基于RCP的動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)電空轉(zhuǎn)換單元控制仿真研究＊

劉寅虎，魯進(jìn)軍，楊正專（南京浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司，江蘇南京211800）

近年來(lái)，隨著我國(guó)列車(chē)的不斷提速，制動(dòng)系統(tǒng)面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)核心部件之一的電空轉(zhuǎn)換（Electro-Pneumatic conversion，簡(jiǎn)稱EP）單元，主要采用開(kāi)環(huán)控制的線性比例電空閥，或由1個(gè)壓力傳感器、2個(gè)高速開(kāi)關(guān)電磁閥（以下簡(jiǎn)稱電磁閥）組成的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)；這兩種EP單元中，后者更引人關(guān)注，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，抗介質(zhì)污染能力強(qiáng)，可靠性高［1］，但這種EP單元對(duì)控制策略要求較高，控制策略的優(yōu)劣直接關(guān)系到制動(dòng)系統(tǒng)所施加制動(dòng)力的建立速度、精度以及電磁閥的使用壽命。

在傳統(tǒng)的控制策略開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要反復(fù)地進(jìn)行控制策略的代碼編寫(xiě)和調(diào)試，這種方法會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、可靠性差，不能滿足當(dāng)前對(duì)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的快速、穩(wěn)定性要求。為了避免該弊端，國(guó)外汽車(chē)行業(yè)普遍采用快速控制原型（Rapid Control Prototype，簡(jiǎn)稱RCP）技術(shù)，該技術(shù)能夠在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的初期階段，快速地建立控制器模型，并在同一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)上基于該控制器對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行離線和在線的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證控制系統(tǒng)方案的可行性［2-3］，并已在國(guó)內(nèi)汽車(chē)的ABS、DCT和ASR等［4-6］控制系統(tǒng)研發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。

本文針對(duì)由兩電磁閥、壓力傳感器組成的EP單元，分析影響電磁閥控制的因素，采用快速控制原型設(shè)計(jì)方法，研究其控制策略，并在基于MicroAutoBox的半實(shí)物仿真平臺(tái)上對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。

1 EP單元

EP單元的控制策略程序代碼集成在單片機(jī)控制單元里，其被控對(duì)象是容積室，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是制動(dòng)電磁閥（AV）和緩解電磁閥（RV），安裝在容積室上的壓力傳感器與它們構(gòu)成了一個(gè)閉合控制回路。其工作原理如圖1所示，單片機(jī)閉環(huán)控制兩個(gè)高速開(kāi)關(guān)閥，通過(guò)制動(dòng)電磁閥對(duì)容積室充氣或緩解電磁閥對(duì)容積室排氣的控制，使容積室壓力迅速達(dá)到目標(biāo)值，并保壓以維持目標(biāo)壓力，作為中繼閥的先導(dǎo)壓力，再由中繼閥進(jìn)行流量放大，控制制動(dòng)缸的壓力。

圖1 EP單元工作原理示意圖

為滿足動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)性能，要求EP單元的反應(yīng)速度快，并且抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好，制動(dòng)和緩解作用時(shí)，容積室內(nèi)的壓力準(zhǔn)確穩(wěn)定，另外，為了保證安全，要求控制過(guò)程中任何時(shí)刻最多只有一個(gè)電磁閥在動(dòng)作。

2 閥的驅(qū)動(dòng)方式

電磁閥可采用脈沖流量控制方式，閥根據(jù)一系列脈沖電壓信號(hào)進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，脈沖電壓信號(hào)可通過(guò)開(kāi)關(guān)量或脈寬調(diào)制（PWM）方法產(chǎn)生。

由于閉環(huán)控制系統(tǒng)具有滯后性，采用開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)電磁閥時(shí)，受硬件資源的制約，控制周期不能太短，否則會(huì)導(dǎo)致容積室出現(xiàn)氣壓過(guò)充或過(guò)排現(xiàn)象，其控制結(jié)果如圖2所示，壓力到達(dá)目標(biāo)值時(shí)，出現(xiàn)大幅度的振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)難以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

為了使電磁閥能夠?qū)θ莘e室進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)，并避免產(chǎn)生上述不穩(wěn)定現(xiàn)象，本文選用脈寬調(diào)制的控制方法，將PWM信號(hào)作為電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其控制示意圖如圖3所示，輸入信號(hào)u經(jīng)調(diào)節(jié)器模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊產(chǎn)生電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)兩電磁閥。

