城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)壓力控制方法的智能化改進(jìn)研究

趙 欣 董建峰 崔曉軍 杜振振 畢經(jīng)全

(中車青島四方車輛研究所有限公司制動(dòng)事業(yè)部， 266031， 青島∥第一作者， 高級(jí)工程師)

城市軌道交通車輛空氣制動(dòng)系統(tǒng)是微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，壓力控制是其核心功能。目前，通常由電子控制單元根據(jù)壓力傳感器的反饋值控制充氣電磁閥或排氣電磁閥動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)控制。如果因傳感器故障、采集電路硬件故障等因素導(dǎo)致壓力信號(hào)采集出現(xiàn)異常，無(wú)法實(shí)現(xiàn)壓力的閉環(huán)控制，將導(dǎo)向于緩解本車的制動(dòng)力，從而造成整列車的制動(dòng)力不足，使列車限速運(yùn)行甚至清客下線，進(jìn)而影響線路的正常運(yùn)營(yíng)。

為此，本文提出了一種城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)壓力控制方法，利用智能控制的原理對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。該方法在壓力信號(hào)采集異常情況下不需要改裝既有設(shè)備，而是通過(guò)開環(huán)控制實(shí)現(xiàn)接近正常情況下的壓力控制，以保證車輛的制動(dòng)力滿足制動(dòng)需求，從而提高車輛制動(dòng)系統(tǒng)常用制動(dòng)功能的可用性。

1 車輛壓力控制智能化的總體方案

1.1 制動(dòng)壓力控制原理

城市軌道交通車輛空氣制動(dòng)系統(tǒng)的常用制動(dòng)壓力控制主要包括EBCU(電子制動(dòng)控制單元)、充氣電磁閥、排氣電磁閥、中繼閥、壓力傳感器、減壓閥等部件，其控制原理如圖1所示。EBCU根據(jù)常用制動(dòng)指令等信息計(jì)算出需要施加的空氣制動(dòng)力目標(biāo)值，并根據(jù)預(yù)控壓力傳感器采集到的反饋值控制充氣電磁閥或排氣電磁閥動(dòng)作、輸出預(yù)控壓力，再經(jīng)過(guò)中繼閥輸出與預(yù)控壓力對(duì)應(yīng)的制動(dòng)缸壓力。

注：中空箭頭表示氣路；實(shí)線箭頭表示電路。圖1 城市軌道交通車輛制動(dòng)缸壓力控制原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of brake cylinder pressure control principle of urban rail transit vehicle

制動(dòng)缸壓力傳感器通常用于狀態(tài)監(jiān)控。如果預(yù)控壓力信號(hào)采集異常，可通過(guò)制動(dòng)缸壓力傳感器進(jìn)行冗余控制。如果預(yù)控壓力和制動(dòng)缸壓力的信號(hào)采集同時(shí)出現(xiàn)故障，目前通常的故障導(dǎo)向方式是緩解本車的制動(dòng)力。

1.2 壓力控制智能化改進(jìn)總體方案

壓力控制邏輯由EBCU實(shí)現(xiàn)，通常的壓力控制功能包括目標(biāo)壓力計(jì)算模塊、壓力檢測(cè)模塊和壓力控制模塊，智能化改進(jìn)后增加了學(xué)習(xí)記錄模塊和異常控制模塊，如圖2所示。在壓力信號(hào)采集正常時(shí)，學(xué)習(xí)記錄模塊對(duì)目標(biāo)壓力計(jì)算模塊、壓力檢測(cè)模塊和壓力控制模塊的參數(shù)進(jìn)行同步的學(xué)習(xí)和記錄；在壓力信號(hào)采集異常時(shí)，異常控制模塊調(diào)用學(xué)習(xí)記錄模塊存儲(chǔ)的控制參數(shù)，通過(guò)壓力控制模塊，對(duì)充氣電磁閥或排氣電磁閥按照對(duì)應(yīng)的控制策略進(jìn)行開環(huán)控制。

注：實(shí)線箭頭表示控制邏輯的輸入/輸出信號(hào)。圖2 車輛制動(dòng)系統(tǒng)壓力控制方法智能化改進(jìn)后的 功能架構(gòu)圖

