隧道壓力波模擬加載系統(tǒng)遺忘開閉環(huán)高階控制

李新　陳春俊　艾永軍　周建容

摘要：為研究高速列車通過隧道時(shí)產(chǎn)生的壓力波對(duì)車體氣密性和車內(nèi)壓力舒適度的影響，建立隧道壓力波模擬加載系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有非線性、多擾動(dòng)、多容耦合以及加載的壓力波幅值大和變化劇烈等特點(diǎn)，帶來控制速度和精度上的難度。為準(zhǔn)確模擬加載隧道壓力波，采用遺忘開閉環(huán)高階迭代學(xué)習(xí)控制算法進(jìn)行控制，利用AMESim和Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)進(jìn)行控制仿真，并對(duì)比幾種不同學(xué)習(xí)律的控制效果。仿真結(jié)果表明：遺忘開閉環(huán)高階學(xué)習(xí)律在第7個(gè)周期時(shí)，壓力控制最大誤差絕對(duì)值已降低到0.358 2kPa，相對(duì)于開環(huán)PfD和遺忘因子開環(huán)PfD型學(xué)習(xí)律的1.23kPa和0.9462kPa，分別減少70.87%和62.14%，該算法可增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得隧道壓力波的加載更加快速準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：壓力波模擬加載系統(tǒng);迭代學(xué)習(xí)控制;開閉環(huán)高階學(xué)習(xí)律;遺忘因子

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）01-0145-05

0 引言

隨著高速列車速度的提升，氣壓波動(dòng)程度隨之加大，特別是當(dāng)高速列車會(huì)車或者在隧道中運(yùn)行時(shí)，車體表面的瞬時(shí)壓力波幅值會(huì)在較大范圍內(nèi)變化。外界空氣壓力的這種波動(dòng)通過車體的縫隙或者空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)道與廢排風(fēng)道影響到車內(nèi)的壓力，如果車內(nèi)空氣壓力變化量及變化率超過一定值，就會(huì)刺激旅客的耳膜，引起耳腫耳痛，從而影響乘客的舒適性[1];同時(shí)會(huì)影響到車體的氣密性及材料的耐疲勞強(qiáng)度等[2]。

在實(shí)際線路上進(jìn)行高速列車經(jīng)過隧道時(shí)車內(nèi)外壓力對(duì)車體氣密性、車內(nèi)壓力波動(dòng)對(duì)人舒適性的影響及列車材料耐疲勞強(qiáng)度等的研究，不僅測試周期長、經(jīng)濟(jì)成本高，而且會(huì)影響列車正常的運(yùn)營。因此國內(nèi)中南大學(xué)王前選、梁習(xí)鋒團(tuán)隊(duì)搭建了車內(nèi)壓力波試驗(yàn)?zāi)M裝置，用于模擬加載列車通過隧道時(shí)車內(nèi)的壓力變化，研究壓力波動(dòng)與人耳舒適性的關(guān)系[3]。西南交通大學(xué)陳春俊團(tuán)隊(duì)搭建了隧道壓力波模擬加載系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以對(duì)一節(jié)實(shí)際列車車廂通過隧道工況時(shí)進(jìn)行車外壓力的地面模擬，因此能夠同時(shí)研究車外隧道壓力對(duì)車體氣密性、車內(nèi)壓力波動(dòng)對(duì)人舒適性的影響以及材料耐疲勞強(qiáng)度。

然而對(duì)于隧道壓力波模擬加載系統(tǒng)，其多罐體、大容積、調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)滯時(shí)間長以及加載的壓力波幅值大和變化劇烈等因素，帶來了壓力調(diào)節(jié)速度及精度的問題。方超等[4-5]針對(duì)此系統(tǒng)將時(shí)變遺忘因子應(yīng)用到開環(huán)PED學(xué)習(xí)律中，并與其他學(xué)習(xí)律迭代控制算法進(jìn)行了對(duì)比分析，證明其在密封箱體壓力控制上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和改善了動(dòng)態(tài)性能。但都是開環(huán)型控制，存在跟蹤速度慢、精度低等問題。文獻(xiàn)[6]針對(duì)氣動(dòng)加載系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)一種自抗擾控制器進(jìn)行非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)的壓力精確跟蹤控制，但此控制器需要依賴對(duì)象模型，對(duì)于無法建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)并不適用。文獻(xiàn)[7]針對(duì)雙容系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了參數(shù)自整定的模糊PID控制器，得到了良好的控制效果，但存在糊規(guī)則難以制定等問題。

