（载运工具运用工程专业论文）机车制动系统防滑技术研究.pdf

鳖塞窑邋叁堂亟鲎建途塞虫塞楚要 中文摘要 摘要：随着世界铁路运输的发展，高速和重载成为机车设计的重要方向。这 就对机车制动系统的发展提出了更高的要求，其中最为关键的问题是如何进一步 提高防滑控制系统的性能，以便在制动时，既缝防止车轮擦伤，又能充分利用粘 着，得到较短的制动距离。 本论文从粘着机理出发，阐述了蠕滑的形成原因及产生粘着力的本质，分析 了影响粘着和蠕滑的因素。论述了防滑控制系统的基本原理，并分别介绍了速度 传感器、滑行检测器和防滑电磁阀的工作原理，对四个防滑控制参数进行了比较 和分析，参考国内外的防滑经验，最终确定滑移率和加速度为防滑控制参数。阐 述了模糊控制的原理，对模糊控制器进行了系统地设计，并实现了模糊控制器的 算法。在制动工况下，对2 0 0 k m h 客运电力机车车轮的受力情况进行分析，建立 了车轮的制动动力学模型，并在此基础上应用m a t l a b s i m u l i n k 设计仿真模型， 并选用二维模糊控制算法作为防滑器的控制方法。最后对系统进行仿真分析，从 仿真的结果来看，取褥了很好的防滑控制效果。 本文提出的控制算法和防滑模襁控制仿真模型对开发高性能防滑器其有缀好 的指导作用。 图3 8 幅，表5 个，参考文献3 6 篇。 关键词：防滑；粘着；蠕滑；模糊控制；仿真 分类号# u 2 6 0 1 3 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，h i g h s p e e da n d h e a v y - h a u l a r e b e c o m i n g t h e i m p o r t a n td e s i g n d i r e c t i o no fl o c o m o t i v e 弧e d e v e l o p m e n to fl o c o m o t i v eb r a k es y s t e mh a st oa c c e p tt h ec h a l l e n g e so fi t 髓em o s t c r u c i a lp r o b l e mi sh o wt of u r t h e re n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fa n t i s k i dc o n t r o ls y s t e m s ot h a tw ec a r ln o to n l yp r e v e n tt h ew h e e la b r a s i o n ，b u ta l s om a k e 蹦lu s eo fa d h e s i o n ， r e c e i v eas h o r t e r b r a k i n gd i s t a n c ea sf a ra sp o s s i b l ei nb r a k i n g s t a r t i n go nt h ea d h e s i o nm e c h a n i s m ，t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ec a u s a t i o no fc r e e p a g e a n dt h ee s s e n c eo fa d h e s i o n , b ea n a l y s i so ft h ei m p a c to fa d h e s i o nc r e e pf a c t o r d i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fa n t i s k i dc o n t r o ls y s t e mi nd e t a i la n di n t r o d u c e dt h e p r i n c i p l eo fs p e e ds e n s o r , a n t i s k i dd e t e c t i o na n da n t i s k i de l e c t r o m a g n e t i cv a l v e c o m p a r ea n da n a l y z ef o u ra n t i s k i dc o n t r o lp a r a m e t e r s ，r e f e r e n c et ot h ee x p e r i e n c eo f a n t i s k i da th o m ea n da b r o a d ，f i n a l l ys e ts l i p - r a t i oa n da c c e l e r a t i o nf o ra n t i s k i dc o n t r o l p a r a m e t e r s 。