吳萌嶺 劉宇康 田春

摘 要：首先，討論制動(dòng)減速度反饋控制的不同實(shí)現(xiàn)方法，分析結(jié)果表明減速度制動(dòng)控制能夠使列車實(shí)際減速度很好地跟隨目標(biāo)減速度，并且不同的減速度制動(dòng)控制方法的仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明自適應(yīng)減速度制動(dòng)控制方法的輸入信號(hào)為速度信號(hào)，能對(duì)不確定參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，能自適應(yīng)擁有不同傳遞函數(shù)的車輛系統(tǒng)，穩(wěn)定性好。然后，結(jié)合實(shí)際運(yùn)用分析鋁合金制動(dòng)盤的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，為鋁合金制動(dòng)盤的技術(shù)發(fā)展提供參考。最后，介紹液壓制動(dòng)系統(tǒng)組成，并與空氣制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，闡明其具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：軌道交通;制動(dòng)減速度;反饋控制;鋁合金制動(dòng)盤;液壓制動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U270.35

隨著列車技術(shù)的不斷發(fā)展，制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的制動(dòng)控制和系統(tǒng)零部件也在隨之持續(xù)發(fā)展，其中制動(dòng)減速度反饋控制、鋁合金制動(dòng)盤和液壓制動(dòng)系統(tǒng)等技術(shù)已經(jīng)逐步開展研究、生產(chǎn)及應(yīng)用。但這些技術(shù)目前屬于探索或應(yīng)用初級(jí)階段，存在著一些值得探討的技術(shù)問題，本文將對(duì)其中的具體問題進(jìn)行探討。

1 制動(dòng)減速度反饋控制

制動(dòng)力控制模式是制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)生所需要的制動(dòng)力的依據(jù)，是列車制動(dòng)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，地鐵列車或高速動(dòng)車組的制動(dòng)系統(tǒng)中廣泛采用理論制動(dòng)力控制和速度黏著控制方法，這2種制動(dòng)控制方法忽略了列車制動(dòng)過程中閘瓦（片）摩擦系數(shù)、坡道坡度等參數(shù)，它們是隨時(shí)間、速度或距離而改變的，是不確定的量。這些不確定參數(shù)會(huì)使實(shí)際減速度與目標(biāo)減速度之間存在差異，可見這2種傳統(tǒng)的制動(dòng)控制方法不能實(shí)現(xiàn)對(duì)列車實(shí)際制動(dòng)力和實(shí)際減速度的精確控制，即在減速度層面上是開環(huán)的。為了使列車制動(dòng)性能得到進(jìn)一步優(yōu)化，使列車在制動(dòng)過程中能適應(yīng)上述不確定參數(shù)的影響，研究人員提出了一種新型的制動(dòng)力控制模式——制動(dòng)減速度反饋控制。直接利用制動(dòng)減速度作為反饋值，根據(jù)減速度實(shí)際值與目標(biāo)值的差別來調(diào)整制動(dòng)力的大小。制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)減速度反饋控制雖然對(duì)控制技術(shù)要求很高，但仍是一種值得探索的控制方法。近年來，已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，其中包括基于Smith預(yù)估器的比例積分（PI）控制、基于在線參數(shù)估計(jì)的自適應(yīng)控制等方法，都取得了比較好的仿真效果，并在臺(tái)架試驗(yàn)或線路試驗(yàn)中驗(yàn)證了其控制性能。本文將對(duì)預(yù)估制動(dòng)減速度反饋控制和基于自適應(yīng)制動(dòng)減速度反饋控制進(jìn)行對(duì)比分析，以便為制動(dòng)減速度反饋控制的實(shí)際運(yùn)用提供技術(shù)參考。

制動(dòng)減速度反饋控制模式的流程如圖1所示，制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)軸速經(jīng)電子制動(dòng)控制單元（EBCU）演算后推出實(shí)際減速度，制動(dòng)系統(tǒng)將實(shí)際減速度作為反饋值，與目標(biāo)減速度進(jìn)行比較，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系作用于制動(dòng)減速度反饋控制器。制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)控制器輸出的制動(dòng)缸預(yù)控壓力（AC壓力）調(diào)整制動(dòng)力的大小，將實(shí)際制動(dòng)減速度反饋控制在目標(biāo)減速度附近，甚至等于目標(biāo)減速度值。也就是說，制動(dòng)減速度反饋控制是根據(jù)減速度目標(biāo)值與實(shí)際值實(shí)時(shí)調(diào)整制動(dòng)力的大小。

1.1 預(yù)估制動(dòng)減速度反饋控制

預(yù)估制動(dòng)減速度反饋控制利用制動(dòng)控制裝置檢測(cè)實(shí)際的減速度，并以實(shí)測(cè)減速度與目標(biāo)值的差值為基礎(chǔ)，利用反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，即可抑制干擾因素對(duì)減速度產(chǎn)生的影響。反饋控制系統(tǒng)的核心為PI控制器，其計(jì)算公式為：（1）式（1）中， 為PI控制器的傳遞函數(shù);Kp為比例增益; KI為積分增益;s是拉普拉斯算子。通過控制比例增益和積分增益可以調(diào)整減速度上升特性、穩(wěn)定誤差及系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是，在包含空耗時(shí)間要素的反饋控制系統(tǒng)中，多數(shù)情形下難以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以有必要盡量減少空耗時(shí)間或抑制其影響。針對(duì)延時(shí)影響，預(yù)估制動(dòng)減速度反饋控制采用Smith補(bǔ)償進(jìn)行局部反饋，即用空耗時(shí)間的預(yù)測(cè)值抵消空耗時(shí)間對(duì)反饋的影響，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，Simulink仿真框圖如圖3所示。圖2中，為PI控制傳遞函數(shù)， 表示對(duì)車輛模型的預(yù)估傳遞函數(shù)，表示動(dòng)作延遲，L指延遲時(shí)間，和共同組成控制器部分;為車輛模型傳遞函數(shù)，和k表示不確定參數(shù)影響，表示氣壓變化過渡特性，、k和干擾共同組成車輛動(dòng)態(tài)特性;m表示列車靜態(tài)質(zhì)量。

