（车辆工程专业论文）地铁防滑器研究.pdf

摘要 摘要 随着高速铁路和城市轨道交通的发展，对车辆运行的安全性和控制精度以及 制动距离提出更高的要求，满足上述要求的制动系统，必须配备高性能的防滑器。 本文在深入研究蠕滑和粘着理论的基础上，并参考国内外的防滑经验，初步 确定防滑参数，并选用滑移率和加速度作为输入变量的二维模糊控制算法作为防 滑器的控制方法，将模糊算法用c 语言编程，通过模糊输入直接生成模糊规则和 控制最。 为检验防滑器的防滑效果，建立了整车常用气制动模型。应用模糊推理系统 ( f i s ) 建立模糊控制规则，然后结合m a t l a b s i m u l i n k 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数，从仿真的结果来看，取得了很好的防滑 控制效果。 在仿真的基础上，利用“2 0 0 k m h 电动车组静置试验台”进行试验，重点检 验防滑控制效果。利用原试验台的m b c u 部分硬件作为防滑器主机，利用个人电脑 作为r 控机，防滑器主机软件采用c 语言编程，工控机软件采用可视化的v b 语言 编程，防滑器主机与工控机之间采用标准的r 8 2 3 2 通信。 试验的结果与仿真的结果能够吻合，证明了两者的可行性与i f 确性。 关键词：防滑，模糊控制，仿真，试验 a 8 s 下r a c t a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dr m l w a y a n du r b a nr a i l t r a f f i c ，h i g h e r r e q u i r e m e n t sf b rr u n n i n gs a f e t y , c o n t r o lp r e c i s i o n ，a n db r a k ed i s t a n c eo fv e h i c l ea r ep u t f a r w o r d s oh i g h - p o w e r e da n t i s k i di sn e e d e dt om e e ta b o v er e q u i r e m e n t s e f f o r t sa r em a d ei nt h et h e s i st os t u d yt h ea n t i s k i dp a r a m e t e r so nt h eb a s eo ft h e r e s e a r c ho fs l i d i n ga n da d h e r e n c et h e o r i e sa n dt h er e f e r e n c eo ft h ee x p e r i e n c eh o m ea n d a b r o a d t w o d i m e n s i o nf u z z yc o n t r o lm e t h o d ，s l i p r a t i oa n da c c e l e r a t i o ni n c l u d e da si n p u t v a r i a b l e s ，i sc h o s e nt oc o n t r o lt h ea n t i s k i d t h ef u z z yc o n t r o lr u l e sa n dc o n t r o lp a r a m e t e r s a r eg e n e r a t e dt h r o u 馥t h ec p r o g r a m m e df u z z ya l g o r i t h m t h em o d e lo fw h o l ev e h i c l ep n e u m a t i cs e r v i c eb r a k ei sb u i l dt oc h e c ku pt h ea n t i s k i d f t t z z yl l l a t i o ns y s t e m ( f l s a r ea p p l i e dt os e tu pf u z z yc o n t r o lr u l e sa n dt h e ns i m u l a t i o no f t h em o d e li sd o n ei nm a t l a b s i m u l i n k t h ec o n t r o lr u l e sa n dp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d i nt h ec o u r s eo f s h n m a t i o n g o o 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 b a s e do nt h es i m u l m i o n ，t h ea n t i s k i de x p e r i m e n ti sc a r r i e do u to nt h e2 0 0k m & e l e c t r i cm o t o ru n i t s ( 嚣m u s ) s t a t i cb r a k et e s t - b e d t h ea n f i s k i dc o n f f o lu n i t ( a c l o i s c o m p o s e db yp a r to fh a r dw a r e so fm b c u ( m i c r o c o m p u t e rb r a k ec o n t r o lu n i t ) i c c ( i n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e r ) i ss u b s t i t u t e db yp c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) a c ui s p r o g r a m m e d ，m a dp cv b e d t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e na c ua n dp ci ss t a n d a r d 轻s 一2 3 2 + t h ef e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo fb o t hs i m u l m i o nm a de x p e r i m e n ta r et e s t i f i e db yt h e i r r e s u l t s k e yw o r d s ：a n t i s k i d ，f u z z yc o n t r o l ，s i m u l m i o n ，e x p e r i m e n t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各 项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论 文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文； 学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为 目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：q 豪髦华 舻；月，罗日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：嘞学 州年刁玛t j 日 第1 章。| 等 1 1 概述 第1 章引言 近年来，国内城市轨道交通飞速发展，对车辆的需求越来越大，而车辆主要 依赖于进口，购置以及同后运行维护昂贵费用，成为阻碍城市轨道交通发展的瓶 颈，地铁车辆的国产化迫在眉睫。保证地铁车辆运行安全的制动系统，在囡内还 处在研制阶段，作为制动系统的主要组成部分的防滑器也没有成熟的产品，即使 进口的防滑器，其技术也没有十分成熟，因此，本文以地铁防滑器为研究对象， 探索其控制方法，无论从地铁车辆国产化的方面，还是从制动技术发展的角度， 都具有一定的现实意义。 1 2 列车防滑重要性 列车滑行就是制动时车轮滚动过程中轮轨之间纵向发生相对滑动( 严重的而 不是轻微的相对滑动) 。 首先，列车滑行会导致对车轮的伤害。当列车速度较高时，如果发生滑行， 而且不能及时解除，将使车轮相对钢轨滑动较长距离，摩擦部位产生、聚集大量 的热，直接导致车轮踏面变软、熔化、被磨平，发生“擦轮”事故，列车无法继 续运 j ：。我国的研制的某动力集中高速列车，就发生了擦轮事故，车轮沿径向磨 损掉：j 8 ! 只能等待救援。列车低速发生滑行时，虽然4 ：会导致车轮踏面的明显 磨损，但在高应力下摩擦也会有大量的热聚集，使踏面局部温度达到数百摄氏度， 当制动机恢复缓解时，聚集在该处的热量会迅速敖失，车轮急剧冷却，导致泼部 位会属组织变硬、变脆，运行中这个部位由于韧性不足，在交变应力和冲击力的 长期作用下，会逐步萌生微小裂纹，随着时间的推移和走行距离的延长，微小裂 纹会逐渐扩大连片，然后脱落形成踏面剥离。 其次，列车发生滑行，会延长制动距离。发生滑行，轮轨之删的滑动摩擦系 数要低于t f ：常情况下的粘着( 摩擦) 系数，列车的减速度减小，制动距离增加。 这样，在紧急情况下，会增加事故的发生概率，正常情况下降低运行效率。 凼此，从安全、经济、高效的角度考虑，列车必须采用防滑。防滑器的作用 就是防i f ：制动时车轮滚动过程中轮轨之间纵向发生相对滑动，并僳持制动力尽量 接近粘着力，即既要防止滑行擦伤，又要充分利用粘着。 鼙1 章f h - 。