e l a b o r a t e dt h ep r i n c i p l eo ff u z z yc o n t r o l ，c a r r i e do nt h es y s t e m a t i c a ld e s i g n o ft h ef u z z yc o n t r o l l e r , r e a l i z e dt h ef u z z yc o n t r o l l e r s a l g o r i t h m i nt h eb r a k i n g c o n d i t i o n ，a n a l y s i s2 0 0k m | hp a s s e n g e re l e c t r i cl o c o m o t i v ew h e e l 。ss t r e s ss i t u a t i o n ， h a se s t a b l i s h e dw h e e l sb r a k ed y n a m i c sm o d e l ，a n db a s e do nt h i s u s i n gt h e m a ：r 姒b s i m u l i 瞌d e s i g ns i m u l a t i o nm o d e l ，a n ds e l e c t st h et w o d i m e n s i o n a lf u z z y a s a n t i s k i dc o n t r o la l g o r i t h m sf o rc o n t r o lm e t h o d s 。f i n a l l y , c a r r yo ns i m u l a t i o na n a l y s i st o t h es y s t e mt h e ，g o o da n t i s k i dc o n t r o lf u n c t i o ni sp r o v e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s 强ea n t i s k i dc o n t r o la l g o r i t h m sa n df u z z yc o n t r o ls i m u l a t i o nm o d e lo ft h i sp a p e r w i l lp r e p a r eag o o dg u i d ef o rt h ed e v e l o p m e n to fh i g h - p e r f o r m a n c ea n t i s k i d f i g u r e s ：3 8 ，t a b l e s ：5 ，r e f e r e n c e s ：3 6 k e y w o r d s ：a n t i s k i d ；f u z z yc o n t r o l ；a d h e s i o n c r e e p ；s i m u l a t i o n c i 。a s s n 0 ：i ，2 6 0 13 学位论文版权使翔授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分蠹容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校向雷 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：亿罚 签字日期：矽瑶6 胃i 同 导师签名： 撖拥彳 签字目期：辟lj l l pe t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获缌北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一丽工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 灰巧 签字目期：7 y 年么月( 。