列車制動技術中若干熱點問題的理論探討

吳萌嶺 劉宇康 田春

摘 要：首先，討論制動減速度反饋控制的不同實現(xiàn)方法，分析結果表明減速度制動控制能夠使列車實際減速度很好地跟隨目標減速度，并且不同的減速度制動控制方法的仿真和試驗結果表明自適應減速度制動控制方法的輸入信號為速度信號，能對不確定參數(shù)進行估計，能自適應擁有不同傳遞函數(shù)的車輛系統(tǒng)，穩(wěn)定性好。然后，結合實際運用分析鋁合金制動盤的關鍵技術點，為鋁合金制動盤的技術發(fā)展提供參考。最后，介紹液壓制動系統(tǒng)組成，并與空氣制動系統(tǒng)進行對比，闡明其具有一定的應用前景。

關鍵詞：軌道交通;制動減速度;反饋控制;鋁合金制動盤;液壓制動系統(tǒng)

中圖分類號：U270.35

隨著列車技術的不斷發(fā)展，制動系統(tǒng)相關的制動控制和系統(tǒng)零部件也在隨之持續(xù)發(fā)展，其中制動減速度反饋控制、鋁合金制動盤和液壓制動系統(tǒng)等技術已經(jīng)逐步開展研究、生產(chǎn)及應用。但這些技術目前屬于探索或應用初級階段，存在著一些值得探討的技術問題，本文將對其中的具體問題進行探討。

1 制動減速度反饋控制

制動力控制模式是制動系統(tǒng)設計、產(chǎn)生所需要的制動力的依據(jù)，是列車制動技術中的關鍵技術之一。目前，地鐵列車或高速動車組的制動系統(tǒng)中廣泛采用理論制動力控制和速度黏著控制方法，這2種制動控制方法忽略了列車制動過程中閘瓦（片）摩擦系數(shù)、坡道坡度等參數(shù)，它們是隨時間、速度或距離而改變的，是不確定的量。這些不確定參數(shù)會使實際減速度與目標減速度之間存在差異，可見這2種傳統(tǒng)的制動控制方法不能實現(xiàn)對列車實際制動力和實際減速度的精確控制，即在減速度層面上是開環(huán)的。為了使列車制動性能得到進一步優(yōu)化，使列車在制動過程中能適應上述不確定參數(shù)的影響，研究人員提出了一種新型的制動力控制模式——制動減速度反饋控制。直接利用制動減速度作為反饋值，根據(jù)減速度實際值與目標值的差別來調(diào)整制動力的大小。制動系統(tǒng)中的制動減速度反饋控制雖然對控制技術要求很高，但仍是一種值得探索的控制方法。近年來，已有國內(nèi)外學者對此進行了研究，其中包括基于Smith預估器的比例積分（PI）控制、基于在線參數(shù)估計的自適應控制等方法，都取得了比較好的仿真效果，并在臺架試驗或線路試驗中驗證了其控制性能。本文將對預估制動減速度反饋控制和基于自適應制動減速度反饋控制進行對比分析，以便為制動減速度反饋控制的實際運用提供技術參考。

制動減速度反饋控制模式的流程如圖1所示，制動系統(tǒng)根據(jù)軸速經(jīng)電子制動控制單元（EBCU）演算后推出實際減速度，制動系統(tǒng)將實際減速度作為反饋值，與目標減速度進行比較，然后根據(jù)對應關系作用于制動減速度反饋控制器。制動系統(tǒng)根據(jù)控制器輸出的制動缸預控壓力（AC壓力）調(diào)整制動力的大小，將實際制動減速度反饋控制在目標減速度附近，甚至等于目標減速度值。也就是說，制動減速度反饋控制是根據(jù)減速度目標值與實際值實時調(diào)整制動力的大小。

1.1 預估制動減速度反饋控制

預估制動減速度反饋控制利用制動控制裝置檢測實際的減速度，并以實測減速度與目標值的差值為基礎，利用反饋控制系統(tǒng)進行自動控制，即可抑制干擾因素對減速度產(chǎn)生的影響。反饋控制系統(tǒng)的核心為PI控制器，其計算公式為：（1）式（1）中， 為PI控制器的傳遞函數(shù);Kp為比例增益; KI為積分增益;s是拉普拉斯算子。通過控制比例增益和積分增益可以調(diào)整減速度上升特性、穩(wěn)定誤差及系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是，在包含空耗時間要素的反饋控制系統(tǒng)中，多數(shù)情形下難以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以有必要盡量減少空耗時間或抑制其影響。針對延時影響，預估制動減速度反饋控制采用Smith補償進行局部反饋，即用空耗時間的預測值抵消空耗時間對反饋的影響，其控制結構如圖2所示，Simulink仿真框圖如圖3所示。圖2中，為PI控制傳遞函數(shù)， 表示對車輛模型的預估傳遞函數(shù)，表示動作延遲，L指延遲時間，和共同組成控制器部分;為車輛模型傳遞函數(shù)，和k表示不確定參數(shù)影響，表示氣壓變化過渡特性，、k和干擾共同組成車輛動態(tài)特性;m表示列車靜態(tài)質(zhì)量。

