自调节单车试验系统的研制（可编辑）

1、自调节单车试验系统的研制 太原科技大学硕士学位论文自调节单车试验系统的研制姓名:郭建国申请学位级别:硕士专业:电力电子与电力传动指导教师:齐向东20080701摘要自调节单车试验系统的研制捅 要单车集中试风系统作为继手动单车试验器、微机单车试验器之后的铁路货车车辆制动性能检测手段,现已广泛应用于各个车辆生产厂家及铁路车辆段。但是,随着铁路车辆生产厂家专用车辆的不断推出、货车车辆逐渐全面向吨及更高的重载车辆发展,集中单车试风系统逐渐不能适应当前形势。因此,本文根据铁道部最新颁布的铁路货车制动装置检修规则以下简称修规及单车试验系统面临的问题研制了自调节单车试验系统。自调节单车试验系统的研制目标是解

2、决制动容积不符合标准的专用车辆无法进行单车试验的问题。系统实现自调节的原理如下:、在单车试验的漏泄检查阶段,通过判断被测车辆列管压力变化情况推测出被测车辆的制动部分容积;、根据被测车辆制动部分容积初步设定系统终端的状态;、在试验过程中,根据标准试验压力曲线实时调节系统终端状态,使单车试验过程符合规定要求。本文的研究重点是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。制动部分容积的计算属于非线性问题,故选用神经网络作为其计算模型。本文首先设计了一个基于神经网络的实验系统,该系统通过监控定容积风缸充风试验取得样本数据,然后训练神经网络,最后

3、建立了符合要求神经网络模型。根据标准试验压力曲线实时调节系统终端状态是一个程序控制系统。本文根据模糊控制原理,依据经验控制规则设计了一个模糊查表控制器,并在中进行了编程实现。最后,本系统使用各种容积试验风缸进行了单车机能试验修规制定的单车试验设备检验方法。经过试验证明,在制动部分容积发生改变后,系统能通过自调节对各种货车车辆进行单车试验。关键词:单车试验;模糊控制;神经网络;?.?.?.?.?.?.?.?生竺三坠生蔓三?一:. ,., .一” . .?:,;, ,;, .,. 自调节单车试验系统的研制.?, , .;: ;诺话 书 吊承水本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立完成的

4、,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: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

5、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,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。但是随着吨级货车车辆的投入运行、专用货车车辆的不断增加,集中单车试风系统也遇到了许多方面的问题。.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。.手

6、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个把位,分别为:、位充风,位保压、排风,以不同的进风、排风速度来模拟火车制动机不同动作:位快充风车体充风位缓充风缓解位保压无动作位排风慢速减速位排风中速制动,位排风快速紧急制动随着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,等制动阀不同,故手动单车试验又增加了,位位排风中速?阀制动、位排风快速?阀紧急制动位。由于在手动单车试验中,试验工艺的各种动作要

7、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。.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:、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。、由于每个

8、终端都包含主机、或基于单片机,工业板卡等控制设备、打印机,成本较高。、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。、每个终端单独保存数据,不方便管理。、不能实现与生产管理系统删的互联。.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微控单车集中试验设备。微控单车集中试验设备大多基于现场总线技术,以为现场控制设备、工业计算机为集中管理设备,依靠系统监控软件实现对网络内所有试验终端的管理与监控。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

9、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系统。.问题的提出及研究意义.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

10、正。特别是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。.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

11、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。.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

12、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。.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、 场地投入,而且大大提高了工作效率,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, 减小了系统故障率,更容易满足对吨级货车车辆的实验要求。.智能控制的发展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

13、法难以实现。所以,智能控制的应用成为系统设计的关键。.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。年美国的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,年一年 .在教授研究的基础上,以智

14、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、自动控锘、运筹学交互作用的结果,创立了人?机交互式分级递阶智能控制的体系结构。年代中后期, .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。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

15、、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。.常用的智能控制方法、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

16、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:在基于模型的各种控制结构中充当对象的模型;充当控制器;控制系统中起优化计算的作用;与其他智能控制系统,如专家系统、模糊控制相结合,为其

17、非参数化对象模型【。、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.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。诸如模糊调节器、模糊专

18、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。自调节单车试验系统的研制、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.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【。.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,在单车试验系统的基础上

19、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。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.自调节单车试验系统设计目标.微机控制单车试验器校验规定中华人民共和国铁道部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:、按图.所示将单车试验器与容积. 的列车管容积校验风缸相连,管路规格和长度须符合图示

