悬浮列车机械制动的自动控制设计

1、1 机械制动的制动原理目前的改进型常导中低速磁悬浮列车的机械制动采用了气一液制动方式，为了减小制动器的体积，制动的工作介质采用液压油。机械制动气路结构如图2-1所示。图1-1 磁悬浮列车机械制动结构图系统由比例阀、气液转换器、制动器组成。气压调节选用了电流型的比例气压调节阀，其入口气压由恒压阀调节在左右。车辆的气液转换器的最大增量气压设置为，最大油压可以工作在10MPa左右，因此我们选用转换比为125的气液转换器。当控制电流为420mA时，输出气压在0变化，制动器的制动油压相应在010MPa之间变化，每台制动器的制动臂产生09000N的夹持力。如果摩擦片的磨擦系数在左右时，单台制动器的制动力可

2、以大于2500N。由于每辆车有16台制动器，共可产生大于40000N的制动力，在磁浮车处于额定载重条件下（总重30t时），仅机械制动即可产生大于s2的减速度效果。为了保证车辆在比例气压调节阀失效或需要紧急制动的情况下，仍然能够完成制动目的，在比例气压调节阀侧还并联了一个开关型电磁阀，作为应急控制之用。因此，通过调节比例阀的电流就可以改变制动器的制动力，从而得到制动减速度。采用计算机实现对制动系统的闭环控制，驾驶员可以自如地依需要的减速度来控制车辆的制动运行。2 制动系统的建模自动控制系统的各个环节的特性一般是给定的，如机械、气动、电动、液压等设备。在设计自动控制系统时，采用加入一个专门用来校正

3、(补偿)系统特性的环节(校正环节)，来改变系统特性，使其符合给定的特性要求。实现该环节的装置，称为校正装置或调节器。设计自动控制系统主要是校正装置的设计。由于该系统一般达不到控制的要求，因而自动控制系统均采用闭环(反馈)控制方法要实现机械制动的控制，首先要对机械制动的各个部件进行建模。制动器总成的油压建立通过了管道，并有一定阻力，另外，制动器还有运动空行程，因此制动力的产生有一定的延迟时间，机械制动系统属于非线性系统。在比例阀以及气液转换器处分别安装气压传感器和液压传感器，通过改变比例阀的控制电流来改变制动系统的各个控制部件的输出，测得各部件的特性曲线。当比例阀的输入电流阶跃变化时，实验得出系

4、统的阶跃响应曲线，然后分析图形特性，建立系统的参数模型，确定传递函数的结构和参数。图2-1为磁悬浮列车机械制动控制部件的特性曲线图。当比例阀的调节电流调节到时，制动器夹住，当调节电流在变化时，气压传感器和油压传感器的输出电流都呈线性变化，输出气压在变化，输出油压在110MPa变化。当比例阀的输出电流下调时，气压有一定的回环。图2-1 磁悬浮列车机械制动控制部件的特性曲线 图2-2和图2-3分别为比例阀和气液转换器的阶跃响应曲线。图2-2 比例阀的阶跃响应曲线 图2-3 气液转换器的阶跃响应曲线 通过辨识，可得到各部件的数学模型如下： 比例阀的模型为： 气液转换器的模型为： 制动转换器的模型为：

5、 式中，K1，K2，K3，T1，T2，1，2等可以通过实验辨识分析求得磁悬浮列车有16台制动器总成，安装夹持力传感器在实际中不好实现。但是，当实现了制动系统的气压调节作用时，实际上就间接地控制了制动油压和制动器的夹持力，该过程忽略了管线、制动器部件运动的摩擦阻力，因此设计气压校正网络来实现夹持力闭环控制，诚然，只使用夹持力闭环控制时，由于自然条件和轨面的条件不同，同样的夹持力，可能获得的制动效果不同，制动的效果与驾驶员的经验有关。采用减速度闭环控制时，驾驶员可以通过制动手柄，控制不同的减速度，驾驶员对制动手柄的控制是以减速度给定值不大于s2为上限的，因此设计了气压和减速度为反馈量的双闭环控制系

6、统。其反馈控制框图如图2-4所示。气压校正网络W2（s）用于控制气压，即间接地控制了夹持力，加速度校正网络W1（s）则用于控制减速度，使减速度不至于过大，并可以从0s2之间进行线性操作。图2-4 机械制动系统反馈控制框图3 比例微积分控制原理和比例运算电路3.1 比例微积分控制原理3 比例积分调节器比例调节器具有辨误差，为解决此问题，可引入积分环节，比例微分调节器对误差的任何变化，都产生一个控制作用比，阻止误差的变化。e变化越快，pd越大，输出校正量也越大。它有助于减少超调，克服振荡，使系统趋于稳定；同时加快系统的响应速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态特性。它的缺点是抗干扰能力变差。3.

