（电力电子与电力传动专业论文）自调节单车试验系统的研制.pdf

! 生竺三坠生蔓三一 d e s i g no fs e l f - a d j u s t i n gs i n g l ec a rb r a k et e s t e r g r a d u a t en a m e ：g u oj i a n g u o m a j o r ：p o w e re le c t r o n i ca n dd r i v e r d i r e c t e db y ：a s s o c p r o f q ix i a n g d o n g a b s t r a c t d i s t r i b u t e ds c b t ( s i n g l ec a rb r a k et e s t e r ) i san e wd e t e c t i o nm e t h o d f o r b r e a k i n gp e r f o r m a n c eo fr a i lv e h i c l e ，w i t hr a i lvehicleof r a i lv e h i c l eh o w e v e r - m a n u f a c t u r e rh a si n t r o d u c e ds p e c i a lv e h i c l e s ，t r u c k sf u l lo fv e h i c l e sg r a d u a l l y t o7 0t o n so fh e a v yv e h i c l e sa n dh i g h e rd e v e l o p m e n t ，d i s t r i b u t e ds c b t c a l l n o ta d e p tt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o ng r a d u a l l y t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h el a t e s t i s s u e db yt h em i n i s t r yo fr a i l w a y s ，o v e r h a u l i n gr u l e so fl o r r yb r a k i n g e q u i p m e n t ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oo r b e ) a n dp r o b l e m so fd i s t r i b u t e d s c b tf a c i n g ，t h er e s e a r c hd e s i g na u t o m a t i ca d j u s t m e n ts i n g l ec a rb r a k e t e s t e r r ” 一 lh eg o a lo ft h i ss y s t e ml st os o l v et h eq u e s t i o nt h a to f fs t a n d a r ds p e c i a l l o r r yc a n tb ed e t e c t e d t h ep r i n c i p l eo fa u t o a d j u s t m e n ti s ：1 ) d u r i n gt h e p r o c e d u r e so f b r a k ep i p el e a k a g e ，i tc a nc a l c u l a t eb u l ko f t h ev e h i c l eb r a k e s y s t e mt h r o u g hp r e s s u r ec h a n g eo ft h ev e h i c l e sb r a k ep i p e ；2 ) a c c o r d i n gt o t h eb u l ko fv e h i c l eb r a k es y s t e m ，t h es y s t e mc a r ls e tt h et e r m i n a l ，sc o n d i t i o n ； 3 ) d u r i n gt h et e s t i n gp r o c e s s ，i tc a na d j u s tt or e g u l a t i o n sf r o mo r b e a c c o r d i n gt op r e s s u r es u r v e yo ft h es t a n d a r dt h es y s t e m t h ek e yo ft h er e s e a r c hi st h a tc a l c u l a t i n gb u l ko ft h ev e h i c l eb r a k e s y s t e mt h r o u g hp r e s s u r ec h a n g eo