郭平，楊全

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

PGM-48型鋼軌打磨車是我國早期從美國潘德羅?杰克遜公司引進(jìn)的鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械，用于鋼軌廓形的打磨修復(fù)。牽引控制系統(tǒng)是鋼軌打磨車控制技術(shù)中最核心的部分，直接關(guān)系到鋼軌打磨作業(yè)質(zhì)量。為了克服國外技術(shù)封鎖，同時(shí)提高車輛牽引速度的穩(wěn)定性，本文研制了一套能適用于該車的自主控制系統(tǒng)，替代了原DLC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并提高了打磨車低恒速牽引速度的穩(wěn)定性。

1 液壓牽引系統(tǒng)簡介

PGM-48型鋼軌打磨車全列總重～量共256T，由3節(jié)車組成。1車和3車各配備一套DLC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，每套DLC系統(tǒng)各有4個(gè)控制板，分別控制本車4根動(dòng)力軸。

整車8根動(dòng)力軸采用分散式設(shè)計(jì)，單軸驅(qū)動(dòng)采用單變量泵雙變量馬達(dá)組成的閉式變量液壓回路。每根軸液壓回路完全相同且各自獨(dú)立?？刂葡到y(tǒng)控制變量泵排量及變量馬達(dá)的排量，從而實(shí)現(xiàn)單軸牽引力的調(diào)節(jié)。

2 牽引控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件基于大型養(yǎng)路機(jī)械網(wǎng)絡(luò)控制平臺進(jìn)行開發(fā)，車輛內(nèi)部由CAN網(wǎng)絡(luò)控制模塊組成，車輛之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和同步控制，如圖1所示。

圖1 液壓牽引控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

單軸牽引控制原理如圖2所示，比例閥控制板MDSD用于控制變量泵的流量輸出和方向。變量馬達(dá)控制板EDA接收到使能信號后，同步監(jiān)測馬達(dá)轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速信號調(diào)節(jié)變量馬達(dá)的排量，實(shí)現(xiàn)車輛調(diào)速功能。調(diào)速手柄同時(shí)設(shè)計(jì)有硬線系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)異常時(shí)，可通過應(yīng)急開關(guān)切換至手動(dòng)控制，直接輸入MDSD/EDA板，控制變量泵變量馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急牽引功能。

圖2 單軸液壓牽引控制系統(tǒng)原理

3 牽引控制系統(tǒng)的主要功能

3.1 調(diào)速控制

PGM-48型鋼軌打磨車牽引分0～80km/h“高速”和1.6～16km/h“作業(yè)”模式兩種。其中“作業(yè)”模式要求控制恒速，誤差<0.5km/h。再此對“作業(yè)”模式下低恒速控制進(jìn)行說明。

鋼軌打磨車牽引時(shí)受驅(qū)動(dòng)壓力、軌道狀態(tài)、坡道情況、打磨電機(jī)下放等復(fù)雜因素干擾，理論分析很難得到被控對象的精確數(shù)學(xué)模型。且不同的影響因素所適用的PID調(diào)節(jié)參數(shù)各不相同。其中驅(qū)動(dòng)壓力因素影響最大，因此本系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)PID控制策略，在傳統(tǒng)速度PID控制基礎(chǔ)上加入驅(qū)動(dòng)回路壓力值內(nèi)環(huán)控制。通過兩個(gè)PID環(huán)串級控制，監(jiān)測和預(yù)判牽引負(fù)載變化，更精確地進(jìn)行低恒速控制。

液壓牽引雙閉環(huán)PID控制原理如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)PID控制原理圖

其中變量泵變量馬達(dá)的控制，是通過控制比例電磁鐵電流來改變泵和馬達(dá)排量，從而為后級牽引提供動(dòng)力并進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)流量補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償以及功率適應(yīng)控制的目的。變量泵、變量馬達(dá)排量均為無級可變，從而實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)無級調(diào)速。

3.2 同步控制

PGM-48鋼軌打磨車8根動(dòng)力軸采用動(dòng)力分散式設(shè)計(jì)，因各軸液壓系統(tǒng)器件性能差異、管道布局差異、輪徑磨耗不一等因素，各軸的動(dòng)力輸出會有差異，誤差會進(jìn)行積累。因此，控制軟件同時(shí)對本軸和它軸計(jì)算量和壓力值進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)差異情況進(jìn)行補(bǔ)償，有效消除同步差異和累積誤差，提高車速穩(wěn)定性。

