大型養路機械電氣系統控制方案研究

摘 要：本文旨在探索大型養路機械電氣系統的控制方案，以提高其效率和可靠性。研究采用理論分析與試驗驗證相結合的方法，通過對養路機械的電氣系統進行優化，提出了一種高效、穩定的控制方案。試驗結果表明，本文提出的控制方案在提高養路機械工作效率和穩定性方面具有顯著優勢，可促使各部件完成實時數據傳輸、協調以及信息交換目標，實現對養路機械的高效、精確控制。通過該研究，研究人員可以更好地了解并改進大型養路機械電氣系統，進一步提升道路養護工作效率。

關鍵詞：大型養路機械；控制系統；電氣系統；CAN總線

中圖分類號：U 216" " 文獻標志碼：A

現代鐵路具有高密度、高速度、大質量以及重型軌道結構特征，對鐵路養路的要求更高，其中大型養路機械具有重要作用，其電氣控制系統的組成、設計及作業原理與控制效果、總體效能存在密切聯系。目前，大型養路機械電氣系統大都具有模擬系統和一位機數字邏輯控制系統，難以滿足實際工作要求，需要使用現代集散式控制系統、CAN總線技術進行改進，進而設計新系統方案。

1 大型養路機械電氣系統問題分析

大型養路機械廣泛應用于鐵路養路施工和維護領域，由于廣泛應用自動化和機械化技術，因此其電氣控制系統能提高施工效率、降低人力成本并保障養路作業的質量和安全等，在進行養路工作過程中具有控制、監測和保護等功能，能確保施工和維護工作安全、高效并準確進行。然而，由于鐵路現代化程度、性能要求的不斷增加，大型養路機械的工作強度越來越大，再加上傳統電氣控制系統的自動化程度不夠高，無法提供足夠的安全保障，都使傳統模擬系統和單一位數控制系統難以滿足現代化工作中的實際要求。因此，大型養路機械需要搭配合適的先進電氣系統控制方案才能提高機械設備的競爭力。目前，大型養路機械電氣系統控制中主要存在控制策略和算法不足、先進的控制系統和傳感器技術應用力度不大等問題，如何實現自動化、智能化、高效化控制成為目前機械電氣系統控制的重點解決問題。

2 養路機械電氣系統設計思路

本文研究的思路如下。首先，明確養路機械的目標與任務，分析基于CAN網絡的電氣控制系統所需的功能和性能指標。其次，設計出總體方案，構建大型養路機械電氣系統控制方案的層次結構模型，明確各層次間的關系和指標體系。最后，參考相關行業標準和先進技術，設計出相應的硬件、軟件和大型養路機械電氣系統控制方案（如圖1所示）。

3 大型養路機械電氣系統控制方案

3.1 方案設計前期準備

3.1.1 項目概況

某公司負責一條總長2000km的國家鐵路線的養護工作，旗下擁有用于軌道維護的大型養路機械。由于該線路每天都有大量客運和貨運列車通行，對軌道的養護要求非常高。但公司使用的舊型養路機械已經無法滿足現代化的工作需求，亟需優化控制系統，并對大型養路機械電氣控制系統進行創新設計。

3.1.2 總體方案設計

3.1.2.1 硬件設計

在控制系統硬件組態設計中，需要根據大型養路機械特點、功能需求和技術選型結果等設計集散式控制系統的硬件架構。其間需要根據系統功能需求設計合適的數字量輸入、模擬量輸入和輸出板塊，確保硬件設計在信號穩定性、抗干擾能力、采樣頻率、精度、驅動能力等方面能更好地滿足電氣系統的控制要求。

3.1.2.2 軟件設計

針對大型養路機械的控制需求，本文選擇PID控制，同時考慮系統的動態響應、穩定性以及對各種不確定因素的適應能力，設計適合的控制算法。實際控制過程中會有來自傳感器的噪聲和干擾信號的影響，可以設計合適的數字濾波算法并進行參數調整和性能優化。同時，集散式控制系統匯總的各控制節點間通常需要進行數據傳輸和通信，應確定適當的通信速率，并充分考慮代碼的可靠性、可維護性和可擴展性，以確保系統在運行過程中能夠滿足實際工作需求。