20、要求】。活接头 常 紧三通接头 经加焊接管图.单车试验器机能检查装置管路示意图【】、漏泄试验要求,相比以前的规定,标准提高。、各位置充气或排气时间应符合表.规定。白调节单车试验系统的研制表. 单车试验器充风或排风时间表位 置 充风或排风 孔径参考尺寸 时间.位:急充风位西. 位:缓充风位 升至位:保压位.位:感度试验位 降至 .位:安定试验位 降至 . .位:紧急制动位 降至 .安定试验位阀、.阀用 降至 . 降至 . .紧急制动位阀、.阀用.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?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.中的.的情

21、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:、根据车辆制动部分容积预置阀门开度对应于表.规定的参考孔径;、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.规定。.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.要求。试验方法为,使用超出.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。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.所示情况。这可能导致

22、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:第二章 自调节单车试验系统的前期设计、各位置充气或排气时间符合机能检查要求;、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。时时间/?自调节单车机能试验位一机能试验标准充风曲线位图机能试验曲线位缓充风对照.单车试验系统简介.系统结构单车试验系统也称集中单车试风系统,采用成熟的总线结构,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。自调节单车试验系统的研制、,榨制计算机尝学制计算机备主旧刈 , ,?, 女 ,

23、,一? ,。?一。?。 一,“?。,一 ?一一、: 号终端号终端 号终端 号终端 号终端图 单车试验系统结构图.单车试验系统管路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。结构如图第二章 自调节单车试验系统的前期设计卜过滤加压器风源/、上腔畎、口六、/位阀位阀双针风表工作腔,?。 口,上扁廿皿。一?了画了画 厶哑土 虿虿嘎吟,、 .“琴 正周单针风表的/位阀 位阀 位阀位阀 模排风口块排气腔、叫压力传感器试验终端 待测车辆图 单车试验系统管路图.信号与电路由系统机构可知,系统的信号可分为两大部分,即与试验终端之间的信号与控制主机与之间的信号。与试验终

24、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的影响。控制主机与之间的信号通过传输的数字信号。由于网络的硬件已经完成了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位电磁阀工位电磁阀业/ 计算位电磁阀机位电磁阀一位电磁阀弋/输?“阀 入。待南磁阅输雌喵僦删出设备制动缸行程传感器制动缸压力传感器列管压力传感器图控制示意图.单车试验系统存在的不足单车试验系统在年研制成功后,已经成功应用在多个车辆厂,并

25、于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,单车试验系统也暴露了一些问题,具体如下:、终端部分管路设计复杂,连接点过多,容易发生漏泄,特别是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。、网络部分系统实际为三级网络,除工业控制计算机外,也严重影响系统的稳定,由于大多系统终端数为.台由生产能力及场地决定,而一旦出现故障将影响个终端的使用,所

26、以系统整体容错性能不高,没有发挥出系统的优势。第二章 白调节单车试验系统的前期设计.自调节单车试验系统结构.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。工业控制计算机工业控制计算机丰 各?门 回 国 国号终端 号终端 号终端图自调节单车试验系统结构图修改后系统采用网络,结构,不但降低了对系统的影响,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。自调节单车试验系统的研制.管路设计试验终端 待测车辆图.自调节单车试验系统管路图采用开度调节阀后,原来系统中的个电磁阀被个电磁阀及个开度调节阀代替。连

27、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。第二章 自调节单车试验系统的前期设计.信号定义与电路设计充风电磁阀工/一 、业、?/排风电磁阀计算机充风开度阀、排风开度阀制动缸行程传感器输入输制动缸压力传感器出设备列管压力传感器充风开度传感器排风开度传感器图控制示意图可见,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.。故网络结够构修改除为了降低对系统的影响外,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.单车试验器终端控制量表名称 地址 类型 描述 备

28、注充气阀开度 数字输出 充气阀步进电机控制脉冲.排气阀开度 . 数字输出 排气阀步进电机控制脉冲充气阀开度方向 数字输出 步进电机方向信号.排气阀开度方向 数字输出 步进电机方向信号.充气开关阀 数字输出.排气开关阀 数字输出.位 数字输入 手动按钮动作 手动控制信号.位 数字输入 手动按钮动作 手动控制信号位 . 数字输入 手动按钮动作手动控制信号.位 数字输入 手动按钮动作 手动控制信号位 .数字输入 手动按钮动作 手动控制信号位 . 数字输入 手动按钮动作 手动控制信号.位 数字输入 手动按钮动作 手动控制信号.,. 行程传感器 数字输入 行程脉冲高速计数压力传感器 模拟输入 列管压力

