（信号与信息处理专业论文）城际高铁刹车试验系统制动控制单元设计与研究.pdf

分类号： tp273 密 级： 公 开 学 号： 092030041 工学硕士学位论文 城际高铁刹车试验系统制动控制城际高铁刹车试验系统制动控制 单元设计与研究单元设计与研究 学生姓名 王 刘 柱 指导教师 王直教授 江苏科技大学 二 o 一二年三月 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering design and research on the braking control unit of inter-city high speed rail brake test system submitted by wang liuzhu supervised by wang zhi jiangsu university of science and technology march, 2012 江苏科技大学学位论文原创性声明江苏科技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，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 江苏科技大学学位论文版权使用授权书江苏科技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。 本人授权江苏科技大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： (1)保密，在 年解密后适用本授权书。 (2)不保密。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 摘 要 i 摘 要 运输是实现人或物空间位置变化的活动，与人类的生产生活息息相关；因此，自 铁路诞生以来，就因其运量大、速度快、安全可靠、方便快捷等优点，成为交通运输 的主要力量。随着经济的发展，对铁路的要求愈来愈高，特别是随着信息化进程的加 快，各行各业对速度的要求逐年增加，催生了高速铁路的产生。 高速铁路的发展离不开制动控制系统性能的提高；没有高效、安全、快速的制动 系统，高速铁路是不可能发展起来的。因此，研制新的、性能优良的列车制动控制系 统是当前发展高速铁路运输的关键。 制动控制系统是列车制动系统的核心部分， 只有更好的控制才能实现更好的制动， 因此，本文结合实际对制动控制系统中的制动控制单元进行了研究设计。目前的制动 控制单元多采用微机控制，来实现制动控制的精确度、平稳性、安全性；因此本文也 选用了 lpc1768 工控微处理器作为制动控制单元的主控芯片，来实现系统设计。 制动控制单元设计包括了硬件和软件设计。硬件设计主要包括中央处理器模块、 da/ad 转换模块、开关量输入/输出模块、pwm 波输出模块、显示模块、通信模块的 设计；软件设计包括算法实现的软件设计、主控制程序设计、通信程序设计等。制动 控制单元的控制算法采用的是模糊自适应 pi 控制算法。 论文对制动控制单元设计的相关理论进行了研究，在此基础上，进行了制动控制 单元的软硬件设计，最后对制动控制单元的部分模块进行了验证性试验，试验结果表 明符合设计要求，能够满足制动控制试验系统的性能要求。 关键词 制动控制单元；模糊自适应 pi；can 总线；电空制动 江苏科技大学工学硕士学位论文 ii abstract iii abstract transportation is an activity of realizing the variation of people and things space position, and it is closely linked with peoples production and life. since the birth of railway, it has become the main power in the transportation because of its big traffic volume, fast speed, safety, and convenience etc. with the development of economy, the requirements for railway is higher and higher, especially with the quickening of the process of informatization , the requirements of all walks of life for the speed increase year by year ,and give birth to the generation of high speed railway. high speed railway development is due to the improvement of the performance of the brake control system; no efficient, safe, fast brake system, high-speed rail is impossible develops. therefore, the development of new and good performance of the train brake control system is the key of current development of high-speed railway transportation. braking control system is the core of the train brake system parts. only better control to achieve better braking, therefore, this paper combining