日 致谢 本论文的工作是在我的导师柳拥军副教授的悉心指导下完成的，柳拥军副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢二 年来柳拥军老师对我的关心和指导。 舀阏l 老师和彭俊斌老师对于我的论文的研究提出了许多的宝贵意冕，在此表 示衷心的感谢。 在大同机车厂北京研发中心做论文期间，得到了大同机车厂王树海等同事的 指导和帮助，在此向他们表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘晓芳同学和刘渊文同学对我论文研究工作 给予了热情帮助，在论文的撰写方面提出了许多宝贵意见。在此向他们表达我的 感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 引言 近年来，我国铁路运输正向着提速、优质化方向发展。高速、重载是世界铁 路技术发展的两个重要方向，同样也是我国铁路技术的发展方向。我国经济建设 正处于高速发展的阶段，铁路作为整个国民经济的大动脉，担负着客运和货运两 大重要任务。为了适应国民经济的发展，铁路枫车正朝着客运高速和货运重载两 个方向发展。 对于高速机车，需要较高的加速和减速能力且轴重较轻，另外据国外资料和 运用实践表臻：随着机车速度的提高，轮轨可供利用的粘着系数下降。如此情况 下，一方面速度的提高对加速度和减速度提出更高的要求，需要轮轨之间提供足 够的粘着力；另一方面随着速度的提高，可供利用的粘着系数降低。随着机车运 营速度的提高，为了尽可能缩短机车的制动距离和提高机车通过能力，机车的制 动力也必须提高。在粘着状态不良的情况下，由于制动力的提高，很容易造成车 轮的滑行和擦伤。在粘着不良的条件下，为防止车轮擦伤，充分利用和改善粘着， 缩短制动距离，就必须采用防滑控制系统。 机车制动防滑控制系统是铁路机车上的种先进的控制、监测系统。它不仅 可以充分利用轮轨间粘着、避免豳于轮轨之间粘着系数下降而导致的车轮和轨道 擦伤，还可以降低压缩空气的消耗量、提高列车的制动效率，缩短制动距离。 1 2机车防滑必要性 无论是重载机车还是高速机车，有效防止滑行都是极为重要，极有必要的。 首先，滑行会导致车轮擦伤，提速矗，如采车轮踏面一旦擦伤，其危害性随 速度的提高而增大，踏面擦伤的轮对垂向冲击加速度随速度的提高而加剧，它降 低了运行品质，使轴承发热，轨道受损，严重危及行车安全。 制动粘着系数是机车基础制动设计的基本参数之一，提速客车一般选取瀑轨 面状态粘着系数值的1 1 倍1 2 倍【4 j 作为基本设计参数。我国制动粘着系数的测试 研究结果表明，对应某一运行速度的粘着系数是一组正态分布随机变量。我们选 取的某一个确定僮，不能保证车辆轮对绝对不滑行。 低速制动的粘着系数离散度比较大是我国制动糙着系数分布的特点之一。在 5 0 k r n h 以下的低速段，一般是进站和出站的区段，由于站台两侧轨面状态比较复 杂，轨面污染比较严薰，因此粘着系数离散度吃较大。因此，我国旅客列车低速 段车轮滑行、擦伤的问题是比较突出的。从制动粘着系数测试结果可知，有时站 台两侧测得的粘着系数甚至比1 2 0 k m h 速度时的粘着系数还要低。 车轮擦伤问题一直困扰着铁路应用部门，虽然长期以来采取了很多措施试图 来降低轮对擦伤事故，但收效不大。其根本骧因就是制动过程中，制动力的设定 值是一个定值，而粘着系数是变化的，粘着力不可能总是大于制动力，一旦碰到 低粘着，制动力超过粘着力，车轮便产生滑行并可能造成擦伤。 总之，车轮踏面擦伤的根本原因在于制动过程中制动力超过粘着力所致。焉 这种可能性在高速段和低速段都有可能发生，只是随着运行速度的提高，轮对擦 伤所造成的后果将更具危险性而已，解决这一问题的途径就是加装防滑器，防滑 器的作用就是防止制动时轮轨之间纵向发生相对滑动，并保持制动力尽量接近粘 着力，即既要防止滑行擦伤，又要充分利用粘着。 