圖2 開(kāi)關(guān)量控制EP單元的測(cè)試結(jié)果

圖3 PWM控制電磁閥的示意圖

3 控制策略

針對(duì)電磁閥的PWM控制方法而言，EP單元中以下幾個(gè)因素會(huì)對(duì)閥的控制精度產(chǎn)生不良影響：

（1）電磁閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生氣流的脈動(dòng)，影響壓力的控制精度。

（2）壓力傳感器存在測(cè)量誤差，同時(shí)由于氣流的負(fù)壓效應(yīng)使壓力傳感器的測(cè)量值與容積室的實(shí)際壓力有偏差。

（3）電磁閥的開(kāi)關(guān)響應(yīng)滯后特性，會(huì)形成零位死區(qū)。電磁閥是感性負(fù)載，電感線圈的電流滯后于電壓，同時(shí)閥門(mén)的開(kāi)、關(guān)動(dòng)作是機(jī)械動(dòng)作，有一定的行程，完成閥門(mén)的開(kāi)、關(guān)動(dòng)作，需要一定的時(shí)間。

（4）由于閥的非線性，容積室中充、排氣的速率是非線性變化的。

在工程控制中，應(yīng)用較為廣泛的調(diào)節(jié)器為PID控制，即比例（proportional）、積分（integral）、微分（differential），但由于EP單元存在上述特點(diǎn)，需要對(duì)傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行優(yōu)化。

傳統(tǒng)離散化的PID算法表達(dá)式為：

其中p（k）為第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出；E（k）為第k次采樣的偏差值；E（k-1）為第（k-1）次采樣時(shí)的偏差值；KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)。

由于電磁閥的開(kāi)關(guān)存在響應(yīng)滯后，采用PWM控制時(shí)，PWM的占空比在一定的范圍內(nèi)，閥不動(dòng)作，容積室內(nèi)的壓力不變，若采用傳統(tǒng)的PID控制，不進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償，會(huì)降低調(diào)節(jié)器系數(shù)的作用速度，因此，在比例系數(shù)上增加死區(qū)補(bǔ)償pCMP，比例部分的表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器存在積分飽和的問(wèn)題，會(huì)引起大幅度的超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，消除這種積分飽和的關(guān)鍵在于積分項(xiàng)不能過(guò)大，常用的方法有積分分離法，遇限消弱積分法和變速積分法等［7］，這里采用遇限消弱積分PID控制算法，其思想是當(dāng)控制進(jìn)入飽和區(qū)pI-MAX后，不再對(duì)積分項(xiàng)進(jìn)行累加，只執(zhí)行消弱積分運(yùn)算，這樣就可避免系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間停留在飽和區(qū)。

同時(shí)，氣流的負(fù)壓效應(yīng)也會(huì)影響EP單元的控制精度，導(dǎo)致壓力傳感器的測(cè)量壓力與容積室壓力存在偏差；另一方面由于該系統(tǒng)為閉環(huán)控制的滯后系統(tǒng)，若在檢測(cè)壓力達(dá)到目標(biāo)壓力時(shí)再關(guān)閉電磁閥，就會(huì)引起容積室的氣體過(guò)充或過(guò)排；因此需要在容積室壓力達(dá)到目標(biāo)壓力之前，提前減小閥的流量，當(dāng)實(shí)際壓力與參考?jí)毫Φ慕^對(duì)偏差小于A時(shí)，積分和微分停止使用，只有比例控制起作用，這樣就可以通過(guò)減小占空比的方法來(lái)防止負(fù)壓效應(yīng)對(duì)控制的影響，也可避免積分和微分給系統(tǒng)帶來(lái)超調(diào)或振蕩。改進(jìn)后的PID原理框圖如圖4所示，其中M（k）表示目標(biāo)壓力，R（k）為容積室的實(shí)測(cè)壓力。

根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)EP單元控制的其他要求?？刂撇呗灾?，還需要增加壓力傳感器濾波、防充擊控制及其他保護(hù)功能。

4 RCP仿真及結(jié)果分析

為了縮短控制策略的開(kāi)發(fā)周期，EP單元的控制策略設(shè)計(jì)采用RCP方法，先用Matlab／Simulink建立EP單元的控制策略模型，并從RTI庫(kù)中選擇實(shí)時(shí)測(cè)試所需的接口模塊；再利用RTW，將模型自動(dòng)生成代碼并下載到半實(shí)物仿真平臺(tái)中；最后利用測(cè)試軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控模型關(guān)鍵參數(shù)，并優(yōu)化控制策略。