3.3 反向制動(dòng)力控制

車輛調(diào)速手柄回拉減速，或行車過程中車速高于目標(biāo)速度時(shí)，馬達(dá)動(dòng)力由液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為車軸齒輪箱反向驅(qū)動(dòng)，形成反向制動(dòng)力。控制系統(tǒng)利用液壓回路這一特性，對其反向制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使車輛達(dá)到恒速控制的目的，同時(shí)，在車輛制動(dòng)時(shí)，可輔助空氣制動(dòng)系統(tǒng)，提供車輛制動(dòng)力，減少閘瓦損耗。

4 分析與試驗(yàn)

4.1 牽引分析

系統(tǒng)采用容積調(diào)速閉式回路，這種回路中液壓泵的工作壓力基本上等于負(fù)載壓力，而且變量泵的輸出流量與系統(tǒng)所需的流量相匹配，幾乎不存在工作溢流。相對節(jié)流調(diào)速回路，該系統(tǒng)傳動(dòng)效率更高，無級調(diào)速范圍也更大。

變量泵-變量馬達(dá)調(diào)速回路輸出特性如圖4所示。

圖4 變量泵-變量馬達(dá)調(diào)速回路輸出特性

根據(jù)車輛實(shí)際牽引工況，可將該閉式回路的速度調(diào)節(jié)分為恒扭矩調(diào)速、恒功率調(diào)速兩個(gè)階段。

4.2 數(shù)據(jù)仿真

根據(jù)系統(tǒng)的各參數(shù)及數(shù)學(xué)模型在Simulink仿真軟件中建立了牽引系統(tǒng)的控制仿真模型。對比了開環(huán)控制與雙閉環(huán)PID控制兩種策略，驗(yàn)證了控制方法的有效性。

（1）車輛在加速時(shí)的牽引特性模擬：在50s時(shí)加入斜率為0.1，終值為1V的調(diào)速手柄電壓斜坡信號，車輛速度響應(yīng)如圖5所示。

圖5 車輛速度響應(yīng)情況

（2）進(jìn)入坡道時(shí)的牽引特性模擬：在50s時(shí)加入斜率為5，終值為100N.m的外負(fù)載扭矩斜坡信號，車輛速度響應(yīng)如圖6所示?？梢钥闯?，開環(huán)控制下的車輛速度波動(dòng)較大，30s后車速平穩(wěn)，雙PID控制下車輛平穩(wěn)提速，15s后車速穩(wěn)定。

圖6 車輛速度響應(yīng)情況

（3）打磨電機(jī)下放打磨時(shí)外負(fù)載扭矩沖擊模擬：在50s時(shí)加入100N·m的外負(fù)載扭矩階躍信號，車輛速度響應(yīng)如圖7所示。

圖7 車輛速度響應(yīng)情況

可以看出，負(fù)載扭矩信號變化時(shí)，開環(huán)控制下的壓力波動(dòng)30s后穩(wěn)定，雙PID控制下壓力波動(dòng)幾乎貼合干擾信號變化，響應(yīng)時(shí)間更快；開環(huán)控制下的車輛速度波動(dòng)較大，且穩(wěn)定后車速發(fā)生改變，雙PID控制下車輛速度及時(shí)響應(yīng)，并能恢復(fù)行駛速度。

4.3 實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)

實(shí)際應(yīng)用中，使用CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與分析，驗(yàn)證實(shí)際應(yīng)用性能。

低速自運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)分析如圖8所示，車輛起步后速度波動(dòng)20%，10s后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，速度偏差<0.38km/h。

圖8 低速自運(yùn)行數(shù)據(jù)分析圖

打磨作業(yè)時(shí)，數(shù)據(jù)分析如圖9所示，作業(yè)模式下，起步波動(dòng)0.4km/h，10s后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；打磨過程中，速度波動(dòng)<0.2km/h，電機(jī)投放與提升時(shí)，車速穩(wěn)定。

圖9 打磨作業(yè)數(shù)據(jù)分析圖

5 結(jié)語

本文介紹了PGM-48型鋼軌打磨車液壓牽引基本原理及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了雙PID控制方法在牽引控制中的應(yīng)用，目前已完成多臺車輛返修工作并重新投入使用，實(shí)踐證明，本液壓牽引控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測牽引負(fù)載變化，調(diào)節(jié)響應(yīng)快，控制精度高，完全滿足原車控制要求和性能指標(biāo)。