机车踏面单元制动器的容积补偿控制及仿真研究

唐山学院智能与信息工程学院 成凤敏

针对踏面单元制动器的气密性进行容积补偿和模糊PID控制，运用MATLAB的Simulink模块对模糊PID控制器进行优化，并建立制动器数学模型，通过对踏面制动器制动过程的仿真分析和参数调整，使得系统的检测性能更加稳定。

伴随城市轨道交通的迅猛发展和高速列车速度的提高，对列车停车准确度的要求更加严格，因而对制动系统的响应也提出了更严标准。机车踏面单元制动器是车轮踏面制动的基础装置，以压缩空气为动力源，作为机车制动的终端实施装置，为机车的行驶提供了安全保障。本文首先对某公司踏面制动器实验台的气路控制进行了容积补偿改进，然后在MATLAB软件的Simulink模块中建立优化模糊PID仿真并分析测试结果，并为实际的制动控制提供一定理论依据。

1 系统气路的改进

1.1 踏面制动器试验台气路控制

制动器试验台控制部分有气动和电气控制两部分构成，用来操纵被测制动器的制动和缓解，调节并预先设置三种制动时压缩空气的压力，观察制动缸的气密性、闸瓦位置，并显示闸瓦位移量和制动力的数值。主要针对制动时的闸瓦压力、闸缸的密封性、闸瓦间隙的自动调节等性能进行测试。原试验台气路控制及测量如图1所示，压力表Y60ZT显示风源压力，三个气压调压器用于调定试验时的充风压力，包括低压、中压和高压充风。电磁阀（1DT、2DT、3DT、5DT、6DT、7DT）用于闸缸的充气、排气。

图1 原气路控制及测量原理图

1.2 气路改进及容积补偿装置原理

为了实现容积补偿的自动控制，在原气路控制及测量原理图中增加容积补偿装置，如图2所示。装置包括补偿用的气缸C2、位移传感器S2及推进补偿气缸的驱动步进电机M。在检测过程中，当压力传感器检测到压差已超过设定的标准数值时，通过步进电机驱动补偿气缸对测试件进行容积补偿，从而改变补偿气缸一侧的气路压力，以重新恢复压力平衡状态。由于一直被施以容积补偿作用，被测件内的压力始终维持在初始检测压力附近一个很小的波动范围内，使被测件的泄漏量跟时间基本上呈现线性关系，由此通过测量泄漏总量和测试时间来计算平均泄漏率，此方法可提高检测的准确性并缩短检测时间。

图2 容积补偿装置

2 优化模糊PID控制建模

利用Matlab软件中的Simulink进行图形化建模环境，建立气缸补偿系统的数学模型。优化后的模糊PID控制器在simulink中的单位阶跃响应仿真模型如图3所示。其中KdFcn模块为Kd的计算函数，即；Tf Fcn模块为滤波系数Tf的计算函数，即。

图3 优化后的模糊PID控制器在simulink中的单位阶跃响应仿真模型

选取对象模型为：

对象模型选取为典型工业过程的简化模型。模糊PID控制器的参数设置为量化因子Ke’=3.00，Kec’=4.29，比例因子为Kp’=0.93，积分因子Ki’=0.17，微分因子Kd’=0.27，初始PID增益参数为Kp1=2.5，Ki1=1.55，Kd0=2.15。优化后的模糊PID控制器的量化因子Ke’=3.00，Kec’=4.29，比例因子为Kp’=0.93，积分因子Ki’=0.17，自设定权值Kβ’=1.4，初始PID增益参数为Kp0=0.15，Ki0=1.55，a=35，初始化设定值权值为β0=0.52。

3 仿真结果分析

通过图4，对比常规模糊PID控制与优化后的模糊PID控制的模拟仿真结果可以看出：与常规的模糊PID控制器对比，调整参数优化后的模糊PID控制器在调节阶段中，上升时间有所增加，超调量和衔接阶段调整时间都明显降低，系统的振荡也显著减小，说明整体的调节效果和稳定性有明显改善。在维持原有性能参数优良性的基础上，通过引进自适应预设值权值的模糊PID控制器对超调量σ%的降低效果更加显著。

图4 常规模糊PID控制与优化后模糊PID控制的效果比较图

4 试验过程

按压〔1制动试验〕键，系统自动完成测试。设备动作为高压充风缓解后，排气制动，6DT得电充风一个循环时间和延时常量（5s）后，7DT得电排气使风压为0，循环数次，试验完成。按压〔2手动缓解〕键，设备动作为高压充风缓解后，排气制动。6DT得电充风一个循环时间和延时常量（5s）后，7DT得电排气使风压为0，弹簧缸制动，拉动手动缓解装置，制动器应缓解。循环数次，试验完成。按压〔3泄漏试验〕键，设备动作为高压充风缓解后保压，排气制动。6DT得电充风至600kPa，可根据工艺调整面板上的调压器得到所需的压力，稳压5s后，开始保压至设定时间（3min左右），7DT得电排气使簧缸风压为0，试验结束。界面显示：闸缸风压、簧缸风压、制动压力、闸瓦间隙等，如图5所示。

图5 簧缸试验测试界面

结论：通过对机车踏面制动器的气路控制改进完善和优化后的模糊PID控制仿真模型的建立，并在制动试验台进行测试，发现，通过优化PID可提高泄漏量检测的准确性，并实现更精确的制动控制。