3 列车滑蠢的起困 如图1 1 ，列车制动力的产生过程：在车轮转动中，闸瓦作用于车轮的法向 压力髟引起辩瓦伟精于车轮的切向滑动摩撩力k + 妒，蓝留辩滑动摩擦力对轮心静 逆时针方向的力矩k 妒r ，在轮轨接触点引起铡轨反作用于车轮的切向静摩擦力 口，嚣就怒由制动装置引越的列车制动力。在轮鞔闻傈静静摩擦鞠忽略车轮圈转 惯性的前提下，制动力在数值上可认为等于闸瓦摩擦力，即b = k - 妒，只爱轮轨 闯静静摩擦不被破坏，涮藏力褥随黼瓦压力鲍增大舔增大。僵在实际清况中，由 于种种原因，轮轨接触面不是纯粹的静摩擦状态，而是“静中有微动”的状态， 琵这种状态h q “觏? ”妖奄f 寰避 宠更张嚣，敷谨i 铸，；备正交铆盎：。轮鞔闻兹 u _ j _ l j 二一 f 吒| | 一、 ! 卵 n 。 k r b 寸 酗l + l 闻瓦翻葫受力楼 轫向雩# 鼹不h q 静露擦，两e 糙着，恕糙羞状念下埝软超切向躲最大侔用力”q “糙 着力”，定义为粘着系数，粘着力为n ，相应地，轮轨间粘着状态彳i 被破坏， 也就是k 妒g n ，制动力就是b = k 驴。 翌当k t 妒 n 时，簸破坏了轮鞔藏熬结蓑状态，这瞪k 。移产生静与耱魏 f b j 切向力产生对轮心的合力矩为零( 忽略车轮的转动惯量，车轮的转动也被k 凹 产生鹣力缒耱裁) ，车轮莓j 转动，但车辆出子溪凌甏继续淘嚣，藏造或 列车在 钢轨：的滑行。 以 ：薮萝毽望豹踏瑟割动为模型寒分辑滑行羲产生，其实，割动鲍形式多静多 2 第1 章；l 言 样，但只要是粘着制动( 通过轮轨粘着产生制动力并受到粘着限制的制动) 系统， 其模型都可以转化成踏面制动模型，就要涉及到防滑。因此，我们平常说的摩擦 制动( 踏面制动、盘形制动) 、动力制动( 电阻制动、再生制动、圆盘涡流制动 等) 都属于粘着制动，这样的制动系统受到粘着限制，要考虑系统的防滑功能； 而非粘制动( 制动力不通过轮轨粘着产生的制动) 系统，如轨道涡流制动和磁轨 制动则不受粘着限制，在理论上，制动的减速度可以设计得很大。但这两种制动 通常不单独使用，般作为其它制动系统紧急制动时的辅助制动。 1 4 防滑器的发展历史 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。 第一代，机械式防滑器。它判断是否要发生滑行的判据就一种，即车轮的角 减速度，它把回转体的惯性转换成位移，打开阀门或接通电流，使角减速度骤低 的轮对缓解。德国克诺尔m 型防滑器，加拿大现在货车上用的m w x 型防滑系统都 是机械式防滑器。 第二代，电子防滑器。它采用多种判据，具有较高的灵敏度和较快的作用速 度，可以进行必要的监督和轮径补偿。其功能己较机械式防滑器有了很大的发展， 但还不够“智能”。 第三代，微机控制的防滑器。它是智能型的防滑器，可以对制动、即将滑行、 缓解、再粘着的全过程进行动态检测和控制，目前使用的判掘主要有三种：速度 差、减速度、滑移率。德国的克诺尔m 6 5 l 型、奥地利的o m g2 0 2 型、日本的滑行 再粘着装置及法国的f m v e l e y 均为微机控制防滑器。 微机控制的防滑器，从控制模式上划分，也已经历了三代： 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， 控制方法是，有一个参数超过了设定值，就对制动缸进行大量排气。这种防滑器 的不足： 1 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。 运用情况：国内实际应用的是这种模式，日本新干线应用这种模式，但采用 的是油压制动系统，响应快，灵敏度高，能够满足防滑要求。 第二代：在第代防滑控制的基础上，法国和h 本进行了第二代滑移率控制 模式防滑器的丌发，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，而是逐渐降低制动缸压力，使滑移 鸽l 幸一j l 苦 率维持在一定的范围内，以充分利用连续滑行的增粘效果。 优点：提高了粘着的利用，缩短制动距离 不足：加速了轮轨磨耗 运用情况；法国将滑移率控制在i o 一2 5 的范围内，r 本证明滑移率控制在 1 0 以内可基本维持最大粘着不变。t g v 高速，东日本e 5 0 1 系电动车组，8 8 3 系特 快电动车组都采用了这种控制方法。 第i 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 式防滑器的丌发，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a 附近o 5 的微小蠕滑区内进行再粘着控制。 优点：粘着利用率高，制动距离短 缺点：对系统运算速度和检测精度要求高 运用情况：还没应用，闩本在处于试验阶段 我国f6 0 年代中期研制成功并装用了机械式防滑器，随着电子技术的发展， 1 9 8 7 年四方所研制成功了我国最早的微机控制的防滑器。1 9 9 2 铁科院研制成功 t f x i 型防滑器，现在我国铁路客车上大面积使用。