with the practice gives the research and design for the brake control unit of braking control system. the current braking control unit is more controlled by computer, to realize the brake control accuracy, stability and safety, therefore, this paper chooses the lpc1768 industrial control microprocessor as the braking control unit of the main control chip, to realize the system design. braking control unit design includes the hardware and software design. the hardware design includes the cpu module, da/ad conversion module, switch input/output module, pwm wave output module, display module, and communication module design. the software design includes the algorithm of software design, master control program design, and communication program design, etc. braking control unit control algorithm is adaptive fuzzy pi control algorithm. the paper detailed analyzes the theory of design the brake control unit firstly, and on this basis, designs the hardware and software of brake control unit, and finally does the experiments on the modules of the brake control unit. the experimental results show that the braking control unit design gave in this paper accords with the design requirements, and can satisfy the performance requirements of the brake 江苏科技大学工学硕士学位论文 iv control test system. keywords brake control unit；fuzzy adaptive pi；can bus；electro-pneumatic braking 目 录 v 目 录 摘 要.i abstractiii i 第 1 章 绪 论1 1.1 课题背景与意义.1 1.2 制动控制系统的研究现状. 2 1.2.1 国外研究现状. 2 1.2.2 国内研究现状. 3 1.3 论文的研究内容. 4 1.4 论文的结构. 5 第2章 高速列车制动控制技术.7 2.1 列车制动简介. 7 2.2 制动方式. 7 2.2.1 动力制动. 7 2.2.2 空气制动. 8 2.2.3 非粘着制动方式. 8 2.3 制动控制技术. 9 2.3.1 同步制动控制技术. 10 2.3.2 异步制动控制技术. 11 2.4 本章小结. 12 第3章 制动控制单元的性能分析与解决方案.13 3.1 列车制动系统组成及工作原理. 13 3.2 制动控制单元的解决方案. 16 3.2.1 制动控制单元的功能需求. 16 3.2.2 制动控制单元的总体设计. 17 3.2.3 中央处理器选型. 18 3.3 本章小结. 23 第 4 章 制动控制单元的控制方法.25 4.1 制动控制难点分析. 25 4.1.1 电空转换单元. 25 4.1.2 高速开关阀. 26 4.2 几种控制方法的比较. 29 4.2.1 时间最优的 bang-bang 控制 . 29 江苏科技大学工学硕士学位论文 vi 4.2.2 pid 控制 . 30 4.3 模糊自适应 pid 控制 . 32 4.3.1 模糊控制理论. 32 4.3.2 模糊自适应 pi 控制器的设计 . 34 4.3.3 模糊自适应 pi 控制器的仿真结构 . 35 4.4 本章小结. 38 第5章 制动控制单元的实现. 39 5.1 制动控制单元的硬件电路实现. 39 5.1.1 中央处理器模块设计. 39 5.1.2 ad、da 转换模块设计 . 41 5.1.3 开关量输入、输出模块设计. 46 5.1.4 通信模块设计. 48 5.1.5 pwm 波输出模块设计 . 51 5.1.6 显示模块设计. 52 5.2 制动控制单元的软件设计. 53 5.2.1 制动控制单元软件模块架构. 53 5.2.2 主程序流程图设计. 54 5.2.3 通信模块程序设计. 54 5.3 试验结果. 57 5.3.1 紧急制动试验. 57 5.3.2 常规制动试验. 58 5.3.3 阶段制动试验. 58 5.4 本章小结. 59 结 论.60 参考文献.61 攻读硕士学位期间发表的学术论文. 63 致 谢.错错 误误!未定义书签。未定义书签。 contents vii contents abstract (chinese).i abstract (english).iiii chapter 1 instruction1 1.1 research background and significance.1 1.2 brake control system research status . 