基于模糊控制的電力機(jī)車智能撒砂控制方法

文小康，黃景春，康燦

基于模糊控制的電力機(jī)車智能撒砂控制方法

文小康，黃景春，康燦

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

在電力機(jī)車運(yùn)行過程中，輪軌接觸狀態(tài)突然惡化時(shí)需采用增黏劑以改變輪軌黏著狀態(tài)，撒砂是最常見的方法。為了使機(jī)車更好發(fā)揮牽引、制動性能，采用機(jī)車速度、蠕滑速度和輪緣加速度作為自動撒砂控制指標(biāo)，以機(jī)車速度、蠕滑速度和輪緣加速度作為系統(tǒng)輸入，以撒砂動作信號作為輸出，建立模糊撒砂控制系統(tǒng)；然后根據(jù)系統(tǒng)的輸出信號驅(qū)動撒砂裝置閥門，實(shí)現(xiàn)自動撒砂。將撒砂動作信號與車輪實(shí)際空轉(zhuǎn)情況進(jìn)行對比，結(jié)果表明該方法能夠在輪子發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)及時(shí)撒砂，且系統(tǒng)自動控制過程穩(wěn)定；同時(shí)，與手動控制相比，在機(jī)車輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行期間可節(jié)約用砂。該方法綜合考慮機(jī)車實(shí)際運(yùn)行工況，提高撒砂控制的智能化，減少人工干預(yù)。

電力機(jī)車；黏著控制；模糊控制；撒砂控制

隨著鐵路的不斷發(fā)展，電力機(jī)車不斷地投入運(yùn)營，對機(jī)車的性能要求也越來越高，由于機(jī)車需要的牽引力大，因此也要確保輪軌之間有好的黏著狀態(tài)以發(fā)揮出足夠的黏著率[1]。在電力機(jī)車運(yùn)行過程中，機(jī)車依靠輪軌間的黏著產(chǎn)生黏著力，從而列車實(shí)現(xiàn)牽引與制動，機(jī)車黏著力的發(fā)揮與輪軌之間的黏著水平息息相關(guān)。輪軌黏著性能受到諸多因素的影響，比如樹葉、油脂、冰、雪和水等[2]。當(dāng)這些影響?zhàn)ぶ阅艿奈廴疚锔街阡撥壉砻鏁r(shí)，會使輪軌黏著特性急劇下降，從而導(dǎo)致機(jī)車輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行，造成輪軌擦傷甚至脫軌等事故[3]。在輪軌干燥、清潔的情況下，機(jī)車黏著力的發(fā)揮往往是足夠的，而在軌面濕滑的情況下，黏著系數(shù)往往會大大降低，不能滿足機(jī)車運(yùn)行的要求。改變輪軌之間的狀態(tài)可以有效地增強(qiáng)黏著，可以通過噴射水流或者空氣去除軌道上的污染物。此外，還可以使用輪軌增黏劑的方法提高輪軌黏著性能，如通過噴射砂?；蛘咛沾闪Ｗ痈纳戚嗆夝ぶ鵂顟B(tài)，撒砂是最常見的黏著劑[4]。在軌面存在污染物的情況下，撒砂對于提高黏著系數(shù)，改善軌面黏著性能的效果往往是明顯的。但是在機(jī)車運(yùn)行過程中，撒砂會造成如下問題：影響信號系統(tǒng)的正常運(yùn)行；增加鐵路維護(hù)成本和維護(hù)量；撒砂過量會造成砂子浪費(fèi)以及埋軌現(xiàn)象等[5]。因此，在機(jī)車運(yùn)行中，希望能夠優(yōu)化撒砂的控制，一方面能夠根據(jù)機(jī)車、線路狀態(tài)進(jìn)行自動撒砂控制，減少人為撒砂的不確定性，防止撒沙不及時(shí)、滯后等現(xiàn)象影響列車運(yùn)行；另一方面，也能充分利用砂粒，減少資源浪費(fèi)，降低成本[6]。為此，本文設(shè)計(jì)基于模糊控制的智能撒砂控制系統(tǒng)，將機(jī)車速度、蠕滑速度、輪緣加速度作為模糊控制系統(tǒng)的輸入量，是否撒砂作為輸出，從而驅(qū)動、控制撒砂設(shè)備進(jìn)行撒砂，達(dá)到適時(shí)撒砂的控制效果。將空轉(zhuǎn)識別方法判斷出的空轉(zhuǎn)信號與撒砂信號進(jìn)行對比，驗(yàn)證本方法的有效性。