29、/扩展/扩展压力传感器 模拟输入 制动缸压力压力传感器 模拟输入 风源压力 /扩展/扩展位置传感器 模拟输入 充气开度反馈位置传感器 模拟输入 排气开度反馈 /扩展第二章自调节单车试验系统的前期设计.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。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.概述.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吨,吨,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

30、铁道部严格规定的.,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. ,太原机车车辆厂车辆厂生产的钢轨运输专用车为. ,武汉江岸车辆厂生产的家畜专用车为。这些车辆在进行单车试验时,如各个阀位仍按照表.第三列提供的参考数据设定,显然无法满足表.第二、四列提出的时间要求。.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.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?定容充气图根据流体力学,如

31、图.所示,向容器内充入一定压力的气体, 容器内气体的参为了清楚地了解数如压力、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。曙理想气体的状态方程:式中:尸:容器内压力:容器内温度皤阢容器容积聊聊:气体质量堙尺:气体常数/.自调节单车试验系统的研制在容积不变的前提下,对.求导,得到式.一?一?十?.式中:气体质量流量根据能量守恒原理,获得如下等式:。一。.式中:,:定容热容/?划口:环境温度的: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

32、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.神经网络及其学习算法的改进.神经网络模型概述网络是由等人于年提出的即。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.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.。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

33、递进的。在网络中,神经网络输出特性函数通常选用型函数,如:/存第三章铁路车辆制动部分容积智能判断对于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?神经网络结构图.基本算法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

34、忆训练”、“学习收敛”过程、从理论上有如下探讨。设有层的网络,抄?腑表示第个样本的输人,。女,护?砒表示第个样本的输出,表示学样本序号,名叫为第层神经元/的输出,日名为第层神经元/的闽值,为第层神经元歹的输人,它是第.层所有神经元输出与该神经元权重、阈值的加权和如式,叫形量为第一层所有神经元,与层神经元,的连接权重如式.,俐选用非线性的函数。%啄一彰%,俺网络的输人层和输出层可分别表示为式?与?暾彘?自调节单车试验系统的研制像,?,;,?,刀算法选用网络的计算输出和期望输出之间的误差为目标函数,并采用梯度下降法推导连接权重和阈值的迭代算式。因此可以定义平方型误差函数为:丢,弦一铒嚣峨,删朋 :

35、根据式.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?、?:、?从而获得实现权重与阈值的修正迭代式 ,形盖陟麓业 ,肚町五式中为迭代次数,目为学习步长。根据学习的终止判据式.并将式?与?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。在下式中为样本总数,为学习误差视所要求的学习精度而定。吉肚一磊,.算法的缺陷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

36、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。网络全局误差函数也称评价函数,是一个以型函数为自变量的非线性函数。这就意味着由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.所示。因此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。导致网络这一缺陷的原因,是由于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?神经网络收敛曲线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

37、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”与收敛速度慢是算法采用误差平方、梯度下降法等的结果,是算法不可回避的问题。当网络学习处于图.所示的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,但如果是从点开始则最终会到达全局最小点。由此可知,网络的收敛与学习模式初始位置有很大关系。适当改变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

38、进算法,都是围绕上述思想进行的。自调节单车试验系统的研制.基本算法的改进、双变动量因子为加速收敛和防止振荡,将算法中增加两个变动量因子仅和卢,则有形盖盖二盖卢一.二一五臼盖二。二砖.式的吆一式中的,分别是记忆上一时刻权重与阈值的修改方向,在叩进行调整时,若遇到且叩要减小时,先令口和卢。,然后调节到印增大时使仅和声恢复。、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,则有嗽叩莩焉.蛳叼军焉.、修改型函数为避免神经元陷人饱和区而使学习停滞,将函数修改为专在网络末收敛前,调整值大小,使各神经元尽量工

39、作在线性区。方法是在饱和区时减小仅值,在退出饱和区后,增大值。、变步长学习步长是算法的一个重要参数。由式.、式.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。目的选取不仅影响网络的学习速度,同时对网络的收敛性也有很大影响。在标准的算法中只规定了目的取值范围/,且在整个学习过程中是一个常数。当日取很大值时网络会学习很快,但在收敛至极小点附近时可能出现过冲现象,从而导致振荡或不收敛,当日取较小的值时,网络学习时能收敛到极小点,但会极大地增加循环迭代次数,从而降低收敛速度.根据最优下降算法,将学习步长日由定值改为一个简单的变量,使其随迭代次数的增加而逐渐减小.如

