（控制理论与控制工程专业论文）转向架称重实验台嵌入式控制系统的开发.pdf

摘要 近年来，客运专线和重载列车是提高我国铁路运输能力的主要措施。随着车 辆运行速度的提高，考虑到列车轴重大、速度快，列车轮( 轴) 重偏差对车辆动 力学性能和制动性能的影响更会加剧。为了保障车辆的运行安全，必须准确检 测车辆的轮( 轴) 重偏差的幅值。 本文针对上述情况，选择转向架轮重称重作为研究内容，设计了转向架轮重 称重试验台的硬件架构；对于液压控制系统来说，目前主流方案一般采用单片 机或者计算机系统对液压设备进行控制。但是，单片机控制系统存在控制精度 不高，人机界面不友好，参数修改不方便的问题，而计算机控制系统也存在成 本高，实时性差，可靠性低的缺点。所以，本文采用了目前较先进的嵌入式技 术构建了嵌入式数据采集处理平台和液压伺服控制系统，并开发了友好的人机 交互界面软件。由上述内容最终构成了简单高效的转向架轮重称重调簧系统。 本文主要工作包括以下几个方面： 1 研究了基于嵌入式x p e ( w i n d o w sx pe m b e d d e d ) 的软硬件实现方式及 实现的关键技术，并通过引入r t x 解决了工业控制系统中的实时性问题以及对 底层硬件接口的访问问题。开发了基于x p e 系统的试验软件，提高了系统实时 性。 2 通过研究常规称重台结构和转向架结构特点，选择了合适的称重传感器 与其配套设备，设计制作了称重平台，并在此基础上开发了适合此平台的称重 调簧软件。 3 应用数字p i d 控制算法设计自动加载控制系统，实现转向架的自动加载控 制。 关键词：转向架；称重调簧；嵌入式x p e ；r t x ；数据采集；液压控制 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，b o t ht h er a i l w a yl i n eo fp a s s e n g e rt r a f f i ca n do v e rl o a d i n gt r a i n s i st h em a i nm e a s u r e st oi m p r o v et h er a i l w a yt r a n s p o r tc a p a c i t y w i t ht h ei n c r e a s ei n v e h i c l es p e e d ，c o n s i d e r i n gt h et r a i n sa x l el o a da n dh i g hs p e e d ，t h ee f f e c to nv e h i c l e d y n a m i c sp e r f o r m a n c ea n db r a k i n ga b i l i t yc a u s e db yt h ed e v i a t i o no ft r a i n sw h e e l l o a da n da x l el o a dw i l lb ei n t e n s i f i e d f o rt h ep u r p o s eo fv e h i c l e ss a f e t ya s s u r a n c e ， i ti sn e c e s s a r yt om e a s u r et h ed e v i a t i o nv a l u eo fv e h i c l e sw h e e ll o a da n da x l el o a d t oa i ma tt h ea b o v ec o n d i t i o n ，c h o s eb o g i ew h e e ll o a dw e i g h i n ga st h es t u d ya n d d e s i g n e dt h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fb o g i ew h e e ll o a dw e i g h i n gt e s tb e d f o r h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，t h ec u r r e n tm a i n s t r e a mi su s i n gs i n g l e c h i po rp ct oc o n t r o l t h eh y d r a u l i cp l a n t h o w e v e r , f o rs i n g l e c h i pc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n t r o lr e s o l u t i o ni s n o ts oh i g h ；h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ei sn o ts of r i e n d l ya n di ti sn o tc o n v e n i e n tt o m o d i f yt h ep a r a m e t e r s f o rp cc o n t r o ls y s t e m ，t h e r ea r ea l s od i s a d v a n t a g e s ，s u c ha s h i g hc o s t ，b a dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，l o wr e l i a b i l i t ya n d s oo n f o rt h er e a s o n sa b o v e ， u s e de m b e d d e dt e c h n o l o g yw h i c hi sm o r ea d v a n c e da tp r e s e n tt ob u i l de m b e d d e d d a t a a c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n gp l a t f o r ma n dh y d r a u l i cs e r v o c o n t r o l s y s t e m ； d e v e l o p e ds o f t w a r ew i t hf r i e n d l yh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e f i n a l l y , a l la b o v em a d e u pt h es i m p l ee f f i c i e n tb o g i ew h e e ll o a dw e i g h i n gs y s t e m t h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g j o b ： 1 r e s e a r c h e dt h ek e yt e c h n o l o g yo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eb a s e do nw i n d o w s x pe m b e d d e d s o l v e dt h ep r o b l e mo fr e a l t i m ep e r f o r m a n c ei ni n d u s t r i a lc o n t r o l s y s t e ma n dm a d er e a d i n go rw r i t i n gp o r ti op o s s i b l eb ym e a n so fr t x d e v e l o p e d e x p e r i m e n ts o f t w a r eb a s e do nx p e i m p r o v e ds y s t e m sr e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n d t h et w oa c t u a t o r s s y n c h r o n i s m 2 a c c o r d i n gt os t u d yt h ed e s i g nf e a t u r eo f r o u t i n ew e i g h i n gp l a t f o r ma n dt h e b o g i e ，c h o s ea p p r o p r i a t ew e i g h t i n gs e n s o ra n dc o r o l l a r ye q u i p m e n t ，d e s i g n e dt h e w e i g h i n gp l a t f o r ma n dd e v e l o p e dw e i g h i n gs o f t w a r et of i tt h i sp l a t f o r m 3 d e s i g n e da u t ol o a dc o n t r o ls y s t e mb yd i g i t a lp i dc o n t r o lt o a c h i e v et h e b o g i e sa u t ol o a dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：b o g i e ；l o a dt e s t ；e m b e d d e dx p e ；d a t aa c q u i s i t i o n ；r t x ；h y d r a u l i c c o n t r o l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 日期： 指导老师签名：筲，姒 日期：奶p 多f 广 i| 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 将w i n d o w sx p e 嵌入式操作系统成功应用于转向架轮重称重系统中； 2 引入r t x 解决了检测系统以及自动加载系统中的实时性问题以及对底层 硬件接口的访问问题； 橱 f l 蔓 | 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 转向架轮重问题的提出及研究意义 铁路运输的高速、重载，对机车的制造质量与运行品质都提出了更高的要求。 