1 輪對空轉(zhuǎn)識別

理論分析和大量的試驗(yàn)表明，黏著系數(shù)和蠕滑速度的關(guān)系如圖1所示。蠕滑速度定義為輪周線速度與在鋼軌接觸點(diǎn)處的移動速度(機(jī)車車體速度)之差。當(dāng)牽引力小于最大可用黏著力時(shí)，輪軌處于正常的蠕滑區(qū)，施加在車輪上的轉(zhuǎn)矩通過輪軌間的蠕滑轉(zhuǎn)換成驅(qū)動列車前進(jìn)的牽引力；當(dāng)牽引力大于最大可用黏著力時(shí)，輪軌之間的黏著狀態(tài)遭到破壞，蠕滑變成真滑動，這時(shí)若不迅速降低牽引力矩或者改變黏著狀態(tài)就會發(fā)生空轉(zhuǎn)[12]。

組合控制法是電力機(jī)車黏著控制領(lǐng)域的一般方法，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它所使用的控制信號是蠕滑速度和機(jī)車加速度，整個控制系統(tǒng)是由機(jī)車速度估計(jì)、加速度判定和蠕滑速度判定3部分組成。

圖1 典型的黏著特性曲線

機(jī)車速度估計(jì)模塊計(jì)算出的參考速度采用如下定義：

當(dāng)機(jī)車處于加速狀態(tài)時(shí)，

當(dāng)機(jī)車處于減速狀態(tài)時(shí)，

式中：v是各車軸速度。

蠕滑速度判定是采用蠕滑速度來計(jì)算補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，蠕滑速度的表達(dá)式為：

式中：是車輪角速度；是車輪半徑；是機(jī)車速度。如果蠕滑速度超過特定的閾值，電機(jī)轉(zhuǎn)矩將會下降并持續(xù)一段時(shí)間，車輪空轉(zhuǎn)停止后，牽引轉(zhuǎn)矩再增加。

當(dāng)所有車輪同時(shí)空轉(zhuǎn)時(shí)，加速度判斷部分將被激活，如果超過特定閾值，它將會降低轉(zhuǎn)矩[14]。

圖2 組合控制法

空轉(zhuǎn)識別的目的是為了驗(yàn)證智能撒砂控制的可行性和有效性，如果在發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)能及時(shí)撒砂，說明該撒砂控制方法能夠有效改善機(jī)車運(yùn)行性能以及提高黏著利用。

2 基于模糊系統(tǒng)的撒砂控制方法

模糊控制系統(tǒng)包括4個組成部分：模糊數(shù)據(jù)和規(guī)則庫、模糊器、模糊推理機(jī)和解模糊器。模糊控制系統(tǒng)用作控制器時(shí)被稱為模糊控制器，模糊控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的不同之處在于用模糊控制器代替了模擬式控制器[15]。模糊控制器適用于多種控制對象，線性的、非線性的、單變量、多變量的，由于機(jī)車運(yùn)行時(shí)輪軌之間的黏著狀態(tài)難以用精確的數(shù)學(xué)模型表示，故適宜用模糊控制。模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

2.1 控制的要求

多年來，牽引控制專家一直致力于電力牽引技術(shù)的研究，黏著控制的效果影響著牽引力的發(fā)揮，本系統(tǒng)采用控制撒砂以增強(qiáng)黏著效果，提高黏著利用?！翱刂迫錾啊笔侵冈谳嗆壗佑|狀態(tài)較差時(shí)，降低牽引轉(zhuǎn)矩不足以抑制輪對空轉(zhuǎn)或滑行而采用撒砂方式增加輪軌黏著，保證牽引力的發(fā)揮和機(jī)車運(yùn)行穩(wěn)定性。

