基于RCP的動車組制動系統電空轉換單元控制仿真研究＊

劉寅虎，魯進軍，楊正專（南京浦鎮海泰制動設備有限公司，江蘇南京211800）

近年來，隨著我國列車的不斷提速，制動系統面臨著越來越嚴峻的挑戰。目前，動車組制動系統核心部件之一的電空轉換（Electro-Pneumatic conversion，簡稱EP）單元，主要采用開環控制的線性比例電空閥，或由1個壓力傳感器、2個高速開關電磁閥（以下簡稱電磁閥）組成的閉環控制結構；這兩種EP單元中，后者更引人關注，其結構簡單，價格低廉，抗介質污染能力強，可靠性高［1］，但這種EP單元對控制策略要求較高，控制策略的優劣直接關系到制動系統所施加制動力的建立速度、精度以及電磁閥的使用壽命。

在傳統的控制策略開發過程中，需要反復地進行控制策略的代碼編寫和調試，這種方法會導致開發周期長、費用高、可靠性差，不能滿足當前對控制系統開發的快速、穩定性要求。為了避免該弊端，國外汽車行業普遍采用快速控制原型（Rapid Control Prototype，簡稱RCP）技術，該技術能夠在系統開發的初期階段，快速地建立控制器模型，并在同一個開發平臺上基于該控制器對整個控制系統進行離線和在線的測試來驗證控制系統方案的可行性［2-3］，并已在國內汽車的ABS、DCT和ASR等［4-6］控制系統研發中得到廣泛應用。

本文針對由兩電磁閥、壓力傳感器組成的EP單元，分析影響電磁閥控制的因素，采用快速控制原型設計方法，研究其控制策略，并在基于MicroAutoBox的半實物仿真平臺上對控制策略進行驗證和優化。

1 EP單元

EP單元的控制策略程序代碼集成在單片機控制單元里，其被控對象是容積室，執行機構是制動電磁閥（AV）和緩解電磁閥（RV），安裝在容積室上的壓力傳感器與它們構成了一個閉合控制回路。其工作原理如圖1所示，單片機閉環控制兩個高速開關閥，通過制動電磁閥對容積室充氣或緩解電磁閥對容積室排氣的控制，使容積室壓力迅速達到目標值，并保壓以維持目標壓力，作為中繼閥的先導壓力，再由中繼閥進行流量放大，控制制動缸的壓力。

圖1 EP單元工作原理示意圖

為滿足動車組的制動性能，要求EP單元的反應速度快，并且抗干擾能力強，可靠性好，制動和緩解作用時，容積室內的壓力準確穩定，另外，為了保證安全，要求控制過程中任何時刻最多只有一個電磁閥在動作。

2 閥的驅動方式

電磁閥可采用脈沖流量控制方式，閥根據一系列脈沖電壓信號進行開關動作，脈沖電壓信號可通過開關量或脈寬調制（PWM）方法產生。

由于閉環控制系統具有滯后性，采用開關量驅動電磁閥時，受硬件資源的制約，控制周期不能太短，否則會導致容積室出現氣壓過充或過排現象，其控制結果如圖2所示，壓力到達目標值時，出現大幅度的振蕩，導致系統難以達到穩定狀態。

為了使電磁閥能夠對容積室進行連續的調節，并避免產生上述不穩定現象，本文選用脈寬調制的控制方法，將PWM信號作為電磁閥的驅動信號。其控制示意圖如圖3所示，輸入信號u經調節器模塊產生PWM信號，再經信號調理模塊產生電壓信號，驅動兩電磁閥。

圖2 開關量控制EP單元的測試結果

圖3 PWM控制電磁閥的示意圖

3 控制策略

針對電磁閥的PWM控制方法而言，EP單元中以下幾個因素會對閥的控制精度產生不良影響：

（1）電磁閥的開關動作會產生氣流的脈動，影響壓力的控制精度。

（2）壓力傳感器存在測量誤差，同時由于氣流的負壓效應使壓力傳感器的測量值與容積室的實際壓力有偏差。

（3）電磁閥的開關響應滯后特性，會形成零位死區。電磁閥是感性負載，電感線圈的電流滯后于電壓，同時閥門的開、關動作是機械動作，有一定的行程，完成閥門的開、關動作，需要一定的時間。

（4）由于閥的非線性，容積室中充、排氣的速率是非線性變化的。

在工程控制中，應用較為廣泛的調節器為PID控制，即比例（proportional）、積分（integral）、微分（differential），但由于EP單元存在上述特點，需要對傳統PID調節器進行優化。

傳統離散化的PID算法表達式為：

其中p（k）為第k次采樣時調節器的輸出；E（k）為第k次采樣的偏差值；E（k-1）為第（k-1）次采樣時的偏差值；KP為比例系數；KI為積分系數；KD為微分系數。

由于電磁閥的開關存在響應滯后，采用PWM控制時，PWM的占空比在一定的范圍內，閥不動作，容積室內的壓力不變，若采用傳統的PID控制，不進行死區補償，會降低調節器系數的作用速度，因此，在比例系數上增加死區補償pCMP，比例部分的表達式變為：