其中，在现有机车结构变化不大的前提下，要求其牵引力大，同时要求其轴重 轻，就是机车要控制的关键技术之一。要保证机车的质量、性能，先进的检测 技术与试验设备是关键。实践证明，依靠先进的科技检测手段，大力开发新技 术，强化质量管理，是稳定机车质量的有效途径。但目前国内的机车车辆检测 技术和试验设备还相对落后，对影响列车运行品质的机车车辆结构、性能方面 的些关键参数缺乏有效的检测和监测，对适应我国铁路向高速、重载、智能 化方向发展战略的需要存在较大差距。因此，开发基于先进检测技术的智能化 检测设备，实现工艺过程监测和质量控制的科学化，是国产机车车辆在竞争中 以质取胜的有力保证。 机车车辆称重及调簧系统作为一种用于各种机车、客车、货车、动车组等获 取其轮重、轴重、总重，并给出参考加垫量的称重检测设备，对于新制造、使用 中以及修理中的各种机车、车辆的检定至关重要。一台机车制造完成后是否能 安全运行，最终取决于机车的称重参数和整车动力学性能试验结果心1 。 随着机车车辆运行速度的提高，对机车的动力学性能、粘着牵引性能提出了 越来越高的要求。机车轮( 轴) 重是机车的重要技术参数，不仅是机车不同的 轮轴型式所要限制的，对线路的动作用力也有着直接的影响船1 。随着机车车辆运 行速度的提高，对机车的动力学性能、粘着牵引性能提出了越来越高的要求。 轮( 轴) 重偏差对铁道车辆动力学性能和制动性能有较大的影响，如果轮重不均 匀，减载率过大的话，对行车安全会产生不良影响，影响牵引粘着力的充分发 挥，还容易引起车轮的多边形和轨道的波浪形磨损。根据g b 3 3 1 7 - 8 2 规定，机 车轴重偏差不应超过平均轴重的2 ，轮重偏差不应超过平均轮重的4 。因 此，高速机车和车辆都对轮( 轴) 重偏差有严格限制。近年来，客运专线和重载 列车是提高我国铁路运输能力的主要措施。随着车辆运行速度的提高，考虑到 列车轴重大、速度快，列车轮( 轴) 重偏差对车辆动力学性能和制动性能的影响 更会加剧。为了保障车辆的运行安全，必须准确检测车辆的轮( 轴) 重偏差的幅 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 值。 走行部作为铁道机车车辆的重要组成部分，起着承载、牵引、走行和制动等 重要作用，是决定列车运行安全及动力学性能最为关键的组成部分。转向架作 为走行部的关键部位，是机车车辆最重要的组成部件之一，其结构是否合理直 接影响机车车辆的运行品质、动力性能和行车安全。高速列车在全世界各地的 疾速奔驰，现代城轨车辆的飞速发展，无一不与转向架技术的进步发展息息相 关。在转向架的开发研制过程中，准确掌握各项性能参数是十分重要的。转向 架参数的测定和检测，特别是称重调簧，是转向架生产过程中必不可少的一个 环节4 | 。 在交通运输市场竞争激烈的今天，铁路高速化是当今世界发展的潮流和必然 趋势。随着现代科学技术的快速发展，铁路高速化成为现实并朝着更高速度方向 发展。同时，不断革新的自动化技术，在各个层面上影响甚至引导着各行各业的 技术更新，其强大的数据采集和分析能力为机车称重及调簧系统提供了有力保 障。国内生产的液压元件、位移传感器、力传感器的精度及计算机控制技术的 发展也为满足称重检测的技术要求提供了可靠的条件。转向架称重调簧装置结 合信息技术、传感器技术、现代检测技术、控制技术以及计算机技术，通过智 能控制和合理的人机界面在转向架自重和无级模拟加载的条件下进行称重调 簧，通过与车体称重调簧的配套，代替原有的机车称重调簧工艺，能有效地保 证电力机车轴重分配均匀，保证车体和转向架的互换性，抑制电力机车运行过 程中的轴重转移，最大限度地发挥机车牵引黏着力，保障车辆运行安全。 1 2 国内外转向架称重调簧的应用和发展现状 为了保证整车称重合格，就必须保证在制造工序过程中车体和转向架两大 部分的称重合格，这样，车体和转向架称重的合格是为整车称重的合格服务的， 而仅有整车称重而无车体及转向架称重是秋后算总帐的办法，是没有办法的办 法。因此，将原有的机车落车后整车称重调簧工艺分解为车体称重调簧工艺和 转向架称重调簧工艺，这是克服传统工艺存在的缺陷、实现车体与转向架结合 点处的载荷合理分布和通过模拟加载进行两系自动精确调簧的最有效途径。随 着转向架称重调簧设备的正式投入应用，车体称重调簧新工艺的研究迫在眉睫， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 两者互相依赖，缺一不可。 1 2 1 国外动态水平及现状 国内外对于机车轮( 轴) 重分配不均匀问题的研究已有时日。目前，国际机 车行业基本已采取车体与转向架分别称重调簧的工艺，整车称重仅作为一种验 证手段。前苏联有人通过对具有独立弹簧悬挂装置的t 3 m 3 型内燃机车的研究， 提出了调整弹簧悬挂装置以使各轮载重合理分配的方法，并提出了计算各处调 整垫板厚度的经验公式。在德国，对具有两轴结构的转向架机车，轮( 轴) 重检 测和调整的称重调簧设备己经投入使用。法国a l s t o m 公司贝尔夫工厂也有车 体称重调簧装置。 1 2 2 国内情况 目前国内对机车轮( 轴) 重分配不均匀问题的研究，通常是采用调整法装配技 术，总结出了几种保证装配精度的调簧方法嗡1 ： 1 尺寸分析与误差补偿法。