動車組客室壓力控制模擬實驗系統(tǒng)研究

羅盼，王雪梅，倪文波

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610031）

動車組客室壓力控制模擬實驗系統(tǒng)研究

羅盼，王雪梅，倪文波

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610031）

為研究動車組客室壓力變化對旅客乘坐舒適性的影響，設(shè)計一套客室壓力控制模擬實驗系統(tǒng)。在分析壓力控制系統(tǒng)的組成和工作原理的基礎(chǔ)上，利用AMESim仿真軟件建立客室壓力控制系統(tǒng)模型，并以S函數(shù)的形式導(dǎo)入到Matlab/Simulink建立的模糊控制系統(tǒng)模型中，對AMESim和Matlab/Simulink進行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明：在所設(shè)計的客室壓力控制系統(tǒng)的作用下，客室內(nèi)壓力和壓力變化率能夠很好地跟隨設(shè)定值變化，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、精度高，滿足設(shè)計要求。

客室壓力控制；模糊控制；AMESim軟件；Matlab/Simulink軟件；聯(lián)合仿真

0 引言

新一代高速動車組以“高速、舒適、時尚”為突出特點，其中“舒適”是乘客最直觀的感受，列車客室內(nèi)空氣的溫度、濕度、壓力等都是直接影響人體舒適感的重要因素。隨著列車速度的提高，客室內(nèi)的壓力成為研究列車舒適性的重要指標之一。當(dāng)客室內(nèi)空氣壓力的變化量或者變化速度超過一定值時，會刺激乘客的耳骨膜，引起耳脹耳痛，甚至關(guān)系到乘客的身心健康[1]。目前，國內(nèi)外動車組主要采用截止閥、連續(xù)換氣和風(fēng)量控制換氣3種壓力控制方法保證車體的氣密性[2]，以減小動車組在運行時客室內(nèi)壓力波動對人體和設(shè)備產(chǎn)生的不利影響，保證客室內(nèi)的壓力指標符合人體舒適度要求。

為研究動車組客室壓力變化對旅客乘坐舒適性的影響，許多國家都開展了相關(guān)的研究工作。目前，國外主要采用實車試驗和壓力艙試驗相結(jié)合的方式，通過采集大量關(guān)于人體舒適度的數(shù)據(jù)，來研究人體對瞬變壓力的反應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上建立針對壓力波動的舒適性標準[3-5]。國內(nèi)在這方面也展開了一系列的試驗研究，但實質(zhì)性的進展較少，對于建立適合我國動車組的壓力舒適度標準仍然沒有明確的規(guī)定。

實車試驗重復(fù)性較差，試驗條件苛刻，并且需要消耗巨大的人力、物力和財力，而壓力艙試驗具有可重復(fù)性好、試驗方便等優(yōu)點。本文根據(jù)動車組車體通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，針對壓力艙試驗方法，設(shè)計了一套客室壓力控制模擬實驗系統(tǒng)，以期通過對客室內(nèi)部壓力變化量及變化速率進行精確地控制，來模擬實車客室壓力的波動情況，進而研究客室壓力波動對人體舒適度的影響。論文在介紹壓力控制系統(tǒng)的基本組成和工作原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AMESim和Matlab軟件建立了控制系統(tǒng)仿真模型，并進行了聯(lián)合仿真研究[6-8]。

1 壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文擬設(shè)計一套壓力模擬實驗系統(tǒng)，控制動車組客室內(nèi)壓力能夠按照預(yù)先給定的壓力波進行加減壓變化。根據(jù)車輛落成后氣密性要求，確定系統(tǒng)具體技術(shù)指標為：客室壓力變化在±4 000Pa（相對于標準大氣壓），壓力變化率在±1 250Pa/（3 s）的范圍內(nèi)，試驗波形包括正弦波、三角波、梯形波等波形，要求穩(wěn)態(tài)誤差＜2%，動態(tài)誤差＜5%。

根據(jù)設(shè)計目標，考慮目前車體既有的空調(diào)與通風(fēng)換氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，動車組客室壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。系統(tǒng)主要包括：正、負氣壓源，壓力傳感器，電動比例閥門和計算機壓力控制系統(tǒng)等。

