王洪波,劉 超,杜 新,黃志堅,章 斌,孫 輝

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266000;2.常州今創(chuàng)電工有限公司,江蘇 常州 213102)

0 引言

軌道車輛控制系統(tǒng)的穩(wěn)定是保證軌道交通運行安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。其中,軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣箱是車輛運行中信號控制的關(guān)鍵設(shè)備[2]。該設(shè)備通過電氣的集成,實現(xiàn)車輛的信號傳輸、控制、制動等。電氣箱為軌道車輛提供制動、照明以及信號等重要指令,保證軌道車輛的正常運行。但是由于實際工況復(fù)雜,采集的信號波動大,軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣箱的控制難度在不斷增加[3]。如何提升軌道車輛控制系統(tǒng)對車下電氣箱的控制有效性,成為該領(lǐng)域研究的重點問題。

現(xiàn)如今軌道交通的完善程度越來越高,其對車輛中電氣箱的要求越來越嚴(yán)格。不但要求其材質(zhì)輕量化,還要求有強大的控制功能以及有效的控制程度。該設(shè)備不但能夠正常供電,其中還要包括多種系統(tǒng)的控制,如制動系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、信號系統(tǒng)等[4]。要對軌道交通運行車輛中的系統(tǒng)進行集中管控,保證車輛在任何復(fù)雜的情況下都能夠安全穩(wěn)定地運行。正因如此,電氣箱的控制中一般采用多種組件或車輛控制器進行統(tǒng)一的信號控制,根據(jù)信號的一系列跟蹤操作保證車輛的有效操控[5]。電氣箱的核心是一種芯片,根據(jù)芯片實現(xiàn)邏輯信號的檢測、跟蹤以及控制。因此,軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣箱的有效控制主要是通過多種信號的監(jiān)測實現(xiàn)[6]。目前,電氣箱可以實現(xiàn)較多電氣器件、系統(tǒng)控制以及信號控制的功能,降低了因體積過大、電氣系統(tǒng)控制導(dǎo)致的車輛行駛安全問題。但由于其控制系統(tǒng)的多元化以及信號量的不斷變化,導(dǎo)致電氣箱的控制出現(xiàn)了一定問題。

為了提升軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣箱控制的有效性,本文設(shè)計了一種新的軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣箱控制方法研究,通過程序算法寫入控制箱的芯片,實現(xiàn)邏輯信號的檢測、跟蹤和控制,以期為軌道交通的安全運行提供一定理論基礎(chǔ)。

1 軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣柜控制參數(shù)提取研究

軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣箱控制實際上是對軌道車輛運行中的各個控制系統(tǒng)的管控。因此在車下電氣箱控制方法研究中,通過提取關(guān)鍵軌道車輛控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)作為此次電氣箱控制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),實現(xiàn)有效的控制研究。

1.1 軌道車輛電機運行參數(shù)提取

在軌道車輛控制系統(tǒng)中,電機運行參數(shù)十分關(guān)鍵,但是提取難度非常大。在實際狀態(tài)中,由于工況復(fù)雜,影響參數(shù)提取的噪聲較多,進而增加了參數(shù)的提取難度。電機運行參數(shù)能夠反映出軌道車輛行駛的速度以及相關(guān)的穩(wěn)定性。為此,通過分析軌道車輛電機特性提取關(guān)鍵電機運行參數(shù)。

電機是軌道車輛行駛的動力,也是控制車輛運行速度的關(guān)鍵[7]。因此,在設(shè)計控制方法之前,首先分析軌道車輛控制系統(tǒng)中的電機特性。軌道車輛中的電機一般為直線感應(yīng)電機,該類型電機屬于一種特殊的旋轉(zhuǎn)異步電機,在結(jié)構(gòu)上與一般的旋轉(zhuǎn)異步電機較為相似[8],該電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 軌道車輛內(nèi)部電機結(jié)構(gòu)示意圖

直線感應(yīng)電機中具有較多的磁路,在不同等級的轉(zhuǎn)子狀態(tài)下呈現(xiàn)的狀態(tài)不一致。在初級次級長度固定的情況下,初級影響次級導(dǎo)致其出現(xiàn)不平衡的狀態(tài),若在不固定的狀態(tài)下又出現(xiàn)較多的組成模式[9]。軌道車輛的電機運行中磁場不連續(xù)時要考慮磁場的畸變,這種畸變是一種末端效應(yīng),這種末端效應(yīng)中第四類末端效應(yīng)是對電機控制影響最關(guān)鍵的。當(dāng)電機初級與次級相互運作時,次級前行,其前端和初級未工作部分產(chǎn)生一定作用,等次級末端遠離初級工作單元時,在楞次效用影響下,電流方向發(fā)生了一定變化,此時產(chǎn)生的磁場也影響了次級的正常運行,該部分渦流使整個磁場發(fā)生畸變[10],如圖2 所示。