这种方法只考虑装配零件的几何尺寸误差，而忽 略了零件刚度方面的误差，尽管原理较简单，但操作不方便，时间长，对轮重 的调整不精确，且不适用于计算机控制的自动调整系统。 2 经典力学方法。此种采用经典力学求解的刚体模型，对现场的调簧具有一 定的指导意义，但由于它建立在种种假设的基础上，所以存在着较大的误差， 还有待进步改进。 3 有限元分析方法。此种方法将车体、转向架看成弹性体，分别建立接近实 际结构的计算模型，利用有限元分析理论，使用通用的有限元程序对机车二系 支承载荷及轮重分布规律进行分析。 4 直接落车调簧法。此种方法是通过对机车装配后检测面距轨面的距离，来 间接保证轮( 轴) 重分配均匀。机车落车后，两个车钩距轨面的距离、转向架构 架检测面距轨面的距离及车体架车位距轨面的距离等，必须控制在一定的误差 范围内，通过调簧加垫，对这些几何尺寸进行控制，可以间接控制机车各个轮( 轴) 的载荷偏差。 以上的分析方法，在实际的调簧工艺中都有不同程度的应用。但如前所说， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 目前国内的机车车辆检测技术和试验设备还相对落后，对机车二系支承载荷和 轮( 轴) 重的分配状况，缺乏先进的检测与调整设备对其进行检测、调整。现场 的调簧工艺，大都停留在“低效、费时 的手工经验判断调整阶段，对于载荷 分布规律没有明确的认识，调整过程中人为因素带来的随机误差较大，很难适 应生产现代化的需要哺1 。 南车四方机车车辆股份有限公司研制了整车称重试验台，用于各种铁道车辆 的称重、均衡试验，并可兼做调簧和柔性试验。该试验台由机械、液压、电气 三大部分组成，设置二系簧位移检测后，可以自动计算调簧加垫厚度，是一台 多功能的机电一体化设备。机械部分是试验台本体，它主要由驱动滑台、普通 滑台、秤台梁、轮缘轨、过渡轨、称重台等组成：试验台共有1 2 个油缸，其位 置控制均采用挡块，压力和速度也没有动态控制要求，故采用静压系统，简单 可靠，维护方便；试验台的检测部分主要由称重传感器、屏蔽电缆、通路模块、 工控机及处理软件、数显仪等组成。每个称台设称重传感器三个，其值经模数 转换送到工控机处理后由相应的数显仪显示。控制部分主要由p l c 主控制器、点 位发讯光电开关、直流电源、控制元件、电磁执行元件等组成。将该试验台投 入到转向架调试中，取得了很好的效益。 株洲电力机车厂与德国w i n d h o f fa g 公司合作研制开发转向架称重调簧 装置，将传统的在机车落车后进行称重调簧的工艺分解为车体称重调簧和转向 架称重调簧，在两部分的载荷分布和各接合点的位置条件达到机车轴重分配均 衡的要求后，通过模拟加载，最大限度抑制机车运行过程中的轴重转移，有效 的保持机车轮轨黏着条件；同时保证了车体好转向架均具备互换性。机车转向 架称重调簧目前在国内还是空白，三轴转向架的称重调簧在世界上也是首例。 1 3 液压伺服控制系统的发展现状及方向“嘞1 伺服系统也叫随动系统，是控制系统的一种。它是由若干元件和部件组成， 且具有功率放大作用的一种自动控制系统。它的输出量总是自动地、快速而准 确地跟随输入量的变化而变化，也就是它的输出量总是复现输入量的变化规律。 随动系统的基本职能是对信号进行放大，保证足够能量推动负载按照输入信号 的规律运动，并使输入与输出之间的偏差不超过允许的误差范围，因此它也是 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 一个功率放大装置。在很多情况下，伺服系统专指被控制量( 系统的输出量) 是机 械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移( 或转 角) 准确地跟踪输入的位移( 或转角) 。 由液压拖动装置作为动力所构成的伺服系统叫做液压伺服控制系统。它是一 个控制能源输出的装置，由于输入量和输出量间自动而连续地保持一定的一致 关系，可以用这两个之差来控制能源的输出。 最近十几年，液压控制技术也得到了大的发展，然而在传统液压控制系统中， 采用了封闭式结构，对用户来讲，控制系统内部是一个黑箱，不利于对系统功 能进行扩展和改进，系统资源共享和利用也难于进行，控制软件的兼容性不好， 软件的构成依赖于处理器硬件，不利于软件的升级和更新，传统液压控制系统 己不能完全满足现代工业发展要求。针对传统液压控制系统的这些缺陷，研究 和开发具有开放式的高性能控制器是当前液压控制领域的一个重要发展方向。 现阶段，随着计算机技术、微电子技术、数字技术的发展，集成电路以及微处 理器的出现，基于集成电路的电子器件广泛用于液压控制技术领域，同时液压 控制技术己经开始向数字化发展，液压技术同电子技术、控制技术的结合日益 紧密，这样更加有利于液压伺服控制系统的发展。 在液压伺服控制系统的发展历程中，控制策略也起到了至关重要的作用。在 上世纪5 0 年代初美国麻省理工学院开始研究经典控制理论，并将经典控制理论 应用于液压伺服系统中，在随后几十年的发展中，随着液压伺服控制系统要求 的不断提高，控制理论在液压伺服控制的发展中也得到了提升，控制策略己经 发展到p i d 控制、非线性系统、模糊控制、智能控制系统。 