本文針對(duì)隧道壓力波模擬加載系統(tǒng)，為提高其加載的快速性和精度，提出一種帶有時(shí)變遺忘因子的開閉環(huán)高階迭代學(xué)習(xí)控制算法，引入了閉環(huán)和多次誤差信息來提高控制系統(tǒng)的精度、收斂速度，并利用Simulink與AMESim聯(lián)合仿真平臺(tái)建立系統(tǒng)模型及仿真驗(yàn)證。

1 隧道壓力波模擬加載系統(tǒng)及模型建立

1.1 隧道壓力波模擬加載系統(tǒng)

高速列車壓力波模擬加載系統(tǒng)主要由鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、正負(fù)壓罐、密封箱體、氣動(dòng)蝶閥、管路、壓力傳感器及控制系統(tǒng)組成，通過對(duì)相應(yīng)閥門的控制，使密封箱體內(nèi)形成壓力波。壓力模擬加載系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

鼓風(fēng)機(jī)和真空泵作為氣源系統(tǒng)，分別對(duì)正負(fù)壓罐進(jìn)行充氣抽氣，使其壓力控制在預(yù)設(shè)壓力附近。之所以設(shè)立正負(fù)壓罐，是因?yàn)樗淼缐毫Σǖ姆挡▌?dòng)大、變化劇烈。要使系統(tǒng)能夠快速地跟蹤隧道壓力波，需要提高正壓罐的壓力，使其遠(yuǎn)超于隧道壓力波最大值;降低負(fù)壓罐內(nèi)壓力，使其遠(yuǎn)低于隧道壓力波最小值。之后通過控制閥門K2和K3對(duì)密封箱體進(jìn)行充氣抽氣，使整個(gè)系統(tǒng)能夠精確地跟蹤隧道壓力波。密封箱體用來放置一整節(jié)車廂，通過形成相應(yīng)的隧道壓力波來進(jìn)行車體的氣密性及材料耐疲勞強(qiáng)度等試驗(yàn)研究。

1.2 聯(lián)合仿真模型的建立

此系統(tǒng)是多容積相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，要建立精確的數(shù)學(xué)模型具有一定的難度，因此利用AMESim軟件提供的物理模型，搭建壓力模擬加載系統(tǒng)模型。同時(shí)利用Simulink在控制策略上的優(yōu)勢，建立系統(tǒng)的控制算法，并利用AMESim與Simulink提供的外部接口Co-simulation Interface將兩者結(jié)合起來進(jìn)行聯(lián)合仿真。壓力波模擬加載系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型如圖2所示。

由于密封箱體內(nèi)需要放入一節(jié)真實(shí)尺寸的試驗(yàn)車體，密封箱體設(shè)計(jì)的實(shí)際體積是4m×4.2m×30m，約為500m³;同時(shí)試驗(yàn)車體的真實(shí)體積約為250m³。因此在AMESim中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，其體積要減去試驗(yàn)車體體積。系統(tǒng)重要模型參數(shù)如表1所示。

2 迭代控制算法學(xué)習(xí)律研究

2.1 控制算法

本控制系統(tǒng)分為調(diào)節(jié)階段和加載階段。在調(diào)節(jié)階段進(jìn)行正負(fù)壓罐的充氣抽氣，使其內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)壓力;加載階段為密封箱體內(nèi)的隧道壓力波加載。

開始后，鼓風(fēng)機(jī)和真空泵對(duì)正負(fù)壓罐進(jìn)行充氣抽氣，通過控制閥門K1和K4使其穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值范圍;在加載階段通過控制閥門K2和K3的動(dòng)作對(duì)密封箱體進(jìn)行充氣抽氣，使其內(nèi)部形成隧道壓力波。因此閥門K2和K3的動(dòng)作和密封箱體內(nèi)的壓力變化會(huì)影響到正負(fù)壓罐內(nèi)的壓力，使其產(chǎn)生波動(dòng)，偏離預(yù)設(shè)值;同時(shí)正負(fù)壓罐內(nèi)的壓力波動(dòng)又會(huì)影響到密封箱體內(nèi)隧道壓力波加載的精度，因此形成多容積的耦合。壓力加載系統(tǒng)的控制流程圖如圖3所示。

在進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，此多容耦合系統(tǒng)需對(duì)車體進(jìn)行反復(fù)的隧道壓力波加載，具有重復(fù)性。因此采用PID型迭代學(xué)習(xí)控制算法，利用其逐步跟隨學(xué)習(xí)的特點(diǎn)和其解決非線性系統(tǒng)不需要精確的數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢，以及其控制簡單、有效的特點(diǎn)[8]。