1 3国内外研究现状 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。微机控制的防滑器，从控制模式 上划分，已经大致发浸经历了三代： 第一代：速度差、减速度、滑移率控制模式，这种防滑器国内、外普遍使用， 其控制方法是，当其中一个参数超过了设定值，就对制动缸进行大量排风。这种 防滑器的不足： l 。缓解滞后，不能有效控制滑行。 2 由于缓解量大，从而制动力不能迅速恢复，造成粘着损失。 r 本新干线电动车应用的油压制动系统，防滑控制时，其响应灵敏度高，它 采用第一代控制模式，能有效防止车轮擦伤并减小粘着损失。 第二代：在第一代防滑控制模式的基础上，法国和日本进行了滑移率控制模 式防滑器的开发，这种防滑器采用轴速度差，减速度和减速度微分联合控制，即 使检测到车轮滑行，制动缸也不大量排风，面是逐渐降低制动缸压力，使滑移率 维持在一定的范围内，以充分利用连续滑行的增糙效果。这种防滑器的优点和不 足是： 优点：提高了粘着利用，缩短制动距离。 不足：加速了轮轨塞耗。 法囡运用经验表明：将滑行率控制在1 0 - 2 5 范图内可以得到很好的粘着； 2 日本运用经验证明：滑行率控制在1 0 以内可基本维持最大粘着不变。 第三代：为解决滑移率控制模式的磨耗问题，日本进行了第三代蠕滑控制模 式防滑器的开发，它也采用轴速度差，减速度和减速度微分联合控制，在蠕滑力 饱和点附近的微小蠕滑区内进行再粘着控制。 优点：粘着利用率离，制动距离短。 缺点：对系统运算速度和检测精度要求高。 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，如日本的新干线、 德国i c e 和法国t g v 等，现在国外的高速列车已全部采用微机控制防滑器。 我国于6 0 年代中期成功研制了机械式防滑器，随着电子技术的发展， 1 9 8 7 年青岛四方所成功研制了我国最早的微机控制的防滑器，1 9 9 2 年铁科院成功研制 了t f x l 型防滑器，并在我国铁路客车上大面积使用。近年来虽然我国防滑器的研 制取得了很大的进展，但与国外的先进水平相比还有一定的距离。同时由于我国 铁路近几年发展较快，防滑控制的很多参考条件也不停地发生变化，因此有待对 其进行更加深入的研究。我国现有的防滑器适应速度较低，主要在防止滑行功能 上下功夫，只在一定裰度上考虑了充分利用粘赣的问题，蓊高速机车用的防滑器 则要求不仅具有良好防滑性能，还要具有改善和提高粘着的性能。 董。4本论文的主要研究工作 轮轨间的粘着关系非常复杂。粘着系数随时间、地点的变化而变化，具有很 大的随机性，即使相同的加减速度和速度差在不同轨道及运行环境下，轮轨间的 糙着关系是不同酶，它受很多医素的影响，其中的一些参数关系是难以确定的。 如何将这种差异揉和进控制程序中，以对轮对的运行状态进行监测和综合判断， 从而达到对制动力的控制是防滑控制系统研究的核心课题。故本论文的主要工作 如下： 1 研究制动工况下轮轨闻的粘着状态和最佳粘着的分析； 2 分析检测滑行的物理量，包括速度差、减速度和滑移率在滑行检测和控制 中的作用，以确定防滑器控制模型中所需要的控制变量： 3 。针对防滑器控制系统的特点，郎多输入单输出控制系统，本文选择模糊控 制作为防滑器控制系统的基本控制理论； 4 利用滑移率和减速度建立二维防滑模糊控制模型，利用m a t l a b s i m l i n k 开 发相应的计算橇控制和仿真软件； 5 进行控制模型的验证。 3 1 5本章小结 本章简要论述了研究机车制动系统防滑技术的必要性，分析了国内外研究现 状，从而提出本论文的主要研究工作。 4 2 轮轨粘着机制 因为铁道车辆的加速、减速依赖轮轨闻的粘着力，所以按照粘着特性来控制 制动力是极为重要的。高速运行的列车，其粘精力由于受水膜的影响，随速度的 上升而下降，所以需要进彳亍相应于粘着力的制动力控制。如果对粘着力不进行适 当的制动力控制，就会在粘着力低于制动力是发生滑行。从安全的焦度看，在非 常制动时，必须使列车在最短的距离内停车，此时需要能进行最大限度地利用粘 着力的制动装置和滑行装置，然而粘着系数却是一个复杂多变的参数，受机车设 计条件、环境条件和运用条件等的影响，它在蠢然条件下的随棍变化虽有统计规 律可循，可就任一时刻而言它是不可预知的。因此要想最大限度地发挥制动功率， 必须系统的了解轮轨粘着机制及影响粘着的因素，这对防滑器的研制起着关键的 作用。 