我国今后的防滑器采用哪种控 制模式，既要适应制动系统的需要，又要有相应的机械部件来满足要求。深入研 究防滑理论，探求简单可靠的控制方法是当务之急。 4 第2 章防滑机埋删究 2 1 粘着与蠕滑 第2 章防滑机理研究 如果把粘着作为力的效果，那么，蠕滑就是产生这种效果的一个原因，它们 之问存在着因果对应关系，也是车轮在钢轨上滚动接触陌产生的极其复杂的物理 现象。分析粘着与蠕滑，从分析车轮滚动时，轮轨接触的物理模型入手。 日 厂 。、 b 1 c o n t c t e 山p s c o n t a c t e l u p s e 图2 1 轮轨接触物理模刑 车轮在钢轨 ：滚动，根据赫芝理论：轮轨接触的实际面积是一个椭圆形，如 图2 1 所示，椭圆的长轴是2 a ，短轴是2 b ，而a ：b 约等于1 5 7 1 6 4 。而且 车轮在铡轨上滚动时，接触面积处存在着复杂的变形及应力分布，但由于固体表 面必然具有一定的粗糙度，所以在这个接触椭圆内，实际上各接触点是离散的， 第2 章防滑机理q f 究 实际接触是山微观突起部分形成的，至于这些离散的接触点的接触面积之和有多 大，还要取决j 二多种因素，诸如接触副材料的相对软硬程度，之间有无其他障碍 物、之间的证j i i 力的大小以及切向相对状态等。 2 1 1 粘着与蠕滑的定义 “粘着”宏观上表现为轮轨之口j 的一种切向力，它是机车车辆牵引与制 动能得以实现的最重要的物理现象( 但“粘着”并不是一般物理概念上的摩擦， 在铁路号业范畴内，“滚动摩擦”是指阻止车轮滚动的阻力，而“粘着”是指阻| 七 一个滚动的车轮滑动的阻力) ，这种切向力与接触载荷之比叫做切向力系数或者粘 着力系数。显然，如果没有粘着，车轮就不能滚动，更不能传递扭矩为牵引力或 为制动力。 粘着力系数的定义为：1 1 ，2 专 式中：f 在车轮上加速或减速的切向力，就是粘着力； 由车轮所传递的征压力。 丽粘管系数则是粘着力( 切向力) 系数的最大值。即= 以。 “蠕滑”是滚动车轮所固有的一种现象，表示滚动着的车轮与钢轨之间所存 在的一种微量滑动的现象，这种滑动从外部观察并不明显。因此，粘着与蠕滑是 同时存住的，而且之问有着密切的关系。车轮在钢轨上的“蠕滑”可分为：“纵向 蠕滑”和“横向蠕滑”其定义为： 以一 以= 二_ 式中：丑，纵向蠕滑： h = 棚滚动车轮踏面的切向速度( 或圆周速度) v 车轮的实际阿进速度。 矿 丑，2 罟。s i n 护( 通过曲线时) 式中：丑横向蠕滑，即车轮在垂直于滚动方向的滑动： 矿、车轮横向滑动速度； 曰轮勒之| 、口j 的冲角。 2 1 2 粘着与蠕滑的机理 2 121 粘着机理： 从以上粘着的定义可以看出，粘着与接触副的力与面积大小密切相关，十分 必要研究下轮轨接触区的应力分布及“粘着区”的变化。 图2 2 表示轮轨接触面的应力分布，根据弹性理论，当车轮静置于钢轨上， 则存车轮的接触区表而及它的两边，均处于压缩状态，而钢轨在接触区及附近区 域是压缩状态，而在这区域的两边却是拉伸状态，当有一个力矩作用在车轮上， 它丌始滚动向前并加速到一个稳定的速度，这时滚动摩擦阻力f 好等于力矩值。 如果一个牵引力矩作用到车轮上，在车轮及钢轨内产生的应力示于图上。如果牵 引力矩足够大，则在车轮的接触区前部产生压缩而后侧产生拉伸，从而这个压缩 tct v h e e lu n d e rt r a c l l o n v f l i e e lu n d e rb r a k i n g 。弋口1 s m e a rf o r c e r a i l 0 1 _ a 、 s n e a rf o r c e 上；4 _ 盟玺 口a 。c o n t a c tz o n e aaa d h e s i o nz o n e cc o k i p r e $ s i 讵 $ u r f c es t r e s s e s 1 品黼& s 傩s s s 幽2 2 轮轨表面的麻力分布 应j 大r 仅由静载荷引起的压缩。对于较小的力矩，在车轮接触区后侧可能仍处 一一塑! 王堕堂! 竺! ! 业h _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 于压缩状念，但比相应静载荷引起的压缩值为小，而在钢轨中应力状念f 好与车 轮相反，车轮的口乱上有一个剪切力，它就是牵引力，当车轮减速时，d lt - 了制动 力矩，它的剪切力“方向f 好反向于牵引力，制动状态下的应力也示于图上。 册黜。褥莎”5 i”loen8：1嚣51：；尘 a0 1 二 s t r a i n ( d ) a u 百i 卜鱼l 一 图2 3 粘着区及麻力 图2 3 表示轮轨接触面椭圆上有两个区域，有阴影的部分是接触面上没有滑动( 蠕 d i r e c t i o no f - r o l l i n g o ) d y n a m i cm o d e 掣。撅、。， 纛。