一般來說，撒砂是提高輪軌黏著特性的主要手段。然而，司機(jī)進(jìn)行人為撒砂時(shí)，可能造成在不需要的條件下進(jìn)行撒砂、撒砂過量、撒砂不及時(shí)或滯后等現(xiàn)象。撒砂過量或者在不需要的情況下撒砂一方面會造成砂粒的浪費(fèi)，另一方面，未被碾壓的砂子會阻礙后續(xù)車輪的運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致踏面損傷[7]；撒沙滯后或不及時(shí)可能會影響列車運(yùn)行。因此進(jìn)行撒砂控制的關(guān)鍵是能夠?qū)θ錾翱刂七M(jìn)行優(yōu)化，能夠模仿經(jīng)驗(yàn)司機(jī)的操作，適時(shí)地啟動撒砂。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)機(jī)車車速、蠕滑速度和輪緣加速度作為控制指標(biāo)，建立一個模糊撒沙控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)控制撒砂裝置進(jìn)行自動撒砂。該模糊控制系統(tǒng)是一個3輸入單輸出的系統(tǒng)，以機(jī)車速度、蠕滑速度和輪緣加速度為輸入變量，輸出的值進(jìn)行一定轉(zhuǎn)換確定是否撒砂，并作為控制信號控制撒砂設(shè)備進(jìn)行撒砂。

模糊撒砂控制系統(tǒng)如圖4所示，輸入為機(jī)車速度、蠕滑速度和輪緣加速度。模糊控制器的輸出為機(jī)車是否撒砂，繼而撒砂控制設(shè)備開啟撒砂閥門。

圖4 模糊撒砂控制系統(tǒng)圖

3 模糊撒砂控制器的設(shè)計(jì)

3.1 輸入/輸出量

選取模糊撒砂系統(tǒng)的輸入量為機(jī)車速度、蠕滑速度和輪緣加速度。機(jī)車速度在5 km/h以下時(shí)，撒砂容易造成埋軌，最大速度為120 km/h，因此機(jī)車速度的論域選取為[5,120]；蠕滑速度在黏著控制的作用下，一般不會超過20 km/h，因此蠕滑速度論域選取為[0,20]；輪緣加速度在黏著控制作用下，如果超過5 m/s2時(shí)會立即降低牽引轉(zhuǎn)矩抑制空轉(zhuǎn)，因此輪緣加速度論域選取為[0,5]。

模糊變量分割的個數(shù)決定了最大可能的規(guī)則個數(shù)，模糊子集通常選取 3個或7個，而若3個輸入變量均分割為7個模糊子集，則最大可能的模糊規(guī)則數(shù)為7×7×7=343條，需要確定太多的控制規(guī)則，這是比較困難的，另一方面撒砂控制器的撒砂精度要求不是很高，因此將此模糊控制器的輸入變量均分為3個模糊子集：{小(S)，中(M)，大(B)}。

在選擇模糊變量的模糊集隸屬函數(shù)時(shí)，隸屬函數(shù)曲線較尖的模糊子集分辨率也較高，控制靈敏度也較高；而隸屬度函數(shù)曲線越平緩，控制特性比較平緩，穩(wěn)定性較好。因此，當(dāng)模糊子集覆蓋論域范圍較小的時(shí)候，選用高分辨率的隸屬函數(shù)，使系統(tǒng)具有較好的靈敏性；當(dāng)模糊子集覆蓋論域大的時(shí)候，選擇較平緩的隸屬函數(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在機(jī)車速度相對較低時(shí)，撒砂傾向較大，故車速的模糊子集小(S)的隸屬函數(shù)采用三角形，中(M)的隸屬函數(shù)采用高斯型，大(B)的隸屬函數(shù)采用梯形，機(jī)車速度隸屬函數(shù)如圖5。蠕滑速度是反映輪對空轉(zhuǎn)的重要指標(biāo)，故小(S)模糊子集采用梯形隸屬函數(shù)，中(M)模糊子集的隸屬函數(shù)采用高斯型，大(B)采用梯形隸屬函數(shù)，蠕滑速度隸屬函數(shù)如圖6。輪緣加速度是反映空轉(zhuǎn)變化快慢的指標(biāo)，且靈敏度要求較高，要求論域覆蓋完整，故從小到大依次為{小(S)，中(M)，大(B)}，3個模糊子集均采用梯形隸屬函數(shù)，輪緣加速度隸屬函數(shù)如圖7。