fm ev e h i c l e sb r a k ep i p ea n dt h es y s t e m a d j u s t st or e g u l a t i o n sa c c o r d i n gt op r e s s u r es u r v e yo ft h es t a n d a r d n l e r e s e a r c hc h o o s et h eb pn e u r a ln e t w o r ka si t sm e t h o d ，w h i c ho nt h eb a s eo f t h en e u r a ln e t w o r ks o f t w a r e ，u s i n gh a r d w a r ep l a t f o r m so f d i s t r i b u t e ds c b t ， c o n s u m m a t ea u t o m a t i cd a t aa c q u i s i t i o n ，t r a i nn na n ds t o r a g ep a r a m e t e r so f n n i ti sap r o g r a mc o n t r o ls y s t e mt h a tt h es y s t e ma d j u s tt or e g u l a t i o n s a c c o r d i n gt op r e s s u r es u r v e yo ft h es t a n d a r d t h es y s t e mc o n t r o l l e rs e l e c t e d i i i 自调节单车试验系统的研制 f u z z yl o o k u pt a b l ec o n t r o l l e r a tl a s t ，t h es y s t e mi st e s t e d s y s t e mc o m p l e t e d f u n c t i o nt e s tu s i n g d i f f e r e n tc y l i n d e r s ，w h i c hp r o v e dt h a tt h es y s t e mc a nt e s tv a r i o u sv e h i c l e s t h r o u g hs e l f - r e g u l a t i n gw i t ht h eb u l kc h a n g e k e yw o r d s ：s i n g l ec a rb r a k et e s t e r ；f u z z yc o n t r o l ；a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k s ；p l c i v 承诺书水话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独 立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。如果今 后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关的内容，将 承担法律责任。除文中已经注明引用的文献资料外，本学位 论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ： 2 0 0 年月日 第一章绪论 第一章绪论 传统的货车车辆制动测试以人工手动完成，测试过程中，工人手持操纵把位手 柄，作各种制动与缓解操作，并依铁道部标准逐项实施检查，记录风压、声音、长度 等一系列相关数据，再通过复杂的经验性的综合判断，来确定货车制动性能是否符 合铁道部单车试验要求。在铁路列车全面提速和铁道部以科技创新保安全的形势下， 这种检测方法显然己不能适应铁路车辆检修的技术要求。 从铁路全面提速开始，铁路科研单位开始运用自动控制技术、计算机技术研制 新的单车试验设备。随后，微控单车试验器以及集中单车试风系统逐步投入使用， 单车试验设备全面实现了规范化、自动化。其中，d c s 集中单车试风系统是当前应用 最广泛的设备，它的应用使单车试验工作提高了效率、规范了管理，并降低了人员 的工作强度。 但是随着7 0 吨级货车车辆的投入运行、专用货车车辆的不断增加，d c s 集中单 车试风系统也遇到了许多方面的问题。 1 1 单车试验设备的发展 单车试验是铁路货车单车制动系统的一项试验工艺，即在单车出厂前，连接单 车试验器模拟火车运行时的制动，缓解、紧急制动等各种充( 排) 风动作，检测单 车制动系统列管压力、制动缸压力、制动缸活塞行程是否符合相关要求。 1 1 1 手动单车试验 单车试验最初使用的设备是手动单车试验器，控制部分是一个回转阀，有一个 进风孔( 连接风源) ，一个出风口( 连接单车) 及一个排风口，通过回转阀的不同 把位来控制单车进风、保压、排风。