圖2 第四類末端效應(yīng)影響示意圖

根據(jù)分析的軌道車輛電機特性,為了實現(xiàn)后續(xù)的有效控制,保證電機控制時不受到影響,在電機運行參數(shù)提取中引入無量綱參數(shù)[11]獲取軌道車輛直線感應(yīng)電機信號,得到的結(jié)果為：

(1)

式中：Sa為電機初級的長度值,ri為電機的次級電阻,Di為次級電感值,vi為電機運行時的相對速度變化值,e為無量綱參數(shù),f(p)為提取的電機運行信號結(jié)果,p為電機的初級電功率。

在軌道車輛電機參數(shù)運行提取中,通過分析軌道車輛電機內(nèi)部基本結(jié)構(gòu),確定車輛運行時電機運作特性,引入無量綱參數(shù)提取有效電機運行參數(shù),為后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)。

1.2 車輛電氣箱熱分析

SFE66項目車下電氣箱(以下簡稱“電氣箱”)設(shè)計采用了封閉機箱結(jié)構(gòu),僅2處局部開孔并填充過濾棉隔離,相較簡易開孔機箱具有更高的IP等級與電磁防護等級。但是,封閉環(huán)境散熱條件差,如何確保良好的散熱性能是該類機箱設(shè)計的重點和難點。為此,本計算報告通過仿真分析手段,定義極端的外部環(huán)境,考慮不同運行狀態(tài)下環(huán)境、箱體及電氣元件之間的熱交換對軌道車輛控制效果的影響,通過分析車輛電氣箱熱情況進行軌道車輛控制模擬分析,以驗證該電氣箱設(shè)計的可行性。

軌道車輛的控制系統(tǒng)通常包括電氣控制、信號處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫?而車輛電氣箱則是其中一個重要的部分。車輛電氣箱是安裝車輛上用于集中控制和供電的裝置。車輛電氣箱內(nèi)產(chǎn)生的熱量會對車輛控制系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生影響,溫度過高會導(dǎo)致電氣設(shè)備的故障或性能降低。因此,必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀ＷC車輛電氣箱內(nèi)的溫度處于可接受的范圍內(nèi),以確保車輛控制系統(tǒng)的正常工作。

①計算條件及輸入?yún)?shù)

電氣箱箱體由不同規(guī)格型材與板材鋁合金制成,表面噴漆。電氣箱及內(nèi)部電氣元件總裝如圖3所示。

圖3 電氣箱總裝圖

電氣箱放置在車下設(shè)備艙內(nèi),在車體長度方向2/5處位置,如圖4所示。

圖4 電氣箱布置位置示意圖

②電氣箱幾何模型簡化

電氣箱幾何模型簡化工作在ANSYS SCDM軟件中完成,箱體框架、蒙皮等鋁合金板材采用面模型代替。對特征尺寸低于5 mm的凸臺、圓角、管件等幾何體進行清理,箱體內(nèi)電氣元件采用簡化的幾何體代替。箱體外部的接線端口及扎線桿對箱體散熱影響較小,此處忽略,電氣箱簡化模型如圖5所示。

圖5 電氣箱簡化模型

③流體域建立

由于電氣箱內(nèi)部為封閉的腔體,因此流體計算域分為2個部分,即腔體內(nèi)部的內(nèi)流域和外部的外流域。外部流域長度為柜體沿車身方向特征長度的4倍,高度和寬度為柜體特征長度的1.25倍。流體域模型如圖6所示。

圖6 流體域模型

④網(wǎng)格模型

采用Icepak中Mesher-HD方法劃分網(wǎng)格,外流域網(wǎng)格尺寸約為40 mm,內(nèi)流域及電氣元件網(wǎng)格尺寸約為10 mm。模型共有140萬個單元。圖7～圖9為網(wǎng)格模型。

圖7 切面網(wǎng)格

圖8 電氣元件表面網(wǎng)格

圖9 箱體面網(wǎng)格

1.3 軌道車輛控制器分析

目前,軌道車輛控制系統(tǒng)主要是通過調(diào)整左右車輪的轉(zhuǎn)速對獨立輪對進行控制,引導(dǎo)獨立輪對能夠沿著軌道前進,使輪對在發(fā)生偏移時能夠及時回正,提高車輛的運行安全性并且降低輪軌磨耗。通過轉(zhuǎn)速差進行反饋控制的最大好處是左右車輪轉(zhuǎn)速差獲取成本低,大多軌道車輛都附帶有轉(zhuǎn)速測量裝置,因此該類方法實用價值較好。