2 1粘着与蠕滑 2 。1 1粘着 滑动区粘着区 图2 1 轮鞔接触区示慈圈 f i g u r e2 1w h e e l r a i lc o n t a c ta r e ad i a g r a m 粘着宏观上表现为轮轨之间的一种切向力，它是机车车辆牵引与制动得 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着蠕滑所传递的切向 力。糙罄的基础是摩擦，但是在轮轨系统中不称摩擦两称粘着力，这是因为轮轨 是滚动接触，在滚动接触面上传递力的同时伴随着由于车轮与钢轨的弹性变形两 产生的微小相对滑动，在接触区内存在着对应于所传递力而变化的滑动隰和粘着 区。粘着区内轮轨接触表面无相对滑动，紧紧粘在一起这就是“粘着”一词的来 源。随着蠕滑率的逐渐增大，粘着区逐渐变少，滑动区逐渐增大直到整个接魑区 5 变为滑动区，如图2 1 所示。在连续滚动的车轮上施加一力矩就会产生粘着力，随 着蠕滑率的增加粘着力也不断增大，通常这时的粘着力是可供利用的，但当蠕滑 率达到一定的数值后粘着力达到饱和，若再增大转矩，就会导致空转和打滑。就 整台机车而言，计算粘着系数一是机车轮周牵引力的计算最大值与机车计算重量 之比： f f i 弘j2 吉 上 ( 2 1 ) 其中，机车轮周牵引力的计算最大值； 艺机车计算重量。 2 1 2蠕滑 图2 2 制动时车轮表西变形状态 f i g u r e2 2w h e e l ss u r f a c ed e f o r m a t i o ni nb r a k i n g 对沿钢轨表面滚动的车轮加以牵引力或制动力时，车轮表面将将发生拉伸和 瑟缩变形，便由此变形来传递力。制动时车轮表面的状态如图2 2 所示，此时的滑 动状态称为蠕滑。蠕滑的表现形式在接触区的一部分产生粕着，而另一部分产生 微观滑动。粘着区相对滑动速度为零，滑动区相对滑动速度不为零。车轮在钢轨 上滚动时，刚体纯滚动的假设是不真实的，因此车轮在实际滚动中总是伴随着蠕 滑，实际滚动的距离泷纯滚动的距离短，因此轮轨之间存在滑差现象。蠕滑总是 与位移的方向相反，从而使位移趋势减少，当位移为零时，即为纯滚动。轮轨粘 着是以轮轨间的相对滑动产生摩擦力来实现的，滑动是产生轮轨粘着力的必要条 件。在研究粘着与滑行时，将蠕滑表示为滑移率。车速与轮速的差值与车速的比 值定义为滑移率。 6 其中名精移率； r 车轮半径； 缈车轮回转角速度； y 车速。 2 1 3 粘着与蠕滑的关系 名。r x a ) - v 1 0 0 1 一 y ( 2 2 ) 法嚣专家的研究表明：理想的粘着系数与滑移率的关系曲线【3 1 具有两个极值 点，口点和点，如图2 3 所示。 a l 粘2 着 系 数， 0 图2 3 粘着系数与滑移率关系曲线 f i g u r e2 3a d h e s i o nc o e f f i c i e n tw i t ht h es l i p - r a t i oc u r v e 在微观滑行( 蠕滂) 区内，随着滑移率的增大，粘着系数在搿点( 蠕滑力饱和点) 达到最大值，此时滑移率约为1 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最大值，此时滑移率约为5 2 5 。在微观滑行区内，随 着压缩变形量的增大，粘着力也相应增大，当到了变形量达到最大值时，粘着力 也到大最大值；在宏观滑移区，由于产生宏观滑移，微观变形量相应减小，粘着 力也随之下降，但随着滑移率的增大，接触点的数目增加，因此会产生峰值p ，当 滑移率鞭增大，接触点的数目不苒增加，而微观变形量进一步减小，导致粘着力 继续下降。 2 2影响粘着和蠕滑的主要因素 用蠕滑理论计算得到的粘着系数和蠕滑率关系的特性曲线与实际线路测量结 7 果之问存在着一定的差异，实际线路试验数据与实验室所得到的数据也不完全相 同，这是因为粘着系数与蠕滑率的关系比较复杂，受缀多因素的影响。 2 2 1 轨面状态 0 ，4 0 0 3 s 0 。3 0 o 2 s 艇寨。乏g 鼹 辩 嚣o 1 s e 。1 0 0 。