基于工控機(jī)的常導(dǎo)中低速磁懸浮列車(chē)機(jī)械制動(dòng)控制系統(tǒng)
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時(shí)間：2014-01-13
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磁懸浮列車(chē)是一種輪軌非粘著傳動(dòng)、懸浮于軌道的新型軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)，是介于鐵路和航空之間的一種獨(dú)特的運(yùn)輸方式。在2001年研制的第一輛常導(dǎo)中低速磁懸浮列車(chē)實(shí)驗(yàn)線(xiàn)中，除了采用電制動(dòng)以外，還設(shè)置了機(jī)械制動(dòng)和支撐滑塊制動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，幾種制動(dòng)方式中，電制動(dòng)和支撐滑塊制動(dòng)都達(dá)到很優(yōu)的效果。
為了達(dá)到更優(yōu)的性能指標(biāo)，對(duì)正在改型的第二輛常導(dǎo)中低速磁懸浮列車(chē)的機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行了改進(jìn)。但是，機(jī)械制動(dòng)受外界環(huán)境的影響很大，為了有條件地改變制動(dòng)力，有效地克服外界環(huán)境的影響，引入了減速度控制方案。本文利用工控機(jī)、數(shù)控、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)，對(duì)常導(dǎo)中低速磁懸浮列車(chē)的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械制動(dòng)。整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)由機(jī)械制動(dòng)裝置、工控機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集卡、開(kāi)關(guān)量輸入板、開(kāi)關(guān)量輸出板等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)常導(dǎo)中低速磁懸浮列車(chē)機(jī)械制動(dòng)的自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)。
2、機(jī)械制動(dòng)的制動(dòng)原理
目前我校自行研制的改進(jìn)型常導(dǎo)中低速磁懸浮列車(chē)的機(jī)械制動(dòng)采用了氣一液制動(dòng)方式，為了減小制動(dòng)器的體積，制動(dòng)的工作介質(zhì)采用液壓油。機(jī)械制動(dòng)氣路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 磁懸浮列車(chē)機(jī)械制動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)由比例閥、氣液轉(zhuǎn)換器、制動(dòng)器組成。氣壓調(diào)節(jié)選用了電流型的比例氣壓調(diào)節(jié)閥，其入口氣壓由恒壓閥調(diào)節(jié)在0.6MPa左右。車(chē)輛的氣液轉(zhuǎn)換器的最大增量氣壓設(shè)置為0.4MPa，最大油壓可以工作在10MPa左右，因此我們選用轉(zhuǎn)換比為1∶25的氣—液轉(zhuǎn)換器。當(dāng)控制電流為4～20mA時(shí)，輸出氣壓在0～0.4MPa變化，制動(dòng)器的制動(dòng)油壓相應(yīng)在0～10MPa之間變化，每臺(tái)制動(dòng)器的制動(dòng)臂產(chǎn)生0～9000N的夾持力。如果摩擦片的磨擦系數(shù)在0.3左右時(shí)，單臺(tái)制動(dòng)器的制動(dòng)力可以大于2500N。由于每輛車(chē)有16臺(tái)制動(dòng)器，共可產(chǎn)生大于40000N的制動(dòng)力，在磁浮車(chē)處于額定載重條件下（總重30t時(shí)），僅機(jī)械制動(dòng)即可產(chǎn)生大于1.3m／s2的減速度效果。
為了保證車(chē)輛在比例氣壓調(diào)節(jié)閥失效或需要緊急制動(dòng)的情況下，仍然能夠完成制動(dòng)目的，在比例氣壓調(diào)節(jié)閥側(cè)還并聯(lián)了一個(gè)開(kāi)關(guān)型電磁閥，作為應(yīng)急控制之用。
因此，通過(guò)調(diào)節(jié)比例閥的電流就可以改變制動(dòng)器的制動(dòng)力，從而得到制動(dòng)減速度。采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，駕駛員可以自如地依需要的減速度來(lái)控制車(chē)輛的制動(dòng)運(yùn)行。
3、機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的建模