圖5 機(jī)車速度隸屬函數(shù)

圖6 蠕滑速度隸屬函數(shù)

圖7 輪緣加速度隸屬函數(shù)

模糊撒砂控制器輸出為0~1，設(shè)定模糊子集為{最小(NS)，次小(NM)，中(M)，次大(PM)，最大(PB)}，隸屬函數(shù)均取三角形，如圖8所示。模糊撒砂控制器輸出代表系統(tǒng)撒砂傾向值，當(dāng)該值大于設(shè)定值時(shí)控制信號設(shè)為1，進(jìn)行撒砂；小于等于設(shè)定值時(shí)控制信號設(shè)為0，不撒砂，控制信號最后輸出用于控制撒砂設(shè)備。

隸屬函數(shù)的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)控制性能是否良好的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要不斷地修正與優(yōu)化。通過與實(shí)際空轉(zhuǎn)或滑行情況進(jìn)行對比，驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的合理性。

圖8 控制器輸出隸屬函數(shù)

3.2 模糊規(guī)則

模糊控制規(guī)則時(shí)模糊系統(tǒng)的核心。模糊控制的規(guī)則庫是由一系列的“IF-THEN”型的模糊條件句所構(gòu)成的。條件句的前件為輸入變量，后件為輸出變量。

本文通過總結(jié)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)知識建立模糊規(guī)則庫。機(jī)車速度越高，撒砂對改變輪軌黏著的影響不明顯，因此撒砂的傾向越??；蠕滑速度衡量輪對空轉(zhuǎn)/滑行的程度，蠕滑速度越大，即代表空轉(zhuǎn)/滑行的程度越大，越需要撒砂；輪緣加速度是衡量空轉(zhuǎn)變化快慢的指標(biāo)，輪緣加速度越大，越傾向于撒砂。初步建立的模糊規(guī)則往往效果不是很好，需要在MATLAB平臺上通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果不斷對模糊規(guī)則進(jìn)行修正。

該系統(tǒng)根據(jù)機(jī)車速度、蠕滑速度和輪緣加速度均劃分了3個模糊集合，故有27條規(guī)則，模糊規(guī)則如下：

3.3 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)車撒砂控制流程圖如圖9所示，當(dāng)機(jī)車速度小于等于5 km/h時(shí)，不進(jìn)行撒砂，也不進(jìn)行模糊控制。當(dāng)機(jī)車速度大于5 km/h時(shí)，讀取機(jī)車速度、蠕滑速度數(shù)據(jù)、輪緣加速度數(shù)據(jù)，并將其輸入模糊控制器，根據(jù)模糊控制器輸出控制撒砂器撒砂。

圖9 撒砂控制流程圖

4 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證該模糊撒砂控制系統(tǒng)的有效性，本文基于該模糊撒砂控制系統(tǒng)分別對機(jī)車加速、減速過程進(jìn)行撒砂控制。本文基于2組實(shí)際機(jī)車運(yùn)行的加速、減速數(shù)據(jù)進(jìn)行撒砂控制分析，采用模糊控制方法對機(jī)車是否需要撒砂進(jìn)行判斷，輸出為1需要進(jìn)行撒砂，反之不需要進(jìn)行撒砂動作，同時(shí)也可以通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷該方法的有效性。

圖10 機(jī)車加速過程的運(yùn)行狀況

4.1 機(jī)車加速

機(jī)車在加速過程中，為了保證機(jī)車牽引力的有效發(fā)揮，在機(jī)車輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，需要啟動撒砂以增加輪軌之間的黏著。機(jī)車速度、蠕滑速度、輪緣加速度曲線如圖10所示，將該運(yùn)行狀況下的數(shù)據(jù)作為模糊撒砂控制系統(tǒng)的輸入，得到撒砂控制信號如圖11所示，空轉(zhuǎn)信號如圖12所示。