40、将学习步长日取为伊佃,这里妒驴为一个接近于的小数值,为迭代次数,为一常量。修正后的学习步长完全符合学习开始时较大,随着学习的深人不断减小的宗旨。.车辆制动部分容积智能判断算法设计.智能判断算法设计根据压力上升速度判断容器容积是一个复杂的过程,涉及到风源压力变化、温度、介质、容器变形等因素,建立精确的数学模型比较困难,而且不适合于计算机实现。人工神经网络由于具有学习能力,通过大量的试验数据的训练,可以达到本系统中容积判断的要求。实际容器容积图控制示意图人工神经网络输入为线性化处理的充风试验过程压力曲线,即单位时间内压力上升值、平均压力上升速度。这些数据在充风过程中,由自动采集,上位机在充风结束后

41、读取这些数据。人工神经网络采用四层结构,输入层、两个中间层及输出层。.神经网络编程实现由于系统采用离线寻优,学习数据的采集与神经网络训练集成在系统外的单独软件,软件采用.编写,流程如下:白调节单车试验系统的研制图.神经网络实现部分流程图第三章铁路车辆制动部分容积智能判断.压力值 :常经;万试验数据一皿哭吠 天呱数卜五鼍.叫数。丌大据霎曩一孽?据一/。 库.训练数据库控接神经网络一神经网软口?模块 络参数件在线数据采集离线运算软件图神经网络实现软件系统结构软件分为以上几个部分,其中数据库接口、通讯模块与系统软件相应模块原理相同,需要特别设计的是神经网络模块。神经网络模块采用四层神经网络结构,采用

42、变步长的方法加以改进。单车试验系统软件中的神经网络程序是上述程序的前向部分,运行速度快、占用资源小,方便实时运行。.本章小结本章首先分析了现阶段货车车辆单车试验中,由于车辆制动部分容积不同而导致的专用车辆无法进行单车试验的问题。根据分析在提出解决方案后,重点描述了容积判断的算法设计:即设计一个神经网络,并用实际数据进行训练,保存参数后在实际使用中应用。第四章 自调节控制的实现与验证第四章 自调节控制的实现与验证根据标准试验压力曲线实时调节系统终端状态是本文研究的重点之一,其基础是开度控制阀的设计以及控制系统的研究。.开度调节阀设计本系统所需开度调节阀是基于数字控制阀的原理设计的,故首先对数字控

43、制阀进行简单的介绍。.数字控制阀简介数字控制阀,简称数字阀,是用数字信号直接控制气体液体压力、流量和方向的阀门。由于计算机技术日益得到广泛应用,用计算机对电、气液控制系统进行实时控制将成为今后液压技术发展的一个重要趋向,数字阀可直接与计算机连接,不需要/转换器。与伺服阀、比例阀相比,数字阀具有结构简单,工艺性好,价格低廉,抗污染能力强的优势,而且数字阀的输出量可靠地由脉冲频率或宽度调节控制,抗干扰能力强,可获得到较高的开环控制精度等,所以得到了较快的发展。在计算机实时控制的电液系统中,已经部分取代比例阀或伺服阀?。在气动系统中,数字控制阀是比较新的概念,应用还不太普遍,主要有数字压力阀及数字流

44、量阀。根据结构形式可分为以下几种:、阀组式数字阀这种数字阀的基本结构早在五十年代就出现,近期融入计算机技术,就成为一种新的数字阀结构型式,这种阀由几个结构参数已知的阀组合,加上计算机逻辑控制系统而成。通过在不同的时间开启阀的不同组合,使阀输出的压力或流量形成不同的等级。但是,这种数字阀体积大,成本高,且其数字化等级受阀的数目限制。、高速开关数字阀脉宽调制式高速开关数字阀简称高速开关数字阀,有二位二通和二位三通两种,两者又各有常开和常闭两类。按照阀芯结构形式不同,有滑阀式、锥阀式和球阀式等。这种数字阀的基本思想是:用经过调制的脉冲信号来控制阀口的高速开关,以改变阀口开启与关闭的时间比来调节阀输出

45、的平均流最或压力。高速开关阀的阀口只有两个确定位置,与计算机接口联接极为方便,这种数字阀对油的污染不敏感,抗千扰能力强。浙江大学已于年通过了高速开关阀系列的技术鉴定。这种数字阀是用平均流最或压力来达到控制目的的,瞬时流量或压力脉动比较大,尤其在选用较大的采样周期时,问题更为突出。此外,阀口经常处于高速开关状态,阀的寿命自调节单车试验系统的研制也是一个有待解决的向题。、增量式数字阀其主要工作原理是,步进电机的控制器发出需要的脉冲序列,经驱动器放大后使步进电机工作,每个脉冲使步进电机沿给定方向转动一个固定的步距角,再通过调节杆使转角转换为轴向位移,使导阀中调节弹簧获得压缩量,从而实现压力调节和控制