要實(shí)現(xiàn)機(jī)械制動(dòng)的控制，首先要對(duì)機(jī)械制動(dòng)的各個(gè)部件進(jìn)行建模。制動(dòng)器總成的油壓建立通過(guò)了管道，并有一定阻力，另外，制動(dòng)器還有運(yùn)動(dòng)空行程，因此制動(dòng)力的產(chǎn)生有一定的延遲時(shí)間，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)屬于非線(xiàn)性系統(tǒng)。在比例閥以及氣液轉(zhuǎn)換器處分別安裝氣壓傳感器和液壓傳感器，通過(guò)改變比例閥的控制電流來(lái)改變制動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)控制部件的輸出，測(cè)得各部件的特性曲線(xiàn)。當(dāng)比例閥的輸入電流階躍變化時(shí)，實(shí)驗(yàn)得出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，然后分析圖形特性，建立系統(tǒng)的參數(shù)模型，確定傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。
圖2為磁懸浮列車(chē)機(jī)械制動(dòng)控制部件的特性曲線(xiàn)圖。當(dāng)比例閥的調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)到6.30mA時(shí)，制動(dòng)器夾住，當(dāng)調(diào)節(jié)電流在6.30～16.54mA變化時(shí)，氣壓傳感器和油壓傳感器的輸出電流都呈線(xiàn)性變化，輸出氣壓在0.08～0.5MPa變化，輸出油壓在1～10MPa變化。當(dāng)比例閥的輸出電流下調(diào)時(shí)，氣壓有一定的回環(huán)。
圖2 磁懸浮列車(chē)機(jī)械制動(dòng)控制部件的特性曲線(xiàn)
圖3和圖4分別為比例閥和氣液轉(zhuǎn)換器的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。
通過(guò)辨識(shí)，可得到各部件的數(shù)學(xué)模型如下：
比例閥的模型為：
氣液轉(zhuǎn)換器的模型為： 
制動(dòng)轉(zhuǎn)換器的模型為： 
式中，K1，K2，K3，T1，T2，τ1，τ2等可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)分析求得。磁懸浮列車(chē)有16臺(tái)制動(dòng)器總成，安裝夾持力傳感器在實(shí)際中不好實(shí)現(xiàn)。但是，當(dāng)實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓調(diào)節(jié)作用時(shí)，實(shí)際上就間接地控制了制動(dòng)油壓和制動(dòng)器的夾持力，該過(guò)程忽略了管線(xiàn)、制動(dòng)器部件運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力，因此設(shè)計(jì)氣壓校正網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾持力閉環(huán)控制，誠(chéng)然，只使用夾持力閉環(huán)控制時(shí)，由于自然條件和軌面的條件不同，同樣的夾持力，可能獲得的制動(dòng)效果不同，制動(dòng)的效果與駕駛員的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。采用減速度閉環(huán)控制時(shí)，駕駛員可以通過(guò)制動(dòng)手柄，控制不同的減速度，駕駛員對(duì)制動(dòng)手柄的控制是以減速度給定值不大于1.3m／s2為上限的，因此設(shè)計(jì)了氣壓和減速度為反饋量的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其反饋控制框圖如圖5所示。氣壓校正網(wǎng)絡(luò)W2（s）用于控制氣壓，即間接地控制了夾持力，加速度校正網(wǎng)絡(luò)W1（s）則用于控制減速度，使減速度不至于過(guò)大，并可以從0～1.3m／s2之間進(jìn)行線(xiàn)性操作。
圖5 機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)反饋控制框圖
4、計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)組成
計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)主要由傳感器（加速度、氣壓）、A／D轉(zhuǎn)換卡、開(kāi)關(guān)量輸入卡、D／A轉(zhuǎn)換卡、工控機(jī)（包括控制程序）等組成。如圖6所示，被控對(duì)象是列車(chē)的減速度，當(dāng)制動(dòng)時(shí)，由加速度傳感器測(cè)量制動(dòng)減速度的值，經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換，送入工控機(jī)。工控機(jī)對(duì)測(cè)量的減速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，并和制動(dòng)手柄給定的減速度信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)減速度控制器W1（s）（由軟件實(shí)現(xiàn)）計(jì)算出減速度控制信號(hào)，與氣壓傳感器采集的氣壓反饋信號(hào)比較，獲得誤差信號(hào)，再通過(guò)氣壓控制器W2（s）（由軟件實(shí)現(xiàn)）得到氣壓控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)比例閥控制氣壓從而改變制動(dòng)力的大小，最終達(dá)到所希望的減速度。
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