8 嚣 o 5 l o 1 5 交0 2 3 0 瓣移翠誓) 豳2 ，4 典型鞔垂条件下粘着系数与滑移率的关系h 1 f i g u r e2 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na d h e s i o nc o e f f i c i e n ta n dt h es l i p - r a t i o u n d e rt h ec o n d i t i o n so fat y p i c a lt r a c k 1 9 7 6 年，美国电气动力部在机车动轮上完成了一个为期暇年的研究轮轨之间 粘着系数与蠕滑率相互关系的计划，并发表了一系列研究成果，图2 。4 表示了从全 部粘着蠕滑试验中获得的6 种典型轨面条件下平均粘着系数与蠕滑率关系的特性 曲线，它是由单个驱动轮对在直线轨道上实验获得的，其中蠕滑率是通过牵引电 动机转速与另一动轴的转速信号进行对比计算德到的，粘着系数是通过牵弓| 电动 机电枢电流折算得到，并且修正了轴重转移的影响。应当指出，机车的粘着特性 曲线并不是一条单一的曲线，每条曲线都代表相应轨面条件下的较宽的数据带。 这些曲线表明了各种轨面条件下粘着系数与蠕滑率盐线的典型的形状，从图中可 以看出轨蕊污染和撒沙对轮孰潮捌动粘着系数有极大的影响，轨面污染会大大降 低粘着系数，撒砂会增加粘着的有效利用。这是因为当踏面与钢轨表面之间有介 质的时候，将大大减小踏面与钢轨之间的实际接触面积，减少了发生微观变形的 接触点的数量，也就大大降低了粘着力。当水量较小时，水与轨面上的铁锈或其 它固体颗粒或粉末等污物混合，形成非牛顿流体特性的表面膜，这种表面膜很难 8 被车轮的压力挤掉从而使粘着降低；而当水量较大时，水会把轨道表面冲刷干净， 粘着系数并不会明显降低。 为改善轮轨的表面状况，可以采取了如下措施：安装踏面清扫器、撒砂、电 火花、使用增粘材料等。 2 2 2 速度 在干燥条件下，粘着系数与速度的关系如图2 5 所示，由此试验结果可以看出， 在干燥天气下粘着系数多少有些偏差，但没有隧速度提高而餮显降低的趋势。 裁 啜 辫 瓣 图2 5 于燥状态下粘着系数与速度的关系| 3 f i g u r e2 5t h er e l a t i o nb e t w e e na d h e s i o nf a c t o ra n ds p e e du n d e rd r yc o n d i t i o n 在有水润滑状态下，粘着系数与速度关系的试验结果如图2 6 所示。从图中可 以看出，当轮轨接触区有水存在时，轮轨表面粗糙度和速度对粘着系数有着显著 的影响。表现为粘着系数随速度增加面急剧下降，表面越光滑，粘着下降的越急 剧。根据弹性流体润滑理论，速度越高，轮轨之间形成的水膜越厚；表面越光滑 由微小突起支撑的真实接触面积越小，因而从接触刚度上会考虑会造成粘着系数 的下降。 随着机车运行速度的不断提高，研究速度对粘着系数的影响己日益受到重视。 日本、法国、德国各囱具有高速列车，为了解决实际运用问题，他们对于高速时 9 巅 曦 辫 羹 露 弋 跚蛩 麓| ； r a l 擞搿 l z l | a 3 2 ( 搿 绷 0 6 0 ( ) 磅 a t ) 为相同值。这样无论a 多大， 只要( a + a t d a d t ) 达到标准值，判断为滑行，则经过时间延迟后，无论速度变化 快慢，防滑排风阀动佟时，邸制动缸压力变化时的减速度值是相同的。只有控制 制动缸压力变化时的减速度，才能保证良好的防滑作用和充分利用粘着，增加了 减速度微分后，补偿了系统动作的延迟和空气压力作用的滞后。 加速度和加速度微分判据虽然具有穰多优点，但仅以加、减速度和其变化率进 行控制，有以下不足之处： 2 1 1 当列车以较低速度行驶时，轮对的减速度达不到设定值，在这种情况下施加制动 时，容易抱死。 2 因为在确定车轮转速是否恢复到稳定区域的过程中无法进行制动控制，特别在较 低粘着系数的轨面上行驶时，或者从较高粘着系数进入低粘着系数轨面时，即粘 着系数发生急速变化的情况下，制动压力( 或制动力矩) 不能及时的降下来，导致车 轮抱死或滑移率增大、制动控制失灵等现象。 3 从低粘着系数轨面进入高粘着系数轨面时，反应迟缓，制动距离加长。 3 3 防滑控制系统的基本要求 1 高灵敏度 在较高的速度范圈内，由于粘着系数较低，本来就容易发生滑行，丽且即 使是在很短的时间内，因滑行距离较长，危害是相当严重的，因此防滑器应该 具有高的灵敏度。灵敏度受滑行标准，滑行检测速度和防滑装置的制动时间等 诸多因素的影响。 