赠2 4 4 轮径补偿 t 蚓4 4 参考速度确定 由j ：牟轮磨耗释度的不同，造成轮径小的速度脉冲大，轮径大的速度脉冲小， 这样，就造成轮径小的计算速度比实际速度要火，就会造成误判：轮径大的滑移 的可能性就认为地增加了，防滑器动作，造成制动力不足。为了消除轮径大小不 同造成的测速误差，必须对轮径进行修f 。 由于车辆在非制动状态下不会产生滑行，各轮对问的速度差仅由轮径差引起， 所以可在这种状态下进行轮径修f 。 具体方法是利用最低的脉冲值作为标称轮径的基准，将其它各轮对的速度脉 冲值校下到同值。例如若四条轮对的脉冲读数分别为5 0 0 、5 0 8 、5 0 5 、5 1 0 ，则 以5 0 0 为摹准，将其它读数值修f 为5 0 0 ，修j f 系数分别是5 0 0 5 0 0 、5 0 0 5 0 8 、 第4 章防滑拄制参数的理论研究 5 0 0 5 0 5 、5 0 0 5 1 0 。在其它情况下，将每条轮对的脉冲读数值再乘上修萨系数， 就得到同样条件下的速度值，从而得到不受轮径差影响的速度值。理论上可以选 任一轮对作为标称值，但常规的方法就如上选最大轮径的轮子为标准。 笙! 至笙型互堕些堑塞一 第5 章控制方法及仿真 5 1 数学模型与过程分析 列车制动时，其所受的所有阻碍其向前运动的力的总和构成制动力，因此， 其受力是相当复杂的。可以将这些力分成两个方面，一是运行阻力，是列车制 动力。运行阻力包括： r 轴承摩擦引起的运行阻力 f 车轮滚动引起的运行阻力 ，基本阻力1 轮轨间滑动的摩擦阻力 【冲击和振动引起的阻力 运jj 二阻力、空气阻力 ，坡道阻力 、附加阻力 、曲线阻力 但在研究防滑作用时，主要研究直接作用在轮对上的力，因此在上述运行阻 力中、可以不考虑，而且，基本运行阻力相对列车制动力来说是很小的， u - l l 一 伊 弋j 、奉r 妒 n k 一 刖 l b ” 幽5l 列车制动轮轨受力模型 2 7 辩5 章控制方法投仿真 并且只有、与轮轨之削的粘着有关系，所咀在研究防滑时，列车制动 模型町以简化为阁5 1 ，与图1 1 不同的是，图5 1 包含了制动过程中可能发生 的各种情况，其中的b 代表轮轨之间可能发生的各种切向力。 轮轨之日j 的动力关系有： j p = k 妒a b r 口：轮轨之问的切向力，即制动力 本义将轮轨之j 1 日j 的动力关系划分为三个阶段讨论： 第一阶段：完全没有滑行阶段，此时1 3 可近似认为随着闸瓦摩擦力的增加而 增大： b = ( k 妒) 此时，! = 却r - f ( x q o ) r 异 且三。b ：k 妒r 一，( k r r 一。 f ( k f a m 妒羔mr ，+一 故b ：k f o 堕墨_ ( 5 一1 ) ，+ m 。r 2 第j i 阶段：微滑到抱死阶段 此时，第一阶段的b 已经超越轮轨粘着，所以轮轨制动力取粘着力 b = 。= m o g - u 第一阶段：抱死沿轨面滑行阶段，此时，轮轨之间的作用力为滑动摩擦力 b = f 、= m a g - ； 第二阶段b 值随莆，f 的变化而变，是一个极其复杂的冈数，它的确定存后 面讨沦：第j 阶段b 值由f 的值决定，工一般情况下为一常数：因此，首先讨论 第一阶段的b 值： 确定轮对的转动惯量i ： 按制动中，轮对的转动能量占整车动能的6 计算，则 兰! ! 笙型互鲨丝堕塞 _ 一一 扣一o o s “埘2 斗吾， 此处，v ，= v 。， 则，= o 0 1 5 m r 2 ( 52 ) 将( 5 - 2 ) 代入( 5 - 1 ) b = k 妒而m 丽o r2=k妒。丽丽m0005 m r r1 2 + 珊。2o 0 1 5 m + “o ，e 分别是整车减速度、速度 “，v 。，分别是被控轮对轮心绕滚动点的切向减速度、速度， v 。是滑行速度，工轮轨之l 口j 滑动摩擦系数 ( 说明：转动惯量i 是转动体的固有特性，与转动体转动的快慢没有关系， 故在q = v 。条件下求得的i ，同样可以适用于v ，v 。的一般滑行状态) 在第一阶段中，不考虑轮轨之间的微观变形产生的蠕滑，也就是在制动力b 小于粘苔的情况下，认为轮轨之间不产生滑动；当制动力b 大于轮轨之问的粘着， 产生相应的滑行，进入第二阶段，但此滑行属于可控的范围，这期间防滑器就要 起作用，把滑行控制在一定的范围内；当粘着陡降，车轮出现抱死的情况，进入 第三阶段，此时的滑行为不可控的范围。 防滑器在第骱段不_ _ l 作；在第二阶段调节相应的滑行，使滑行状态向第一 阶段过渡，或保持在一定的范围内：第三阶段是防滑器要及时起作用，努力杜绝 的阶段，如果出现了第三阶段，那就是防滑失败了。 5 2 控制方法的选择 防滑器的控制要求能够在“瞬息万变”的情况下，作出明确的判断，适当适 时调节制动缸压力。现有防滑器使用的逻辑f 艮的控制方法，需要大量的现场试 验来统汁规律。寻找一种简单有效的控制方法对于防滑控制是至关重要的，近年， 山于智能控制的发展，模糊控制被引进到防滑控制中束，并取得的一定的效果， f 1 奉是最先将此控制方法应用于防滑控制的，国内的防滑控制还没有应用模糊逻 辑控制，故本文尝试应用模糊拧制方法于防滑控制中。 