7、1.2PID调节器积分器的消除容差，提高精度，但使系统的响应速度变慢、稳定性变差。微分器能增加稳定性，加快响应速度。比例器为基本环节。三者合用，选择适当的参数，可实现稳定的控制。微分环节积分环节比例环节 图3-1 为PID调节器的方块图。积分控制电路及输入输出波形 其传递函数为：Gs=1/s图3-2积分控制电路3-3输入波形 图3-4输出波形微分控制电路及输入输出波形 其传递函数为：Gs=s图3-5微分控制电路图3-6输入波形图3-7输出波形3.2比例运算电路3反相比例器如图3-8 所示： _ + 图3-8 反相比例器输入电压ui经电阻R1加到集成运的反相输入端，其同相输入端经电阻接地。输出电

8、压uo经RF接回到反相输入端。集成运放的反相输入端和同相输入端，实际上是运放内部输入级两个差分对管基极。为使差动放大电路的参数保对称，应使两个差分对管基极对地的电阻尽量一致，以免静态基流流过这两个电阻时，在运放输入端产生附加的偏差电压。因此，通常选择R2的阻值为R2=R1/RF经过分析可知，反相比例运算电路中反馈的组态是电压并联负反馈。由于集成运放的开环差模增益很高，因此容易满足深负反馈的条件，故可以认为集成运放工作在线性区。因此，可以利用理想运放工作在线性区时“虚短”和“虚断”的特点来分析相比例运算电路的电压放大倍数。在图中，由于“虚短”故i+=0,即R2上没有压降，则u-=u+=0上式说明

9、在反相比例运算电路中，集成运放的反相输入端与同相输入法端两点的电位不仅相等，而且均等于零，如同该两点接地一样，这种现象称为“虚地”。“虚地”是反相比例运算电路的一个重要特点。由于i-=0,则由图可见i1=iy即（ui-u_）/R1=(u_-uo)/RF上式中u_=0，由此可求得反相比例运算电路的电压放大倍数为Auf=uo/ui=-（RF/R1）下面分析反相比例运算电路的输入电阻。因为反相输入端“虚地”，显而易见，电路的输入电阻为Rif=R1综合以上分析，对反相比例运算电路可以归纳得出以下几点结论：1.反相比例运算电路实际上是一个深度的电压并联负反馈电路。在理想情况下，反相输入端的电位等于零，称

10、为“虚地”。因此加在集成运放输入端的共模输入电压很小。2.电压放大倍数Auf=-RF/R1，即输出电压与输入电压的幅值成正比，但相位相反。也就是说，电路实现了反相比例运算。比值Auf决定于电阻RF和R1之比，而与集成运放内部各项参数无关。只要RF和R1的阻值比较准确而稳定，就可以得到准确的比例运算关系。比值Auf可以大于1，也可以小于1。当RF=R1时，Auf=-1，称为单位增益倒相器。3.由于引入了深度电压并联负反馈，因此电路的输入电阻不高，输出电阻很低。3同相比例运算电路在图3-9中，输入电压uI接至同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输也电压uO通过电阻RF仍接到反相输入端，同时，反相

11、输入端通过电阻RI接地。为了使集成运入反相输入端和同相输入端对地的电阻一致，R2的阻值仍应为R2=R1RF图3-9 同相比例运算电路同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。在上图中，根据“虚短”和“虚断”的特点可知，I-=I+=0,故u-=R1/(R1+RF)uo而且u-=u+=uI由以上二式可得R1uo/(R1+RF)=uI则同相比例运算电路的电压放大倍数为Auf=uo/ui=1+RF/R1由于引入了电压串联负反馈，因此能够提高输入电阻，而且提高的程度与反馈馈深度有关。在理想运放条件下，即认为Aod,Rid,则同相比例运

12、算电路的输入电阻Rif.当考虑Aod,Rid的一般情况时，经过分析可知，同相比例运算电路的输入电阻为Rif=(1+AodF)Rid式中Aod和Rid分别是集成运放的开环差模电压增益和差模输入电阻，F是反馈系数，在本电路中F=uF/uo=R1/(R1+RF)由上式可知，同相比例运算电路的电压放大倍数总是大于或等于1。当RF=0或R1=时，Auf=1。u+=uIu-=uO由于“虚短”，即u-=u+，故uo=uI则电压放大倍数为Auf=uo/uI=1由于这种电路的输出电压与输入电压不仅幅值相等，而且相位也相同，二者之间是一种“跟随”关系，所以又称为电压跟随器。综上所述，对同相比例运算电路可以得到以下