2 壓力信號(hào)采集正常時(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程分析

如圖3所示，壓力信號(hào)采集正常情況下，EBCU根據(jù)常用制動(dòng)指令等信息計(jì)算出理論目標(biāo)壓力。同時(shí)，為了保證列車縱向沖擊率滿足要求，EBCU將計(jì)算出一個(gè)斜率控制目標(biāo)壓力，用于限制壓力變化的速率。EBCU根據(jù)采集到的實(shí)際壓力值控制充氣電磁閥或排氣電磁閥動(dòng)作，按照斜率控制目標(biāo)，將壓力控制在理論目標(biāo)壓力誤差范圍內(nèi)。

a) 常用制動(dòng)指令-時(shí)間曲線

b) 制動(dòng)缸壓力-時(shí)間曲線

c) 充氣閥狀態(tài)-時(shí)間曲線

d) 排氣閥狀態(tài)-時(shí)間曲線圖3 車輛制動(dòng)系統(tǒng)正常壓力控制過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic diagram of normal pressure control process of vehicle braking system

此處主要通過(guò)PWM(脈寬調(diào)制)方式，即采用固定控制周期、控制電磁閥動(dòng)作占空比的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力的精確控制。

因此，在壓力信號(hào)采集正常情況下的學(xué)習(xí)過(guò)程，實(shí)際上就是在壓力閉環(huán)控制過(guò)程中選擇合適的樣本，記錄實(shí)際壓力從初始?jí)毫Φ嚼碚撃繕?biāo)壓力的全過(guò)程內(nèi)充氣電磁閥或排氣電磁閥動(dòng)作的一組PWM占空比數(shù)值。

2.1 有效學(xué)習(xí)樣本的選擇

為了保證學(xué)習(xí)的正確性和有效性，避免因常用制動(dòng)指令變化不規(guī)律、實(shí)際壓力控制異常等因素引入的無(wú)效參數(shù)，需要對(duì)學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行篩選。判定學(xué)習(xí)樣本有效的條件有兩個(gè),分別為條件一(初始?jí)毫υ诋?dāng)前理論目標(biāo)壓力誤差范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的時(shí)間大于設(shè)定的門限值tTH)、條件二(在實(shí)際壓力到達(dá)理論目標(biāo)壓力誤差范圍內(nèi)的過(guò)程中，理論目標(biāo)壓力保持不變)。

本文通過(guò)圖4和表1的4個(gè)壓力變化過(guò)程樣例對(duì)學(xué)習(xí)樣本的有效性進(jìn)行說(shuō)明。

a) 常用制動(dòng)指令-時(shí)間曲線

b) 制動(dòng)缸壓力-時(shí)間曲線

表1 正常壓力控制過(guò)程的學(xué)習(xí)樣本有效性判斷

2.2 壓力信號(hào)采集正常時(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程

在城市軌道交通車輛每次制動(dòng)和緩解的過(guò)程中，制動(dòng)缸的初始?jí)毫屠碚撃繕?biāo)壓力是隨機(jī)的，壓力的變化是連續(xù)的，但為了方便記錄和處理數(shù)據(jù)、減少數(shù)據(jù)的運(yùn)算量和存儲(chǔ)量，需要將壓力值進(jìn)行離散化處理，按照等距原則劃分為若干個(gè)壓力區(qū)間，從而將所有可能的壓力變化過(guò)程簡(jiǎn)化為從不同的初始?jí)毫^(qū)間到目標(biāo)壓力區(qū)間的若干個(gè)過(guò)程。

在壓力信號(hào)采集正常時(shí)，對(duì)符合學(xué)習(xí)樣本選擇條件的過(guò)程進(jìn)行學(xué)習(xí)，記錄初始?jí)毫^(qū)間和目標(biāo)壓力區(qū)間，以及壓力控制過(guò)程中每個(gè)控制周期內(nèi)充氣電磁閥或排氣電磁閥動(dòng)作的PWM占空比數(shù)值，用于壓力信號(hào)采集異常時(shí)調(diào)用。

按照現(xiàn)有控制方法，壓力信號(hào)采集正常時(shí)，在壓力上升過(guò)程中，只有充氣閥動(dòng)作，排氣閥只是在最后精確調(diào)壓時(shí)有可能動(dòng)作；同樣地，在壓力下降過(guò)程中，只有排氣閥動(dòng)作，充氣閥只是在最后精確調(diào)壓時(shí)有可能動(dòng)作。因此，可以簡(jiǎn)化壓力變化過(guò)程的學(xué)習(xí)記錄及壓力信號(hào)采集異常時(shí)的控制措施，在目標(biāo)壓力升高時(shí)只對(duì)充氣閥動(dòng)作進(jìn)行學(xué)習(xí)，在目標(biāo)壓力降低時(shí)只對(duì)排氣閥動(dòng)作進(jìn)行學(xué)習(xí)。這樣，在壓力信號(hào)采集異常的情況下，在目標(biāo)壓力升高時(shí)只控制充氣閥動(dòng)作，在目標(biāo)壓力降低時(shí)只控制排氣閥動(dòng)作。