5 2 1 模糊控制算法 鹪5 章控制方法擞仿真 5 2 11 模糊控制系统构成 模糊控制系统的构成是一闭环控制系统，根据被控制量与目标值之问的差异 及差异特征进行控制，使被控制量逐步趋近于目标值。系统构成如图5 2 。 模糊控制系统一般分为四个部分： ( 1 ) 模糊控制器 ( 2 ) 输入输出接口装置 ( 3 ) 广义对象：包括被控对象和执行机构 ( 4 ) 传感器 厂 竺! n 竺竺竺型竺 叫! 竺卜叫竺! ! ! 竺厂 竺兰翌兰厂一 l 田 剧5 2 模糊控制系统构成 其中，模糊控制器是模糊控制系统的核心。 幽5 3 模糊控制器构成 因此，在设计模糊控制时，重中之重就是设计模糊控制器。模糊控制器的设计包 括以f 儿项内容： ( 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量 ( 2 ) 设计模糊控制器的控制规则 ( 3 ) 确立模糊化和非模糊化的方法 ( 4 ) 选择模糊控制器的输入变量和输出变量的论域并确定模糊控制器的参数， 如量化因子和比例因子 ( 5 ) 编制模糊控制算法的应用程序 ( 6 ) 合理选择模糊控制算法的采样时问 52 ，12 模糊控制器的设计 5 2121 输入变量和输出变量的确定 笙! 至丝型塑望丝堕塞 一 模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制的维数。一般模糊控制器的输入变 量有：误差、误差的变化、误差变化的变化，从理论上讲，模糊控制器的维数越 高，控制越精细，但维数过高，模糊控制器过于复杂，控制算法的实现相当困难， 而一维模糊控制器出于只有个输入量，动念控制性能不好，因此，目前广泛殴 计和应用二维模糊控制器。 e 到5 4 _ 二维模糊控制系统 本文将采用二维模糊控制器，选取滑移率和减速度作为输入量，制动缸压力 变化量作为输出量( 仿真时是制动缸压力变化率作为输出量，试验时是防滑阀的 丌关状态作为输出量) 。之所以选取这两个输入量，是因为模糊控制应用这两个输 入量已经涵盖了防滑系统其它判据的特性。滑移率特性中已经包含速度差特性， 由于高速与低速时相同速度差对应不同的滑移率，因此，在速度差特性中根据速 度进行修i l i ，就可咀较好地将速度差特性渗透在滑移率特性中：对于采用减速度 微分能够减少响应延迟的问题，由于模糊控制本身不需要复杂的数学模型，采用 查表式响应，加之在防滑控制时适当调整变化量，可以减少响应的延迟。 5 2 1 2 2 模糊控制规则的设计 首先确定输入变量和输出变量的词集，这些词把变量分成若干个等级，如果 分成七个等级，就是： 负大，负中，负小，0 ，f 小，币中，正大 通常用字母来表示 n b ，n m ，n s ，0 ，p s ，p m ，p b 表51 输入量e 的隶属度函数赋值表 i ! ：s k i d rol23406 z e r o1 oo 2 m so 90 1 m0 70 5 m b 0 4o 9o 2 bo 3o 8 然后，定义各变量的模糊子集，也就是确定模糊子集隶属函数曲线的形状 兰! 要茎型变生丝堕塞 一 确定论域中各元素埘于模糊变量的隶属度。 选取滑移率s k i d r 为误差e ，对应的变量词集为 z e r o ，m s ，m ，m b ，b s k i d r 的模糊论域是 06 。 s k i d r 的隶属度函数赋值表如表5 1 。 选墩减速度a 为误差变化率e c ，对应的变量词集为 n b ，n m ，0 ，p m ，p b ) a 的模糊 域足 一55 。 a 的隶属度函数赋值表如表5 2 ： 表5 2 输入避a 的隶属度函数赋值表 e c ：a一54- 3 2 1 012345 n b1 00 6 o 2 n mo 3 o 61 00 4 0 o 20 7 0 1 p m 0 5i o0 5 p bo 2 0 6l - o 选取制动缸压力的调整量作为输出量u ，对应的变量词集为 f n b ，n m ，n s ，0 ，p s ，p m ，p b l 的模糊论域是 06 。 l 的隶属度函数赋值表如表5 3 ： 表5 3 输出量u 的隶属度函数赋值表 ub一432一lo l 23 40 n b1 o n m0 5 0 8 n s 0 6 0 5 o1 0 p s0 5o 8 o 2 p m0 7o 5 p b0 31 0 再有，建立模糊控制器的控制规则，根据模糊条件语句及其对应的关系制定 模糊舰则，汇总成模糊规则控制表，模糊规则的确定大多是凭经验来确定的，现 将输入输出的对应规则列表如下： 第5 章控制方址驶仿真 表5 4 模糊控制规则表 。f a n bn m 0 p m p b r 非吣 z e r op bp m 0n sn m m sp mp s 0 n mn b mp sp sn sn mn b m bp so n m n b n b b00n bn bn b 5 2123 精确量的模糊化方法 采样得到输入量是精确量，须转化为模糊量，以便实现模糊控制算法。 