根据试验工艺手动单车试验共有6 个把位，分 别为：1 、2 位充风，3 位保压、4 、5 、6 排风，以不同的进风、排风速度来模拟火车 制动机不同动作： l 位快充风车体充风 2 位缓充风缓解 3 位保压无动作 4 位排风( 慢速) 减速 5 位排风( 中速) 制动 ，6 位排风( 快速) 紧急制动 随着1 2 0 制动阀的研制成功并大规模使用，因其制动、紧急制动排风速度与原 自调节单车试验系统的研制 来的g k ，1 0 3 等制动阀不同，故手动单车试验又增加了+ 5 ，+ 6 位( + 5 位排风( 中速) 1 2 0 阀制动、6 位排风( 快速) 1 2 0 阀紧急制动位3 。 由于在手动单车试验中，试验工艺的各种动作要依靠工作人员对把位的操作实 现，试验数据靠工作人员对压力表的观察实现，而且制动缸活塞行程也需要使用量 具测量，故准确度，工作效率都极为低下。 1 1 2 微控单车试验 由于手动单车试验器的种种缺点，铁路科研单位研制了微控单车试验，主要设 计思路是： 采用电磁阀替代手动把位，使用压力传感器自动测量列管及制动缸压力；利用 计算机技术，使用计算机软件对试验流程进行控制。 同时利用软件技术，可将试验参数、标准、记录进行有效的处理( 存储、查询、 统计、打印等) 。 微控单车试验在实现了单车试验自动化的同时，还存在以下缺点： 1 、制动缸活塞行程由于要求比较苛刻( 位置在车底，制动缸活塞旁为斜面，而 且要求方便安装、拆除) 故还采用人工测量输入。 2 、由于每个终端都包含主机、p l c ( 或基于单片机，d s p ，工业板卡等控制设备) 、 打印机，成本较高。 3 、每个终端单车试验都需要现场操作，浪费人力，工作效率不高。 4 、每个终端单独保存数据，不方便管理。 5 、不能实现与生产管理系统( 删i s ) 的互联。 1 1 3d c s 微控单车集中试验系统 针对以上缺点，铁路科研单位又研制了d c s 微控单车集中试验设备。d c s 微控单 车集中试验设备大多基于d c s 现场总线技术，以p l c 为现场控制设备、工业计算机 为集中管理设备，依靠系统监控软件实现对d c s 网络内所有试验终端的管理与监控。 d c s 微控单车集中试验设备使得单车试验工作得到了进一步优化，很好地克服了单车 试验设备的缺点，较单车试验设备有以下优势： 首先，使用d c s 微控单车集中试验设备，现场工作人员只需连接好待测车辆， 做好准备工作，将待测车辆相关数据( 车号，车型，配件型号等) 输入系统，试验 控制即可移交给中央控制室，由d c s 监控软件控制试验过程。现场工作人员在整个 过程中，只需要简单的辅助工作( 如加减空重车试验垫块，拉手刹等) 。实际操作 中，现场工作人员甚至可以同时监控三个单车试验，这就大大降低了现场工作人员 2 第一章绪论 的劳动强度，提高了工作效率。 其次，由于数据的存储，查询、打印都集中在了主控室，不但降低了设备制造 成本，而且管理也更为有效。 再次，由于工业计算机的网络功能，使得数据可以方便地传入h m i s 系统。 1 2 问题的提出及研究意义 1 2 17 0 吨级车辆的研制对单车试验工艺的影响 随着铁路系统的大发展，新型车辆，新型制动配件的研制，单车试验工艺先后 进行了几次大的修正。特别是7 0 吨级车辆投入运行后，对整车及列管的密封性提出 更高的要求，要求整车及列管在规定时间内压力不得下降。这就对要求单车试验设 备做出相应的调整，才能满足铁道不断更新的试验要求。 但是，由于现有各种单车试验设备的管路部分都比较复杂，要保证设备的密封 性本身就比较困难，密封性的提高无疑会使单车试验设备的制造增加成本，现有设 备增加故障率，维护工作量增加进而降低单车试验的工作效率。 另外，单车试验工艺的不断更新也要求单车试验设备有更好的调节性，以满足 将来可能出现的新要求。 1 2 2 专用车辆的研制对单车试验的影响 为了满足特殊行业的运输需要，铁道部南、北集团各车辆厂相继为特定客户研 制了数量不等的特种车辆，如小汽车运输专用车辆、家畜运输专用车辆、石子运输 专用车辆及钢轨运输专用车辆等。这些特种车辆为了满足一定的控制要求( 如太原 车辆厂研制的k 1 7 系列石子运输专用车辆使用的气动卸石门) ，或为了提高运载能 力( 如北京二七车辆厂研制小汽车运输专用车辆长达2 5 米) ，或为其原因都对制动 系统进行了不同程度的改动。这导致单车试验设备无法对特种车辆进行试验，所以， 特种车辆的不断增加也要求单车试验设备进行必要的革新以满足其试验要求。 1 2 3 自调节单车试验的提出 通过以上分析可以看出，在特殊车辆的研制与广泛使用的情况下，原有的试验 设备已不符合要求，需要研制一种能够对各种车辆进行单车试验的系统，即在d c s 微控单车集中试验系统基础上增加对试验阀门开度的控制，在一定范围内任一容积 下，都可以自动达到铁道部对单车试验机能要求的增、减压速度。 1 2 4 自调节单车试验的研究意义 自调节单车试验系统研制成功后，首先可以解决专用车辆的单车试验问题，避 自调节单车试验系统的研制 免了专用车辆试验设备的研制，节约了试验设备的费用、 了工作效率，可实现专用车辆与普通车辆的交叉试验。 同时，由于系统管路的简化使得系统的密封性更好， 易满足对7 0 吨级货车车辆的实验要求。 