1、基于模糊控制的机车制动防滑器研究摘要：防滑器根据经验判据判断各轴运行状况并进行制动缸压力的调节。由于被控对象很复杂，尤其是影响轮轨间粘着系数的随机因素太多，难以用经典控制理论建立控制模型，本文利用模糊控制理论进行了防滑控制模型的研究和仿真分析，从仿真的结果来看，取得了很好的防滑控制效果。 关键词：防滑；粘着/蠕滑；模糊控制；仿真 ABSTRACT: The anti-skid according the experience to judge the operation of the shaft,and regulated the brake cylinder pressure. As the
2、 controlled device is very complex,especially the effect of random factors of wheel rail adhesion coefficient is too much, it is difficult to use the classical control theory to establish control model,this paper uses the fuzzy control theory of anti-skid control model and the simulation analysis,th
3、e simulation result shows the antiskid control effect is good. KEYWORDS：anti-skid；adhesion/creep；fuzzy control；simulation 中图分类号：U260.37 文献标识码：A 1 国内外防滑器的研究现状 防滑器经过几十年的发展，经历了最初的机械式防滑器，后来的电子防滑器，到现在的第三代防滑器微机控制的防滑器。随着现代科技的发展，如通讯技术、微电子技术、控制技术和网络技术的发展，世界发达国家的铁路客运争先进入了微电子的高速化时代，如日本新干线、德国 ICE 和法国 TGV 等，现在国外
4、的高速列车已全部采用微机控制防滑器。 近年来我国防滑器的研制取得了很大的进展，但与国外先进水平还有一定的差距。同时，由于近几年我国铁路发展较快，防滑控制的很多参考条件也发生了很大变化，因此有待对其进行更加深入的研究。 2 轮轨间粘着分析 粘着宏观上表现为轮轨之间的一种切向力，它是机车牵引与制动得以实现的最重要的物理现象。粘着力就是轮轨接触部分伴随蠕滑所传递的切向力。法国专家的研究成果表明：理想的粘着系数与滑移率的关系曲线具有两个极值点：点和点，如图 1 所示。 图 1 粘着系数与滑移率关系曲线 在微观滑行(蠕滑)区，随着滑移率的增大，粘着系数在点(蠕滑力饱和点)达到极大值，此时滑移率约为 1.
5、5%；在宏观滑行区，随着滑移率的增大，粘着系数在点又达到另一个极大值，此时滑移率约为 5%25%。 3 基准速度的确定 （1）轴速检测 防滑控制系统的一切控制与动作都是以精确、灵敏与可靠的速度测量为前提的，通过安装在轴端的速度传感器产生速度脉冲信号，经过滤波、轮径补偿，计算可以得到车轮速度。轴速 V 按公式（1）计算。 (1) （2）轮径补偿 为了消除轮对固有的转速差，应对轮径进行补偿。当车速超过13km/h 且处于惰行时，将轴重变化较小的牵引电机的速度作为基准速度，并把其它轴的转速与基准速度进行比较，每个轴得到一个轮径修正比例因子，利用该比例因子可以基本消除车轴固有的轮径偏差对计算轴速的影响
6、。 （3）基准速度的确定 在不是所有轮对都发生滑行的情况下，即车轮的减速度在允许的范围内时，比较机车六根车轴的速度，取速度最高者为基准速度。 当粘着条件极差，六根车轴速度都突然下降，此时车轮的最大线速度不能反映车速，这时将用一个替代的减速度来计算车速，直到速度最快的一根轴的速度超过计算的基准速度时，将最快的轴速作为基准速度。4 防滑控制参数的比较 （1）速度差判据 速度差是车轴速度与基准速度的差值。当机车将要发生滑行时，该轴的转速必然低于其他轴的转速，当速度差达到滑行判断标准时，即认为该轴发生滑行，防滑器对其进行控制。实践表明，车轮在连续滑行时，宜采用速度差判据控制，它需要将所有车轴联系在一起
7、，受速度范围的制约和由于车轮磨耗造成的轮对圆周尺寸的差特别敏感，因此速度差标准的制定很复杂。 （2）滑移率判据 滑移率是某一车轴的速度与基准速度之差值同基准速度的比值。当某一车轴的滑移率达到一定值时便判断为滑行。为了得到最大的轮轨粘着，必须使车轮保持一定的滑移率。滑移率太小，容易造成制动力不足；滑移率太大，又容易导致滑行。因此，一般把滑移率控制作为一个辅助控制。 （3）减速度判据 减速度是车轮速度在单位时间间隔内的变化量，减速度判据与其它轴无关，是独立的标准，它可以弥补速度差基准的不足，可检测出六根轴同时发生滑行的情况。 综上所述，本研究选取滑移率和减速度作为防滑控制参数。 5.防滑控制的 M