1 4 本论文的研究内容 1 4 1 采用嵌入式系统构建转向架称重系统的优势 本文系统选择嵌入式系统构建称重系统，这也是本实验台最大的特点。 目前液压伺服控制系统一般都是采用工业控制计算机( 工控机1 或单片机来 对液压伺服系统进行控制，对不同类型的液压伺服控制系统做相关位置、速度、 力的控制。采用工控机的液压伺服控制系统，虽然在大多数的场合下都能够稳 定地工作，但由于工控机价格昂贵，并且有时要根据不同的液压伺服系统的需 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 要，使用各种接口卡，这样一来，使得工控机的液压伺服控制系统的造价相对 来说比较高；另一方面，采用工控机的的液压控制系统，在实时性方面也不够 理想。而采用单片机的液压伺服系统，由于单片机自身的一些特点，对数据的 处理速度，能力相比微处理器要低，所以单片机一般应用在慢速和数据量小的 系统中。采用单片机的液压控制系统还存在控制精度不高，人机界面不友好， 参数修改不方便等缺点。 p c i 0 4 是一种专门为嵌入式系统而定义的工业控制总线，实质上就是一种紧 凑型的i e e e p 9 6 ，其信号定义和p c a t 基本一致，但电气和机械规范却完全不 同，主要具有以下特点： 1 小尺寸结构。标准模块的机械尺寸是( 9 6 9 0 ) r a m 。 2 堆栈式连接。去掉总线背板和插板滑道，总线以“针 和“孔 形式层 叠连接，虽p p c i 0 4 总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合 相连，这种层叠封装具有极好的抗震性。 3 轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4 m a 总线驱动即可使模块正 常工作。 p c i 0 4 总线工控机的上述优点决定了其在嵌入式领域的广泛应用。目前， p c i 0 4 嵌入式系统已被较多地应用到试验机自动控制系统中。从嵌入式系统的特 点和在试验机上的应用情况看，将其应用到液压式称重系统上，不仅可以满足 称重系统的加卸控制的各项要求，还将提高控制系统的自动化程度，改善控制 性能。 1 4 2 本论文的研究内容 本论文是结合西南交通大学3 2 3 实验室工程列车安全运行监测系统的 开发而选定的。主要的完成的内容有： 1 研究了基于嵌入式x p e ( w i n d o w sx pe m b e d d e d ) 的软硬件实现方式及 实现的关键技术，并通过引入r t x 解决了工业控制系统中的实时性问题以及对 底层硬件接口的访问问题。开发了基于x p e 系统的试验软件，提高了系统实时 性，保证了两个油缸的同步性。 2 通过研究常规称重台结构和转向架结构特点，选择了合适的称重传感器 与其配套设备，设计制作了称重平台，并在此基础上开发了适合此平台称重软 件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 3 分析转向架加载控制系统的模型，应用数字p i d 控制算法设计自动加载 控制系统，实现转向架的自动加载控制。 4 对设计的整个系统进行安装和调试，对调试过程中发现的问题进行分析 处理，并对此课题研究的进一步工作提出了一定的展望和需要改进内容。 本论文一共五章，各章的主要内容如下： 第l 章绪论，简要阐述论文的研究主题、背景和意义；明确论文所做 主要工作；安排论文章节。 第2 章介绍转向架调簧原理以及转向架称重实验台的总体设计。 第3 章介绍基于嵌入式操作系统的软、硬件平台的搭建。 第4 章介绍实验台液压伺服控制系统以及p i d 控制算法的实现。 第5 章介绍实验台检测系统的设计及实现。 第6 章转向架轮重称重系统应用及分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章调簧原理与实验台总体设计 本章对导致轮、轴重偏差的原因以及调簧计算原理进行了简要介绍，对转向 架称重试验台的总体设计及其功能要求进行了说明。 2 1 转向架称重调簧原理 2 1 1 导致轮重和轴重偏差的原因嘲 1 构架上各一系簧座的高度( 距轨面) 与设计值存在过大的误差，引起一 系簧压缩量的不相同。 2 各一系弹簧特性不同，或者相差较大。 3 各轮对滚动圆半径存在较大误差。 4 转向架上的车体重心存在着偏差，而导致前后转向架上重量的分配偏 差。 5 转向架本身的重心偏差而导致轮、轴重分配不均。 可见，轮、轴重分配不均的主要形成原因还是来自于转向架、车体各部件的 设计和制造误差。这几种因素往往很复杂的耦合在一起，并不能简单的说明是 由那一类原因直接导致轮和轴重分配不均。若将构架视为刚体( 因其刚度比一、 二系簧的刚度大得多) ，当在某个一系簧上加垫时，则在该轮轮重发生变化的 同时，其它各轮的重量也会改变( 因总重不变) ，对于弹性支承来说，在某个 一系簧座上加垫的厚度不会与该簧的压缩量相同，而且，其它各一、二系簧的 压缩量也要相应的改变。这就是在已知某个轮的轮重的情况下，还不能确定其 加垫厚度的原因。若只知道轴重，则更难以确定加垫的厚度。当加垫不合适时， 还会造成新的轮、轴重偏差。因此用人工调簧来改变轮、轴重是很难一步到位 的，甚至不可能使轮、轴重达到均匀分配。