一盈某根车轴发生了滑行，要迅速被检测爨来，不堡要采用多种标准，焉 且关键闯题在于这些标准的具体设覆。标准订得较高，使检测灵敏、动作快， 可以使滑行很快地制止住。但是太高了会使滑行控制的稳定性能差，以至一些 微小的滑行也使防滑器动作，从而延长了制动距离，危及运行安全。滑行标准 若订得太低，使滑行性能不安全，同时使检测滞后时间延长。因此制定防滑标 准是一个复杂的技术工作，它要充分考虑到防滑装置的结构及线路、使用的速 度范围、车轮的磨耗等因素。 2 防滑特性良好 所谓防滑系统的防滑特性，就是当车轮发生滑行，防滑器检测之后，通过 逻辑控制和机械装置，切断动力制动并且使摩擦制动的制动缸压力快速降低，而 当车轮停止滑行并恢复再粘着以后，制动缸又重新充气的整个过程的特性。它不 但取决予检测系统、机械部件的灵敏性，而且主要决定予防滑控制采用的控制 方法及算法。防滑特性好，将取得良好的防滑效果，使制动距离延长较短等。 一个好的防滑器特性可以保证：制动效率高、防滑反复动作次数少、制动距离延 长不是太多、节约压缩空气。 3 。4 本章小结 本章介绍了防滑控制系统的基本原理，为了进一步减小压力损失，有效利用 粘着力，对压力控制方法进行了研究。给出了基准速度的求得方法，分析、比较 了四个防滑检测参数：速度差、滑移率、减速度和减速度微分。 4 模糊控制器 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。对线性和时变等不确定性系统具有良好的控制效果，对非线性、噪声 和纯滞后系统等具有良好的抑制能力。模糊控制是一种“语言型 的智能控制， 它不须建立被控对象或过程的精确的数学模型。在多变量、非线性、时变的大规 模系统、多誉标系统以及无适当传感器可检测的系统中，模颧控制充分最示了其 可靠性高、输出量连续、能发挥熟练专家操作经验的优越性。模糊控制系统是以 模糊集合论、模糊语畜变量的知识表示和模糊逻辑规则推理为理论基础，采用计 算机技术的一种具有反馈通道的闭环数字控制系统。 4 1模糊控制原理 摸糊控制系统是闭环控铡系统，它根据偏差信号对控制对象进行控制，以 减小和纠正输出量的偏差，系统构成如图4 1 所示。 图4 1 模糊控制系统组成 f i g u r e4 1c o m p o s i t i o no ff u z z yc o n t r o ls y s t e m 模糊控制系统通常由输入输出接墨、模糊控制器、执行机构、传惑器和被控 对象五个部分构成。模糊控制器是模糊控制系统的核心，对于模糊控制丽言，问 题的关键是如何设计模糊控制器。 模糊控制器的结构如图4 2 所示，主要包括输入量模糊化接口、知识库、模糊 推理枫、解模糊化接翻莲个部分。它的设计包括以下几项内容： 1 输入变量的模糊化 在模糊控制系统中，模糊控制的输入量必须是模糊量，因此必须对输入量模 糊化。模糊化是将模糊控制器输入量的确定值转化成为相应模糊语言的变量值的 过程。它包括两个过程：首先要进行论域变换，即基本论域( 过程参数的实际交 2 4 化范围) 通过量化因子变换到模糊论域；模糊化的第二个任务是求得输入对应于 语言变量的隶属度，邸在模糊论域上定义一个模糊子集，并确定模糊子集隶属函 数醢线的形状。 图4 2 模糊控制器组成 f i g u r e4 2c o m p o s i t i o no ff u z z yc o n t r o l l e r 2 知识库 知识库由数据库和规则库两部分组成。数据库所存放的是所有输入、输出变 量的全部模糊子集的隶属度矢量值( 若论域为连续域，则为隶属度函数) 。规则库 就是用来存放全部模糊控制规则躲地方，在推理时为“推理机”提供控制规则。 模糊控制器的规则是基于专家知识和手动操作经验来建立的。 3 模糊推理机 模糊推理机的主要工作是依键输入模襁量和知识库完成模糊推理决策，并求 解模糊关系方程，从而获得模糊控制量。 4 输出量解模糊化 通过模糊决策所得到的输出是模糊量，因此要进行控制必须经过解模糊他接 疆转换成精确量。解模糊他的方法有： ( 1 ) 选取隶属度最大原则； ( 2 ) 加权平均原则。 4 2模糊控制参数的设置 列车制动减速过程中，因轨两的差异，粘着情况不断变化，滑彳亍可熊发生在 不同轨面条件和不同列车工况下，但是依照其发生的先后顺序、滑移率和减速度 的大小以及造成的危害程度，可将滑行分成由小到大的不同级别，然后根据其程 度采取相应的控制。