若x 作为输入量，y 为模糊化的结果，有 y = i n t ( 2 n x 一( 口+ b ) 2 ) ( 6 一口) ) 其q j ，x ( 仉6 ) ， 胛，+ 】为离散化区问，著出现离散化区问不对称的情况，如 - n ，+ 州】，_ f ! u 有y = i n t ( ( m + ) x 一( a + 6 ) 2 ) 】( 6 一) ) 5 2 1 2 4 非模糊化方法 对建立的模糊舰则要经过模糊推理才能决策出控制变量的个模糊子集，它 是个模糊量而不能直接控制被控对象，还需要采用合理的方式把模糊量转化为 精确量，即非模糊化。 模糊推理及其模糊量的非模糊化的方法有很多，常用的是m i n m a x 重心法 和选择最大隶属度法。 mt n m a x 一重心法： 觑则l ：a 。a n d b ，_ + c ， 规则2 ：m a n d b ? _ + c 2 规则f l ：a o a n d b 。+ c 。 前提：x 。a n dy 。 墨! 至堡型互鲨些堕墨 结论： c 山前提“x na n dy o 和各模糊规则“a la n d _ b _ c ( i = l ，2 ，n ) ”可以得到 推理结果c 为 。一( z ) = ， ( x 。) a e ( y 。) u f ，( = ) 其中，a 表示m i n 。 最终结论c 由综合推理结果c i ，c ；，c ：得到， 即 ( ( z ) = 。：( z ) v 声( ；( ：) v ( 。( 三) 其中，v 表示 f l a x 。 模糊集合c 。的重心如下求得： 口 l 0 ( t ) 丫 a 如 、i7y ? 。 y _ ，7。 一 h ?众 y 皓c ；u c ； 幽5 5m i n m a x 一重心法 木方法就是m a m d a n i 推理法，在模型仿真部分应用的就是此种模糊推理方法 一 h = 而 第5 章榨制方法发仿真 实质就是加权平均，其加权平均系数是，f ，( _ ) ，过程如图5 5 所示。 最大隶属度法： 选取模糊子集中隶属度最大的元素作为控制量，例如模糊子集为c ，所选择 的隶属度最人的元素“应满足： 段( 矿) 。( “) “u 若h 只有一个，则选择该值作为控制量，若”+ 有多个，则取它们的平均值或 中点作为控制量。 选择隶属度最大的方法简单易行，算法实时性好，这种方法突出了隶属度最 大元素的控制作用，对于隶属度较小元素的控制作用没有考虑，利用的信息量相 对较少。 52 1 2 5 论域、量化因子、比例因子的选择 沦域：把模糊控制器的输入变量误差、误差的变化的实际范围称为陔变量的 基本论域。例如误差的基本论域为卜k ， ；被控制量实际所要求的控制量的变 化范凼称为模糊控制器输出变量的基本论域。如 _ _ y 。y ，】； 显然，输入量和输出量在基本论域内的量都是精确量。 如输入量模糊子集的论域为 一亿一n + 1 ，o ， 一l ，” ，输出变量对应的控制 量的模糊子集的论域为p ，一+ l ，o ，一1 ， 。 量化因子：为了将输入变量从基本论域转化到相应的模糊集的论域，转化过 程中须将输入变量乘以相应的因子，这就是量化因子一般用k 来表示。如误差 的量化冈予就是 k ，= x ， 比例因子：经过模糊控制算法得出的控制量，不能直接应用于被控对象，必 须经过转换到被控对象能够接受的基本论域中去，即由 _ ，一，+ 1 ，o ，一l ， 到 - y 。，y ， 的转换，所以比例因子为：k 。z y ，l 521 26 模糊控制表的建立 模糊控制算法的f j 的是从输入的连续精确量中，通过模糊推理的算法过程， 第5 章控制方法搜仿真 从而求出相应的精确控制值。模糊控制算法有多种实现形式，常用的方法有合成 推理的关系矩阵法、合成推理的奄表法、合成推理的解析公式法、强度转移法和 后件函数法等，本文采用合成推理查表法中的直接法来建立控制表。 这种方法直接去从控制规则去求控制量，从而产生控制表。 例如：设有推理语句i f 爿a n db t h e nc 确 其中爿扫，以：，码 ，b ， 6 ，6 ：，巩 ，c ，和，c ：，已) ，对于输入一，b 4 e = k a 三3 ：a 萎墨；圣墨；耋 b la 3 b 2d 3 b 3 l qa 4a f 口1a 6 2a c qa 6 la 。2 a 1 6 2ac 2 口i d 1a q qa a q 口3a 6 3acd 3 如a c !口3a6 3ac 3 当有输入a 一口b 0 且分别为爿j = ( 1 , 0 ，0 ) ，b j = ( 0 , i ，o ) 时，有 r io0 1 小耻觚0 ：l 根据合成推理方法，对应的输出c j 为 c i = ( 爿i b ? ) 。月 列t + 爿l 的论域和b ，的沦域，不管它的元素有多少，当爿? 量化之后只会选中某 爿+ = ( ，o 0 , 1 ，0 ，o ) 同理， 研量化之后只也会选中某一个元素，例如第，个元素，并且只有该元 笙! 至塑型互鲨丝堕塞 一 由此l j 得 心( 口，) au ，( 6 ，) a 托( c 1 ) ( 口，) a 卢托( 6 j ) ( 。