陳云　饒宏濱

摘 要 地鐵列車電空制動(dòng)系統(tǒng)控制單元是地鐵車輛制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)控制單元中的應(yīng)用，可以讓電空制動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)控制單元更好地滿足地鐵車輛的運(yùn)行需求。本文對(duì)地鐵列車電空制動(dòng)系統(tǒng)控制單元的軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)，電空制動(dòng)系統(tǒng)控制單元的控制策略及控制單元的設(shè)計(jì)效果等內(nèi)容進(jìn)行了探究。

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

中圖分類號(hào)：TH873.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(dòng)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(yùn)行提供保障。所謂電空制動(dòng)系統(tǒng)是一種以電制動(dòng)為主、空氣制動(dòng)為輔的聯(lián)合制動(dòng)方式。在電制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障以后，空氣制動(dòng)系統(tǒng)可以獨(dú)立完成車輛制動(dòng)任務(wù)。在電制動(dòng)力不足的情況下，空氣制動(dòng)系統(tǒng)也可以為車輛制動(dòng)力的提升提供支持。防滑功能與防沖動(dòng)功能也是電空制動(dòng)系統(tǒng)的主要功能。電控系統(tǒng)和氣制動(dòng)系統(tǒng)是電空制動(dòng)系統(tǒng)中的核心要素。地鐵列車電空制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)控制單元的軟硬件設(shè)計(jì)

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

一般情況下，地鐵列車電空制動(dòng)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(dòng)模塊；五是，CAN驅(qū)動(dòng)模塊與調(diào)理電路系統(tǒng)。在電空制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，控制單元CPU系統(tǒng)所使用的單片機(jī)系統(tǒng)為Freescale16位高性能單片機(jī)。此種單片機(jī)具有性能良好、資源豐富的特點(diǎn)。此種單片機(jī)為飛思卡爾HCS12系列芯片的重要組成部分，芯片制造標(biāo)準(zhǔn)為軍用級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，故而其在應(yīng)用于地鐵列車制動(dòng)系統(tǒng)以后，也會(huì)表現(xiàn)出抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。硬件系統(tǒng)中的模擬量輸入預(yù)處理模塊可以將制動(dòng)缸中的壓力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，也可以借助采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。驅(qū)動(dòng)芯片可以將TTL電平開關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?4VDC驅(qū)動(dòng)信號(hào)。它可以讓制動(dòng)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(dòng)要求。

1.2地鐵列車電空制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)控制單元所使用的控制程序?yàn)镃adewarrior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(gè)控制周期，在每一個(gè)控制周期內(nèi)，系統(tǒng)需要讀取當(dāng)前制動(dòng)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(dòng)缸壓力。

2地鐵列車電空制動(dòng)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(dòng)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。受這一控制器的控制性能的影響。相關(guān)人員在設(shè)計(jì)控制單元過程中，需要對(duì)不同控制方法切換的閾值進(jìn)行明確。因?yàn)榈罔F列車制動(dòng)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(diǎn)。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(dòng)系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)的主要因素。與地鐵列車制動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)的EP轉(zhuǎn)換控制模式為時(shí)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(duì)氣溫、大氣壓及溫度等因素進(jìn)行分析，也需要對(duì)再生制動(dòng)方式在負(fù)載因素、電網(wǎng)因素影響下產(chǎn)生的波動(dòng)與列車負(fù)載的不確定性進(jìn)行分析。Fuzzy-PID控制器在電空制動(dòng)系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)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?。海?）壓力目標(biāo)值與實(shí)際值之差的比例值；（2）二者之差的積分值與微分值。為實(shí)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(dòng)系統(tǒng)控制單元之中。此時(shí)模糊器的選擇誤差與誤差變化均為輸入?yún)?shù)，整個(gè)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(shí)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(dòng)系統(tǒng)控制單元的設(shè)計(jì)效果

地鐵列車全制動(dòng)試驗(yàn)是檢驗(yàn)電空制動(dòng)系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)效果的重要方式。在全制動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行規(guī)程中，車輛的制動(dòng)強(qiáng)度需要由0上升至95%，會(huì)由全制動(dòng)狀態(tài)瞬間歸零。檢驗(yàn)控制單元設(shè)計(jì)效果的指標(biāo)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(duì)指令的響應(yīng)情況；（3）電空制動(dòng)系統(tǒng)保持制動(dòng)力的能力。在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)強(qiáng)度由0上升至95%的時(shí)間約為1.3s。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)強(qiáng)度由0上升至95%的時(shí)間需在1.2-1.8s之間，故而此系統(tǒng)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，除此以外，該系統(tǒng)內(nèi)在氣壓穩(wěn)定以后的波動(dòng)值約為0.008MPa，也符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)

[1] 路象群.廣州地鐵A5型車電空混合制動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)列車停車精度的影響分析[J].機(jī)電信息，2016（18）：145-147.

[2] 倪大成，徐紹龍，周永剛.地鐵列車電制動(dòng)負(fù)荷分配技術(shù)研究[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2015（05）：56-59+64.