿足地鐵車輛的運行需求。本文對地鐵列車電空制動系統(tǒng)控制單元的軟件設(shè)計、硬件設(shè)計，電空制動系統(tǒng)控制單元的控制策略及控制單元的設(shè)計效果等內(nèi)容進行了探究。

關(guān)鍵詞 地鐵車輛 電空制動系統(tǒng) 控制單元設(shè)計

中圖分類號：TH873.7 文獻標識碼：A

0前言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，以地鐵為代表的城市軌道交通系統(tǒng)成為了城市公共交通系統(tǒng)中的重要組成部分。電空制動技術(shù)在地鐵列車研發(fā)過程中的應(yīng)用，可以為地鐵車輛的安全運行提供保障。所謂電空制動系統(tǒng)是一種以電制動為主、空氣制動為輔的聯(lián)合制動方式。在電制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障以后，空氣制動系統(tǒng)可以獨立完成車輛制動任務(wù)。在電制動力不足的情況下，空氣制動系統(tǒng)也可以為車輛制動力的提升提供支持。防滑功能與防沖動功能也是電空制動系統(tǒng)的主要功能。電控系統(tǒng)和氣制動系統(tǒng)是電空制動系統(tǒng)中的核心要素。地鐵列車電空制動系統(tǒng)經(jīng)控制單元研制工作的開展，也可以為軌道交通技術(shù)的優(yōu)化提供一定的技術(shù)支持。

1地鐵列車電空制動系統(tǒng)控制單元的軟硬件設(shè)計

1.1地鐵列車電空制動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般情況下，地鐵列車電空制動系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包含有以下因素：一是，電源模塊；二是，CPU系統(tǒng)；三是，模擬量輸入預(yù)處理模塊；四是，功率驅(qū)動模塊；五是，CAN驅(qū)動模塊與調(diào)理電路系統(tǒng)。在電空制動系統(tǒng)設(shè)計過程中，控制單元CPU系統(tǒng)所使用的單片機系統(tǒng)為Freescale16位高性能單片機。此種單片機具有性能良好、資源豐富的特點。此種單片機為飛思卡爾HCS12系列芯片的重要組成部分，芯片制造標準為軍用級標準，故而其在應(yīng)用于地鐵列車制動系統(tǒng)以后，也會表現(xiàn)出抗干擾能力強的特點。硬件系統(tǒng)中的模擬量輸入預(yù)處理模塊可以將制動缸中的壓力值轉(zhuǎn)換為電信號，也可以借助采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號。驅(qū)動芯片可以將TTL電平開關(guān)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)?4VDC驅(qū)動信號。它可以讓制動系統(tǒng)更好地滿足地鐵列車充放氣電磁閥與防滑閥的驅(qū)動要求。

1.2地鐵列車電空制動系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)用

在軟件結(jié)構(gòu)方面，電空制動系統(tǒng)控制單元所使用的控制程序為Cadewarrior程序，其主要模塊包含有主程序、中斷子程序和模糊PID程序等多種程序。此系統(tǒng)的主程序以每10次中斷為一個控制周期，在每一個控制周期內(nèi)，系統(tǒng)需要讀取當(dāng)前制動缸及預(yù)控壓力的壓力采樣值，并要借助模糊PID子程序控制制動缸壓力。

2地鐵列車電空制動系統(tǒng)控制單元的控制策略

2.1 Bang-Bang控制器的應(yīng)用

Bang-Bang控制器在輸出響應(yīng)驅(qū)動方面具有一定的優(yōu)勢。受這一控制器的控制性能的影響。相關(guān)人員在設(shè)計控制單元過程中，需要對不同控制方法切換的閾值進行明確。因為地鐵列車制動氣源壓力與電磁閥的充放氣特性是確定閾值的重要因素。

2.2自適應(yīng)模糊PID控制器的應(yīng)用

控制工程中應(yīng)用的PID技術(shù)具有穩(wěn)態(tài)精度高的特點。PID控制器參數(shù)模型的構(gòu)建，是自適應(yīng)模糊PID控制器應(yīng)用于地鐵列車電空制動系統(tǒng)控制單元設(shè)計的主要因素。與地鐵列車制動系統(tǒng)有關(guān)的EP轉(zhuǎn)換控制模式為時變系統(tǒng)，在與之相關(guān)的數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)過程中，相關(guān)人員不僅需要對氣溫、大氣壓及溫度等因素進行分析，也需要對再生制動方式在負載因素、電網(wǎng)因素影響下產(chǎn)生的波動與列車負載的不確定性進行分析。Fuzzy-PID控制器在電空制動系統(tǒng)控制單元設(shè)計過程中的應(yīng)用，可以發(fā)揮出提升控制效果的作用。現(xiàn)階段PID控制器主要由模糊推理系統(tǒng)與PID調(diào)節(jié)器等多種系統(tǒng)構(gòu)成。它可以根據(jù)以下因素確定控制量的大小：（1）壓力目標值與實際值之差的比例值；（2）二者之差的積分值與微分值。為實現(xiàn)壓力的有效控制，二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系可以應(yīng)用于電空制動系統(tǒng)控制單元之中。此時模糊器的選擇誤差與誤差變化均為輸入?yún)?shù)，整個系統(tǒng)需要以容積室壓力為輸出，充氣閥與放氣閥之間的PWM輸出為系統(tǒng)的實際控制量。在與之相關(guān)的數(shù)學(xué)模型建構(gòu)完成以后，自整定PID參數(shù)控制算法可以分為以下內(nèi)容：一是，模糊化算法；二是，模糊推理算法；三是，解模糊算法。

3地鐵列車電空制動系統(tǒng)控制單元的設(shè)計效果

地鐵列車全制動試驗是檢驗電空制動系統(tǒng)控制單元設(shè)計效果的重要方式。在全制動試驗進行規(guī)程中，車輛的制動強度需要由0上升至95%，會由全制動狀態(tài)瞬間歸零。檢驗控制單元設(shè)計效果的指標主要包含有以下內(nèi)容：（1）容積室壓力的變化情況；（2）電空置換裝置對指令的響應(yīng)情況；（3）電空制動系統(tǒng)保持制動力的能力。在試驗進行過程中，制動系統(tǒng)制動強度由0上升至95%的時間約為1.3s。根據(jù)國家相關(guān)標準的內(nèi)容，地鐵車輛制動系統(tǒng)強度由0上升至95%的時間需在1.2-1.8s之間，故而此系統(tǒng)符合國家相關(guān)標準的要求，除此以外，該系統(tǒng)內(nèi)在氣壓穩(wěn)定以后的波動值約為0.008MPa，也符合國家相關(guān)標準的要求。

4結(jié)語

模糊自整定算法在地鐵列車電空制動系統(tǒng)控制單元設(shè)計過程中發(fā)揮著重要的作用。它可以在對芯片上的資源進行充分運用的基礎(chǔ)上，強化制動系統(tǒng)的控制效果。對模糊自整定算法的作用進行有效發(fā)揮，有助于電空制動系統(tǒng)控制單元的實用性的提升。

參考文獻

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