機(jī)車踏面單元制動(dòng)器的容積補(bǔ)償控制及仿真研究

唐山學(xué)院智能與信息工程學(xué)院 成鳳敏

針對(duì)踏面單元制動(dòng)器的氣密性進(jìn)行容積補(bǔ)償和模糊PID控制，運(yùn)用MATLAB的Simulink模塊對(duì)模糊PID控制器進(jìn)行優(yōu)化，并建立制動(dòng)器數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)踏面制動(dòng)器制動(dòng)過程的仿真分析和參數(shù)調(diào)整，使得系統(tǒng)的檢測(cè)性能更加穩(wěn)定。

伴隨城市軌道交通的迅猛發(fā)展和高速列車速度的提高，對(duì)列車停車準(zhǔn)確度的要求更加嚴(yán)格，因而對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)也提出了更嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)車踏面單元制動(dòng)器是車輪踏面制動(dòng)的基礎(chǔ)裝置，以壓縮空氣為動(dòng)力源，作為機(jī)車制動(dòng)的終端實(shí)施裝置，為機(jī)車的行駛提供了安全保障。本文首先對(duì)某公司踏面制動(dòng)器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的氣路控制進(jìn)行了容積補(bǔ)償改進(jìn)，然后在MATLAB軟件的Simulink模塊中建立優(yōu)化模糊PID仿真并分析測(cè)試結(jié)果，并為實(shí)際的制動(dòng)控制提供一定理論依據(jù)。

1 系統(tǒng)氣路的改進(jìn)

1.1 踏面制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)氣路控制

制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)控制部分有氣動(dòng)和電氣控制兩部分構(gòu)成，用來操縱被測(cè)制動(dòng)器的制動(dòng)和緩解，調(diào)節(jié)并預(yù)先設(shè)置三種制動(dòng)時(shí)壓縮空氣的壓力，觀察制動(dòng)缸的氣密性、閘瓦位置，并顯示閘瓦位移量和制動(dòng)力的數(shù)值。主要針對(duì)制動(dòng)時(shí)的閘瓦壓力、閘缸的密封性、閘瓦間隙的自動(dòng)調(diào)節(jié)等性能進(jìn)行測(cè)試。原試驗(yàn)臺(tái)氣路控制及測(cè)量如圖1所示，壓力表Y60ZT顯示風(fēng)源壓力，三個(gè)氣壓調(diào)壓器用于調(diào)定試驗(yàn)時(shí)的充風(fēng)壓力，包括低壓、中壓和高壓充風(fēng)。電磁閥（1DT、2DT、3DT、5DT、6DT、7DT）用于閘缸的充氣、排氣。

圖1 原氣路控制及測(cè)量原理圖

1.2 氣路改進(jìn)及容積補(bǔ)償裝置原理

為了實(shí)現(xiàn)容積補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)控制，在原氣路控制及測(cè)量原理圖中增加容積補(bǔ)償裝置，如圖2所示。裝置包括補(bǔ)償用的氣缸C2、位移傳感器S2及推進(jìn)補(bǔ)償氣缸的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)M。在檢測(cè)過程中，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到壓差已超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值時(shí)，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償氣缸對(duì)測(cè)試件進(jìn)行容積補(bǔ)償，從而改變補(bǔ)償氣缸一側(cè)的氣路壓力，以重新恢復(fù)壓力平衡狀態(tài)。由于一直被施以容積補(bǔ)償作用，被測(cè)件內(nèi)的壓力始終維持在初始檢測(cè)壓力附近一個(gè)很小的波動(dòng)范圍內(nèi)，使被測(cè)件的泄漏量跟時(shí)間基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系，由此通過測(cè)量泄漏總量和測(cè)試時(shí)間來計(jì)算平均泄漏率，此方法可提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性并縮短檢測(cè)時(shí)間。

圖2 容積補(bǔ)償裝置

2 優(yōu)化模糊PID控制建模

利用Matlab軟件中的Simulink進(jìn)行圖形化建模環(huán)境，建立氣缸補(bǔ)償系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。優(yōu)化后的模糊PID控制器在simulink中的單位階躍響應(yīng)仿真模型如圖3所示。其中KdFcn模塊為Kd的計(jì)算函數(shù)，即；Tf Fcn模塊為濾波系數(shù)Tf的計(jì)算函數(shù)，即。