圖1 客室壓力控制系統(tǒng)原理圖

為了真實模擬兩車交匯或通過隧道時壓力波對客室壓力引起的變化，系統(tǒng)盡可能全面保持車輛當(dāng)前內(nèi)部風(fēng)道系統(tǒng)及客室進、排風(fēng)口不變，將空調(diào)進風(fēng)口通過法蘭與正壓源相連，空調(diào)排風(fēng)口通過法蘭與負壓源相連。由于在整個客室長度內(nèi)送風(fēng)口送風(fēng)均勻性比較好，客室壓力均勻性也會非常好，因此僅需在客室內(nèi)部同一截面布置3個高精度壓力傳感器，分別位于客室左、中、右3個位置，取平均值作為客室平均壓力。

由壓力傳感器得到的客室內(nèi)實際壓力值經(jīng)過一定的算法處理，與預(yù)先設(shè)定的壓力指令值進行比較，計算機壓力控制系統(tǒng)根據(jù)其內(nèi)部算法輸出相應(yīng)的控制信號給電動比例閥門，在電機的驅(qū)動作用下，供、排氣電動比例閥門轉(zhuǎn)角發(fā)生變化，即通過對閥門開度的控制實現(xiàn)客室內(nèi)部壓力的調(diào)節(jié)。手動截止閥門用于關(guān)斷氣源。客室壓力的控制需要兩個電動比例閥門，由計算機控制，分別調(diào)節(jié)進出客室的氣體流量。如果同時調(diào)節(jié)供氣比例閥門和排氣比例閥門，則調(diào)節(jié)閥門的當(dāng)量直徑增加，那么組成的控制系統(tǒng)雖然靈敏度較高，但是動態(tài)響應(yīng)速度降低。本文采用如下的控制方式：使用兩個電動比例閥門，當(dāng)客室壓力高于指令值時，供氣比例閥門關(guān)閉，排氣比例閥門工作；當(dāng)客室壓力低于指令值時，排氣比例閥門關(guān)閉，供氣比例閥門工作。這樣系統(tǒng)的快速性和靈敏度好，可靠性高，實現(xiàn)方便。

2 系統(tǒng)建模與仿真

2.1 聯(lián)合仿真的實現(xiàn)

AMESim是基于物理模型的高級建模仿真平臺，具有豐富的模型庫，為流體、機械、控制、電磁等工程系統(tǒng)提供了一個較完善的綜合仿真環(huán)境及靈活的解決方案，用戶可以在該平臺上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域模型，并在此基礎(chǔ)上進行仿真計算和深入分析。

Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，為用戶提供了多種多樣的基本功能模塊，具有相對獨立的功能和使用方法，被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。

由于AMESim不需要推導(dǎo)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，用戶可以按照實際物理系統(tǒng)來構(gòu)建自定義模塊或仿真模型，同時，Matlab/Simulink有強大的數(shù)值處理能力[3]。為了充分利用兩種軟件各自的優(yōu)點，系統(tǒng)采用AMESim與Matlab/Simulink聯(lián)合仿真平臺，由AMESim建立動車組客室壓力控制系統(tǒng)模型，Matlab/Simulink建立模糊控制系統(tǒng)模型。

為了實現(xiàn)二者的聯(lián)合仿真，首先通過在AMESim中建立系統(tǒng)模型、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)編譯等步驟生成可供Simulink使用的S函數(shù)，然后在Simulink環(huán)境中，將建好的AMESim模型當(dāng)作一個普通的S函數(shù)，并將其添加入包含其他Simulink模塊的模糊控制系統(tǒng)模型中，從而實現(xiàn)AMESim與Matlab/Simulink的聯(lián)合建模與仿真[9]。

2.2 客室壓力控制系統(tǒng)模型

根據(jù)上述客室壓力控制系統(tǒng)的工作原理，按照CRH-380A頭車客室實際參數(shù)以及風(fēng)道布置情況，在AMESim環(huán)境下建立動車組客室壓力控制系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 動車組客室壓力控制系統(tǒng)模型

為了方便仿真時試驗波形的切換，本系統(tǒng)添加了3個模擬氣壓源，并對聯(lián)合仿真出現(xiàn)的延時進行匹配。系統(tǒng)的供、排氣比例閥門均由兩個可調(diào)充氣孔進行模擬，一個根據(jù)控制信號來調(diào)節(jié)氣體流量；另一個用來模擬閥門的流量特性，根據(jù)電動比例閥門的參數(shù)，設(shè)閥門的延遲時間為1 s。此外，系統(tǒng)使用20個充氣孔來模擬動車組頭車送風(fēng)口和回風(fēng)口。當(dāng)客室內(nèi)壓力低于指令值時，供氣比例閥門開啟，氣壓升高；當(dāng)客室內(nèi)壓力高于指令值時，排氣比例閥門開啟，氣壓下降，空氣進入主風(fēng)道后，再由各送風(fēng)口均勻地送入客室內(nèi)。客室壓力控制系統(tǒng)部分參數(shù)如表1所示。

