王仁慶

(南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，210017，南京//高級工程師)

地鐵車輛在運營時普遍采用列車自動運行(ATO)模式，以降低司機(jī)的工作強度，保證列車高效運行[1]。車輛在ATO模式下運行時，ATO系統(tǒng)代替司機(jī)操縱列車牽引和制動，自動實現(xiàn)列車的啟動加速、勻速運行及減速制動等基本駕駛功能[2]，這些功能和過程均由信號系統(tǒng)實現(xiàn)和控制。信號系統(tǒng)實時采集車輛速度及到站距離，并輸出對應(yīng)大小的牽引力、制動力供給車輛的牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)，同時對車輛進(jìn)行閉環(huán)控制，使車輛能按照預(yù)先設(shè)定的速度曲線行駛。對于減速制動而言，因為牽引系統(tǒng)電制動響應(yīng)快且跟隨性較好，而空氣制動系統(tǒng)響應(yīng)慢且跟隨性較差，所以空氣制動系統(tǒng)作為被控制對象，只有首先對系統(tǒng)自身進(jìn)行充分優(yōu)化，盡可能提高系統(tǒng)特性的穩(wěn)定性，才能有利于信號系統(tǒng)進(jìn)行控制策略的制定和控制參數(shù)的調(diào)整，從而實現(xiàn)高精度控車。信號系統(tǒng)對制動系統(tǒng)的要求主要有以下幾方面：

1)制動力大小符合合同要求；

2)制動力的延遲時間和建立時間需穩(wěn)定，并應(yīng)達(dá)到合同要求；

3)電制動和空氣制動的轉(zhuǎn)換過程中，總制動力保持穩(wěn)定發(fā)揮。

1 地鐵車輛制動系統(tǒng)的基本特性

地鐵車輛的制動系統(tǒng)普遍采用空氣制動與電制動混合的形式。電制動由牽引系統(tǒng)提供，在接收到制動指令后，列車牽引電機(jī)從電動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出并產(chǎn)生制動力[3]。空氣制動是依靠壓縮空氣推動閘瓦，作用在制動盤或輪對上，并依靠機(jī)械摩擦產(chǎn)生制動力。無論是電制動還是空氣制動，其基本的系統(tǒng)特性均主要包括制動力的大小、制動力的延遲時間和建立時間。

1.1 制動力的大小

在項目設(shè)計階段,首先約定100%制動級位所對應(yīng)的瞬時減速度a，如果整車的質(zhì)量為M，則當(dāng)制動級位為100%時，整車制動力F=M·a·100%。對于運營速度為80 km/h的車輛，制動減速度a一般取-1.12 m/s2。

1.2 制動力的延遲時間和建立時間

制動力的延遲時間t1即為從制動指令發(fā)出開始至列車達(dá)到目標(biāo)減速度值的10%所需要的時間；制動力的建立時間t2即為從列車達(dá)到目標(biāo)減速度值的10%開始至達(dá)到目標(biāo)減速度值的90%所需要的時間[4]。對于最大常用制動的a定義為-1.12 m/s2，t1一般取值不大于0.4 s;考慮到?jīng)_擊限制為0.75 m/s3，需將t2的取值調(diào)整為1.5 s左右。

2 電空制動轉(zhuǎn)換過程及其調(diào)整方法

正常情況下，在高速區(qū)域優(yōu)先使用電制動，空氣制動并不參與，但是由于牽引電機(jī)特性限制，電制動并不能持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮到車輛完全停止，所以在低速區(qū)域需要有一個電制動和空氣制動的轉(zhuǎn)換過程，此時電制動力開始退出，空氣制動逐步代替電制動，在列車停止后，制動系統(tǒng)再自動對列車施加一個保持制動。制動過程如圖1所示。

圖1 電空制動的轉(zhuǎn)換控制

由圖1可知，當(dāng)列車速度降低到6～8 km/h(具體數(shù)值根據(jù)車輛合同確定)時，TCMS(列車監(jiān)控管理系統(tǒng))發(fā)出電制動淡出信號傳遞給牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)，電制動和空氣制動分別按照約定的斜率(一般為1 m/s3)開始退出和施加，直到達(dá)到目標(biāo)值。考慮到空氣制動的響應(yīng)時間比電制動長，因此牽引系統(tǒng)需要在接收到電制動淡出信號后延遲一段時間(一般為0.4 s)，再讓電制動按照約定斜率退出，以此與空氣制動的施加動作協(xié)調(diào)一致。

上述僅是理論上的電空制動轉(zhuǎn)換過程，但實際上還存在很多其他影響因素，如TCMS網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸延時、機(jī)械動作的不確定性、物理特性的變化、空氣制動力上升過程的非線性等。直接使用約定參數(shù)并不能保證空氣制動的施加與電制動的退出過程完全吻合，從而造成電空制動轉(zhuǎn)換過程中瞬時減速度的不平滑[5]。

研究表明，影響ATO控車精度的車輛性能參數(shù)主要包括減速度可控最小步長、列車制動系統(tǒng)延時、保壓制動施加及電空混合匹配等。而在列車擁有同樣的制動管理系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臈l件下，減速度可控最小步長、制動系統(tǒng)延時及保壓制動施加參數(shù)可認(rèn)為一致，唯一不同的則是電空混合匹配問題。而在電空混合匹配中，主要涉及電空轉(zhuǎn)換速度點、電制動預(yù)退出至實際退出的延遲時間、電制動衰退曲線斜率[6]等3個控制參數(shù)。