但利用现代的计算机技术和检测技 术能很方便地解决这个问题，其方法是用位移传感器来测量各簧的位移量，用 压力传感器来测量各簧所承受的力，将测量结果送到计算机中，计算机通过调 簧计算即可求得各簧需加垫的厚度。 2 1 2 调簧计算嘲7 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 由于转向架构架是由四个一系悬挂支承的，在力学上属于过定位形式。为了 方便计算，需进行一定简化处理： 1 假定龙门架上的液压加载缸的p 出力点在转向架上不发生偏移，方向始 终竖直向下，p 力的作用点距f 。、f 。作用点连线的距离不变。 2 加垫物视为刚体，而且加垫厚度为弹簧的压缩量。 3 加垫前后，各一系弹簧对构架的力的作用点都保持不动。 4 构架在承受一系悬挂力变化时，不考虑弹性变形的变化。 5 各一系弹簧对构架的力的方向始终竖直向上，如图中所示，f 。和f 。作 用点的连线，加载力p 和f 。与f 。作用点间的中点的连线，且这两条直线相互垂 直。 经过简化处理后的构架受力图如图4 所示。f 1 f 4 是四个悬挂力。 图2 1 构架受力简化图 由于弹簧加垫后，更加的增添了弹簧的压缩量。若在弹簧出力最大点进行加 载，那此处轮重力将会更加的变大，这与我们的调簧目的相违背。故从此方面 考虑，选择从弹簧出力最小点开始加垫。 在模型建立中，假定加垫垫片为刚体，各簧自由高相同，由力系平衡原理一 一个物体处于平衡状态，物体所受力的合力为零( 矢量和为零) ，以及力矩平 衡原理一对于空间力系而言，物体所受力相对于相互垂直的两个轴线的力矩和 为零，力矩空间的平移性，以及弹簧变形受到的位移约束，可得出以下的数学 方程组。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 耳+ 互+ e + 丘= p + 蜊榧拥睚理鹫朔现打平衡网 如+ 铂= 互恐+ e 五p 目呸南皓够嗽管形润 勘+ = 俨+ 蚴哮( 好硎触橱蝴 n 4 - x , + 4 - 广4 + x 3 - a , i = 坠坐掣 毛五+ 乞五+ 毛墨+ 乞五= 尸+ 尥 岛五五+ 缸五五= 如置而+ 岛鼍为 毛五乃+ 毛五儿= ( 尸+ 尥) 警 4 一五+ i 一4 + 墨一a 3 2-2 ( 2 ) y 。、y 。分别为f 。、f 4 关于x 轴的垂直力臂；x ，、x 。、x 。、x 4 分别为f 。、f ：、f 。、f 。 关于y 轴的垂直力臂；a 。、a ：、a 。、a 。分别为各弹簧的加垫量，x 。、x ：、x 。、k 分别为弹簧加垫后的变形量，凡为弹簧自由高。求解方程组( 2 ) ，可得 当方程组( 2 ) 第4 式中左右两边绝对值内符号同号时， 五= 鲁五 五2 轰一惫五 f 詈( 墨如一向颤) + 毛乞心( 3 + ：一。一。) 五i = j 鱼一 毛如缸+ 毛i 2 b 一毛岛毛一乞岛心 五= 轰一鲁五 当方程组( 2 ) 第4 式中左右两边绝对值内符号异号时， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 x 。= 鼍x 3 五= 轰一鲁五 ! ( 毛如一向恕) + 墨乞缸( ，+ a 4 - - 。一：) 墨= 币百i 瓦弧i 币石瓦j i 汀 = 轰专五 在此数学模型中，首先确定加垫点，再利用定点加载定量垫片的方法，在 程序中即表示为l 卜。+ ，2 - 2 + ，3 一3 十，4 卜4 + ，不断迭 代求解加垫量。、。、。、。 2 2 称重实验台总体设计 2 2 1 概述 该装置应由平台及机械系统、液压伺服控制系统和检测系统三大部分组成。 1 ) 平台及机械系统包括引轨、称重实验台、重心定位圆柱、龙门架( 立柱、加 载梁、活动横梁) 、液压装置、传感器装置等。2 ) 液压伺服控制系统包括泵源、 比例阀、作动器和油缸等。升降系统采用闭环控制。3 ) 检测系统包括信号检测 及数据处理子系统、转向架称重调簧优化等，完成对转向架称重过程中位移及 力信号的采集和分析、信息的处理和数据的输出以及试验报告的自动生成，应 具有高度的自动化及智能化，要实现控制、检测全过程的自动化及调簧方案建 议的智能化。整个称重系统框图可以用图2 2 表示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 2 称重系统框图 液压称重系统既可以由操作台控制面板按钮控制，也可以切换到工控机进行 控制。工作流程为：p c i 0 4 根据设定的加载力值，控制d a 模拟量输出单元输出2 路- 5 + 5 v 信号作用于液压伺服阀，模拟机车车体质量，控制加载油缸对转向架 进行加载，其反馈部分加载力值由安装在作动器上的测力传感器测得经数据采 集实时采集到嵌入式工控模块中，与加载设定值进行比较，通过编制的数字p i d 控制算法对产生的偏差进行控制，实现平稳加载。同时，由称重传感器测得转 向架的四个轮重值，通过数据采集卡将信号送入p c i 0 4 监控程序中进行实时显 示。p c i 0 4 嵌入式工控模块，既是整个液压称重系统的控制端又是管理端，一方 面完成p i d 控制算法、实现对试验装置的实时控制、数据采集、转换和预处理， 将传感器所测出的轮重数据保存，以利于后面所要进行的加垫调簧计算；另一 方面为液压称重系统的正常运行的提供良好的人机交互界面，如提供加载曲线 实时显示、报表打印等功能。 