3 壓力信號(hào)采集異常時(shí)的控制過(guò)程分析

3.1 確定閥控參數(shù)的初始值和目標(biāo)值

在壓力信號(hào)采集異常的情況下，根據(jù)常用制動(dòng)指令保持時(shí)間的長(zhǎng)短，來(lái)計(jì)算閥控參數(shù)的初始值和目標(biāo)值。然后根據(jù)所對(duì)應(yīng)的初始?jí)毫^(qū)間和目標(biāo)壓力區(qū)間，調(diào)用正常情況下學(xué)習(xí)記錄得到的閥控參數(shù)，對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，以達(dá)到開環(huán)控制壓力的目的。設(shè)tH為常用制動(dòng)指令保持時(shí)間，tV為虛擬壓力變化時(shí)間(即按照壓力控制斜率k可得出的虛擬壓力達(dá)到理論目標(biāo)壓力的時(shí)間)。tV按照式(1)進(jìn)行計(jì)算，其中：Pt,now為當(dāng)前指令下的對(duì)應(yīng)理論目標(biāo)壓力，Pt,pre為上次指令對(duì)應(yīng)的理論目標(biāo)壓力，t0為虛擬壓力空走時(shí)間。

(1)

若tH≥tV，則分別選擇指令變化前后所對(duì)應(yīng)的理論目標(biāo)壓力作為閥控參數(shù)的初始值和目標(biāo)值。如圖5所示，常用制動(dòng)指令B在虛擬壓力達(dá)到所對(duì)應(yīng)的理論目標(biāo)壓力后才開始改變，所以，選擇由指令B到指令C這個(gè)過(guò)程的閥控參數(shù)時(shí)，將指令B對(duì)應(yīng)的理論目標(biāo)壓力Pt,B作為初始值，將指令C對(duì)應(yīng)的理論目標(biāo)壓力Pt,C作為目標(biāo)值。

a) 常用制動(dòng)指令-時(shí)間曲線

b) 制動(dòng)缸壓力-時(shí)間曲線

selection whentH≥tV

若tH

此時(shí)，選擇由指令B到指令C這個(gè)過(guò)程的閥控參數(shù)時(shí)，將指令C對(duì)應(yīng)的理論目標(biāo)壓力Pt,C作為目標(biāo)值，將tBC時(shí)刻的虛擬壓力PV作為初始值，PV按照式(2)進(jìn)行計(jì)算。

PV=Pt,pre+(tH-t0)k

(2)

3.2 設(shè)置參數(shù)的默認(rèn)值

為了防止正常情況下程序?qū)﹄姶砰y控制的參數(shù)學(xué)習(xí)記錄不完整，在程序初始化階段會(huì)根據(jù)前期試驗(yàn)得到的有效數(shù)據(jù)，先對(duì)城市軌道交通車輛各種不同制動(dòng)/緩解過(guò)程的電磁閥控制參數(shù)賦予一組默認(rèn)值。

此外，在讀取存儲(chǔ)器中的閥控參數(shù)時(shí)，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)。只有通過(guò)校驗(yàn)的數(shù)值才可以使用，否則將按照默認(rèn)值進(jìn)行控制，以增加控制方法的可靠性。

a) 常用制動(dòng)指令-時(shí)間曲線

b) 制動(dòng)缸壓力-時(shí)間曲線

3.3 累積誤差的修正

利用控制系統(tǒng)的特性來(lái)消除因開環(huán)控制引起的累積誤差。當(dāng)制動(dòng)緩解后，EBCU控制排氣電磁閥一直處于排氣狀態(tài)，此時(shí)即使壓力信號(hào)異常，制動(dòng)缸壓力也能夠保證為0，這樣就消除了之前動(dòng)作累積的誤差，不會(huì)將誤差累積到下一次制動(dòng)緩解過(guò)程。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證智能化改進(jìn)后的壓力控制方法，在城市軌道交通車輛制動(dòng)控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)。在常用純空氣制動(dòng)工況下，分別測(cè)試了壓力信號(hào)采集正常和異常時(shí)車輛制動(dòng)施加、制動(dòng)緩解的壓力變化情況。圖7、圖8分別為壓力信號(hào)采集正常和異常情況下多級(jí)位常用制動(dòng)施加過(guò)程的壓力曲線。圖9、圖10分別為壓力信號(hào)采集正常和異常情況下多級(jí)位常用制動(dòng)緩解過(guò)程的壓力曲線。