控制器延遲參數(shù)設置為0.7 s，設置車輛模型延遲參數(shù)分別為0.6 s和0.8 s，調(diào)節(jié)PI控制器參數(shù)后，仿真得到的實際減速度和目標減速度如圖4所示。

為了更好地模擬實際延時情況，仿真車輛模型延遲圍繞預設值0.7 s波動，波動范圍為±0.1 s，仿真結果如圖5所示。從瞬時波動來看，無法消除影響。設置車輛模型延遲圍繞定值波動，且控制器預設延遲與波動均值存在0.1 s偏差，其仿真結果如圖6所示。由圖6中可知，部分制動階段可能存在較大偏差。

由上面分析可知，這種結構的算法對延遲參數(shù)預估的準確度要求很高，或者說對系統(tǒng)延遲的穩(wěn)定性要求很高。現(xiàn)提出改進方法：只需要對系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進行預估，不需要對系統(tǒng)延遲進行預估。設置車輛模型延遲參數(shù)分別為0.6 s和0.8 s時，仿真結果如圖7所示。對比2種工況的仿真結果可知，不同的延遲參數(shù)，其制動控制的效果基本相同。車輛模型延遲圍繞定值波動時的仿真結果如圖8所示。由圖8可知，其控制效果較好。車輛傳遞函數(shù)與控制器預估傳遞函數(shù)誤差為50%時的仿真結果如圖9所示。由圖9可知，實際減速度的控制效果良好。由上可知，改善預估制動減速度反饋控制對系統(tǒng)延遲穩(wěn)定的依賴大大降低，但這種結構需要對所有制動缸壓力及電制動力進行采集反饋。

1.2 自適應制動減速度反饋控制

自適應制動減速度反饋控制在計算目標制動力和目標制動缸壓力前首先將列車的制動力（包括電制動力和制動缸壓力）和列車速度（含有減速度信息）采集到制動控制系統(tǒng)中，然后根據(jù)這些力和速度的信息通過自適應參數(shù)估計器實時估計和更新不確定參數(shù)，再用這些估計得到的參數(shù)計算目標制動力和目標制動缸壓力。因為該制動控制模式在計算目標制動力和目標制動缸壓力時考慮了列車制動過程中的多種不確定參數(shù)的影響，所以能實現(xiàn)列車實際減速度的精確控制。其控制流程如圖10所示。其中，aref為目標減速度，F(xiàn)ref為目標制動力， M為列車動態(tài)質(zhì)量，為運行阻力，Pref為目標制動缸壓力，F(xiàn)ele為電制動力，n為制動缸數(shù)，ξ為制動倍率，為閘瓦摩擦系數(shù)設定值，F(xiàn)spring為制動缸克服的彈簧力，A為制動缸作用面積。

4 結束語

本文分別探討了列車制動中制動減速度反饋控制、鋁合金制動盤和液壓制動系統(tǒng)等技術問題。其中分析了預估制動減速度反饋控制和自適應制動減速度反饋控制，提出了改進預估制動減速度反饋控制方法，仿真分析表明：改進預估制動減速度反饋控制和自適應制動減速度反饋控制均能使列車的實際減速度很好地跟隨目標減速度;自適應制動減速度反饋控制方法的輸入信號為速度信號，方便實際運用，且適用于不同傳遞函數(shù)的車輛系統(tǒng)，穩(wěn)定性好。

采用鋁合金制動盤能夠起到減小質(zhì)量的作用，但其較低的塑性限制了運用工況，且制造工藝對制動盤的物理性能影響也較大。同時，對于對偶閘片匹配性提出了一定的要求。

液壓制動系統(tǒng)相對空氣制動系統(tǒng)，集成度高，設備體積小，更適用于安裝空間較小的列車車輛使用，同時響應速度也更快。但其運營維護成本較高，且存在液壓油泄漏等問題，限制了其應用的推廣。

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收稿日期 2019-08-19

責任編輯 黨選麗