即在粘着极差，滑行危险度极大时，制动缸排风大：在粘着 不好，在滑行危险度小时，制动懿排风小。力了达到有效防止滑霉亍、充分利用粘 着、防止制动力过分损失和缩短制动距离的目的，本文采用模糊控制方法实现机 车制动系统防滑控制。 4 2 1 减速度判据参数 理想的铡动力控制应使制动减速度的变化趋势与粘着系数的变化趋势褶闲， 并在紧急制动时尽可能使制动减速度接近不发生滑行的最大减速度，以充分利用 粘着。而最大减速度根据轨面粘着系数求得，由减速力不超过粘着力，即： m a l o n g ( 夺1 ) 司得n - 口一= a g 一旦制动力超过了粘着力，即判断发生滑行，取口一 2 纷；( z ) v g q ( z ) v 心( z ) 其中，v 表示m a x 。 模糊集合的重心c 乖由下式求得： j u ( z ，) 芬 z o2 童i 丁一 p c ( z ，) i = 1 其中，段( z f ) 是名的隶属度。 l 。 k j l 7| | b l c l ，、c 。t ? ，、 ， 、。 7 。 一 l 簇荔缘。- l x r r，7 八 。 b 2 y j z c 2 ，、tn a | |庞 y oy e 名e ；4uc ， ( 钳) ( 4 5 ) 图4 6m a m d a n i 模糨推理法 f i g u r e4 6m a m d a n if u z z yr e a s o n i n gm e t h o d 本方法就是m a m d a n i 推理法，在模型仿真部分用到的就是这种推理方法。实 质就是加权平均，其加衩平均系数是段乜；j ，推理过程如图4 6 所示。此处为了作 图简便，假定当输入为“x 0a n dy o 时只有以下两条控制规则是有效的。 r 1 ：i fei sa la n de ci sb 1t h e nui sc l r 2 ：i fei sa 2a n de ci sb et h e nui sc 2 4 3 4 模糊控制查询表的建立 下西用m a m d a n i 推理法来建立模糊控制表。当e = 3 ，且e c = 0 时，根据表4 。l ， 4 2 可以得出对应各个语言变量的隶属度值。 3 1 j 釜塞交透太堂亟堂焦途塞 攘撵撞壹l 篓 e ( 3 ) = 0 n b + 0 n s + 0 5 z e + 0 6 p s + 0 p b ) ； 董毫( o 净 0 n b + 0 n m + 0 。2 蔗s + 0 4 z e + 0 p s + 0 p m + 0 p b ； 且根据表5 4 可知，只有以下四条控制规则是有效的： r 1 ：i f ei sz ea n de ci sn st h e nui sz e ； r 2 ：i f ei sz ea n de c i sz et h e nui sn s ： r 3 ：i f ei sp sa n de ci s n st h e n ui s z e ： r 4 ：i f ei sp sa n de ci sz et h e nui sn m ： 应用模糊推理的第一类推理方法，即m a x m i l l 法： 灭l 一穗( 3 p u s ( 0 ) 人z ( 矽) = 0 5 0 2 【0 一6 ，0 - 5 ，0 - 4 ，0 - 3 ，0 一2 ，0 一l ，i 0 ，0 1 ，0 2 ，0 3 ，0 4 ，0 5 ，0 6 】 = 0 一6 ，0 一5 ，0 一4 ，0 一3 ，0 一2 ，0 一1 , 0 2 0 ，0 l ，0 2 ，0 3 ，0 4 ，0 5 ，0 6 】 式中a 表示m i n 。 根据m i n m a x 法原理，可知r i = r 3 。 同理可得： r 2 = 【0 一6 ，0 一5 ，0 一4 ，0 - 3 ，0 2 一2 ，0 2 - 1 ，0 0 ，0 1 ，0 2 ，0 3 ，0 4 ，0 5 ，0 6 】 r 4 一【0 一6 , 0 2 * 5 , 0 。2 - 4 ，0 。2 - 3 ，0 - 2 ，0 一1 , 0 0 ，o l ，0 2 ，0 3 ，0 4 ，0 5 ，0 6 】 最终输出量的模糊子集为： r r 1vr 2vr 3vr 4 = 0 一6 ，0 2 一5 , 0 2 一4 ，0 2 一3 , 0 2 一2 ，0 2 一l ，0 2 0 ，