3.2 案例分析

該公司為提升養路機械性能與效率，滿足日常軌道養護需求和發展需要，對大型養路機械電氣控制系統進行創新設計。

3.2.1 基于CAN的大型養路機械控制系統總體方案設計

大型養路機械電氣系統選擇集散式控制系統由n個顯示模塊和（x+y+z）個底層模塊組成，采用分散控制方式和CAN總線網絡結構。每個模塊都有特定的控制功能和職責，所有模塊都會連接到CAN總線上以實現數據通信，并根據不同現場狀況和需求進行配置、增減（如圖2所示）。

目前，CAN-BUS 是應用最廣的現場總線國際標準之一，模擬量輸入、數字量輸入和輸出的每個板塊中具均有一個CAN總線接口電路，用于整個網絡和各模塊的數據通信。CAN總線系統電路由DSP微控制器、CAN收發器以及高光電耦合隔離器3個部分構成，可以更好地實現各節點間的電氣隔離[1]。顯示模塊主要負責系統的協調和部分邏輯運算，任意一個顯示模塊都是獨立的個體，都可被設定為系統主機，自成一個系統，主機發生故障時能夠及時切換，確保系統的運算速度和正常運行。除此之外，顯示模塊還擁有工作數據輸入輸出、系統故障診斷、通信以及數據管理等主要功能，而在數據傳輸選擇中，采用CAN總線進行數據傳輸可以增強其抗干擾能力，保證系統的作業精度。

底層模塊主要負責模擬量、數字量輸入和輸出等具體動作，主要完成各種裝置、參數的驅動和采集，大都采用全封閉灌膠形態，能夠提高系統的電磁兼容性能和抗震性[2]。驅動裝置包括各種閥、繼電器和照明燈等，在底層模塊中主要服務于行車裝置和作業裝置的驅動。

3.2.2 控制系統硬件組態

3.2.2.1 數字量輸入

大型養路機械感應開關、行程開關較分散，單個數字模塊設計為16通道輸入，能同時采集16個輸入信號。在該模塊中，以DSP處理器的通用輸入、輸出接口CPIO作為輸入通道，通過計數器或定時器方式由DSP對信號進行頻率或周期的測量。在數字量輸入模塊中，采取光耦隔離、輸入保護等技術措施，防止外部錯誤信號輸入的同時還可以直接將輸入模塊的接線端子接至外部機械節點和電子數字傳感器上，將其快速轉換為CPU內部的信號電平。對于數量較多且相對集中的開關或按鈕輸入信號，應用鍵盤板進行信號輸入處理，并采用多個數字量輸入模塊采集。

3.2.2.2 模擬量輸入

大型養路機械的模擬量輸入信號相對分散，單個輸入模塊采用8通道，每通道采樣頻率可達250kbit/s。模擬量主要包括電位器輸入的施工參數、各種傳感器的反饋檢測信號，具體信號輸入范圍為-10V～+10V，在輸入范圍內絕對偏差＜5mV，電位器輸入的模擬量信號保證在-10V～+10V，可不做其他處理，直接送至模擬量輸入模塊通道[3]。此外，為保證模擬量輸入效果和具體信號的精確度，需要根據信號數量和分布情況確定合理的模塊數量和安裝位置。

3.2.2.3 數字量輸出板塊

大型養路機械電氣控制系統有大量的開關量輸出，負責將控制信號轉換為執行機構所需的電信號，以對機械設備各執行機構進行精確控制（如圖3所示）。

數字量輸出使用繼電器、固態繼電器或開關型晶體管等器件實現，使用時需要根據電流、電壓的負載能力、壽命和響應速度等因素選擇合適的輸出設備。數字量輸出接口標準有TTL、RS-485等，在此階段還應注意輸出信號的電氣隔離和保護，才能確保安全性和可靠性。模擬量輸出控制精度要求非常高，需要輸出的開關量和模擬量的比例基本接近，甚至超過10∶1，通常使用電壓信號或模擬電流信號進行控制，可精確控制低壓執行機構。選擇輸出設備時，根據實際需求和執行機構的電氣屬性，選擇數字模擬轉換器或可調電源。

