基于工控机的常导中低速磁悬浮列车机械制动控制系统

1、前言

磁悬浮列车是一种轮轨非粘着传动、悬浮于轨道的新型轨道交通运输系统，是介于铁路和航空之间的一种独特的运输方式。在2001年研制的第一辆常导中低速磁悬浮列车实验线中，除了采用电制动以外，还设置了机械制动和支撑滑块制动。实验表明，几种制动方式中，电制动和支撑滑块制动都达到很优的效果。

为了达到更优的性能指标，对正在改型的第二辆常导中低速磁悬浮列车的机械制动进行了改进。但是，机械制动受外界环境的影响很大，为了有条件地改变制动力，有效地克服外界环境的影响，引入了减速度控制方案。本文利用工控机、数控、数据采集等技术，对常导中低速磁悬浮列车的机械制动系统进行了设计，实现了计算机控制的机械制动。整个制动系统由机械制动装置、工控机、高速数据采集卡、开关量输入板、开关量输出板等组成，实现对常导中低速磁悬浮列车机械制动的自动控制和监测。

2、机械制动的制动原理

目前我校自行研制的改进型常导中低速磁悬浮列车的机械制动采用了气一液制动方式，为了减小制动器的体积，制动的工作介质采用液压油。机械制动气路结构如图1所示。

 
图1 磁悬浮列车机械制动结构图

系统由比例阀、气液转换器、制动器组成。气压调节选用了电流型的比例气压调节阀，其入口气压由恒压阀调节在0.6MPa左右。车辆的气液转换器的最大增量气压设置为0.4MPa，最大油压可以工作在10MPa左右，因此我们选用转换比为1∶25的气—液转换器。当控制电流为4～20mA时，输出气压在0～0.4MPa变化，制动器的制动油压相应在0～10MPa之间变化，每台制动器的制动臂产生0～9000N的夹持力。如果摩擦片的磨擦系数在0.3左右时，单台制动器的制动力可以大于2500N。由于每辆车有16台制动器，共可产生大于40000N的制动力，在磁浮车处于额定载重条件下（总重30t时），仅机械制动即可产生大于1.3m／s2的减速度效果。

为了保证车辆在比例气压调节阀失效或需要紧急制动的情况下，仍然能够完成制动目的，在比例气压调节阀侧还并联了一个开关型电磁阀，作为应急控制之用。

因此，通过调节比例阀的电流就可以改变制动器的制动力，从而得到制动减速度。采用计算机实现对制动系统的闭环控制，驾驶员可以自如地依需要的减速度来控制车辆的制动运行。

3、机械制动系统的建模

要实现机械制动的控制，首先要对机械制动的各个部件进行建模。制动器总成的油压建立通过了管道，并有一定阻力，另外，制动器还有运动空行程，因此制动力的产生有一定的延迟时间，机械制动系统属于非线性系统。在比例阀以及气液转换器处分别安装气压传感器和液压传感器，通过改变比例阀的控制电流来改变制动系统的各个控制部件的输出，测得各部件的特性曲线。当比例阀的输入电流阶跃变化时，实验得出系统的阶跃响应曲线，然后分析图形特性，建立系统的参数模型，确定传递函数的结构和参数。

图2为磁悬浮列车机械制动控制部件的特性曲线图。当比例阀的调节电流调节到6.30mA时，制动器夹住，当调节电流在6.30～16.54mA变化时，气压传感器和油压传感器的输出电流都呈线性变化，输出气压在0.08～0.5MPa变化，输出油压在1～10MPa变化。当比例阀的输出电流下调时，气压有一定的回环。

