高速列車部件風(fēng)速加載控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

閆中奎 李寧 張志強(qiáng) 李明 吳志豪

摘 要：隨著高速列車行駛速度的不斷提升，列車空氣動力學(xué)效應(yīng)越來越顯著。為在實驗室內(nèi)模擬列車在運(yùn)行過程中列車部件實測風(fēng)速，并研究分析風(fēng)速對列車部件振動、應(yīng)變以及疲勞強(qiáng)度的影響，結(jié)合迭代學(xué)習(xí)控制算法和模糊控制算法，設(shè)計并建立高速列車部件風(fēng)速加載控制系統(tǒng)，能夠在線自整定PID迭代學(xué)習(xí)率參數(shù)。采用LabVIEW軟件和NI-CompactRIO控制器對系統(tǒng)搭建以及控制算法的實現(xiàn)，同時能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)警以及系統(tǒng)在線監(jiān)測分析的功能，具有較好的經(jīng)濟(jì)價值和實用價值。

關(guān)鍵詞：高速列車；風(fēng)速加載；迭代學(xué)習(xí)控制；模糊控制；LabVIEW軟件

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.28.096

0 引言

隨著高速列車行駛速度的不斷提高，列車空氣動力學(xué)效應(yīng)也越來越顯著。在列車高速行駛過程中，列車內(nèi)外風(fēng)擋、車窗、裙板以及設(shè)備倉等部件所承受的風(fēng)速對其振動、應(yīng)變以及疲勞強(qiáng)度影響較大，為研究實測風(fēng)速對列車部件振動、應(yīng)變的影響，研究列車部件的疲勞壽命強(qiáng)度，在實驗室內(nèi)設(shè)計一套列車部件風(fēng)速加載控制系統(tǒng)用以還原并模擬列車實際線路運(yùn)行時部件所承受的風(fēng)速變化能夠節(jié)省大量的人力物力，是十分有必要的。

基于設(shè)計需求，搭建一套實測風(fēng)速模擬加載系統(tǒng)。考慮到本文研究的控制系統(tǒng)中的氣動管路彎頭的氣動阻力、氣動蝶閥的響應(yīng)延遲等影響，系統(tǒng)具有非線性、大時滯和多擾動等特點，設(shè)計并建立參數(shù)自整定的模糊迭代控制系統(tǒng)，利用LabVIEW軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)的搭建與功能實現(xiàn)。

1 風(fēng)速加載控制系統(tǒng)設(shè)計

風(fēng)速加載模擬控制系統(tǒng)主要包括氣源模塊、風(fēng)速加載模塊、控制模塊、異常報警模塊以及相關(guān)管路蝶閥等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

氣源模塊主要由鼓風(fēng)機(jī)、變頻器、正壓緩沖罐以及氣動蝶閥組成。在加載過程中，根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)量需求，能夠?qū)崟r地調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的工作頻率以及氣動蝶閥的開度。由于從風(fēng)機(jī)口出來的氣流均勻性較差、湍流現(xiàn)象嚴(yán)重，在風(fēng)機(jī)出口管道上安裝正壓緩沖罐，提高氣流的均勻性，同時正壓緩沖罐能夠提升氣流壓力，提高控制精度。風(fēng)速加載模塊主要由風(fēng)速活動管道以及風(fēng)速傳感器組成，風(fēng)速活動管道能夠根據(jù)被試件的固定位置和尺寸大小移動調(diào)整，便于安裝收納，通過布置在被試件的風(fēng)速傳感器實時地向控制器反饋實測風(fēng)速值。

在風(fēng)機(jī)出口處以及正壓緩沖罐內(nèi)安裝壓力傳感器，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸處安裝溫度傳感器，實時監(jiān)控壓力與溫度變化，當(dāng)壓力值與溫度超過限定值后，風(fēng)機(jī)就會空轉(zhuǎn)，氣動蝶閥全部打開使管路與外界空氣相通，達(dá)到泄壓保護(hù)的目的?？刂颇K是風(fēng)速加載系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)系統(tǒng)加載需求，通過設(shè)計的控制算法調(diào)整風(fēng)機(jī)工作頻率，從而調(diào)節(jié)空氣流速，進(jìn)而達(dá)到期望風(fēng)速加載的目的。

2 控制算法設(shè)計

2.1 控制算法選擇

高速列車部件風(fēng)速加載模擬控制系統(tǒng)具有非線性、時滯性等特點，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，同時加載過程具有周期重復(fù)性，選擇迭代學(xué)習(xí)控制算法是比較合適的。針對加載風(fēng)速參數(shù)的多樣性，控制參數(shù)不具有普遍性、統(tǒng)一性，無法適應(yīng)加載工況的變化，難以得到滿意的控制效果，所以選擇模糊控制算法對控制參數(shù)進(jìn)行實時自整定，建立模糊迭代控制系統(tǒng)。