1 3 智能控制的发展 场地投入，而且大大提高 减小了系统故障率，更容 自调节单车试验的关键技术问题( 通过压力变化情况推测制动部分容积的计算 方法、根据标准试验压力曲线实时调节系统终端状态的控制原理以及实现) 都属于 非线性、不确定的复杂控制，采用传统控制方法难以实现。所以，智能控制的应用 成为系统设计的关键。 1 3 1 智能控制的概念 智能控制主要是指一类无需人为干预，基于知识规则和学习推理的能独立驱动 智能机器而实现其目标的自动控制技术，其核心是智能控制器，它是对人脑神经结 构、思维、专家决策过程的一种模仿。智能控制是控制理论发展的高级阶段，它的 基本出发点是模仿人的智能实现对复杂不确定性系统的有效控制，它的建立和发展 是以众多新兴学科为基础的。智能控制研究所涉及的领域除了传统控制论( 基于数学 模型的控制论) 以外，还包括：计划、学习、搜索算法、容错、纠错、神经网络、模 糊逻辑等p j 。 1 9 7 1 年美国的f u k s 教授提出智能控制是人工智能与自动控制相互作用的结果， 1 9 8 0 年一1 9 8 3 年s a r i d i sg n 在f u k s 教授研究的基础上，以智能机器人为背景，提出 了智能控制的理论体系，认为智能控制是人工智能( a i ) 、自动控锘i j ( a c ) 、运筹学( o r ) 交互作用的结果，创立了人机交互式分级递阶智能控制的体系结构。7 0 年代中 后期，s a r i d i sc t n 以模糊集合论为基础，从模仿人的控制决策思想出发，将模糊集和 模糊语言逻辑用于控制，创立了基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器。进入8 0 年代以来，由于微机的迅速发展和人工智能中的专家系统技术的逐渐成熟，人们将 专家系统思想和方法引入自动控制理论形成了专家控制，并成功地用于生产过程的 控制。8 0 年代中后期，神经网络的研究取得了重要进展，神经网络理论、自动控制、 计算机技术的有机结合形成了神经控制。进入9 0 年代以来，智能控制发展异常迅猛， 发展了模糊控制、专家控制、神经控制、自学习控制、基于模式识别的智能控制等 多种智能控制理论，其应用领域从工业过程控制扩展到军事、高技术领域及日用家 电产品等领域。智能控制的发展历史虽然只有近二十年，但是已经取得了可喜的成 4 第一章绪论 果， 目前智能控制主要包括模糊控制、神经元网络控制、专家控制系统、学习控制、 人工生物进化( 包括遗传、免疫和种群寻优) 算法等3 1 。 1 3 2 常用的智能控制方法 1 、人工神经元网络控制 神经元网络控制是模拟人脑神经中枢系统智能活动的一种控制方式，具有调节 能力和学习能力。神经网络是一种不依赖模型的自调节函数估计器，当给定的输入 不是原来训练的样本时，神经网络也能给出合适的输出，具有泛化功能。在神经网 络中，知识是通过学习例子而分散地存储在网络中，具有很好的容错能力。神经元 网络通过神经元以及相互连接的权值，初步实现了生物神经系统的部分功能。神经 元网络具有非线性映射能力、并行计算能力、自学习能力以及强鲁棒性，按照其在 系统中的作用分为两种功能模式：神经网络建模和神经网络控制。神经网络具有逼 近非线性函数的能力，可以用来建立非线性系统的动态模型。建模主要利用对象的 输入输出数据，经过误差校正反馈，修正反馈，修正网络权值，最终得到一个输入 输出对应的函数模型。神经网络在控制系统中所起的作用可分为四类： ( 1 ) 在基于模型的各种控制结构中充当对象的模型； ( 2 ) 充当控制器； ( 3 ) 控制系统中起优化计算的作用； ( 4 ) 与其他智能控制系统，如专家系统、模糊控制相结合，为其非参数化对象模 型【3 1 。 2 、模糊控制 模糊控制主要是模仿人的控制经验，研究现实生活中广泛存在的、定性的、模 糊的、非精确的信息系统的控制问题。模糊控制起源于l a z a d e h 建立的模糊集理论， 主要由三个基本部分组成：模糊化、模糊决策、精确化计算。模糊控制的工作过程 简单地描述为：首先将信息模糊化，然后经模糊推理规则得到模糊控制输出，再将 模糊指令进行精确化计算最终输出控制值。但是模糊控制对信息进行简单的模糊处 理会导致控制系统精度的降低和动态品质变差，为了提高系统的精度则必然要增加 量化等级，从而导致规则的大量增加，因此影响规则库的最佳生成，且增加系统的 复杂性和推理时间。因此，混合模糊控制得到进一步发展。诸如模糊p i d 调节器、 模糊专家系统、自调节自学习模糊控制、模糊神经网络控制等混合模糊控制不断被 列为研究方向吲。 s 自调节单车试验系统的研制 3 、专家系统系统 专家系统是由许多收集的规则组成，它清晰地表示了知识和结果。规则的最简 单形式是i f t h e n 结构，一般专家控制系统由三部分组成：其一是控制机制，它决 定控制过程的策略；其二是推理机制；其三是知识库，包括事实、判断，它实现知 识之间的逻辑推理以及与知识库的匹配、经验以及数学模型，其中有些知识是数值 型的，有些是经验和规则，由符号形式表示。设计控制系统的过程就是如何获取， 有效地组织和运用知识，进行推理【4 j 。 1 4 论文的主要内容及安排 本文结合电子技术、计算机相关技术和智能控制相关技术，在d c s 单车试验系 统的基础上设计了一个可以根据待测车辆自动调节对多种车型铁路货车车辆进行试 验的单车试验系统。 