图2 磁悬浮列车机械制动控制部件的特性曲线
 
图3和图4分别为比例阀和气液转换器的阶跃响应曲线。

通过辨识，可得到各部件的数学模型如下：

比例阀的模型为： 气液转换器的模型为： 制动转换器的模型为： 式中，K1，K2，K3，T1，T2，τ1，τ2等可以通过实验辨识分析求得。

磁悬浮列车有16台制动器总成，安装夹持力传感器在实际中不好实现。但是，当实现了制动系统的气压调节作用时，实际上就间接地控制了制动油压和制动器的夹持力，该过程忽略了管线、制动器部件运动的摩擦阻力，因此设计气压校正网络来实现夹持力闭环控制，诚然，只使用夹持力闭环控制时，由于自然条件和轨面的条件不同，同样的夹持力，可能获得的制动效果不同，制动的效果与驾驶员的经验有关。采用减速度闭环控制时，驾驶员可以通过制动手柄，控制不同的减速度，驾驶员对制动手柄的控制是以减速度给定值不大于1.3m／s2为上限的，因此设计了气压和减速度为反馈量的双闭环控制系统。其反馈控制框图如图5所示。气压校正网络W2（s）用于控制气压，即间接地控制了夹持力，加速度校正网络W1（s）则用于控制减速度，使减速度不至于过大，并可以从0～1.3m／s2之间进行线性操作。



图5 机械制动系统反馈控制框图

4、计算机控制的机械制动系统组成

计算机控制的机械制动系统主要由传感器（加速度、气压）、A／D转换卡、开关量输入卡、D／A转换卡、工控机（包括控制程序）等组成。如图6所示，被控对象是列车的减速度，当制动时，由加速度传感器测量制动减速度的值，经过A／D转换，送入工控机。工控机对测量的减速度信号进行数字滤波，并和制动手柄给定的减速度信号进行比较，通过减速度控制器W1（s）（由软件实现）计算出减速度控制信号，与气压传感器采集的气压反馈信号比较，获得误差信号，再通过气压控制器W2（s）（由软件实现）得到气压控制信号，经过D／A转换，驱动比例阀控制气压从而改变制动力的大小，最终达到所希望的减速度。[page]

另外，机械制动器的安装位置比较紧凑，对刹车片的磨耗的观察和检查比较困难，采用了摩擦片内埋线的方式，在磨耗达到极限并处于夹持状态时，可以用埋线被短路的条件获得电信号。因此，可以对刹车片的状况进行在线检测。

本系统中，工控机采用研华公司的IPC610H，而开关量输入卡、A／D转换卡、D／A转换卡分别采用康拓公司的系列板卡，系统框图见图6。


图6 计算机机械制动系统框图

5、机械制动系统的软件设计

本系统采用基于windows平台的可视化软件Visual C＋＋6.0作为开发工具，本着模块化软件设计思想，把系统划分为几个模块，并设置各个模块之间的接口，根据要求，将磁悬浮机械制动系统分为：参数设置模块、输入数据采集和A／D转换模块、数字滤波模块、控制器算法模块、数据处理和显示模块、输出数据D／A转换模块、数据保存模块、与上位机的通信模块等。如图7所示。参数设置模块主要是一些输入输出板卡的设置等；数据采集和A／D转换模块主要是实现制动手柄给定的加速度值、输出的加速度值以及气压值的采集和数模转换等；为了有效地克服测量信号中的干扰和噪声，设置了数字滤波模块，通过软件滤波减少干扰；另外还设置了数据处理和显示模块，用来实时显示当前的加速度值和制动时间；输出数据D／A转换模块将控制信号进行模数转换；另外还设置了数据保存模块以及与上位机的通信模块。核心的控制器算法采用非线性PID控制算法，控制参数由计算机优化得出。主程序流程如图8所示。


图7 计算机机械制动系统的软件设计框图

图8 计算机机械制动系统的主流程图

6、结束语

本文对计算机控制的常导磁悬浮列车的机械制动系统在建模、硬件、软件上进行了阐述，计算机制动控制改善了以往手动机械制动的不足，是磁悬浮机械制动的新突破。目前正处于研发阶段，并将在我校自行研制的改进型磁悬浮列车上使用和考核性能，为今后常导磁悬浮列车的机械制动研究做了铺垫。

参考文献
[1] 吴祥明.磁浮列车.上海:上海科学技术出版社,2003
[2] 何克忠,李伟.计算机控制系统,北京:清华大学出版社,1998
[3] 侥忠.列车制动.北京:中国铁道出版社,1986
[4] 胡寿松.自动控制原理.北京:国防工业出版社,1994