根據(jù)反饋量選取的左右車輪轉(zhuǎn)速差,使用比例控制的方法,其輸入力矩的計算如式(2)所示。

Tv=hz·βw

(2)

該類控制策略的控制目標(biāo)是使獨立輪對獲得類似剛性輪對的導(dǎo)向能力,式中：Tv為輸入力矩,hz為基軸制,βw為車輪理想轉(zhuǎn)速差,即βw=0,將其帶入到車輪相應(yīng)的狀態(tài)方程中可以得到此時輪對的橫移狀態(tài)：

(3)

式中：yw為此時的橫移狀態(tài),r0為車輪半徑,b為橫移的距離,λ為車輪荷載,R為車輪的轉(zhuǎn)數(shù),此時,輪對未完全回正(yw≠0),橫向位移達到剛性輪對通過曲線時的純滾線位置。對于剛性輪對,其最小曲線通過半徑較大(300 m左右),因此,在該位置上剛性輪對輪緣不會與軌道接觸,但是對于獨立輪對,車輛通過曲線半徑較小(小于100 m),這種情況下,即使輪對中心線位于純滾線的位置,輪對橫移量也會超過閾值。因此,獨立輪對其行駛環(huán)境的要求使得輪對中心回正到線路中心線的位置,這時,單憑轉(zhuǎn)速差作為反饋量無法滿足控制需求,需要補充其他車輛狀態(tài)信息。

以yw=0為控制目標(biāo),當(dāng)輪對在過曲線達到穩(wěn)定狀態(tài)時(忽略軌道不平順激勵以及慣性力),則可以得到該狀態(tài)下的左、右車輪理想轉(zhuǎn)速差,記為：

(4)

式中：βw為車輪理想轉(zhuǎn)速差;b為橫移的距離;V為車輪轉(zhuǎn)速;r0為車輪半徑;R為車輪轉(zhuǎn)數(shù)。

此外,考慮到控制增益的問題,由于車輛系統(tǒng)狀態(tài)不斷變化,因此,設(shè)置固定的控制增益值是符合實際情況的。控制增益的選擇需要保證車輛運行范圍內(nèi)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定,可以通過選擇較大的一系懸掛縱向剛度,令控制增益與速度的平方呈反比。如下所示：

(5)

綜上完成對軌道車輛控制器分析。

2 軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣箱控制算法設(shè)計

在上述獲取的電氣箱控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)基礎(chǔ)上,為了實現(xiàn)軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣箱控制,本文設(shè)計了一種新的控制算法。在確定上述的相關(guān)參數(shù)后,首先通過EKF算法進一步精確辨識提取參數(shù)的有效性。該算法是一種基于模型的狀態(tài)觀測器,主要根據(jù)軌道車輛電氣箱中控制系統(tǒng)的參數(shù)繼續(xù)進行研究,以實現(xiàn)控制參數(shù)的離線自整定[12-15]。

假設(shè)一個軌道車輛電氣箱中控制系統(tǒng)的變量輸出和輸入存在線性關(guān)系,表示為：

w(k)=a1q(k-1)+…anq(k-n)+b0x(k)+

b1x(k-1)+…bnx(k-n)+zk

(6)

式中：w(k)和q(k)分別為輸出和輸入的參數(shù)序列,zk為參數(shù)中的干擾因子,a/b分別為不同待辨識的參數(shù)。假如從電氣箱控制系統(tǒng)中得到k=n+1次的輸入?yún)?shù)的觀測值,得到的輸出控制參數(shù)的線性關(guān)系為：

x(i)=a1nq(i)+…anq(i)+bnq(i)+di,

i=n+1,n+2…n+N

(7)

式中：x(i)為輸出控制參數(shù)的線性關(guān)系描述,i為輸出的控制參數(shù)。

為了精準(zhǔn)確定控制參數(shù),引入回歸系數(shù)對參數(shù)進行歸一化處理,得到的結(jié)果為：

L=φ?+w(k)

(8)