论文安排如下： 第一章：绪论。 第二章：自调节单车试验系统的前期设计。 第三章：车辆制动部分容积智能判断算法设计。 第四章：自调节控制的实现与验证。 第五章：自调节单车试验系统软件设计。 6 第二章自调节单车试验系统的前期设计 第二章自调节单车试验系统 2 1 自调节单车试验系统设计目标 2 1 1 微机控制单车试验器校验规定 中华人民共和国铁道部2 0 0 8 年发布的铁路货车制动装置检修规则中规定， 单车试验器必须按下列要求进行机能检查( 指单车试验器本身是否合格的检查，为 铁路专用名词) ： 1 、按图2 1 所示将单车试验器与容积1 5 5l 的列车管容积校验风缸相连，管路 规格和长度须符合图示要求1 2 】。 活接头常紧 三通接头经加焊接管 图2 1 单车试验器机能检查装置管路示意图【2 】 2 、漏泄试验要求，相比以前的规定，标准提高。 3 、各位置充气或排气时间应符合表2 1 规定。 7 白调节单车试验系统的研制 表2 1单车试验器充风或排风时间表 位置充风或排风k p a孔径参考尺寸m m时间s 1 位：急充风位 6 4 2 位：缓充风位5 0 升至1 5 0 西o 65 0 5 2 3 位：保压位 4 位：感度试验位5 0 0 降至4 0 00 9 1 5 1 6 5 5 位：安定试验位5 0 0 降至3 0 0m 2 08 9 6 位：紧急制动位5 0 0 降至2 0 03 7 3 5 5 安定试验位( 1 2 0 阀、1 2 0 1 阀用)5 0 0 降至3 0 0m 2 84 5 紧急制动位( 1 2 0 阀、1 2 0 i 阀用) 5 0 0 降至2 0 0m 6 o1 5 2 5 2 1 2 自调节单车试验机能试验 根据机能试验要求可知，单车试验器正常工作的条件是各个阀位能达到表2 1 要 求的排( 充) 风速度。在单车车辆制动部分容积不变( 即符合图2 1 中的1 5 5 - 4 - 0 2 5 l ) 的情况下，可以依靠阀门排( 充) 风孔径来保证。而当车辆制动部分容积不在上述 范围后，单车试验器正常工作必须具有自动调节减压( 增压) 速度的功能。 通过以上分析可知，系统自调节可分为两个步骤： 1 、根据车辆制动部分容积预置阀门开度( 对应于表2 1 规定的参考孔径) ； 2 、根据实时减压( 增压) 速度调节阀门开度，保证减压( 增压) 速度符合表2 1 规定。 2 1 3 系统自调节性能要求 系统自调节的最终目标为：在车辆制动部分容积发生变化的情况下，各个阀门 排( 充) 风速度满足表2 1 要求。试验方法为，使用超出( 1 5 5 0 2 5 l ) 范围的试验 风缸进行机能试验，在漏泄试验合格后，各位置充气或排气时间符合机能检查要求4 。 由于系统自调节存在实时调节阀门开度的步骤，在调节过程中可能出现图2 2 所 示情况。这可能导致车辆制动系统的误动作，进而影响试验结果准确性。所以在系 统自调节性能要求中，还应增加最大偏差量的指标。 综上所述，系统自调节性能的最终要求为： 8 第二章自调节单车试验系统的前期设计 l 、各位置充气或排气时间符合机能检查要求4 ； 2 、机能试验曲线与标准机能试验曲线最大偏差量在规定范围内。 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 时 1 0 0 - r k 0 o 1 0 2 03 0 4 05 0 6 07 0 8 0 时间s 自调节单车机能试验( 2 位) 一机能试验标准充风曲线( 2 位) 图2 - 2 机能试验曲线( 2 位缓充风) 对照 2 2d c s 单车试验系统简介 2 2 1 系统结构 d c s 单车试验系统也称集中单车试风系统，采用成熟的p r o f i b u s 总线结构，操作 人员操作位于试验主机的监控软件对每个终端的单车试验进行控制，最后得出结论， 出具报表。 9 自调节单车试验系统的研制 7 - 、i l ，榨制计算机 尝学制计算机 1 主旧6 刈 备c p 5 6 1 5 6 11 i i l 一。i p r o f i b u s 一、_ 一? jbn ，? ww ，? ，i女m ，一一 ， 一，“。 _f，。u ：1 c p u 2 2 6l2 7 7 p l c 2 c p u 2 2 6l2 7 7 p l c 3 c p u 2 2 6 l 2 7 7 1 号终端2 号终端3 号终端4 号终端1 0 号终端 图2 - 3d c s 单车试验系统结构图 2 2 2d c s 单车试验系统管路 d c s 单车试验系统管路结构比较复杂，由七个电磁阀门，一个有三个腔的整体 阀板及风表、传感器组成。结构如图 1 0 第二章自调节单车试验系统的前期设计 卜 风源过滤加压器 n 上r 腔 、 ( )畎、口六 、 双针风表 1 位阀 2 位阀 工作腔 口= o ，上e 扁廿皿1 ，。7+71 。一- h j a d 2 3 1l n 哑 了画了画虿虿嘎 琴吟 土 j厶 、 ， “_ + b t 正周i 4 位阀i5 位阀i6 位阀i + 5 位阀i ( p l c 的a d 单针风表 模 块) 排风口 排气腔 m 、 叫压力传感器2 | 试验终端待测车辆 图2 - 4d c s 单车试验系统管路图 2 2 3 信号与电路 由系统机构可知，系统的信号可分为两大部分，即p l c 与试验终端之间的信号 与控制主机与p l c 之间的信号。