表1 壓力控制系統(tǒng)部分參數(shù)

2.3 控制系統(tǒng)模型

模糊控制算法建立在現(xiàn)代控制理論的模糊集合論的基礎(chǔ)上，是一種基于模糊推理與語言規(guī)則的高級控制理論，具有抗干擾能力強、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，特別適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控對象?？紤]本壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很多閥門和風(fēng)道的精確數(shù)學(xué)模型難以獲得，故采用模糊控制算法對系統(tǒng)壓力進行控制調(diào)節(jié)。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立的模糊控制系統(tǒng)模型如圖3所示，其中S函數(shù)的參數(shù)為“0.01 0.01 1E-5”。

圖3 Simulink環(huán)境下的模糊控制系統(tǒng)模型

通過Matlab/Simulink的模糊控制工具箱建立FIS系統(tǒng)文件。系統(tǒng)采用二維模糊控制器，以誤差E和誤差變化率EC作為模糊控制器的輸入，以控制信號U作為輸出。輸入輸出變量E、EC、U的隸屬度函數(shù)均采用三角函數(shù)，論域范圍均為[-6，6]，模糊子集均為{PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB}，子集中的元素分別代表正大、正中、正小、零、負小、負中、負大。模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則表

2.4 仿真結(jié)果和分析

輸入信號源設(shè)定了梯形波、三角波和正弦波3種模擬波形。梯形波及三角波的上升和下降速率均按照±1 250Pa/（3 s）設(shè)定；正弦波頻率為0.026 042Hz，相當(dāng)于以1250Pa/（3s）的速率達到±4000Pa。設(shè)置仿真時間為80 s，時間間隔為0.1 s，在Matlab/Simulink內(nèi)啟動仿真。

圖4～圖6分別為系統(tǒng)對梯形波、三角波和正弦波的響應(yīng)曲線。

由仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的控制效果較好，客室內(nèi)實際壓力能夠很好地跟隨壓力指令值進行變化。由于閥門存在死區(qū)，導(dǎo)致閥門每次從閉合到開啟都存在1 s的延遲，但是在控制系統(tǒng)作用下，客室內(nèi)的壓力可以很快達到期望值。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差＜2%，動態(tài)誤差＜5%。因此，將模糊控制算法應(yīng)用在該壓力控制系統(tǒng)中，具有穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好等特點。

3 結(jié)束語

本文使用AMESim和Matlab軟件對動車組客室壓力控制系統(tǒng)進行了聯(lián)合建模與仿真，現(xiàn)得到以下結(jié)論：

圖4 系統(tǒng)對梯形波的響應(yīng)曲線

圖5 系統(tǒng)對三角波的響應(yīng)曲線

（1）聯(lián)合仿真的實現(xiàn)既解決了在AMESim環(huán)境下難以實現(xiàn)模糊控制的問題，又避免了在Matlab/ Simulink環(huán)境下對客室壓力控制系統(tǒng)進行建模時因簡化模型而引起的誤差，充分發(fā)揮了這兩種軟件的優(yōu)勢；

（2）在該模糊控制器的作用下，客室壓力控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、控制精度高，具有良好的調(diào)節(jié)效果，滿足設(shè)計要求。

圖6 系統(tǒng)對正弦波的響應(yīng)曲線

本文提出的研究動車組客室氣壓舒適度的方案應(yīng)用于工程實際，具有一定的可行性。

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Experimental system design for EMU passenger com partment pressure control simulation

LUO Pan，WANG Xue-mei，NIWen-bo
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In order to research the effects of pressure changes of EMU passenger compartment on human body com fort，a pressure control simulation system was designed in this paper.Based on the analyses of structure and working principle of the whole system，the passenger compartment pressure control system model was established with AMESim software，which was imported into the fuzzy control model that was already built in Matlab/Simulink platform in the form of S function.The united simulation results show the interior pressure and its changing-rate can both follow the set value well，meeting the design requirements with its high-speed and high accuracy.

passenger compartment pressure control；fuzzy control；AMESim；Matlab/Simulink；united simulation

TP273+.4；U292.91+4；TP391.9；N945.13

A

1674-5124（2013）03-0092-04

2012-08-26；

：2012-10-19

羅盼（1987-），女，山西永濟市人，碩士研究生，專業(yè)方向為測控技術(shù)及儀器。