基于高速开关阀的均衡风缸压力精确控制研究.pdf

第 1期 总 第 1 8 2期 2 0 1 4年 O 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NE ERI NG ． AU r OMA F I ON No ． 1 F e b ． 文章编号 l 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 4 0 1 0 1 7 0 0 3 基于高速开关阀的均衡风缸压力精确控制研究 周 劲 ，王俊 勇 西南交通大学 机械工程学院， 四川 1 成都 6 1 0 0 3 1 摘要 首先从高速开关 阀的数学模型入手 ．建立 了均衡风缸压 力的控制 系统 ．然 后设计 了该 系统的两种控制 策 略 常规 P I D控制 、模糊 P I D控制。运用 AME s i m 与 S i mu l i n k联 合仿真 ，对 两种控制策 略进 行 了分析 比较 ，最终选择模糊 P I D控制策略 ．完成均衡风缸压力的精确控制。 关键词 均衡凤缸 ；压力控制 ；P I D；模 糊控 制；仿真 中图分类号 U2 6 O ． 3 5 l T P 3 9 1 ． 9 文献标识码 A 0 引言 随着列车牵引重量与运行速度的提高 ， 鉴于安全 与乘坐舒适度的考虑， 对列车制动系统提 出了越来越 高的要求 。现有 的制 动机如 D K l与 J Z - 7已不能满 足某些重载机车对制动机的要求， 如和谐型电力机车。 其中一个重要的原因就是现有的制动机不能满足新型 机车的制动系统对均衡风缸压力的精确控制及无线重 联各机车均衡风缸压力一致性的要求。本文运用高速 开关阀建立一套均衡风缸压力精确控制系统 ， 设计其 控制算法 ， 并进行仿真， 达到了设计的预期要求。 l 高速开关阀的数学模型 高 速 开关 阀 其 实 质 为 一 个 常 闭 型 二 位 二 通 电 磁 阀 。高 速 开关 阀的数 学模 型 包含 电路 、 磁 路 、 机械 和气 动等 4个子系统 。 由基 尔霍夫 电压 定律 KVL 可知 ， 当电 磁线 圈得 电时 ￡ --R i -- L半一 i 一o． 1 0￡ Q 当 电磁线 圈失 电时 一 L Td i i 华一R f ----0． 2 0r a 其 中 s为线 圈驱动 电压 ； 为 流经 回路 的 电流 ； R 为 电 回路中的电阻； ， 为二极管导通电压； L为电感系数 ； ， 为时 间 。 当电路子系统 中产生的 电流 i 流经电磁线圈时， 线圈附近会产生一个磁场， 从而产生吸力 F M ， 其大小为 FM一 3 其中 。为真空磁导率 ； N 为线 圈匝数； A 为磁场 中 阀芯的有效横截面积 ； 为关闭状态下 的阀芯位移 ； 为阀芯位移变量。 根据牛顿第二定律可得关于阀芯加速度的方程， 即 m p 圣 p FM F 一 F b F Ff ． t 其中 m 为阀芯质量 ； F 为阀芯上、 下气压 压力差 ； 为弹力 ； F， 为静摩擦力 ； 为黏性摩擦力 。 压缩空气 此处假设为理想气体 经过节流孔的瞬 态质 量 流量为 而 ． ． ． 5 √ R ； T ‘l{， ’P “ 厂 一 其 中 一 √ 足 ‘ ” ” ， k 为 绝热 指数 ， 取k l 1 P_ ．_／J ≤o ． 5 2 8 1 ． 4； 一 P 0 ． 5 2 8 孕≤l “ P 为节流孔进气 口气压 ， P ， 为节流孔出气 口气压； C a 为流量系数， 0 ． 6 9 ； A 。为气体流经的最小截面积 ； R 为空气气体常数 ； T a 为气室 中气体 的绝对温度 ， 取 一3 1 3 K。 2建立 系统 该系统主要由 2个高速开关 阀、 2个节流孔、 1个 压力传 感 器 、 1个 均衡 风 缸 和制 动控 制 单 元 简称 “ B CU” 组成。对于 2个高速开关 阀， 1个为充气开关 阀 简称“ 充气阀” ， 主要负责供气源与均衡风缸 之间 的气路通断； 1 个为排气开关阀 简称“ 排气 阀” ， 主要 负责均衡风缸与大气之间的气路通断。系统原理如图 收稿 f i 期2 O 】 3 0 5 0 6 ；修 网H期 2 0 1 3 0 6 1 8 作者简介周劲 1 9 8 6 一 ，男 ，四川广安人．