4.1 半實(shí)物仿真平臺(tái)

本文選用基于MicroAutoBox的半實(shí)物仿真平臺(tái)，它是一套基于MATLAB／Simulink的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了與MATLAB／Simulink／RTW的完全無(wú)縫連接，其處理器具有高速的計(jì)算能力，并配備了豐富的I／O支持，軟件環(huán)境的功能也強(qiáng)大且使用方便，包括實(shí)時(shí)代碼的生成和下載軟件RTI（Real-Time Interface），測(cè)試軟件 ControlDesk、自動(dòng)試驗(yàn)及參數(shù)調(diào)整軟件MLIB／MTRACE等。

圖4 改進(jìn)的PID原理框圖

4.2 控制策略驗(yàn)證

用RCP方法開(kāi)發(fā)EP單元的控制策略時(shí)，首先運(yùn)用Matlab／Simulink／Stateflow搭建EP單元的控制模型，如圖5所示，press＿obj為容積室的目標(biāo)壓力，EP＿control＿model為EP單元的控制模型，AV＿duty為制動(dòng)電磁閥PWM占空比，RV＿duty為緩解電磁閥PWM占空比，AV＿period為制動(dòng)電磁閥PWM周期，RV＿period為緩解電磁閥PWM周期，并分別選擇RTI庫(kù)中的 ADC＿TYPE1＿M(jìn)1＿CON1、DIO＿TYPE1＿PWM＿VP＿M(jìn)1＿C1和DIO＿TYPE1＿PWM＿VP＿M(jìn)1＿C2模塊為壓力傳感器、制動(dòng)電磁閥和緩解電磁閥的接口。

圖5 EP單元控制模型

控制模型經(jīng)過(guò)離線仿真后，運(yùn)用Matlab中的RTW將模型自動(dòng)生成代碼并下載到MicroAutoBox中，通過(guò)ControlDesk測(cè)試軟件采集容積室壓力，ControlDesk的界面如圖6所示，可在界面上監(jiān)控和優(yōu)化控制模型中的關(guān)鍵參數(shù)。

圖6 ControlDesk軟件界面

4.3 仿真結(jié)果

EP單元的控制模型優(yōu)化定型后，針對(duì)動(dòng)車(chē)組在制動(dòng)過(guò)程中常出現(xiàn)的一些工況，對(duì)EP單元進(jìn)行仿真測(cè)試。

控制低壓輸出時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，設(shè)置容積室的目標(biāo)壓力為30kPa，容積室的壓力能很快達(dá)到目標(biāo)壓力，且過(guò)充小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，壓力穩(wěn)態(tài)精度高，下降時(shí)也能快速反應(yīng)。

圖7 控制低壓輸出測(cè)試結(jié)果

控制高壓輸出時(shí)，設(shè)定容積室的目標(biāo)壓力為600 kPa，如圖8所示，制動(dòng)和緩解時(shí)，容積室壓力反應(yīng)速度快，壓力準(zhǔn)確穩(wěn)定，且無(wú)明顯的過(guò)充過(guò)排現(xiàn)象。

圖8 控制高壓輸出測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試該控制策略能否滿足容積室目標(biāo)壓力小幅度變化的要求，進(jìn)行了靈敏度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示，目標(biāo)壓力階梯式小幅度變化，容積室壓力能夠快速地伴隨著目標(biāo)壓力的變化而變化，且壓力控制精度高。

圖9 靈敏度測(cè)試結(jié)果

仿真測(cè)試還模擬了不同制動(dòng)級(jí)位轉(zhuǎn)換時(shí)，輸出壓力的分段跟蹤控制，從圖10中可看出，分段控制的效果良好，完全能夠滿足動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的要求。

圖10 分段控制測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

仿真測(cè)試結(jié)果表明，由兩個(gè)電磁閥、壓力傳感器組成的EP單元；運(yùn)用PWM控制時(shí)，驅(qū)動(dòng)響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，避免壓力的過(guò)充過(guò)排，并可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化；采用本文提出的改進(jìn)PID控制算法，各種工況下，均能保證EP單元的轉(zhuǎn)換精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性；同時(shí)采用RCP設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠有效地縮短制動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，提高開(kāi)發(fā)進(jìn)度和開(kāi)發(fā)質(zhì)量，為整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了行之有效的方法。

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