2 2 2 转向架称重实验台的功能要求 转向架称重实验台主要是为了实现测量转向架的轮重和轴重的参数变化值， 由于涉及到多路的传感器信号采集和液压机构的控制，且系统加载时，设定值 根据需要频繁变动，若采用人工调试，加载控制系统不易稳定，试验工作量将 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 会很大，费时费力。为减少调试的工作量，本文组建了一个综合测控系统，用 于实现对转向架自动加载，传感器信号的实时采集和计算机实时监控，并能够 对所测数据进行记录，分析处理和打印输出。基于以上考虑，在设计转向架称 重实验台时应具有以下要求和功能： 1 转向架轮重测量：试验转向架的四个轮重( - - 轴转向架) 采用独立的传 感器组分别自动进行测量。 2 车体加载模拟：实验台设计的龙门架上有两个保持同步运动的液压加载 系统，目的便是模拟车体的重量对转向架进行加载。 3 液压机构能实现手动自动双向无扰动切换。控制系统应具有一定控制 精度，保证加载过程平稳，对转向架无冲击振动，控制超调量较小。 4 当加载开始，加载杆未接触转向架时，力传感器反馈的压力基本为0 ， 但是，当加载油缸接触上转向架时，压力会在极短时间内增大到非常大，为了 精确控制压力增长，需要一个高频率的控制输出，本方案设定控制频率为 1 0 0 h z ，即每1 0 m s 控制一次。比例阀的响应时间为小于1 0 m s ，可以满足控制需 求。 5 上位机实时监控程序软件注重安全可靠性和操作性，界面友好，将整个 控制系统的原理等统统置于后台处，在前端形象化的呈现出用户所需要的结果。 记录及显示液压加载装置的力、轮重的实时曲线，同时具有管理功能，对所检 测的转向架的有关数据提供报表打印、数据处理和存储等功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章嵌入式软、硬件平台的搭建 本文采用w i n d o w sx pe m b e d d e d 嵌入式操作系统与p c i 0 4 嵌入式主板构建 转向架称重实验台的软、硬件平台。本章对w i n d o w sx pe m b e d d e d 嵌入式操作 系统及基于p c i 0 4 总线的嵌入式主板p c m 一6 3 7 0 进行了简要介绍，详细阐述了针 对称重系统的功能要求进行系统构建的步骤，对于应用于工业控制系统中的 w i n d o w sx pe m b e d d e d 系统的实时性问题和对底层硬件接口的访问问题的解决方 案进行了简要说明。 3 1 嵌入式硬件平台的搭建 p c i 0 4 总线嵌入式工控机其小巧的外形，堆栈式连接可以解决高速重载应用 领域的液压控制系统中计算机的抗震性问题。由于嵌入式c p u 的超低功耗，可 对其进行密封处理来解决液压控制系统中防水、防油等难题，进而提高了整个 控制系统的稳定性和可靠性。 本系统选用p c m - 6 3 7 0 搭建称重实验台嵌入式系统的硬件平台，用于控制转 向架自动加载和数据实时采集、实时显示及处理。p c m - 6 3 7 0 是一款专为支持超 低电压赛扬4 0 0 6 5 0 处理器，低电压奔腾i i l 8 0 0 9 3 3 处理器而设计的p c i 0 4 + 规格的主板。板上集成了标准的1 0 1 0 0 m b a s e tp c i 以太网接口，3 6 位d s t n t f t 液晶屏接口，支持c f 卡，提供支持国际标准的p c 4 和p c 1 0 4 + 接口，还提供一 个笔记本内存插槽，最大支持5 1 2 m 内存。此外，这款主板还提供了2 个r s 2 3 2 接口，2 个u s b 接口，提供看门狗功能，以及特别为工业应用场合而设计的坚固 的结构，提供即插即用功能、网络启动、c d r o m 启动和z i p 驱动器启动的功能， 支持网络唤醒、m o d e m 唤醒、支持l c d 闲时关背光功能。所有这些功能使得 p c m 一6 3 7 0 非常适合用于系统集成，例如应用在医疗机构、工业自动化系统等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图3 - 1p c - 6 3 7 0 实物图 32 嵌入式软件平台的搭建 32 1 概述 目前国内比较流行的通用嵌入式操作系统有v x w o r k s ，w i n d o w sc e ，p s o s ， q n x ，uc o s ，uc l i n u x 等，能够支持的处理器有a r m ，p o w e r p c ，i n t e lx 8 6 等。 考虑到前期能够较快速的开发以及后期的可维护性称重实验台控制系统的软 件设计采用w i n d o sx pe m b e d d e d ( x p e ) 操作系统m 州。 x p e 是微软继w i n d o w sc e 后新推出的一种嵌入式系统，w i n d o w sx p e 向嵌 入设备引入了w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 的稳定性、安全性以及丰富的功能集， 是w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 操作系统的组件化版本，该操作系统是专门为嵌 入式设备而设计的。”