通過(guò)實(shí)測(cè)情況可以看出：

1) 在壓力信號(hào)采集正常情況下，EBCU能夠根據(jù)壓力反饋值，通過(guò)充氣電磁閥或排氣電磁閥精確地控制壓力，其誤差≤±5 kPa；在壓力信號(hào)采集異常情況下，EBCU能夠按照常用制動(dòng)指令，根據(jù)正常情況下已學(xué)習(xí)記錄的電磁閥控制參數(shù)對(duì)電磁閥進(jìn)行開環(huán)控制，響應(yīng)時(shí)間與正常情況下一致，并且控制精度較高。

2) 為了簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)記錄和壓力信號(hào)采集異常時(shí)的控制復(fù)雜度，智能化改進(jìn)后的壓力控制方法在目標(biāo)壓力升高時(shí)只對(duì)充氣閥動(dòng)作進(jìn)行學(xué)習(xí)和控制，在目標(biāo)壓力降低時(shí)只對(duì)排氣閥動(dòng)作進(jìn)行學(xué)習(xí)和控制。所以在一次制動(dòng)施加/緩解的過(guò)程中，常用制動(dòng)指令第1次變化后產(chǎn)生的誤差相對(duì)較小，約為±10 kPa；隨著常用制動(dòng)指令變化次數(shù)增多，累積誤差逐漸變大，到了常用制動(dòng)指令第4次變化后，其誤差約為±20 kPa。

a) 常用制動(dòng)指令-時(shí)間曲線

b) 制動(dòng)缸壓力-時(shí)間曲線圖7 壓力信號(hào)采集正常情況下常用制動(dòng)施加壓力曲線Fig.7 Pressure curve of service brake application when pressure signal acquisition is normal

a) 常用制動(dòng)指令-時(shí)間曲線

b) 制動(dòng)缸壓力-時(shí)間曲線圖8 壓力信號(hào)采集異常情況下常用制動(dòng)施加壓力曲線Fig.8 Pressure curve of service brake application when pressure signal acquisition is abnormal

a) 常用制動(dòng)指令-時(shí)間曲線

b) 制動(dòng)缸壓力-時(shí)間曲線圖9 壓力信號(hào)采集正常情況下常用制動(dòng)緩解壓力曲線Fig.9 Pressure curve of service brake release when pressure signal acquisition is normal

a) 常用制動(dòng)指令-時(shí)間曲線

b) 制動(dòng)缸壓力-時(shí)間曲線圖10 壓力信號(hào)采集異常情況下常用制動(dòng)緩解壓力曲線

3) 常用制動(dòng)指令回零后，制動(dòng)缸壓力緩解到0，誤差清零，不會(huì)將誤差累積到下一次制動(dòng)緩解的過(guò)程。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)城市軌道交通車輛空氣制動(dòng)系統(tǒng)因壓力信號(hào)采集異常導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)壓力控制的問(wèn)題，利用智能控制的原理對(duì)現(xiàn)有的方法進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，在壓力信號(hào)采集正常時(shí)選擇有效的學(xué)習(xí)樣本，對(duì)電磁閥控制參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和記錄；在壓力信號(hào)采集異常的情況下根據(jù)學(xué)習(xí)所獲得的控制參數(shù)，對(duì)電磁閥進(jìn)行開環(huán)控制。

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)測(cè)的結(jié)果，在壓力信號(hào)采集異常情況下，對(duì)現(xiàn)有方法改進(jìn)后的壓力控制方法能夠按照常用制動(dòng)指令對(duì)制動(dòng)缸壓力進(jìn)行開環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)接近正常情況下的壓力控制，控制精度較高，可以滿足城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用要求。此外，車輛在制動(dòng)緩解后，誤差清零，不會(huì)將誤差累積到下一次制動(dòng)緩解的過(guò)程。改進(jìn)后的壓力控制方法能夠保證城市軌道交通車輛在壓力信號(hào)異常情況下的制動(dòng)需求，提高制動(dòng)系統(tǒng)的可用性。