p l c 与试验终端之间的信号有三种，开关量( 包括 输入与输出) 、模拟量及计数脉冲。 由于试验终端处于生产现场，工作环境恶劣，为避免因终端故障影响到系统正 常工作，采用续流电路对终端信号进行保护，隔离并避免感性负载( 电磁阀线圈) 对p l c 的影响。控制主机与p l c 之间的信号通过p r o f i b u s 传输的数字信号。由于 p r o f i b u s 网络的硬件已经完成了o s i 网络模型的底层功能，系统设计时仅用考虑底层 信号的获取和信号内容的翻译。 自调节单车试验系统的研制 p l c 1 位电磁阀 工 业 2 位电磁阀 l 计 c p u 算 4 位电磁阀 l 机 _ 一 5 位电磁阀 f zl 弋 7 6 位电磁阀 l l 输 7 i “1 1 阀ii 入 输 。l + r 待南磁阅 t u 雌喵僦删 出 设 备 h s c 制动缸行程传感器 a d 2 3 1 制动缸压力传感器 列管压力传感器 图2 - 5 控制示意图 2 2 4d c s 单车试验系统存在的不足 d c s 单车试验系统在2 0 0 2 年研制成功后，已经成功应用在多个车辆厂，并于2 0 0 5 年通过了中华人民共和国铁道部车辆运输局组织的技术评审，大大的提高单车试验 设备的技术水平，满足了车辆生产检修行业的生产要求。 但是，随着使用过程的深入、设备的老化以及铁道部单车试验工艺的要求日趋 严格，d c s 单车试验系统也暴露了一些问题，具体如下： 1 、终端部分管路设计复杂，连接点过多，容易发生漏泄，特别是7 0 吨级车辆 广泛应用后，对单车试验设备提出更高的要求。而系统为模拟原手动单车试验器的 不同把位，共需7 种不同电磁阀孔径，这导致电磁阀互不通用，且加工、校对复杂。 2 、网络部分系统实际为三级网络，除工业控制计算机外，p l c 也严重影响系统 的稳定，由于大多系统终端数为6 1 0 台( 由生产能力及场地决定) ，而一旦p l c 出 现故障将影响2 4 个终端的使用，所以系统整体容错性能不高，没有发挥出d c s 系 统的优势。 1 2 第二章白调节单车试验系统的前期设计 2 3 自调节单车试验系统结构 2 3 1 系统结构 根据自调节单车试验的设想，试验终端的控制量将进一步增加，同时为了降低 p l c 故障对系统的影响，系统的结构将做出一定修改，修改后系统结构如图2 - 6 。 工业控制计算机 工业控制计算机 ( 丰)( 各) c p 5 6 1 1 0 c p 5 6 1 l p r o f j b u s 门 t j c p u 2 2 4 0 2 7 7 c p u 2 2 4 | 1 2 7 7 c p u 2 2 402 7 7 回国国 1 号终端2 号终端n 号终端 图2 - 6 自调节单车试验系统结构图 修改后系统采用p r o f i b u s 网络，d c s 结构，不但降低了p l c 对系统的影响，同 时大大简化了线路，避免了由于线路故障引起的系统故障。 1 3 自调节单车试验系统的研制 2 3 2 管路设计 试验终端待测车辆 图2 7 自调节单车试验系统管路图 采用开度调节阀后，原来系统中的7 个电磁阀被2 个电磁阀及2 个开度调节阀 代替。连接点大大减小。同时由于电磁阀的不同孔径被开度调节阀代替，使得终端 配件数减小，降低了生产与维护难度。 1 4 第二章自调节单车试验系统的前期设计 2 2 3 信号定义与电路设计 p l c 充风电磁阀 工 业 一h 、 、r 1 计 c p u排风电磁阀 算 机 p t 0 1 充风开度阀 7 、 p t 0 2 排风开度阀 v 输 h s c 制动缸行程传感器 入 输 a d 制动缸压力传感器 出 2 3 1 设 备 列管压力传感器 充风开度传感器 排风开度传感器2 图2 - 8 控制示意图 可见，正如前面系统结构一节指出，系统的控制量增加了两倍，其中一部份是 手动部分的控制输入，另一部分是开度控制的输出量与反馈量，详见表2 2 。故网络 结够构修改除为了降低p l c 对系统的影响外，p l c 的输入输出量限制也是一个原 因。 白调节单车试验系统的研制 表2 2 单车试验器终端控制量表 名称地址类型描述备注 充气阀开度p t o q 0 0 数字输出充气阀步进电机控制脉冲 p t 0 0 排气阀开度p t o q 0 1数字输出排气阀步进电机控制脉冲 p t o l 充气阀开度方向 q 0 2 数字输出步进电机方向信号 排气阀开度方向 q 0 3 数字输出步进电机方向信号 充气开关阀 q 0 4 数字输出 排气开关阀 q 0 5 数字输出 1 位 1 0 0 数字输入手动按钮动作手动控制信号 2 位 1 0 1 数字输入手动按钮动作手动控制信号 4 位1 0 2数字输入手动按钮动作 手动控制信号 5 位 i o 3 数字输入手动按钮动作手动控制信号 6 位1 0 4 数字输入手动按钮动作手动控制信号 + 5 位1 0 5数字输入手动按钮动作手动控制信号 + 6 位 i o 6 数字输入手动按钮动作手动控制信号 行程传感器 1 1 2 ，1 1 3 数字输入行程脉冲高速计数 h s c 3 压力传感器1a i w o模拟输入列管压力a d 扩展 压力传感器2 a i w 2 模拟输入制动缸压力 a d 扩展 压力传感器3 a i w 4 模拟输入风源压力a d 扩展 位置传感器1 a i w 8 模拟输入充气开度反馈 a d 扩展 位置传感器2 a i w l 0 模拟输入排气开度反馈a d 扩展 1 6 第二章 自调节单车试验系统的前期设计 2 4 本章小结 本章首先提出了自调节单车试验的设计目标，然后在对d c s 单车试验系统进行 详细的分析，并在此基础上提出自调节单车试验的设计思路，为自调节单车试验系 统设计了理论实现平台。 