圖3 優(yōu)化后的模糊PID控制器在simulink中的單位階躍響應(yīng)仿真模型

選取對(duì)象模型為：

對(duì)象模型選取為典型工業(yè)過程的簡(jiǎn)化模型。模糊PID控制器的參數(shù)設(shè)置為量化因子Ke’=3.00，Kec’=4.29，比例因子為Kp’=0.93，積分因子Ki’=0.17，微分因子Kd’=0.27，初始PID增益參數(shù)為Kp1=2.5，Ki1=1.55，Kd0=2.15。優(yōu)化后的模糊PID控制器的量化因子Ke’=3.00，Kec’=4.29，比例因子為Kp’=0.93，積分因子Ki’=0.17，自設(shè)定權(quán)值Kβ’=1.4，初始PID增益參數(shù)為Kp0=0.15，Ki0=1.55，a=35，初始化設(shè)定值權(quán)值為β0=0.52。

3 仿真結(jié)果分析

通過圖4，對(duì)比常規(guī)模糊PID控制與優(yōu)化后的模糊PID控制的模擬仿真結(jié)果可以看出：與常規(guī)的模糊PID控制器對(duì)比，調(diào)整參數(shù)優(yōu)化后的模糊PID控制器在調(diào)節(jié)階段中，上升時(shí)間有所增加，超調(diào)量和銜接階段調(diào)整時(shí)間都明顯降低，系統(tǒng)的振蕩也顯著減小，說明整體的調(diào)節(jié)效果和穩(wěn)定性有明顯改善。在維持原有性能參數(shù)優(yōu)良性的基礎(chǔ)上，通過引進(jìn)自適應(yīng)預(yù)設(shè)值權(quán)值的模糊PID控制器對(duì)超調(diào)量σ%的降低效果更加顯著。

圖4 常規(guī)模糊PID控制與優(yōu)化后模糊PID控制的效果比較圖

4 試驗(yàn)過程

按壓〔1制動(dòng)試驗(yàn)〕鍵，系統(tǒng)自動(dòng)完成測(cè)試。設(shè)備動(dòng)作為高壓充風(fēng)緩解后，排氣制動(dòng)，6DT得電充風(fēng)一個(gè)循環(huán)時(shí)間和延時(shí)常量（5s）后，7DT得電排氣使風(fēng)壓為0，循環(huán)數(shù)次，試驗(yàn)完成。按壓〔2手動(dòng)緩解〕鍵，設(shè)備動(dòng)作為高壓充風(fēng)緩解后，排氣制動(dòng)。6DT得電充風(fēng)一個(gè)循環(huán)時(shí)間和延時(shí)常量（5s）后，7DT得電排氣使風(fēng)壓為0，彈簧缸制動(dòng)，拉動(dòng)手動(dòng)緩解裝置，制動(dòng)器應(yīng)緩解。循環(huán)數(shù)次，試驗(yàn)完成。按壓〔3泄漏試驗(yàn)〕鍵，設(shè)備動(dòng)作為高壓充風(fēng)緩解后保壓，排氣制動(dòng)。6DT得電充風(fēng)至600kPa，可根據(jù)工藝調(diào)整面板上的調(diào)壓器得到所需的壓力，穩(wěn)壓5s后，開始保壓至設(shè)定時(shí)間（3min左右），7DT得電排氣使簧缸風(fēng)壓為0，試驗(yàn)結(jié)束。界面顯示：閘缸風(fēng)壓、簧缸風(fēng)壓、制動(dòng)壓力、閘瓦間隙等，如圖5所示。

圖5 簧缸試驗(yàn)測(cè)試界面

結(jié)論：通過對(duì)機(jī)車踏面制動(dòng)器的氣路控制改進(jìn)完善和優(yōu)化后的模糊PID控制仿真模型的建立，并在制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化PID可提高泄漏量檢測(cè)的準(zhǔn)確性，并實(shí)現(xiàn)更精確的制動(dòng)控制。