關于地鐵列車電空制動系統控制單元的研制和設計研究

陳云　饒宏濱

摘 要 地鐵列車電空制動系統控制單元是地鐵車輛制動性能的主要影響因素。PID技術、模糊技術和Bang-Bang技術等技術在地鐵列車電空制動系統控制單元中的應用，可以讓電空制動系統經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控制單元的軟件設計、硬件設計，電空制動系統控制單元的控制策略及控制單元的設計效果等內容進行了探究。

關鍵詞 地鐵車輛 電空制動系統 控制單元設計

中圖分類號：TH873.7 文獻標識碼：A

0前言

隨著社會經濟的不斷發展，以地鐵為代表的城市軌道交通系統成為了城市公共交通系統中的重要組成部分。電空制動技術在地鐵列車研發過程中的應用，可以為地鐵車輛的安全運行提供保障。所謂電空制動系統是一種以電制動為主、空氣制動為輔的聯合制動方式。在電制動系統出現故障以后，空氣制動系統可以獨立完成車輛制動任務。在電制動力不足的情況下，空氣制動系統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的主要功能。電控系統和氣制動系統是電空制動系統中的核心要素。地鐵列車電空制動系統經控制單元研制工作的開展，也可以為軌道交通技術的優化提供一定的技術支持。

1地鐵列車電空制動系統控制單元的軟硬件設計

1.1地鐵列車電空制動系統硬件結構設計

一般情況下，地鐵列車電空制動系統的硬件結構主要包含有以下因素：一是，電源模塊；二是，CPU系統；三是，模擬量輸入預處理模塊；四是，功率驅動模塊；五是，CAN驅動模塊與調理電路系統。在電空制動系統設計過程中，控制單元CPU系統所使用的單片機系統為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，故而其在應用于地鐵列車制動系統以后，也會表現出抗干擾能力強的特點。硬件系統中的模擬量輸入預處理模塊可以將制動缸中的壓力值轉換為電信號，也可以借助采樣電阻轉化為電壓信號。驅動芯片可以將TTL電平開關量信號轉變為24VDC驅動信號。它可以讓制動系統更好地滿足地鐵列車充放氣電磁閥與防滑閥的驅動要求。

1.2地鐵列車電空制動系統軟件結構應用

在軟件結構方面，電空制動系統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，系統需要讀取當前制動缸及預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控制單元的控制策略

2.1 Bang-Bang控制器的應用

Bang-Bang控制器在輸出響應驅動方面具有一定的優勢。受這一控制器的控制性能的影響。相關人員在設計控制單元過程中，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自適應模糊PID控制器的應用

控制工程中應用的PID技術具有穩態精度高的特點。PID控制器參數模型的構建，是自適應模糊PID控制器應用于地鐵列車電空制動系統控制單元設計的主要因素。與地鐵列車制動系統有關的EP轉換控制模式為時變系統，在與之相關的數學模型的建構過程中，相關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、電網因素影響下產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控制單元設計過程中的應用，可以發揮出提升控制效果的作用。現階段PID控制器主要由模糊推理系統與PID調節器等多種系統構成。它可以根據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。為實現壓力的有效控制，二元連續函數關系可以應用于電空制動系統控制單元之中。此時模糊器的選擇誤差與誤差變化均為輸入參數，整個系統需要以容積室壓力為輸出，充氣閥與放氣閥之間的PWM輸出為系統的實際控制量。在與之相關的數學模型建構完成以后，自整定PID參數控制算法可以分為以下內容：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控制單元的設計效果

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

4結語

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

參考文獻

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