1 7 第三章铁路车辆制动部分容积智能判断 第三章铁路车辆制动部分容积智能判断 3 1 概述 3 1 1 铁路车辆制动系统现状分析 现在的铁路货车运行车辆有按照载重有6 0 吨，7 0 吨，8 0 吨三个级别，按用途 有敞车、蓬车、板车、罐车以及其他专用车辆。虽然大部分车辆的制动部分容积都 是铁道部严格规定的1 5 5 l ，但由于车辆类型繁多，用途各异，不可避免的也出现了 一些例外，如北京二七车辆厂生产的小轿车专用车辆为2 8 5l ，太原机车车辆厂车辆 厂生产的钢轨运输专用车为1 7 5l ，武汉江岸车辆厂生产的家畜专用车为2 0 l 。这些 车辆在进行单车试验时，如各个阀位仍按照表2 1 第三列提供的参考数据设定，显然 无法满足表2 1 第二、四列提出的时间要求。 3 1 2 铁路车辆制动系统现容积判断原理 为在制动部分容积发生变化时通过调整阀门开度达到表2 1 提出的要求，必须根 据被测车辆制动部分容积计算出各个阀门应有开度，再在实际充( 排) 风过程根据 标准曲线中进行微调。这就要求系统能根据现场数据，方便地判断出被测车辆制动 部分的容积。 图3 1 定容充气图 根据流体力学，如图3 1 所示，向容器内充入一定压力的气体， 数( 如压力、温度等等) 由于充入一定质量的气体，将发生相应变化。 参数的变化，需要进一步进行理论分析。曙1 理想气体的状态方程：p v = m r o 式中： 尸：容器内压力( p a ) p ：容器内温度皤) 阢容器容积( 聊3 ) 聊：气体质量( 堙) 尺：气体常数2 8 7 ( j ( k g 1 0 ) 1 9 容器内气体的参 为了清楚地了解 ( 3 - 1 ) 自调节单车试验系统的研制 在容积不变的前提下，对( 3 1 ) 求导，得到式( 3 2 ) o pp0 0 r 0 一 = 一十u 8 t ea t y 式中： g ：气体质量流量( k e g s ) 根据能量守恒原理，获得如下等式： ( 3 2 ) c r m i 0 0 ：c r g 。( 9 。一0 ) + r g 。0 。+ q ( 3 3 ) 式中： c ，：定容热容7 1 8 ( j ( k g 划 0 口：环境温度( 的 q ：热传导热量嗍， 可见定容器充气过程的压力变化与容积气源压力，充气孔径，容器形状，环境 温度、容积等因素有关，但由于现场情况复杂，精确计算比较困难。但是，由于单 车试验完全充风过程中容器形状、环境温度、充风孔径等没有变化，这些参数可以 作为常量，试验压力变化与容器容积是非线性的对应关系。 由于人工神经网络具有处理求解非线性问题上的独特优势，所以本系统采用人 工神经网络来实现根据充气过程中压力变化来判断容器容积 3 2b p 神经网络及其学习算法的改进 3 2 1b p 神经网络模型概述 b p 网络是由r u m e l h a r t 等人于1 9 8 5 年提出的即。它是一种无反馈的前向网络， 由一个输入层、若干隐含层和一个输出层构成，其中隐含层可以是一层或多层，而 且相邻层采用全互连结构。图3 2 网络中输人层和输出层各有三个神经单元，两个隐 含层各有五个神经单元，网络结构为3 5 5 3 。输人信号通过向前传播到隐含层，再 经过隐含层传播到输出层，若隐含层为多层，信号的传播将是逐层递进的。在b p 网 络中，神经网络输出特性函数通常选用s 型函数，如： 1 ( x ) 2 存 第三章铁路车辆制动部分容积智能判断 对于b p 网络的输人层与输出层的神经元个数、隐含层的层数及其神经元个数的确定， 目前还没有成熟的理论体系，通常是根据问题的复杂性凭经验或试探进行。 图3 2 神经网络结构图 3 2 2 基本b p 算法 b p 网络的学习包括正向传播与反向传播两种方式，输入信号由输入层经隐含层 向输出层“信号正向传播”过程，网络的希望输出与网络的实际输出之差的误差信 号由输出层经隐含层向输人层逐层修正连接权重和阈值“误差反向传播”过程，由 “信号正向传播”与“误差反向传播”的反复交替进行网络“记忆训练”过程。从 形式上可表示为：“信号正向传播”、“误差反向传播”、“记忆训练”、“学习收敛”过 程、从理论上有如下探讨。 设有m 层的b p 网络，( x 1 i ，x 2 t ，x 3 抄x 腑) 表示第k 个样本的输人， ( y 。