( c 2 ) t ( 盯，) a ( 6 ，) a 托( 白) c ? 也可以表示为 ( ? = m i n ( , u ( ，) ，q ( 6 ，) ，( 。) 司理有 c ? 也可以表示为 月：( 甜，) a , u s ：( 6 ) “扎( q ) _ ：( 口，) 也( 6 ，) a , u ( ：( q ) ，( 口，) b ：( 6 ，) r 。( 巳) 。：= m i n ( , u ：( d a m ( 6 a 2 q ) 若有女条模糊推理规则，则a 一口b ? 对第k 条语句，可产生 。j2 m i n ( , u ( 口，) ，2 ( q ) ，( 。) 划求得的模糊控制输出c j ，c ；，c ：求并，则可得到模糊输出c + c = u c ? ，= l 最后利用“最大隶属度方法”求得对应的精确控制量。 把a 、b j 的内容进行相应的改变，令爿j 量化之后对应的元素的序号i 从 l m 变化，令爿? 量化之后对应的元素的序号，从1 一n 变化，则可分别得到相应 的精确量。根据爿? 、所量化后的组合和相应的精确控制量就可以产生控制表。 j | 个 u 吐+ i 轻 o l i 4 第5 章控方法技仿真 为求此表，根据控制规则事先编程序t d f u z z y c ，求得控制表 表5 5 模糊规则表 划 一543210l2340 o+ 0+ 5+ 3十3+ 3oo1 5233 l + 3 + 3 + 2+ 2+ 1 50o3 3 5 5 5 2 + 2 + 2 + 2+ 2h 5一1 5一233 555 3+ 1 5+ 1 5+ 1 5+ 1 5+ 1 5一1 523 5 3 555 4 + 1 5 + 1 o0033 5 4 5 一 一b5 30000o4555一55 6ooo005555 5 5 5 3 仿真 5 3 1 仿真工具 目前，工程中对动力系统的仿真多用m a t l a b 中的s i m u l in k 模块，对于模糊 逻辑控制，m a t l a b 专门设计了模糊逻辑工其箱。m a t l a b 模糊逻辑工具箱是数字计 算机环境下的函数集成体，可以利用它所提供的工具在m a t l a b 框架下设计、建立 和测试模糊推i 哩系统，结合s i m u li n k ，就可以对模糊控制系统进行推理仿真，也 可以编写独立的c 语言程序来调用m a t l a b 中所设计的模糊控制系统。 本文仿真主要应用m a t l a b 模糊逻辑工具箱中的模糊控制器( f u z z yl o g i c c o n t r o l l e r ) 。将它嵌入至q s i m u li n k 当中。由它来调用模糊控制文件，模糊控制文 件是山模糊控制编辑器生成的。 f u z = y l 0 0 i ： c 0 n i r o ee 图5 6 模期控制器 通过模糊推理系统编辑器，可以确定输入、输出变量的维数，选择所使用的 模糊化方法、解模糊方法及运算规则设定等。本文采用两维模糊控制，选择s k i d 、 a 作为输入量，p r e s s u r e v 作为输出量，模糊推理方法为m a m d a n i 法。 第5 章羚涮方弦段位粪 图5 7 模糊推理系统编辑器 逮入模精接希静隶璃凄函数编辑嚣可强对输入董、输出各溢言僖静黎磊痰函 数类型、参数进行编辑与修改。包括语苦变量的名称、论域和隶属度函数的名称、 划5 8 隶属度函数编辑器 豁5 章| 孛剿方法发携裹 类型和参数。如图，是对输入变量s k i d 豹语言值z 豹隶属发等参数避行编辑。对 输入量a 和输出最p r e s s u r e v 的隶属度编辑是一样的。 在输入变量和输出变爨的隶属度函数都编辑好后，耍建立输入和输出变量之 问的模糊推理关系，就要应用模糊规则编旃器( r u l ee d i t o r ) 。采用“i f t h e n ” 形式茳输入和输出蹙之间建立模糊关系。输入变量之间可以有“与”或“成”的 关系，对予每一条模糊规刚在整个推理系统中所占的重要程度可以通过投重来设 定。本文采用2 5 祭推理规则，每条规则的杈重均为l 。 幽5 9 模糊规则编辑器 编辑好模糊擒理蕊受孽后，可戳通过穰糊蕊刚观察器( r u l ev i e w e r ) 酸察输 出随输入的改变而变化的情况。如阁，当s k i d ：3 且a = o 时，输出p r e s s u r e v = 0 5 。 笫5 哥控制方沾发仿真 幽5 1 0 模糊规则观察器 为能够同时观察每一条规则所起的作用，可以通过模糊推理输入输出曲面视 图( s u r f a c ev i 8 w o f ) 来观察，如图5 + 1 1 f - i5 11 模糊推理输入输山曲面视幽 第5 市擗! 制方法驶仿真 5 3 2 仿真对象 本文以地铁防滑器为研究对象，但顾于要借助2 0 0 k m h 静置试验台试验，便 于统一参数，采用“先锋”号动车组的一些基本参数来仿真和试验，考虑到地铁 最高运行速度为8 0 k m