浅析PGM-48钢轨打磨车牵引控制的系统设计

郭平，杨全

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

PGM-48型钢轨打磨车是我国早期从美国潘德罗•杰克逊公司引进的铁路大型养路机械，用于钢轨廓形的打磨修复。牵引控制系统是钢轨打磨车控制技术中最核心的部分，直接关系到钢轨打磨作业质量。为了克服国外技术封锁，同时提高车辆牵引速度的稳定性，本文研制了一套能适用于该车的自主控制系统，替代了原DLC计算机系统，并提高了打磨车低恒速牵引速度的稳定性。

1 液压牵引系统简介

PGM-48型钢轨打磨车全列总重～量共256T，由3节车组成。1车和3车各配备一套DLC计算机系统，每套DLC系统各有4个控制板，分别控制本车4根动力轴。

整车8根动力轴采用分散式设计，单轴驱动采用单变量泵双变量马达组成的闭式变量液压回路。每根轴液压回路完全相同且各自独立。控制系统控制变量泵排量及变量马达的排量，从而实现单轴牵引力的调节。

2 牵引控制系统设计

控制系统硬件基于大型养路机械网络控制平台进行开发，车辆内部由CAN网络控制模块组成，车辆之间通过以太网进行数据交互和同步控制，如图1所示。

图1 液压牵引控制系统网络拓扑图

单轴牵引控制原理如图2所示，比例阀控制板MDSD用于控制变量泵的流量输出和方向。变量马达控制板EDA接收到使能信号后，同步监测马达转速，根据转速信号调节变量马达的排量，实现车辆调速功能。调速手柄同时设计有硬线系统，在网络系统异常时，可通过应急开关切换至手动控制，直接输入MDSD/EDA板，控制变量泵变量马达，实现应急牵引功能。

图2 单轴液压牵引控制系统原理

3 牵引控制系统的主要功能

3.1 调速控制

PGM-48型钢轨打磨车牵引分0～80km/h“高速”和1.6～16km/h“作业”模式两种。其中“作业”模式要求控制恒速，误差<0.5km/h。再此对“作业”模式下低恒速控制进行说明。

钢轨打磨车牵引时受驱动压力、轨道状态、坡道情况、打磨电机下放等复杂因素干扰，理论分析很难得到被控对象的精确数学模型。且不同的影响因素所适用的PID调节参数各不相同。其中驱动压力因素影响最大，因此本系统采用了双闭环PID控制策略，在传统速度PID控制基础上加入驱动回路压力值内环控制。通过两个PID环串级控制，监测和预判牵引负载变化，更精确地进行低恒速控制。

液压牵引双闭环PID控制原理如图3所示。

图3 双闭环PID控制原理图

其中变量泵变量马达的控制，是通过控制比例电磁铁电流来改变泵和马达排量，从而为后级牵引提供动力并进行调节，实现流量补偿、压力补偿以及功率适应控制的目的。变量泵、变量马达排量均为无级可变，从而实现牵引系统无级调速。

3.2 同步控制

PGM-48钢轨打磨车8根动力轴采用动力分散式设计，因各轴液压系统器件性能差异、管道布局差异、轮径磨耗不一等因素，各轴的动力输出会有差异，误差会进行积累。因此，控制软件同时对本轴和它轴计算量和压力值进行监测，根据差异情况进行补偿，有效消除同步差异和累积误差，提高车速稳定性。

3.3 反向制动力控制

车辆调速手柄回拉减速，或行车过程中车速高于目标速度时，马达动力由液压驱动转换为车轴齿轮箱反向驱动，形成反向制动力。控制系统利用液压回路这一特性，对其反向制动力进行调节，使车辆达到恒速控制的目的，同时，在车辆制动时，可辅助空气制动系统，提供车辆制动力，减少闸瓦损耗。

4 分析与试验

4.1 牵引分析

系统采用容积调速闭式回路，这种回路中液压泵的工作压力基本上等于负载压力，而且变量泵的输出流量与系统所需的流量相匹配，几乎不存在工作溢流。相对节流调速回路，该系统传动效率更高，无级调速范围也更大。

变量泵-变量马达调速回路输出特性如图4所示。

图4 变量泵-变量马达调速回路输出特性

根据车辆实际牵引工况，可将该闭式回路的速度调节分为恒扭矩调速、恒功率调速两个阶段。

4.2 数据仿真

根据系统的各参数及数学模型在Simulink仿真软件中建立了牵引系统的控制仿真模型。对比了开环控制与双闭环PID控制两种策略，验证了控制方法的有效性。

（1）车辆在加速时的牵引特性模拟：在50s时加入斜率为0.1，终值为1V的调速手柄电压斜坡信号，车辆速度响应如图5所示。

图5 车辆速度响应情况

（2）进入坡道时的牵引特性模拟：在50s时加入斜率为5，终值为100N.m的外负载扭矩斜坡信号，车辆速度响应如图6所示。可以看出，开环控制下的车辆速度波动较大，30s后车速平稳，双PID控制下车辆平稳提速，15s后车速稳定。

图6 车辆速度响应情况

（3）打磨电机下放打磨时外负载扭矩冲击模拟：在50s时加入100N·m的外负载扭矩阶跃信号，车辆速度响应如图7所示。

图7 车辆速度响应情况

可以看出，负载扭矩信号变化时，开环控制下的压力波动30s后稳定，双PID控制下压力波动几乎贴合干扰信号变化，响应时间更快；开环控制下的车辆速度波动较大，且稳定后车速发生改变，双PID控制下车辆速度及时响应，并能恢复行驶速度。

4.3 实际应用试验

实际应用中，使用CAN网络数据记录仪进行数据记录与分析，验证实际应用性能。

低速自运行时数据分析如图8所示，车辆起步后速度波动20%，10s后进入稳定状态，速度偏差<0.38km/h。

图8 低速自运行数据分析图

打磨作业时，数据分析如图9所示，作业模式下，起步波动0.4km/h，10s后进入稳定状态；打磨过程中，速度波动<0.2km/h，电机投放与提升时，车速稳定。

图9 打磨作业数据分析图

5 结语

本文介绍了PGM-48型钢轨打磨车液压牵引基本原理及其控制系统设计方法，实现了双PID控制方法在牵引控制中的应用，目前已完成多台车辆返修工作并重新投入使用，实践证明，本液压牵引控制系统能够实时监测牵引负载变化，调节响应快，控制精度高，完全满足原车控制要求和性能指标。