4.2 機(jī)車減速

機(jī)車在減速過程中，為了保證機(jī)車制動力的有效發(fā)揮，在機(jī)車輪對發(fā)生滑行時(shí)，需要啟動撒砂以增加輪軌之間的黏著。機(jī)車速度、蠕滑速度和輪緣加速度曲線如圖13所示，將該運(yùn)行狀況下的數(shù)據(jù)作為模糊撒砂控制系統(tǒng)的輸入，得到撒砂控制信號如圖14所示，空轉(zhuǎn)情況如圖15所示。

圖11 機(jī)車加速過程的撒砂信號

圖12 機(jī)車加速過程的空轉(zhuǎn)信號

從以上2組機(jī)車加速和減速過程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)機(jī)車速度相對較低，蠕滑速度和輪緣加速度較大時(shí)，這時(shí)輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行，撒砂控制器輸出撒砂信號，用于增加輪軌黏著以提高黏著利用。

圖13 機(jī)車減速過程的運(yùn)行狀況

圖14 機(jī)車減速過程的撒砂信號

圖15 機(jī)車減速過程的空轉(zhuǎn)信號

表1 空轉(zhuǎn)信號與撒砂信號對比

撒砂動作次數(shù)與機(jī)車空轉(zhuǎn)次數(shù)對比如表1所示。在機(jī)車加速過程中，空轉(zhuǎn)次數(shù)為17次，撒砂動作次數(shù)為14次，這是因?yàn)闄C(jī)車在高速運(yùn)行過程中出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時(shí)撒砂不起作用，故撒砂信號無輸出；在機(jī)車減速過程中，滑行次數(shù)為15次，撒砂動作次數(shù)為15次。因此，該撒砂控制系統(tǒng)能夠有效提高機(jī)車黏著特性。

5 結(jié)論

1) 基于機(jī)車速度、蠕滑速度和機(jī)車輪緣加速度3個變量作為自動撒砂控制指標(biāo)控制機(jī)車撒砂動作具有可行性，同時(shí)往往比使用單純的蠕滑速度作為控制指標(biāo)更為可靠。

2) 采用模糊系統(tǒng)控制機(jī)車自動撒砂，該控制方法適用于機(jī)車撒砂過程，因?yàn)樵撨^程不能通過精確的模型確定，且環(huán)境多變。該系統(tǒng)采用模糊推理規(guī)則，模糊推理規(guī)則是基于總結(jié)長期經(jīng)驗(yàn)而建立，依據(jù)輸入與輸出之間的關(guān)系而確立，從而使系統(tǒng)不受模型參數(shù)變化的影響。

3) 通過撒砂控制信號與實(shí)際空轉(zhuǎn)情況對比分析，在輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)撒砂控制能夠及時(shí)撒砂，說明本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)較為合理。

4) 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行工況變化時(shí)，可以通過修改隸屬度函數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能，從而可以滿足不同工況下的控制要求。

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Intelligent sanding control method for electric locomotive based on fuzzy control

WEN Xiaokang, HUANG Jingchun, KANG Can

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In the operation of electric locomotives, when the contact state between the wheel and rail suddenly deteriorates, a adhesive is needed to change the sticking state between the wheel and rail. Sanding is the most common method. In order to make the locomotive better perform traction and braking performance, this paper used locomotive speed, creep speed and rim acceleration as the control indicators of automatic sanding. The locomotive speed, creep speed and rim acceleration were used as the input of the system. The sand motion signal was used as the output of the system to establish a fuzzy sand control system; then the valve of the sanding device was driven according to the output signal of the system to achieve automatic sanding. In this paper, the sanding action signal was compared with the actual idling of the wheel. The results show that the method can sprinkle sand in time when the wheel of the locomotive is idling, and the system automatic control process is stable; at the same time, compared with the manual control, the wheel of the locomotive sand can be saved during idling or taxiing. The method comprehensively considers the actual operating conditions of the locomotive, improves the intelligence of the sand control, and reduces manual intervention.

electric locomotive; adhesion control; fuzzy control; sanding control

U264.7+6

A

1672 ? 7029(2019)09? 2304 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.09.023

2018?11?24

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61773323)

黃景春(1973?)，男，吉林大安人，副教授，博士，從事牽引傳動控制，機(jī)車黏著控制方面研究；E?mail：jchuang@home.swjtu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)