46、。这种数字阀是国内外研究最多的数宇阀结构型式,现已转化为产品的数字阀大多为这种结构,原因是步进电机作为数字阀的驱动机构,具有一些特殊的优点:步进电机本身就是一个数字式元件,这便于与计算机接联接,简化了阀的结构,降低了成本。步进电机没有累积误差,重复性好。当采用细分式驱动电路后,理论上可以。达到任何等级。步进电机几乎没有滞环误差,因此整个阀的滞环误差很小。步进电机的控制信号为脉冲逻辑信号,因此整个阀的可靠性和抗干扰能力都比相应的比例阀和伺服阀好。增量式数字阀对阀体没有特别的要求,可以沿用现有比例阀或常规阀的阀体,【】图.增量式数字阀第四章 自调节控制的实现与验证.开度调节阀控制原理由于增量式数字

47、阀的种种优点,本系统所需开度调节阀参照增量式数字阀进行设计。但开度调节阀的调节目标是在规定时间内的减压量及开度变化最小,同流量阀及数字压力阀相比控制目标更为复杂,需要较复杂的控制算法,依靠驱动器无法实现。所以本系统采用双环控制,即开度调节阀驱动器只负责开度位置的控制,来实现规定时间内的减压量的控制,同时将开度变化最小作为系统的主要指标来衡,量系统的主要指标。风管接头 流速阀 调节柄 传感器 连轴器 步进电机图开度控制阀控制原理图.系统结构系统结构设计如下图开度阀控制结构图自调节单车试验系统的研制.步进电机的选型步进电机是一种把电脉冲信号转换为角位移的电动机。简单的理解:给一个电脉冲信号,电机前

48、进一步,因此被称之为步进电动机。相对与模拟的电压信号,步进电机的控制信号是数字量,因此,更广泛的应用在数字控制场合阻。本论文所设计的开度控制阀负载量很小,在选择何种类型的两相混合式步进电机时,可以先不考虑电机的转矩。步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。由于开度控制阀中要求步进电机在运行过程中能立即正转或反转,不能有加减速过程,因此对步进电机的起动频率要求较高。这里选择步进电机的类型主要根据开度控制阀控制系统中所要求的电机转速。本论文所设计的开度控制阀要求有较快的响应,较高的定位精度,故选

49、择的依据为转速和步进角。根据系统需求运算选择了两相混合式步进电机如下,具体型号及参数如下:表步进电机选型及参数表转 定步机相 静 引 动 位相电机型号 进相电 转 线 惯 身 重量相电 电 力电角流 阻 量 长感 矩 数 矩 压湖 . 龟 ./? . . . . . .步进电机驱动器的设计步进电机不能直接接到交直流信号源上,必须使用专用设备一步进电机驱动器。驱动器的作用是使电机的绕组按照给定的顺序通电,即按照输入的电脉冲控制而运转。步进电机驱动系统的性能,除与电动机自身的性能有关外,也在很大程度上取。决于驱动器的优劣。.步进电机驱动系统的组成步进电机驱动器的主要构成如图所示,一般由环形分配与信

50、号处理级,推动级、驱动级、保护线路等各部分组成。第四章 自调节控实现与验证图.步进电机控制原理图环形分配器用来接受来自控制器的脉冲,并按步进电机转换表要求的状态顺序产生各相导通或截至的信号。每来一个脉冲,环形分配器的输出转换一次。局时环形分配器还必须接受控制器的方向信号,从而决定其输出的状态转换是按正序或者反序转换,于是就决定了步进电机的转向。环形分配器的功能可以通过两种方式实现:一种是通过软件,环形分配器的功能由单片机系统内部软件完成,控制器直接输出各相绕组导通或截止的并行信号,这种方法需要在内存区域开辟一个区域存储环形分配器的输出状态表,系统软件按照电机正反转的要求按正反转顺序依次将状态表的内容取出送至电动机输出口,从而实现电动机励磁状态的转换,这种方式可称为并行控制:另一种是硬件方式,控制器和步进电动机驱动器之间只需要两条控制线,一条用来发出时钟脉冲串,另一条用来发出方向电平信号,这两个信号都是送入驱动器中的环形分配器的输入端,靠环形分配器转换成并行驱动信号,去控制各相绕组的导通与截止,系统构成简单,这种方式可称为串行控制阳。从环形分配器输出的各相导通或截至信号送入信号放大器与处理级。信号放大器的作用是将环分输出信号