在 淡顾一 f 研究生 ，研究 _方向为列 车制动 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 1期 周劲 。 等 基 于高速开 关阀的均衡风缸压力精确控制研 究 l 7 l 1所示 。 积 ． Q 删 蜘 c 图 1 均衡风缸压 力控 制系统原理 3 控 制策 略 3 ． 1 传 统 P I D控 制 根据制动系统 的实际需求 ， 均衡风缸压力控制系 统在 增 压、 保 压 与 减 压 3种 状 态 之 间 切 换。在 AME s i m平台建立 的高速开关 阀模型的基础上 ， 运用 常规 P I D控制作为系统控制单元 ， 模型如图 2所示 。 在此系统的基础上 选择合理 的充气阀节流孔面 积 、 排气 阀节流 孔面积 、 均衡 风缸容 积与 P I D参数。 其中 充气节流孔有效截面积 A 0 ． 7 5 mm ， 排气节 流孔有效截面积 A 一0 ． 3 6 mm ， 均衡风缸体积 V 1 ． 2 L。结果表明 当均衡风缸充气 至 0 ． 6 MP a ， 其 时 间需要 1 0 ． 8 S ， 在此期间， 充气阀得失电 2次 ， 而排气 阀得失 电 1次。当大 闸从运转位 到初制位， 均衡风缸 压力下降 0 ． 0 5 MP a ， 从压力下降开始到压力稳定耗时 约为 2 ． 2 S ， 在此期间 ， 充气 阀得失 电 3次， 排气阀得失 电 1 次 。大闸由初制位到全制位 ， 均衡风缸压力下降 0 ． 1 2 MP a ， 从压 力下 降 开始 到 压力 稳 定 耗 时 约 为 5 ． 3 S ， 在此期间， 充气阀得失电 1次， 排气阀得失电 1次。 运用常规 P I D控制时， 虽然系统的准确性 与快速性较 好 ， 但预控容积压力波动较大。 越 图 2常规 P I D控制系统仿真 模型 3 ． 2模糊 P I D控 制 将 图 2中的 P I D控制器换成模糊 P I D控制器 ， 并 将 AME s i m 中 的该 模 型转化 为一个 S函数嵌 入 到 S i mu l i n k控制模型中， 运用 C o s i mu l a t i o n实现二者的 联合。模糊 P I D控制系统仿真模型如图 3 所示。 G [ j ～ ain5 ‘ 一 ． 堤 一 ／ __j’ Gain6_ ⋯。‘ Gain9 Gain11 Saturation】 广 D m i v a ti v e l G ai nl i l _ _ 1室r E Si m C S 狂 IJ L ． Productl imSyst S-Funetion1 十 _ _ J 。 一 l -／一 G ai n 8 P 2 A d d3 图 3模糊 P I D控制系统仿真模型 使用 与常规 P I D控制一样 的系统设 计参数 ， 即 压力基本没有超凋量 ， 从压力下降开始到压力稳定耗 A 一0 ． 7 5 mm。 ， A 一O ． 3 6 mm。 ， V 一1 ． 2 L， 对模型进 时约为 1 ． 4 S ， 在此期间， 充气阀没有动作 ， 排气阀得失 行仿真。图 4为在模 糊 P I D控制下均衡风缸充气至 电 1 次就完成 了减压 ； 大闸由初制位到全制位， 从压力 0 ． 6 MP a的响应 曲线。 下降开始到压力稳定耗时约为 4 ． 9 5 S ， 在此期间， 充气 由图 4可见 ， 均衡风缸充气至 0 ． 6 MP a的时间只 阀没有动作 ， 排气 阀也是得失电 1 次就达到了 目标压 需要 l O ． 6 2 S 。在此期 间， 充气 阀得失 电仅 1次， 而排 力 ； 均衡风缸从定压 0 ． 6 MP a 直接下降到 0 ． 4 3 MP a ， 气 阀无动作。 总耗时为 6 ． 3 5 S ， 满足铁标 T B ／ T 2 0 5 6 2 0 0 7中关于 图 5为常用制动过程中， 均衡风缸压力的变化。 均衡风缸从 0 ． 6 MP a 降至 0 ． 4 3 MP a的时间应为 6 s ～ 由图 5可知， 大闸从运转位到初制位均 衡风缸的8 S 的要求。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机 械 工 程 与 自 动 化 2 01 4年 第 l期 由图 4 、 图 5可以看 出， 充 、 排气过程中， 均衡风缸 压力 稳 态 误 差均 小 于 5 k P a ， 满 足 铁标 TB ／ T 2 0 5 6 2 0 0 7中误差 为 i 0 k P a 的 要求 。 