3.2.3 大型養路機械電氣控制系統軟件

3.2.3.1 控制算法

在大型養路機械中，模擬量控制主要是對鐵路軌道的幾何參數進行控制。由于系統采用集散式控制，因此在系統不同板塊中，模擬量控制分別通過CAN網絡構成回路并形成閉環。目前最常用的是PID反饋控制算法。該算法根據每個采樣時刻的系統誤差，利用比例、積分和微分進行計算，得到相應的控制量，從而實現對系統的精確控制。在離散的PID控制器中，積分項采用累加求和的近似方法實現，如公式（1）所示。

（1）

式中：∫表示誤差的積分項；e（t）表示當前時刻的誤差；dt表示時間微元；e（i）表示誤差的累積量；T表示采樣周期；k表示采樣序號。

使用一階差分，逼近表示微分操作，如公式（2）所示。

（2）

式中：e（k）代表離散時間下的誤差或偏差，系統在第k次采樣時刻偏差值為K=0，1，2，...e（k），系統在第（k-1）次采樣時刻的偏差值為e（k-1）。

（3）

式中：TD為微分時間；u代表控制信號或輸出量；KP代表比例增益；de代表誤差的變化率；u0代表初始控制輸出或初始控制信號。

公式（1）代表離散系統中的比例，公式（2）代表積分部分的計算公式，通過將公式（1）和公式（2）代入公式（3），即可得到離散的PID表達式，分別如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：KP為比例增益；Ki為積分系數；KD為微分系數。

擇優公式（6）

（6）

根據公式（6），過去狀態與每次輸出間存在緊密聯系。如果要計算當前時刻的控制量u（k），不僅要考慮上一時刻的誤差e（k-1）和更早時刻的誤差e（k-2），還必須將歷次誤差相加，才能更好地反映系統的整體性能和動態特性，實現更精確的控制。

k-1采樣時，如公式（7）所示。

（7）

公式（6）與公式（7）相減，即可得到PID控制的計算式，如公式（8）所示。

（8）

式中：。

確定計算式后，對PID參數進行介紹。PID參數包括3個系數，即比例增益KP、積分時間常數Ti和微分時間常數Td。

調試比例增益時，將PID的Ti和Td都設為0，使其成為純比例調節。調整PID參數時，逐漸增加比例增益KP的值，并對震蕩現象進行實時觀察。再記錄特定時間的KP值，并將PID的KP設定為當前值的50%左右，即可完成比例增益的調整。在此期間，應根據偏差大小產生一個與偏差成正比的輸出，用于直接減少偏差，取得最佳的控制效果。

進行PID控制調試時，一般先確定KP，然后對Ti進行調試，調試全過程步驟如下。1）初始設置積分時間常數Ti時，選取較大數值。2）觀察系統反應，如果系統響應過慢或出現超調現象，說明Ti設置過大。3）逐漸降低Ti數值，重新觀察系統反應，直到系統出現振蕩現象。4）當系統出現振蕩現象時，停止減少Ti數值。5）在振蕩臨界點附近微調Ti數值，取得理想控制效果時進行記錄，并將PID的Ti設定為當前值的160%左右，即完成積分時間常數Ti調試。

微分時間常數Td通常設為0，針對特定的軌道交通工作或連續式作業的搗固車，可根據實際需求進行調試，方法與調試KP和Ti相同，而PID的Td取值區間需要小于不振蕩時的30%。

確定KP、Ti和Td后，便可根據計算公式計算出PID控制器中a0、a1和a2的具體數值。然后在數字量輸出模塊的參數設置界面進行相應配置，并將這些參數發送給底層模塊最后根據現場使用比例閥和液壓系統的實際情況，微調系數a0、a1和a2，并保存調整后的數值，即可完成算法控制。

3.2.3.2 數字濾波

在大型養路機械電氣控制系統軟件中，數字濾波屬于信號處理技術，用以提取傳感器采集的有效信號，同時抑制不需要的噪聲，提高信號質量與可靠性。對于微機控制系統，使用數字濾波技術并改進數字PID控制算式，也能達到改善控制性能、提高控制精度的目的。對于出現的周期干擾、隨機脈沖干擾等信號干擾形式，系統會根據可用的CPU資源、干擾程度與形式、信號特性選擇適當的濾波方法，有效去除干擾，保留有效信號，其中中位值濾波法較常用。