式中：L為控制參數(shù)歸一化后的結(jié)果,φ為回歸系數(shù),?為待估控制參數(shù)。

在確定電氣箱相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的線性關(guān)系之后,為了使后續(xù)的控制更為有效,還需要將上述參數(shù)進行聚類分析。由于軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣箱相關(guān)參數(shù)對象不是單一的,導(dǎo)致控制參數(shù)的數(shù)量無法穩(wěn)定。因此,本文需要引入聚類算法將最相似的參數(shù)和距離最近的對象歸為一類,根據(jù)不同數(shù)據(jù)之間的距離和相似程度進行整合,將每組參數(shù)進行分割,使參數(shù)間的距離逐漸變小,直至剩下單獨的參數(shù)為止。電氣箱控制系統(tǒng)的參數(shù)聚類分層過程如圖10 所示。

圖10 電氣箱系統(tǒng)參數(shù)聚類分層過程

在上述分層過程中,要確定系統(tǒng)參數(shù)之間的相似程度和距離,這一過程直接影響參數(shù)聚類結(jié)果,保證處理后的結(jié)果具有一致性。

由于不同參數(shù)中所含的主成分不相同,因此,為了保證電氣箱控制的穩(wěn)定性,在實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)控制之前還需要進行約束條件的設(shè)置。

在上述確定的電氣箱控制參數(shù)后,根據(jù)參數(shù)狀態(tài)設(shè)置軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣箱控制參數(shù)狀態(tài)矩陣,得到：

(9)

式中：C為電氣箱控制參數(shù)狀態(tài)矩陣,n為控制參數(shù)的長度。

當(dāng)控制參數(shù)狀態(tài)發(fā)生一定變化影響到軌道車輛的運行時,此時通過控制電氣箱電氣系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)控制,構(gòu)建的控制模型為：

(10)

式中：ηi(x)為控制模型描述,λ為電氣箱系統(tǒng)變化的特征系數(shù)。

3 試驗分析

3.1 試驗參數(shù)設(shè)計

為了驗證所設(shè)計方法的控制有效性,進行了試驗分析,試驗中軌道車輛的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 軌道車輛關(guān)鍵參數(shù)

具體試驗對象如圖11 所示。

圖11 樣本軌道車輛

試驗分析中,以該軌道車輛的車下電氣箱為研究對象,該電氣箱中控制系統(tǒng)參數(shù)變化可控,且以本文提取的關(guān)鍵參數(shù)為試驗的關(guān)鍵數(shù)據(jù)對象。試驗之前提取該試驗車輛3個月以來運行的相關(guān)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)通過試驗驗證。其中,車下電氣箱控制系統(tǒng)的參數(shù)中存在1 000條異常狀態(tài)參數(shù),這些參數(shù)影響車輛的穩(wěn)定運行。主要通過分析軌道車輛電機運行參數(shù)、運行牽引力參數(shù)以及驅(qū)動系統(tǒng)控制參數(shù)的精度和軌道運行的穩(wěn)定性。

3.2 試驗結(jié)果分析

試驗首先分析了采用所提方法提取軌道車輛電機運行參數(shù)、運行牽引力參數(shù)以及驅(qū)動系統(tǒng)控制參數(shù)的精度結(jié)果,為了突出本文方法的可行性,試驗中以理想的提取參數(shù)精度結(jié)果為對比,分析所提方法對控制參數(shù)的提取精度,得到的結(jié)果如圖12所示。

圖12 車下電氣箱控制參數(shù)提取精度結(jié)果

從圖12可以看出,采用該方法對樣本軌道車輛電機運行參數(shù)、運行牽引力參數(shù)以及驅(qū)動系統(tǒng)控制參數(shù)的精度較好。將該方法的提取精度和理想精度結(jié)果進行了對比,采用該方法提取的每種控制參數(shù)的精度較高,最高值可達90%以上,高出了理想值,其可行性得到驗證。

試驗中,還分析了車輛運行的穩(wěn)定性,測試的軌道車輛行駛里程為20 000 km,車輛橫擺角速度響應(yīng)結(jié)果如圖13所示。

圖13 軌道車輛運行穩(wěn)定性結(jié)果

從圖13的分析結(jié)果可以看出,在不對車下電氣箱進行控制時,車輛運行的穩(wěn)定性與參考值差距較大,車輛的橫擺角速度變化較參考值較遠,且響應(yīng)的時間也與參考值不同。采用本文方法進行控制后,得到的車輛橫擺角速度變化和響應(yīng)時間均與參考值較為接近。

4 結(jié)束語

為了提升軌道車輛控制的穩(wěn)定性,本文提出研究軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣箱控制方法。通過分析軌道車輛控制系統(tǒng)車下電氣箱組成系統(tǒng),確定系統(tǒng)控制參數(shù),根據(jù)參數(shù)的變化構(gòu)建控制模型,完成了對該方法的研究。試驗結(jié)果驗證了該控制方法可保證軌道車輛安全運行。