甜 譬 ＼ 出 t ／ s 图 4 均衡风缸充气的响应曲线 模糊 P I D O． 4 O t ／ s 图 5 均衡风缸排气 的响应 曲线 模糊 P I D 4 结 语 基于两个高速开关 阀， 运用模糊 P I D控制的均衡 风缸压力控制系统， 无论是稳态误差还是充排气时间 上均满足相关标准。该系统不仅响应快速， 而且当压 力即将或刚达到 目标压力时， 几乎 没有 振荡 ， 稳定性 好， 更重要的是电磁阀通过 1次得失电就达到 目标压 力， 从而使电磁阀的寿命 比传统的 P I D控制下的寿命 延长 1 倍甚至更长 ， 大大节约了成本， 增加了系统的可 靠性 。该系统的高速开关 阀的控制指令为网络信号与 电信号， 故可满足无线重联机车各均衡风缸充排气一 致性 的要 求 。 参考文献 [ 1 ] 俊 勇， 仝雷 ， 王海 平． HX D2电力机 车制动 系统 [ J ] ． 机车 电传动 ． 2 0 0 8 5 8 - 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b e d Co nt r o l S y s t e m QU Xi a o - h u a C o l l e g e o f Me c ha n i c a l En g n e e r i n g．Jinz h o n g Un i v e r s i t y。J inz h o n g 0 3 0 6 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t l h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e h y d r a u l i c v a l v e t e s t b e d s y s t e m a n d t h e c o n s t r u c t i o n me t h o d o f t h e t e s t s y s t e m a r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ． 1 h e e f f i c i e n c y a n d a c c u r a c y o f me s u r e me n t a r e i mp r o v e d g r e a t l y b y u s i n g i n d u s t r i a l I C a n d d a t a a c q u i s i t i o n c a r d t O a c h i e v e t h e a u t o ma t i o n o f t e s t d a t a s a mp l i n g a n d t e s t s y s t e m c o n t r o l l i n g ． Th e u s a b i l i t y o f s y s t e m i s i mp r o v e d b y t o u c h s c r e e n ． Th e a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t t h e s y s t e m i s o f f a s t e r r e s p o n s e s p e e d a n d h i g h e r s t a b i l i t y a n d c o n t r o l a c c u r a c y ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c v a l v e ；t e s t b e d；t o u c b s c r e e n；I P C；c o n t r o l s y s t e m ∞ 弱 ∞ O O O O ∞ 篙 ＼ R 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m