中位值濾波法為連續對n個數據進行采樣，將采樣信號按序排列，去掉最大值、最小值，計算（n-2）個數據平均值，將其作為有效值和濾波結果[4]。該方法能夠有效去除脈沖噪聲，消除因脈沖干擾引起的采樣值偏差和誤差。在實際運用中，由于作業裝置運動速度較快，對實時性要求較高，讀取數據時主要采用DSP中斷服務函數，模擬量輸入模塊需要在A/D轉換芯片完成后在10ms內迅速完成5次以上的數據轉換，并進行采樣數據讀取。為保證其實時性，一般需要連續采樣5次，并對其進行濾波。此外，為避免顯示界面值受到干擾，出現閃爍情況，影響系統作業，需要對采集信號采用“多次表決法”進行濾波，即連續采樣10次，如果有8次以上顯示為1，該信號為1，否則就為0。經過濾波后，再發送給顯示模塊，便能有效規避干擾。

3.2.3.3 通信速率確定

速率確定需要用到CAN總線數據格式。

CAN總線規范包括標準幀、擴展幀2種數據格式，其中CAN總線消息由如圖4所示的4個部分組成。

仲裁區包括11位或29位標識符，用于識別消息，定義優先級。數據區用于承載消息的實際數據，長度區間為0～64位。此外，數據區中還存儲了要傳輸的有效數據，例如傳感器信息、控制指令。CRC校驗區用于檢測數據傳輸過程中是否發生了錯誤的冗余校驗碼，包括循環冗余校驗位。CAN總線使用循環校驗算法對數據區進行計算，并將結果存放于CRC校驗區。幀結束區用于標識一幀消息的結束，是一個以高電平開始并持續至總線空閑狀態的時間段，可以為其他節點發送數據信息提供便利。這些部分共同構成了CAN總線消息，可以保證數據的可靠傳輸和通信、控制系統的正常運行。

在速率確定階段，大型養路機械電氣控制系統通常對實時性有較高要求，需要明確通信需求、評估通信帶寬限制，同時考慮實時性和延遲要求，并進行測試和驗證，以保證數據傳輸效率和系統性能。

在模擬量輸入模塊控制數據域中主要包括8個通道的采樣值和模塊工作狀態數據，采用14位采樣，通道采樣數據每10ms發送一次，模塊工作狀態數據實時性要求低，每1s發送一次[5]。在數字量輸入模塊中，其控制數據域包括16個通道的采樣值和模塊工作狀態數據，以2個字節形式發送，頻率量分2個字節進行發送，具體頻率、時間與模擬量輸入模塊相同。在數字量輸出模塊中，其控制數據域主要包括8個通道的輸出值和模塊工作狀態數據，分8個字節一次性發送，狀態數據作為第2幀發送，數據實時性要求低，每1s發送一次。據相關計算與數據顯示，在大型養路機械的控制系統中，800kbit/s的傳輸速率十分可靠，誤碼率也比較低，可以滿足系統和作業要求。

4 結論

由于舊型養路機械因技術落后、工作效率較低且能源消耗較多，難以滿足現代化軌道養護需要，因此常規的電氣控制系統不能滿足現代軌道養護的實際需求。本文通過研究大型養路機械電氣控制系統方案，驗證了模塊化計算機網絡技術和CAN總線的重要作用，提出了符合“分而自治，綜合協調”設計原則的大型養路機械電氣系統控制方案，主要研究內容和結論如下。1）介紹大型養路機械電氣控制系統創新設計要點，提出具體的設計要求和優勢作用。2）介紹了大型養路機械控制系統總體方案設計，并分析了顯示模塊與底層模塊的合理配置與作用，使其能夠更好地服務控制，滿足現代化養護工作需求。3）分析了控制系統硬件組態設計中數字量輸入、模擬量輸入、數字量輸出板塊的合理規劃與設計。針對新型電氣控制系統的性能，需要保證其兼容性和一致性，才能提高控制系統的可靠性和響應能力，實現精確控制。4）介紹了大型養路機械電氣控制系統軟件設計中的控制算法、數字濾波、通信速率以及實際運算、公式的應用。詳細解釋了PID控制的計算式、數字濾波的使用方式以及CAN總線消息的具體構成/性能作用，能夠確保系統具有良好的控制性能、抗干擾能力和實時性，滿足企業、用戶需求，達到大規模養護的預期目標，并為大型養路機械的信息化發展奠定基礎。

參考文獻

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