2 1.2.1 abroad research status . 2 1.2.2 domestic research status . 3 1.3 the main conents of the paper . 4 1.4 the paper structure . 5 chapter 2 high-speed train brake control technology.7 2.1 instruction to the train brake . 7 2.2 brake mode . 7 2.2.1 dynamic brake . 7 2.2.2 air brake . 8 2.2.3 non-sticky brake . 8 2.3 brake control technology . 9 2.3.1 synchronous brake control technology . 10 2.3.2 asynchronous brake control technology . 11 2.4 summary . 12 chapter 3 brake control unit performance analysis and solution.13 3.1 the composition and working principle of train braking system . 13 3.2 the solution to brake control unit . 16 3.2.1 the functional requirement of brake control unit . 16 3.2.2 the overall design of brake control unit . 17 3.2.3 cpu selection . 18 3.3 summary . 23 chapter 4 the control method of brake control unit.25 4.1 analysis on the difficulty of brake control . 25 4.1.1 electro-pneumatic conversion unit . 25 4.1.2 high-speed switching valve . 26 4.2 comparison of several control methods . 29 4.2.1 bang-bang time optimal control . 29 江苏科技大学工学硕士学位论文 viii 4.2.2 pid control . 30 4.3 fuzzy adaptive pid control . 32 4.3.1 the theory of fuzzy control. 32 4.3.2 the design of fuzzy adaptive pi controller . 34 4.3.3 the simulation structure of fuzzy adaptive pi controller . 35 4.4 summary . 38 chapter 5 the realization of the brake control unit.39 5.1 the hardware circuit brake control unit. 39 5.1.1 design for cpu module . 39 5.1.2 design for ad, da converter module . 41 5.1.3 design for switch input and output module . 46 5.1.4 design for communication module . 48 5.1.5 design for pwm wave output module . 51 5.1.6 design for display module . 52 5.2 brake control unit software design . 53 5.2.1 brake control unit software module architecture . 53 5.2.2 design of the main program flow chart . 54 5.2.3 programming for the communication module . 54 5.3 test result . 57 5.3.1 emergency brake test . 57 5.3.2 conventional brake test . 58 5.3.3 stage brake test . 58 5.4 summary . 59 conclusion.60 references.61 academic papers published during the period of degree.63 acknowledgement. 错错 误误!未定义书签。未定义书签。 contents ix 第 1 章 绪 论 自 1825 年英国建立世界上第一条铁路开始，铁路就向着运量大、高速快捷、安全 可靠的方向发展。尽管 20 世纪 50 年代时，由于新兴交通工具汽车和飞机的出现，使 得铁路运输一度被人们称为 “夕阳产业” ； 但是， 随着 20 世纪 60 年代高速铁路的出现， 使得铁路运输再度成为各国大力研究和发展的交通运输系统。高速铁路以其高速、安 全、舒适、能耗低、运量大、占地少、污染轻等优势成为现代社会城际交通的首选方 式1。 1.1 课题背景与意义 改革开放以来，我国国民经济持续快速发展、城市化进程也不断加快，城市规模 迅速扩大，各大城市城区与卫星城市之间的交通拥挤、车流不畅日益凸显；特别是随 着经济的发展，生活节奏的加快，信息的交互，城市间的交流越来越频繁，旧有的交 通工具已经无法满足人们的需要；因此，方便、快捷、安全、可靠、环保的城际高速 铁路应运而生。