2.1.1 迭代學(xué)習(xí)控制算法

迭代學(xué)習(xí)控制（ILC）針對具有重復(fù)運(yùn)動特性，并且精確數(shù)學(xué)模型難以建立的控制對象是十分合適的，可以在有限的時間內(nèi)對目標(biāo)完成跟蹤，能夠依據(jù)控制系統(tǒng)先前的控制經(jīng)驗對當(dāng)前的控制進(jìn)行不斷的調(diào)整修正，使得系統(tǒng)的實際輸出無限趨近于系統(tǒng)的期望量。迭代學(xué)習(xí)控制的算法流程圖如圖2所示。

如圖2所示，其中k為迭代次數(shù)，ydt為期望值，控制系統(tǒng)的輸出誤差ekt=ydt-ykt。迭代學(xué)習(xí)控制的流程就是把本次（k）迭代的控制輸入ukt賦予被控對象中，得到系統(tǒng)實際輸出量ykt，通過ykt與ydt作比較得出本次迭代的誤差量ekt，然后把誤差ekt輸入到迭代學(xué)習(xí)律uk+1（t）=uk（t）+L（ek（t），t）中，計算出下一次（k+1）迭代的被控系統(tǒng)的控制輸入量uk+1t，直到滿足迭代停止條件||ydt-ykt||<ε（ε為被控系統(tǒng)設(shè)計的允許跟蹤精度）或者滿足一定的最大迭代次數(shù)，迭代學(xué)習(xí)過程停止。

2.1.2 模糊控制算法

模糊控制算法主要由輸入量的模糊化、模糊推理、模糊控制規(guī)則以及解模糊化等組成。模糊控制算法結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

模糊化是把精確的實際輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量。在實際工程應(yīng)用當(dāng)中，由測控系統(tǒng)的實際測試量與系統(tǒng)設(shè)定期望值作比較得出偏差信號e，通常情況下選取偏差信號e以及偏差信號的變化率ee作為模糊控制系統(tǒng)的輸入量，模糊化的過程實質(zhì)上就是把輸入量e和ee轉(zhuǎn)化為模糊量E和EE。通過模糊規(guī)則庫以及數(shù)據(jù)庫依據(jù)模糊推理進(jìn)行模糊決策，從而得出輸出信號的模糊控制量，然后經(jīng)由解模糊得出精確的控制量，最后把控制量賦予控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而實現(xiàn)被控對象的模糊控制。

2.2 模糊迭代控制系統(tǒng)設(shè)計

模糊迭代控制系統(tǒng)的工作原理：以實際測量風(fēng)速與設(shè)定期望風(fēng)速的誤差e為迭代學(xué)習(xí)控制輸入，經(jīng)由PID迭代學(xué)習(xí)率得出迭代學(xué)習(xí)的控制輸出，并把控制輸出值賦予變頻風(fēng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)的工作頻率改變實際風(fēng)速值，使得實際風(fēng)速無限趨近于期望風(fēng)速；與此同時，把誤差e以及誤差變化率ee作為模糊控制的輸入量，通過模糊化、模糊推理以及解模糊處理，得出PID迭代學(xué)習(xí)率的參數(shù)kp、ki、kd，能夠滿足不同時刻下控制系統(tǒng)對學(xué)習(xí)率參數(shù)的需求。模糊迭代控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

風(fēng)速加載控制系統(tǒng)選用的迭代學(xué)習(xí)率為典型的開環(huán)PID型，即第k+1次的變頻風(fēng)機(jī)工作頻率等于第k次的風(fēng)機(jī)工作頻率加上第k次的系統(tǒng)誤差的PID校正項，如式1所示。

通過迭代學(xué)習(xí)控制算法與模糊控制算法相結(jié)合，既解決了被控對象精確數(shù)學(xué)模型難以建立的問題，又能夠?qū)崟r調(diào)整PID迭代學(xué)習(xí)率參數(shù)值，實現(xiàn)迭代學(xué)習(xí)率在線自整定，達(dá)到了快速、精確控制的目的，從而使得風(fēng)速加載控制系統(tǒng)具有良好的普遍性和統(tǒng)一性，能夠適用于不同風(fēng)速工況的加載。

3 功能實現(xiàn)

LabVIEW軟件擁有強(qiáng)大的圖形用戶界面，具有很好的實時性，能夠靈活的顯示采集到的數(shù)據(jù)、分析控制過程以及控制結(jié)果?；贚abVIEW強(qiáng)大的優(yōu)點，本文應(yīng)用LabVIEW軟件搭建高速列車部件風(fēng)速加載控制系統(tǒng)。同時，采用NI-CompactRIO控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制的功能。風(fēng)速加載控制系統(tǒng)控制界面如圖5所示。

由圖5可知，風(fēng)速加載控制系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示與存儲、系統(tǒng)加載狀態(tài)指示與預(yù)警以及系統(tǒng)監(jiān)測分析等。