女，y 2 t ，y 3 护y 砒) 表示第k 个样本的输出，k 表示学 - 3 样本序号，9 名叫为第f 层神 经元的输出，日名为第f 层神经元的闽值，n e t s k 为第f 层神经元歹的输人，它是第 f 1 层所有神经元输出与该神经元权重、阈值的加权和( 如式3 - 4 ) ，叫形量为第f 一1 层所 有神经元，与f 层神经元_ ，的连接权重( 如式3 5 ) ，俐选用非线性的s i g m o i d 函数。 n e t j k = ( 啄1 一彰) i ( 3 - 4 ) = f ( n e t ， 俺) ( 3 - 5 ) b p 网络的输人层和输出层可分别表示为式( 3 6 ) 与( 3 7 ) o l 暾= x 彘 ( 3 6 ) 2 1 自调节单车试验系统的研制 o t i k = y 像 ( 3 - 7 ) i = 1 ，m ；j = 1 ，刀 b p 算法选用网络的计算输出y 和期望输出y d 之间的误差为目标函数，并采用梯 度下降法推导连接权重w 和阈值0 的迭代算式。因此可以定义平方型误差函数为 e ：丢( j ，弦一y j d k ) 2 ( 3 - 8 ) 铒= 嚣峨3 - 4 ) ，( 3 - 5 ) 删朋 a eo e a n e t j e a w ka n e t j k8 w ：k ( 3 9 ) 根据式( 3 7 ) 求出输出层的权重和阈值误差为而输出层依次向隐含层反向分配的 误差为 啄= y i k q y i k 、) ( y j k y ：k 、) ( 3 1 0 ) 从而获得实现权重与阈值的修正迭代式， 形盖o + 1 ) = 陟麓o ) + 7 7 d o 业il ，, 1 肚i - i ( 3 - 1 1 ) 0 j o + 1 ) = 0 j o ) + 町6 五 ( 3 - 1 2 ) 式中t 为迭代次数，目( o 1 7 1 ) 为学习步长。 根据学习的终止判据( 式3 1 3 ) 并将式( 3 1 1 ) 与( 3 1 2 ) 反复迭代，直到对所有的学习 样本网络输出的均方误差达到要求为止。在下式中n 为样本总数，为学习误差( 视所 要求的学习精度而定) 。 e = 吉( y 肚一y 磊) 2 s ， ( 3 - 1 3 ) 3 2 3b p 算法的缺陷 b p 算法在收敛过程存在着两个很大的缺陷：收敛速度慢；存在所谓“局部极小” 问题。“局部极小 是指当学习反复进行到一定次数后，虽然网络的实际输出与希望 第三章铁路车辆制动部分容积智能判断 输出还存在很大的误差，但无论再如何学习下去，网络局部误差的减小速度仍十分 缓慢，或者根本不再变化。这种现象是由网络收敛于局部极小点所致。b p 网络全局 误差函数e ( 也称评价函数) ，是一个以s 型函数为自变量的非线性函数。这就意味着 由e 构成的连接权空间不是只有一个极小点的抛物面，而是存在多个局部极小点的 超曲面( 如图3 3 所示) 。因此b p 网络的收敛过程很可能在遇到局部极小值被“冻结” 住，而无法最终收敛至全局最小点，也就无法对学习模式准确记忆。导致b p 网络这 一缺陷的原因，是由于b p 学习规则采用了按误差函数梯度下降的方向进行收敛。 全局极小点 图3 3 神经网络收敛曲线 b p 算法在沿着误差函数梯度下降的方向探索其全局最小点的过程中，从最优化 原理可知，走的是一条曲折的路径，即梯度下降法出现的锯齿现象。在远离最小点 的地方每次迭代都可能使误差函数值有较多的下降，可是在接近最小点的地方、由 于锯齿现象使每次迭代的距离大大缩短，因而收敛速度不快。对于b p 算法、如果迭 代步长选得过大，还可能使迭代过程在最小点附近发生振荡从而引起不收敛。由以 上分析可以看出易陷人“局部极小”与收敛速度慢是b p 算法采用误差平方、梯度下 降法等的结果，是b p 算法不可回避的问题。当网络学习处于图3 3 所示的a 点位置 时由于沿梯度最大路线下降的要求，便很容易到达局部极小点，以致停止移动，但 如果是从b 点开始则最终会到达全局最小点。由此可知，b p 网络的收敛与学习模式 初始位置有很大关系。适当改变b p 网络中间层的结点个数，或给每个连接加上一个 很小的随机数等，都有可能使收敛过程避开局部极小点。目前提出的各种改进b p 算 法，都是围绕上述思想进行的。 自调节单车试验系统的研制 3 2 4 基本b p 算法的改进 1 、双变动量因子 为加速收敛和防止振荡，将b p 算法中增加两个变动量因子a ( o 仅 1 ) 和 3 ( 0 卢 0 且叩要减小时，先令口= 0 和卢= 0 。， 然后调节到印增大时使仅和声恢复。 2 、群体训练法 为了避免在单个训练样本对权重、阈值的修正时可能出现的振荡，将所有样本 进行正向运算后所产生的误差累计，然后统一再对权重和阈值进行一次性修正，则 有 嗽+ 1 ) = 叩莩焉 ( 3 1 6 ) 蛳+ 1 ) = 叼军焉 ( 3 1 7 ) 3 、修改s 型函数 为避免神经元陷人饱和区而使学习停滞，将s i g m o i d 函数修改为 m ) = 专 ( 3 - 1 8 ) 在网络末收敛前，调整a 值大小，使各神经元尽量工作在线性区。方法是在饱和 区时减小仅值，在退出饱和区后，增大a 值。 4 、变步长 学习步长是b p 算法的一个重要参数。由式( 3 1 1 ) 、式( 3 1 2 ) p - 以看出网络的权重 第三章铁路车辆制动部分容积智能判断 和阈值的修改量与学习步长日成正比。目的选