13、几点结论：1.同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为u-=u+=uI,所不存在“虚地”现象，在选用集成运放时要考虑到其输入端可能具有较高的共模输入电压。2.电压放大倍数Auf=1+RF/R1,即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同。也就是说，电路实现了同相比例运算。Auf也只能取决于电阻RF和R1之比，而与集成运放的内部参数无关，所以比例运算的精度和稳定性主要取决于电阻RF和R1这精确度和稳定度。一般情况下，Auf值恒大于1。当RF=0或R1=时，Auf=1,这种电路称为电压跟随器。3由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入电阻很高，输出电阻很低。 4 计算机控制的

14、机械制动系统组成计算机控制的机械制动系统主要由传感器（加速度、气压）、AD转换卡、开关量输入卡、DA转换卡、工控机（包括控制程序）等组成。如图6所示，被控对象是列车的减速度，当制动时，由加速度传感器测量制动减速度的值，经过AD转换，送入工控机。工控机对测量的减速度信号进行数字滤波，并和制动手柄给定的减速度信号进行比较，通过减速度控制器W1（s）（由软件实现）计算出减速度控制信号，与气压传感器采集的气压反馈信号比较，获得误差信号，再通过气压控制器W2（s）（由软件实现）得到气压控制信号，经过DA转换，驱动比例阀控制气压从而改变制动力的大小，最终达到所希望的减速度。另外，机械制动器的安装位置比较紧

15、凑，对刹车片的磨耗的观察和检查比较困难，采用了摩擦片内埋线的方式，在磨耗达到极限并处于夹持状态时，可以用埋线被短路的条件获得电信号。因此，可以对刹车片的状况进行在线检测。本系统中，工控机采用研华公司的IPC610H，而开关量输入卡、AD转换卡、DA转换卡分别采用康拓公司的系列板卡，系统框图见图4-1。图4-1计算机机械制动系统框图5 机械制动系统的软件设计本系统采用基于windows平台的可视化软件Visual C作为开发工具，本着模块化软件设计思想，把系统划分为几个模块，并设置各个模块之间的接口，根据要求，将磁悬浮机械制动系统分为：参数设置模块、输入数据采集和AD转换模块、数字滤波模块、控制

16、器算法模块、数据处理和显示模块、输出数据DA转换模块、数据保存模块、与上位机的通信模块等。如图7所示。参数设置模块主要是一些输入输出板卡的设置等；数据采集和AD转换模块主要是实现制动手柄给定的加速度值、输出的加速度值以及气压值的采集和数模转换等；为了有效地克服测量信号中的干扰和噪声，设置了数字滤波模块，通过软件滤波减少干扰；另外还设置了数据处理和显示模块，用来实时显示当前的加速度值和制动时间；输出数据DA转换模块将控制信号进行模数转换；另外还设置了数据保存模块以及与上位机的通信模块。核心的控制器算法采用非线性PID控制算法，控制参数由计算机优化得出。主程序流程如图5-1所示。图5-1 计算机机

17、械制动系统的软件设计框图图5-2 计算机机械制动系统的主流程图6 结论本文利用工控机、数控、数据采集等技术，对常导中低速磁悬浮列车的机械制动系统进行了设计，实现了计算机控制的机械制动。整个制动系统由机械制动装置、工控机、高速数据采集卡、开关量输入板、开关量输出板等组成，实现对常导中低速磁悬浮列车机械制动的自动控制和监测。本文对计算机控制的常导磁悬浮列车的机械制动系统在建模、硬件、软件上进行了阐述，计算机制动控制改善了以往手动机械制动的不足，是磁悬浮机械制动的新突破。同时，该电路也具有很强的扩展性，通过其它电路也同样能实现该系统功能，所以，实现该电路控制系统不是唯一的。 7 设计体会通过本次设计，让我懂得磁悬浮列车机械制动的基本原理，自动控制系统的原理与分析，自动控制系统是通过比例积分调节器、PID调节器、反相比例运算电路、传感器以及模拟/数字和数字模拟信号转换器的工作原理来对本系统加以控制。同时，该电路也具有很强的扩展性，通过其它电路也同样能实现该系统功能，所以，实现该电路控制系统不是唯一的。通过本次设计让我学习