NI-CompactRIO控制器能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量的輸入與輸出、數(shù)字量的輸出以及控制算法的編寫計算。通過模擬輸入模塊NI-9208對部件表面風(fēng)速、緩沖罐內(nèi)和風(fēng)機(jī)出口壓力以及風(fēng)機(jī)軸溫的采集，通過數(shù)字輸出模塊NI-9485對風(fēng)機(jī)的啟停進(jìn)行控制，通過模擬輸出模塊NI-9265對風(fēng)機(jī)工作頻率以及氣動蝶閥開度的調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。同時，NI-CompactRIO控制器通過以太網(wǎng)采用DataSocket通信方式與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，計算機(jī)實現(xiàn)人機(jī)界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與存儲，并向NI-CompactRIO控制器下達(dá)參數(shù)配置信息，NI-CompactRIO控制器主要進(jìn)行控制算法的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集以及控制量的下達(dá)，同時向計算機(jī)上傳數(shù)據(jù)。NI-CompactRIO控制器測控結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

上文所設(shè)計的模糊迭代控制算法主要在NI-CompactRIO控制器內(nèi)實現(xiàn)，通過NI-9208模塊實時采集風(fēng)速，經(jīng)由控制算法計算出控制量，即風(fēng)機(jī)工作頻率，并通過NI-9265模塊賦予風(fēng)機(jī)變頻器，經(jīng)過不斷的調(diào)節(jié)控制，從而使得實測風(fēng)速無限趨近于期望風(fēng)速，達(dá)到控制的目的，模糊迭代控制算法程序框圖如圖7所示。

為了避免緩沖罐和風(fēng)機(jī)口超壓、風(fēng)機(jī)軸溫過高帶來的危害，在系統(tǒng)加載過程中，對緩沖罐、風(fēng)機(jī)口壓力以及風(fēng)機(jī)軸溫進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，同時風(fēng)機(jī)會空轉(zhuǎn)、所有氣動蝶閥打開，與外界空氣相通泄壓，以確保實驗人員和系統(tǒng)設(shè)備的安全，系統(tǒng)異常報警模塊程序界面如圖8所示。

為了后續(xù)試驗分析，在系統(tǒng)加載過程中，可以針對有效數(shù)據(jù)選擇性存儲為TDMS文件，并且以試驗時間命名，方便查看，數(shù)據(jù)存儲程序框圖如圖9所示。

4 結(jié)束語

（1）為在實驗室內(nèi)模擬高速列車在實際運(yùn)行過程中部件所承受風(fēng)速對其振動、應(yīng)變以及疲勞壽命的影響，結(jié)合迭代學(xué)習(xí)控制算法和模糊控制算法，設(shè)計并搭建模糊迭代控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在線自整定PID迭代學(xué)習(xí)率參數(shù)。

（2）采用LabVIEW軟件和NI-CompactRIO控制器實現(xiàn)高速列車部件風(fēng)速加載控制系統(tǒng)的搭建與功能實現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)速的精準(zhǔn)控制，并包含數(shù)據(jù)的采集與存儲、系統(tǒng)異常狀態(tài)預(yù)警與指示以及在線監(jiān)測分析等功能。該系統(tǒng)能夠在實驗室內(nèi)模擬高速列車部件實測風(fēng)速并對其部件展開分析研究，節(jié)省大量的人力物力，具有較好的經(jīng)濟(jì)價值和實用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]田紅旗.中國高速軌道交通空氣動力學(xué)研究進(jìn)展及發(fā)展思考[J].中國工程科學(xué)，2015，17（04）：30-41.

[2]郗艷紅，毛軍，高亮，楊國偉，曲文強(qiáng).橫風(fēng)作用下高速列車安全運(yùn)行速度限值的研究[J].鐵道學(xué)報，2012，34（06）：8-14.

[3]牛紀(jì)強(qiáng)，梁習(xí)鋒，熊小慧，劉峰.車輛外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)對高速列車橫風(fēng)氣動性能影響[J].山東大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2016，46（02）：108-115.

[4]李廣全，劉志明，咼如兵，徐寧.高速列車齒輪箱應(yīng)力響應(yīng)與疲勞損傷評估[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2018，18（01）：79-88.

[5]方靜賽，戴煥云.高速動車組裙板振動疲勞特性研究[J].機(jī)械工程與自動化，2016（02）：24-26.

[6]于少娟，齊向東.吳聚華.迭代學(xué)習(xí)控制理論及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[7]郭豪，李寶慧，趙樹忠.基于模糊PID控制的步進(jìn)電機(jī)建模與仿真[J].機(jī)械工程與自動化，2018（02）：167-168.

[8]雷振山，肖成勇，魏麗，趙晨光 LabVIEW高級編程與虛擬儀器[M].北京：中國鐵道出版社，2013：70-92.