傳統的PID調節器存在積分飽和的問題，會引起大幅度的超調，使系統穩定性下降，消除這種積分飽和的關鍵在于積分項不能過大，常用的方法有積分分離法，遇限消弱積分法和變速積分法等［7］，這里采用遇限消弱積分PID控制算法，其思想是當控制進入飽和區pI-MAX后，不再對積分項進行累加，只執行消弱積分運算，這樣就可避免系統長時間停留在飽和區。

同時，氣流的負壓效應也會影響EP單元的控制精度，導致壓力傳感器的測量壓力與容積室壓力存在偏差；另一方面由于該系統為閉環控制的滯后系統，若在檢測壓力達到目標壓力時再關閉電磁閥，就會引起容積室的氣體過充或過排；因此需要在容積室壓力達到目標壓力之前，提前減小閥的流量，當實際壓力與參考壓力的絕對偏差小于A時，積分和微分停止使用，只有比例控制起作用，這樣就可以通過減小占空比的方法來防止負壓效應對控制的影響，也可避免積分和微分給系統帶來超調或振蕩。改進后的PID原理框圖如圖4所示，其中M（k）表示目標壓力，R（k）為容積室的實測壓力。

根據制動系統對EP單元控制的其他要求。控制策略中，還需要增加壓力傳感器濾波、防充擊控制及其他保護功能。

4 RCP仿真及結果分析

為了縮短控制策略的開發周期，EP單元的控制策略設計采用RCP方法，先用Matlab／Simulink建立EP單元的控制策略模型，并從RTI庫中選擇實時測試所需的接口模塊；再利用RTW，將模型自動生成代碼并下載到半實物仿真平臺中；最后利用測試軟件，實時監控模型關鍵參數，并優化控制策略。

4.1 半實物仿真平臺

本文選用基于MicroAutoBox的半實物仿真平臺，它是一套基于MATLAB／Simulink的控制系統開發及半實物仿真的軟硬件工作平臺，實現了與MATLAB／Simulink／RTW的完全無縫連接，其處理器具有高速的計算能力，并配備了豐富的I／O支持，軟件環境的功能也強大且使用方便，包括實時代碼的生成和下載軟件RTI（Real-Time Interface），測試軟件 ControlDesk、自動試驗及參數調整軟件MLIB／MTRACE等。

圖4 改進的PID原理框圖

4.2 控制策略驗證

用RCP方法開發EP單元的控制策略時，首先運用Matlab／Simulink／Stateflow搭建EP單元的控制模型，如圖5所示，press＿obj為容積室的目標壓力，EP＿control＿model為EP單元的控制模型，AV＿duty為制動電磁閥PWM占空比，RV＿duty為緩解電磁閥PWM占空比，AV＿period為制動電磁閥PWM周期，RV＿period為緩解電磁閥PWM周期，并分別選擇RTI庫中的 ADC＿TYPE1＿M1＿CON1、DIO＿TYPE1＿PWM＿VP＿M1＿C1和DIO＿TYPE1＿PWM＿VP＿M1＿C2模塊為壓力傳感器、制動電磁閥和緩解電磁閥的接口。

圖5 EP單元控制模型

控制模型經過離線仿真后，運用Matlab中的RTW將模型自動生成代碼并下載到MicroAutoBox中，通過ControlDesk測試軟件采集容積室壓力，ControlDesk的界面如圖6所示，可在界面上監控和優化控制模型中的關鍵參數。

圖6 ControlDesk軟件界面

4.3 仿真結果

EP單元的控制模型優化定型后，針對動車組在制動過程中常出現的一些工況，對EP單元進行仿真測試。

控制低壓輸出時，測試結果如圖7所示，設置容積室的目標壓力為30kPa，容積室的壓力能很快達到目標壓力，且過充小，調節時間短，壓力穩態精度高，下降時也能快速反應。

圖7 控制低壓輸出測試結果

控制高壓輸出時，設定容積室的目標壓力為600 kPa，如圖8所示，制動和緩解時，容積室壓力反應速度快，壓力準確穩定，且無明顯的過充過排現象。

圖8 控制高壓輸出測試結果

為了測試該控制策略能否滿足容積室目標壓力小幅度變化的要求，進行了靈敏度測試，測試結果如圖9所示，目標壓力階梯式小幅度變化，容積室壓力能夠快速地伴隨著目標壓力的變化而變化，且壓力控制精度高。

圖9 靈敏度測試結果

仿真測試還模擬了不同制動級位轉換時，輸出壓力的分段跟蹤控制，從圖10中可看出，分段控制的效果良好，完全能夠滿足動車組制動系統的要求。

圖10 分段控制測試結果

5 結束語

仿真測試結果表明，由兩個電磁閥、壓力傳感器組成的EP單元；運用PWM控制時，驅動響應快，抗干擾能力強，避免壓力的過充過排，并可實現系統的數字化；采用本文提出的改進PID控制算法，各種工況下，均能保證EP單元的轉換精度、響應速度和穩定性；同時采用RCP設計技術，能夠有效地縮短制動系統的開發周期，提高開發進度和開發質量，為整個制動系統的控制系統開發提供了行之有效的方法。

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