“”。x p e 采用与x p 相同的二进制代码，并且将x p e 的系统 功能分解到晟小程度，以功能模块的形式供开发新的应用时使用。由于x p e 的 组件化构架，使得嵌入式开发人员能够只选择邦些小覆盖范围嵌入式设各所需 的丰富定制化特性，即可以根据实际的需要，选择相应的功能组件，构建出适合 自己需要的操作系统，从而大大缩短了应用开发或从p c 平台移植应用的时间 使开发的工作简化，大幅度缩短了开发周期。同时，这样构建出来的操作系统 具有结构简单、内存占用小、个性化的特点，特别适用于一些具有特定功能的工 控产品中。由于以上因素本文采用x p e 可以在较短的时间内开发出相应的嵌 入式操作系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 2 2 x p e 操作系统的定制流程 在x p e 中，每个嵌入式操作系统的相关特性都被分解成有明确定义的功能 单元，称之为组件( c o m p o n e n t ) ，x p e 便是通过添加一个个的功能组件来构造 自己的操作系统的，而这一切是通过一套x p e 开发工具w i n d o w se m b e d d e d s t u d i o 来实现的。这套开发工具主要包括目标设计器( t a r g e td e s i g n e r ) 、组 件设计器( c o m p o n e n td e s i g n e r ) 、组件数据库管理器( c o m p o n e n td a t a b a s e m a n a g e r ) 和一些辅助工具，如目标分析器( t a r g e t a n a l y z e r p r o g r a m s ，t a p ) 等。组件设计器是开发组件的工具，可以根据实际要求设计特定的组件，并加 载相应的应用程序；目标设计器是进行开发的主要工具，根据本系统需求配置 相应的组件，如f a t ，r s 2 3 2 ，l a n g u a g e ，b a s i ct c p i pn e t w o r k i n g 等，配置 c + + ，j a v a 等相应环境，并在配置完毕后进行相容性检测( d e p e n d e n c y ) ，通过 后运行生成工具( b u i l d ) 得到操作系统的镜像文件( i m a g e ) 。可以说w i n d o w s e m b e d d e ds t u d i o 简化了用户端到端的开发过程，使得开发人员能够非常快地配 置、构建和部署自己的操作系统和应用程序。 利用w i n d o w se m b e d d e ds t u d i o 构建自己的操作系统，主要包括以下几个步 骤39 | ： 1 利用目标分析器t a p e x e 检测目标硬件并自动收集必要信息，从而生成 支持所选硬件的基本0 s 配置，包括主板、c p u 、内存、存储介质( 可以是普通的 大硬盘也可以是c o m p a c tf l a s h 卡和m i c r o d is k 等) 、是否支持u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 口、串口、并口、网口等，t a p e x e 生成的默认文件 名为d e v i c e p m q 。 2 在组件设计器中导入d e v i c e p m q 文件，生成目标系统硬件配置宏组件 d e v i c e s l d ( 宏组件指的并不是一个单一的功能组件，而是包含了所有功能的 关联关系，这样可以免得为每个功能都制作一个组件) 3 将目标设备宏组件d e v i c e s l d 导入到组件数据库管理器中 4 在目标设计器中，先建立自己的一个配置文件，后缀名取为s l x ，而后 加入宏组件d e v i c e s l d 和基本系统组件，检查相关性，同时目标设计器会自动 添加关联组件，在关联性检查无误后，便可以建立运行时影像i m a g e 了 5 将生成的影像i m a g e 移入目标机中，开机，系统进行f b a ( f i r s tb o o t a g e n t ) ，首次启动形成最终可用的操作系统。f b a 执行一些设计嵌入式操作系 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 统时不能完成的任务，例如即插即用的设备检查和配置，还完成一些更适合在首 次运行时执行的任务，例如注册d l l 及c 0 b l 控件等。 x p e 操作系统的定制流程如图3 2 所示。 l 安装嵌入式x p 系统开发工具 l 在目标机上安装x p 系统 i 运行目标分析器t a p 检测硬件 l 选择所需的软件组件 i 检查关联性 l 生成系统镜像 l 将镜像复制到目标机 i 配置目标机上启动文件 图3 2x p e 开发沉程 3 2 3 基于称重实验台的系统定制 在系统必须基本组件的基础上，根据称重实验台检测和控制的功能需要，在 定制的系统中添加了以下组件： 1 为了安装p c10 4 的所带硬件驱动，添加h a r d w a r ec o n t r o lp a n e l 、w i n d o w s i n s t a l l e rs e r v i c e 、d e