控制器延遲參數(shù)設(shè)置為0.7 s，設(shè)置車輛模型延遲參數(shù)分別為0.6 s和0.8 s，調(diào)節(jié)PI控制器參數(shù)后，仿真得到的實(shí)際減速度和目標(biāo)減速度如圖4所示。

為了更好地模擬實(shí)際延時(shí)情況，仿真車輛模型延遲圍繞預(yù)設(shè)值0.7 s波動(dòng)，波動(dòng)范圍為±0.1 s，仿真結(jié)果如圖5所示。從瞬時(shí)波動(dòng)來看，無法消除影響。設(shè)置車輛模型延遲圍繞定值波動(dòng)，且控制器預(yù)設(shè)延遲與波動(dòng)均值存在0.1 s偏差，其仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6中可知，部分制動(dòng)階段可能存在較大偏差。

由上面分析可知，這種結(jié)構(gòu)的算法對(duì)延遲參數(shù)預(yù)估的準(zhǔn)確度要求很高，或者說對(duì)系統(tǒng)延遲的穩(wěn)定性要求很高?，F(xiàn)提出改進(jìn)方法：只需要對(duì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行預(yù)估，不需要對(duì)系統(tǒng)延遲進(jìn)行預(yù)估。設(shè)置車輛模型延遲參數(shù)分別為0.6 s和0.8 s時(shí)，仿真結(jié)果如圖7所示。對(duì)比2種工況的仿真結(jié)果可知，不同的延遲參數(shù)，其制動(dòng)控制的效果基本相同。車輛模型延遲圍繞定值波動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，其控制效果較好。車輛傳遞函數(shù)與控制器預(yù)估傳遞函數(shù)誤差為50%時(shí)的仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，實(shí)際減速度的控制效果良好。由上可知，改善預(yù)估制動(dòng)減速度反饋控制對(duì)系統(tǒng)延遲穩(wěn)定的依賴大大降低，但這種結(jié)構(gòu)需要對(duì)所有制動(dòng)缸壓力及電制動(dòng)力進(jìn)行采集反饋。

1.2 自適應(yīng)制動(dòng)減速度反饋控制

自適應(yīng)制動(dòng)減速度反饋控制在計(jì)算目標(biāo)制動(dòng)力和目標(biāo)制動(dòng)缸壓力前首先將列車的制動(dòng)力（包括電制動(dòng)力和制動(dòng)缸壓力）和列車速度（含有減速度信息）采集到制動(dòng)控制系統(tǒng)中，然后根據(jù)這些力和速度的信息通過自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)器實(shí)時(shí)估計(jì)和更新不確定參數(shù)，再用這些估計(jì)得到的參數(shù)計(jì)算目標(biāo)制動(dòng)力和目標(biāo)制動(dòng)缸壓力。因?yàn)樵撝苿?dòng)控制模式在計(jì)算目標(biāo)制動(dòng)力和目標(biāo)制動(dòng)缸壓力時(shí)考慮了列車制動(dòng)過程中的多種不確定參數(shù)的影響，所以能實(shí)現(xiàn)列車實(shí)際減速度的精確控制。其控制流程如圖10所示。其中，aref為目標(biāo)減速度，F(xiàn)ref為目標(biāo)制動(dòng)力， M為列車動(dòng)態(tài)質(zhì)量，為運(yùn)行阻力，Pref為目標(biāo)制動(dòng)缸壓力，F(xiàn)ele為電制動(dòng)力，n為制動(dòng)缸數(shù)，ξ為制動(dòng)倍率，為閘瓦摩擦系數(shù)設(shè)定值，F(xiàn)spring為制動(dòng)缸克服的彈簧力，A為制動(dòng)缸作用面積。

4 結(jié)束語

本文分別探討了列車制動(dòng)中制動(dòng)減速度反饋控制、鋁合金制動(dòng)盤和液壓制動(dòng)系統(tǒng)等技術(shù)問題。其中分析了預(yù)估制動(dòng)減速度反饋控制和自適應(yīng)制動(dòng)減速度反饋控制，提出了改進(jìn)預(yù)估制動(dòng)減速度反饋控制方法，仿真分析表明：改進(jìn)預(yù)估制動(dòng)減速度反饋控制和自適應(yīng)制動(dòng)減速度反饋控制均能使列車的實(shí)際減速度很好地跟隨目標(biāo)減速度;自適應(yīng)制動(dòng)減速度反饋控制方法的輸入信號(hào)為速度信號(hào)，方便實(shí)際運(yùn)用，且適用于不同傳遞函數(shù)的車輛系統(tǒng)，穩(wěn)定性好。

采用鋁合金制動(dòng)盤能夠起到減小質(zhì)量的作用，但其較低的塑性限制了運(yùn)用工況，且制造工藝對(duì)制動(dòng)盤的物理性能影響也較大。同時(shí)，對(duì)于對(duì)偶閘片匹配性提出了一定的要求。

液壓制動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)空氣制動(dòng)系統(tǒng)，集成度高，設(shè)備體積小，更適用于安裝空間較小的列車車輛使用，同時(shí)響應(yīng)速度也更快。但其運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高，且存在液壓油泄漏等問題，限制了其應(yīng)用的推廣。

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收稿日期 2019-08-19

責(zé)任編輯 黨選麗