8、ATLAB/SIMULINK 实现 （1）求取防滑控制规则 模糊控制是一种基于规则的控制，只要对现场工作人员及专家的经验、知识以及操作数据加以总结、归纳就可以构成控制算法，不需要对控制对象建立精确的数学模型。 根据控制精度的要求，选择滑移率和减速度两个模糊变量的基本论域分别为：滑移率0，0.26、减速度-4，+4，滑移率量化论域0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，减速度的量化论域-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，滑移率的量化因子K=6/0.26=23.08，减速度的量化因子 K=6/4=1.5。 选取制动缸压力的调整量作为输出量 U，U 的论域-1
9、，1，量化论域-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，U 的量化因子 K=6/6=1。 从控制经验出发，用语言形式来表达模糊推理决策如下： IF (滑移率正大) AND （减速度正大）THEN（制动缸压力调整量负大）类似于上述推理可得到一系列控制规则，本文共有 35 条控制规则，汇总成模糊控制规则表，如表 1 所示。 表 1 模糊控制规则表 本文仿真应用 MATLAB 模糊逻辑工具箱中的模糊控制器(Fuzzy Logic Controller)，将它嵌入到 Simulink 当中，调用模糊控制文件。通过 FIS编辑器，可以确定输入、输出变量的维数，选择所使用
10、的模糊化方法、解模糊方法及运算规则设定等。 （2）防滑控制模型的建立 为了研究防滑控制过程，车轮可简化成如图 2 所示的模型。 图 2 车轮受力模型 研究防滑时，只考虑车轮滚动引起的运行阻力和轮轨间滑动的摩擦阻力，忽略其它因素，根据轮轨间的动力关系得： （2） 即： 式中 FB 在不同的情况下，取值不同。 根据数学公式建立如图 3 所示的滑行车轮模型： 图 3 滑行车轮模型 防滑控制系统仿真模型如图 4 所示，它由输入变量模块、模糊控制模块、制动缸压力模块、粘着限制和滑行车轮模块组成。 图 4 防滑控制系统仿真模型 (3)仿真结果及分析 设置整车初速度为 200km/h，以一定的减速度减速，滑
11、行车轮的减速度由滑行车轮模型得到，当系统的滑移率和减速度出现偏差时，系统通过调整制动缸压力调整滑移率和减速度，减小偏差，以达到防滑控制的目的。 如图 5 所示，仿真开始阶段控轮速度与整车速度存在一定的速度差，即存在一定滑行，但相对滑移率在允许的范围内。长时间的微小滑移，会形成滑行，此时，防滑器及时作出反应，通过调整制动缸压力调整制动力，有效防止了滑行。 图 5 速度曲线 如图 6 所示，制动缸压力初始调整量为 65KPa，并一直作微量调整。当遇到大滑行时，制动缸压力能够大幅调整，当粘着有所改善，制动缸压力能够及时上升，以保证足够大的制动力。 图 6 制动缸压力调整量 图 7 制动距离曲线 如图
12、 7 所示，在 200km/h 初速下，整车制动距离为 1760 米，加上 3秒空走距离 168 米，实际制动距离为 1928 米，满足设计要求的 2000m。而被控轮实际制动距离为 1828m(1928-1828=100m)，共滑行 100m，之所以滑行这段距离，是因为低滑移率时，为了更好地利用粘着，没有对滑移加以控制，从滑移率来看，这段滑行是允许的。 6 结论 本文针对 200km/h 客运电力机车制动工况，对车轮的受力情况进行分析，建立了车轮的制动动力学受力模型，并在此基础上应用仿真工具MATLAB/Simulink 设计仿真模型，并对整个系统进行仿真，在仿真过程中，逐步优化控制规则和参
13、数，从仿真的结果来看，取得了很好的防滑控制效果。 参考文献 l刘豫湘，陆缙华，潘传熙 DK-1 型电空制动机与电力机车空气管路系统 北京 中国铁道出版社 2005.12.26 2张静 MATLAB 在控制系统中的应用 北京 电子工业出版社.2007.10 8-130 3内田清五.陈贺,李毅,杨弘.日本新干线列车制动系统.北京.中国铁道出版社.2004.2 6-36 4孙琼.高速铁路轮轨粘滑特性及其实验研究学位论文.北京.铁道部科学研究院.1998.12.14 5赵红卫.轮轨粘着机制及粘着控制研究学位论文.北京.铁道部科学研究院.1998.2.6 6姚寿文.智能型电子防滑器控制系统的研究.铁道车辆 2001.第 8期 21-25