列车速度的提升，必然对列车制动系统提出更高的要求，因为这跟旅 客的安全息息相关。如果列车只有高速度和高载荷能力，却没有很好的制动能力，那 么就不可能保障列车上人和物品的安全，况且极有可能发生生命事故，因此列车的制 动系统是高速铁路技术的重要组成部分，没有很好的制动功能的列车不能称为合格的 列车。 对于高速动车组列车来说，传统的单一形式的空气制动及手动制动已经不能满足 高速列车制动性能的要求， 所以高速动车组列车制动系统除安装有空气制动系统以外， 还安装有动力制动、涡流制动、磁轨制动等电力制动方式的系统，从而形成空气制动 与一种或几种其他制动方式相结合的联合制动系统2。高速列车制动系统的结构越来 越复杂，功能越来越完善，对制动控制系统的功能要求也随之提高。 高速动车组列车制动系统普遍采用微机控制，主要有两种制动模式：微机控制直 通电空制动系统和微机控制自动式电空制动系统。采用第一种制动模式的系统的国家 主要是以日本为代表，而采用第二种制动模式的系统的国家主要是欧洲的一些国家。 目前，我国动车组列车上采用的是微机控制直通电空制动系统；但是，由于高速列车 技术要求比较高，国外高速列车产品价格极其昂贵，尤其是关键产品、技术垄断销售， 影响了我国高速铁路的发展，因此，加强技术研究是实现我国高速铁路技术快速发展 的当务之急，而制动控制系统则是其中最重要的部分1-3。 江苏科技大学工学硕士学位论文 2 1.2 制动控制系统的研究现状 一个世纪以来，列车制动一直采用压缩空气推动的闸瓦制动技术，随着列车速度 的提升，虽然制动技术也有了很大的改进和发展，但目前世界各国铁路绝大多数仍采 用空气制动。虽然电力、内燃机车等牵引技术全面发展，都应用了动力制动，但列车 的制停 （制动停止） 仍离不开基础的空气制动。 随着交流传动技术的应用以及 200 km/h 以上高速列车的出现，涡流制动、磁轨制动等新的制动技术将获得一定的发展，而磁 轨制动、电磁涡流轨道制动高速时粘着系数将下降至 o.080.09，为保证行车安全并 得到较短的制动距离，压缩空气推动的闸瓦(或闸片)制动方式将会作为一种安全停车 方式而得到保留4。 1.2.1 国外研究现状 国外电空制动技术的发展已有 60 多年的历史。1940 年前后，还处在萌芽状态的 电空制动技术主要被用在蒸汽机车上，当时主要是用加装电联锁的自动制动阀和电磁 三通阀来实现的。在 1950 年到 1960 年这十年间，国外电空制动技术得到了大幅度的 改进和提升。 如法国的 pbl2 型和德国的 ge2 型， 它们通过电器来控制电磁阀的开闭， 达到制动与缓解的目的1。 随着电子技术及微机控制技术的发展和广泛应用，从 20 世纪 80 年代起，国外机 车制动机已广泛采用微机控制技术。目前，法国、德国、日本、韩国等高速铁路发达 国家普遍采用 ecp (电控空气制动控制系统)技术来解决高速列车的制动控制问题。 1964 年日本率先进入高速铁路时代，走在了世界的前列。日本东海道新干线是世 界上第一条高速铁路，它的运营标志着世界从此进入了高速铁路时代。直通式电空制 动系统被应用在日本的高速列车上，该系统采用的是数字式电气指令，控制方式主要 是控制导线控制，采用的控制算法是均衡制动控制。均衡制动控制，是指制动力分散 到各机车进行控制，即每辆机车的制动力要靠自己的制动控制单元来运算、控制，然 后实现自身的制动。当制动控制系统同时采用电力制动和空气制动这两种方式联合协 调制动时，通常采用以下两种控制方式：电空切换方式和电空运算方式。 早在 1985 年，德国的高速列车就已经开始研制了。到目前为止，已研制生产了多 款 ice 系列车型2。 其中 ice3 型高速列车在拖车上采用涡流轨道制动机， 动力转向架 上既有再生制动，又有轮盘式盘形制动，拖车转向架采用每轴两套轴盘式盘形制动的 冗余设计，确保了列车能够在时速 200km 条件下正常制动2。同时，为了保证列车在 高速运行时制动更加准确和安全， ice3 型列车采用了基于微处理器控制的电气化指令 和 tcn 通信网络。 制动控制器不完全是电气指令控制部分， 还需要普通的基础制动部 第 1 章 绪 论 3 分，即空气制动部分。制动控制系统可以通过制动故障识别或人工干预的方法，从电 气指令控制转换为空气制动控制；这种方法可以确保列车在突发电气设备故障的情况 下，实现列车的安全可靠制动。 法国 tgv 高速列车的制动控制系统，在动力车上采用电气制动和踏板制动系统， 在拖车上采用压缩空气的盘式制动。法国 tgv-duplex 型高速列车采用微机控制的模 拟式电气指令自动电空制动系统， 通过交直流传动， 通过 gto 逆变器同步电动机驱动 系统2。由此可见，法国高速列车采用的制动控制系统都是电力制动与空气制动的联 合制动方式，并且优先采用电力制动；同时，具有安全可靠的故障导向功能和系统故 障诊断功能等特点。 美国高速列车制动控制技术也是基于微机控制的制动控制技术。美国 nyab 公司 生产的 ccb ii 制动机就是一种基于微机控制的电空制动机，其设计采用模块化设计， 易于维护和重组。 ccb ii 的每个模块都具有自诊断、 故障时备份关键部件信息的功能， 同时还具有显示模块，用于总控制室显示制动数据和系统设置等。 ccb ii 系统主要有电子制动阀模块、处理器模块、中继接口模块和电空控制单元 模块组成。电子制动阀是利用其自带的制动手柄（大闸、小闸）的凸轮来驱动电空阀 进行制动的；处理器模块采用 x-ipm 处理器，该处理器内嵌空气制动与动力系统的程 序和维护记录； 中继接口模块用于空气制动系统输入/输出信号的运算处理， 实现机车 间的联锁；电空控制单元模块用于实现列车的电空控制。 综上所述，国外高速列车制动机的制动控制系统多采用电空制动控制技术，实现 电力制动与空气制动的联合制动。电空制动控制技术多采用微处理器芯片实现主控制 系统的搭建，通过总线网络进行通信，实现控制指令信号的传输，控制制动单元动作 完成列车制动。为了节省能源和提高列车运行的平稳