因此，在調(diào)試階段應(yīng)不斷調(diào)整優(yōu)化影響電空混合匹配的主要控制參數(shù)，即電空轉(zhuǎn)換速度點、電制動延遲退出時間、電制動退出斜率這3個參數(shù)，以使電空制動轉(zhuǎn)換過程中總制動力始終保持穩(wěn)定發(fā)揮。

另外，由于合成閘瓦的瞬時摩擦系數(shù)會隨著車輛速度的降低而逐漸升高，因此低速區(qū)間的空氣制動力往往要偏大一些，而電制動力在整個高低速區(qū)間都比較穩(wěn)定，這樣就會導(dǎo)致電空制動轉(zhuǎn)換后的列車減速度要高于轉(zhuǎn)換前。

要使得電空制動轉(zhuǎn)換前后的列車減速度保持一致，必須要在制動軟件中對電空制動轉(zhuǎn)換后的空氣制動力目標(biāo)值進(jìn)行部分削減，以修正由閘瓦摩擦系數(shù)變高而造成的制動力偏差。具體削減策略如圖2所示。

圖2 電空制動轉(zhuǎn)換后空氣制動力削減策略

3 南京地鐵3號線制動特性測定及優(yōu)化

南京地鐵3號線列車采用6輛編組(4動+2拖)A型車，以及采用更快速響應(yīng)的架控制動控制系統(tǒng)。在常用制動和快速制動過程中，采用電制動與空氣制動混合制動方式。首先優(yōu)先采用電制動，當(dāng)電制動力不能滿足制動需求時，由空氣制動自動補足并優(yōu)先使用拖車的空氣制動力。當(dāng)列車減速至較低速度時，將電制動轉(zhuǎn)換為空氣制動?？諝庵苿有枰ㄟ^踏面制動單元施加，這就受制于制動氣缸充、放氣以及踏面制動單元動作固有的機(jī)械延遲，導(dǎo)致制動響應(yīng)時間具有延時性[7]。因此，為了實現(xiàn)ATO精確控車及降低閘瓦磨耗，要求電空轉(zhuǎn)換速度點盡量低，并能實現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。

南京地鐵3號線最高運營速度為80 km/h，最大常用制動減速度為1.12(1+5%)m/s2，制動延遲時間要求不大于0.4 s，對制動力的建立時間未作要求，但考慮到列車沖擊限制為0.75 m/s3，制動力的建立時間應(yīng)取1.5 s左右。

3.1 制動減速度和延遲時間、建立時間的測定

對南京地鐵3號線制動系統(tǒng)進(jìn)行測定，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，100%最大常用制動級位下a為-1.104 m/s2,t1為0.31 s，t2為1.45 s，這些數(shù)值均符合合同要求。

圖3 南京地鐵3號線制動系統(tǒng)特性測定結(jié)果

3.2 電空制動轉(zhuǎn)換參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化

首先使用合同約定參數(shù)，將電空轉(zhuǎn)換速度點設(shè)定為6 km/h，電制動延遲退出時間設(shè)定為0.4 s,電制動退出斜率設(shè)定為1 m/s3，在制動全程施加60%制動級位時，其電空制動轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。

由圖4可知，在電空制動轉(zhuǎn)換過程中減速度曲線并不平滑，出現(xiàn)了明顯的制動力疊加現(xiàn)象，且電空制動轉(zhuǎn)換前后的減速度并不一致。為解決此問題，在列車調(diào)試過程中，進(jìn)行了多次調(diào)整控制參數(shù)的摸索和嘗試。首先將電制動延遲退出時間降低為0.2 s,并將電空制動轉(zhuǎn)換后的空氣制動力值削減20%，發(fā)現(xiàn)制動力疊加現(xiàn)象明顯改善；電空制動轉(zhuǎn)換前后的制動力大小基本匹配，但是在電空制動轉(zhuǎn)換后期還存在少量的過制動。

圖4 參數(shù)調(diào)整前電空制動轉(zhuǎn)換過程

因此需繼續(xù)進(jìn)行控制參數(shù)優(yōu)化，在上述調(diào)整的基礎(chǔ)上將電制動退出斜率增加到1.1 m/s3?？紤]到電制動退出斜率提高后，電制動的完全退出點將有所提前。為了最大化利用電制動，將電空轉(zhuǎn)換速度點再由6 km/h調(diào)整為5.5 km/h。經(jīng)過多次制動測試后可看出，電空制動轉(zhuǎn)換減速度曲線基本相似，但有明顯改善，過制動問題亦均得到解決。

圖5～7展示了其中3次電空轉(zhuǎn)換的制動減速度曲線。由圖5可見，在經(jīng)過最終的參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化后，在電空制動轉(zhuǎn)換過程中，電制動力的下降和空氣制動力的上升過程基本都能吻合，整個轉(zhuǎn)換過程中均無制動力的疊加現(xiàn)象產(chǎn)生，制動減速度曲線無明顯波動。

圖5 參數(shù)調(diào)整后的電空制動轉(zhuǎn)換過程(一)

4 結(jié)語

地鐵車輛的自動控制是一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，制動系統(tǒng)是作為被控制對象存在的。制動系統(tǒng)的制動力大小、制動力延遲時間及制動力建立時間的測定，有助于信號系統(tǒng)采用合適的控制策略來進(jìn)行速度閉環(huán)控制。通過對電空制動轉(zhuǎn)換控制參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，使得制動系統(tǒng)的系統(tǒng)特性更加穩(wěn)定，以滿足信號系統(tǒng)的控制要求，有助于信號系統(tǒng)進(jìn)一步對車輛進(jìn)行精確控制。

圖6 參數(shù)調(diào)整后的電空制動轉(zhuǎn)換過程(二)

圖7 參數(shù)調(diào)整后的電空制動轉(zhuǎn)換過程(三)