城市軌道交通車輛制動系統壓力控制方法的智能化改進研究

趙 欣 董建峰 崔曉軍 杜振振 畢經全

(中車青島四方車輛研究所有限公司制動事業(yè)部， 266031， 青島∥第一作者， 高級工程師)

城市軌道交通車輛空氣制動系統是微機控制的直通式電空制動系統，壓力控制是其核心功能。目前，通常由電子控制單元根據壓力傳感器的反饋值控制充氣電磁閥或排氣電磁閥動作，以實現壓力閉環(huán)控制。如果因傳感器故障、采集電路硬件故障等因素導致壓力信號采集出現異常，無法實現壓力的閉環(huán)控制，將導向于緩解本車的制動力，從而造成整列車的制動力不足，使列車限速運行甚至清客下線，進而影響線路的正常運營。

為此，本文提出了一種城市軌道交通車輛制動系統的制動壓力控制方法，利用智能控制的原理對現有方法進行改進與優(yōu)化。該方法在壓力信號采集異常情況下不需要改裝既有設備，而是通過開環(huán)控制實現接近正常情況下的壓力控制，以保證車輛的制動力滿足制動需求，從而提高車輛制動系統常用制動功能的可用性。

1 車輛壓力控制智能化的總體方案

1.1 制動壓力控制原理

城市軌道交通車輛空氣制動系統的常用制動壓力控制主要包括EBCU(電子制動控制單元)、充氣電磁閥、排氣電磁閥、中繼閥、壓力傳感器、減壓閥等部件，其控制原理如圖1所示。EBCU根據常用制動指令等信息計算出需要施加的空氣制動力目標值，并根據預控壓力傳感器采集到的反饋值控制充氣電磁閥或排氣電磁閥動作、輸出預控壓力，再經過中繼閥輸出與預控壓力對應的制動缸壓力。

注：中空箭頭表示氣路；實線箭頭表示電路。圖1 城市軌道交通車輛制動缸壓力控制原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of brake cylinder pressure control principle of urban rail transit vehicle

制動缸壓力傳感器通常用于狀態(tài)監(jiān)控。如果預控壓力信號采集異常，可通過制動缸壓力傳感器進行冗余控制。如果預控壓力和制動缸壓力的信號采集同時出現故障，目前通常的故障導向方式是緩解本車的制動力。

1.2 壓力控制智能化改進總體方案

壓力控制邏輯由EBCU實現，通常的壓力控制功能包括目標壓力計算模塊、壓力檢測模塊和壓力控制模塊，智能化改進后增加了學習記錄模塊和異?？刂颇K，如圖2所示。在壓力信號采集正常時，學習記錄模塊對目標壓力計算模塊、壓力檢測模塊和壓力控制模塊的參數進行同步的學習和記錄；在壓力信號采集異常時，異常控制模塊調用學習記錄模塊存儲的控制參數，通過壓力控制模塊，對充氣電磁閥或排氣電磁閥按照對應的控制策略進行開環(huán)控制。

注：實線箭頭表示控制邏輯的輸入/輸出信號。圖2 車輛制動系統壓力控制方法智能化改進后的 功能架構圖

2 壓力信號采集正常時的學習過程分析

如圖3所示，壓力信號采集正常情況下，EBCU根據常用制動指令等信息計算出理論目標壓力。同時，為了保證列車縱向沖擊率滿足要求，EBCU將計算出一個斜率控制目標壓力，用于限制壓力變化的速率。EBCU根據采集到的實際壓力值控制充氣電磁閥或排氣電磁閥動作，按照斜率控制目標，將壓力控制在理論目標壓力誤差范圍內。

a) 常用制動指令-時間曲線

b) 制動缸壓力-時間曲線

c) 充氣閥狀態(tài)-時間曲線

d) 排氣閥狀態(tài)-時間曲線圖3 車輛制動系統正常壓力控制過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of normal pressure control process of vehicle braking system

此處主要通過PWM(脈寬調制)方式，即采用固定控制周期、控制電磁閥動作占空比的方式，來實現壓力的精確控制。

因此，在壓力信號采集正常情況下的學習過程，實際上就是在壓力閉環(huán)控制過程中選擇合適的樣本，記錄實際壓力從初始壓力到理論目標壓力的全過程內充氣電磁閥或排氣電磁閥動作的一組PWM占空比數值。

2.1 有效學習樣本的選擇

為了保證學習的正確性和有效性，避免因常用制動指令變化不規(guī)律、實際壓力控制異常等因素引入的無效參數，需要對學習樣本進行篩選。判定學習樣本有效的條件有兩個,分別為條件一(初始壓力在當前理論目標壓力誤差范圍內保持穩(wěn)定的時間大于設定的門限值tTH)、條件二(在實際壓力到達理論目標壓力誤差范圍內的過程中，理論目標壓力保持不變)。

本文通過圖4和表1的4個壓力變化過程樣例對學習樣本的有效性進行說明。

a) 常用制動指令-時間曲線

b) 制動缸壓力-時間曲線

表1 正常壓力控制過程的學習樣本有效性判斷

2.2 壓力信號采集正常時的學習過程

在城市軌道交通車輛每次制動和緩解的過程中，制動缸的初始壓力和理論目標壓力是隨機的，壓力的變化是連續(xù)的，但為了方便記錄和處理數據、減少數據的運算量和存儲量，需要將壓力值進行離散化處理，按照等距原則劃分為若干個壓力區(qū)間，從而將所有可能的壓力變化過程簡化為從不同的初始壓力區(qū)間到目標壓力區(qū)間的若干個過程。

在壓力信號采集正常時，對符合學習樣本選擇條件的過程進行學習，記錄初始壓力區(qū)間和目標壓力區(qū)間，以及壓力控制過程中每個控制周期內充氣電磁閥或排氣電磁閥動作的PWM占空比數值，用于壓力信號采集異常時調用。

按照現有控制方法，壓力信號采集正常時，在壓力上升過程中，只有充氣閥動作，排氣閥只是在最后精確調壓時有可能動作；同樣地，在壓力下降過程中，只有排氣閥動作，充氣閥只是在最后精確調壓時有可能動作。因此，可以簡化壓力變化過程的學習記錄及壓力信號采集異常時的控制措施，在目標壓力升高時只對充氣閥動作進行學習，在目標壓力降低時只對排氣閥動作進行學習。這樣，在壓力信號采集異常的情況下，在目標壓力升高時只控制充氣閥動作，在目標壓力降低時只控制排氣閥動作。

3 壓力信號采集異常時的控制過程分析

3.1 確定閥控參數的初始值和目標值

在壓力信號采集異常的情況下，根據常用制動指令保持時間的長短，來計算閥控參數的初始值和目標值。然后根據所對應的初始壓力區(qū)間和目標壓力區(qū)間，調用正常情況下學習記錄得到的閥控參數，對電磁閥進行控制，以達到開環(huán)控制壓力的目的。設tH為常用制動指令保持時間，tV為虛擬壓力變化時間(即按照壓力控制斜率k可得出的虛擬壓力達到理論目標壓力的時間)。tV按照式(1)進行計算，其中：Pt,now為當前指令下的對應理論目標壓力，Pt,pre為上次指令對應的理論目標壓力，t0為虛擬壓力空走時間。

(1)

若tH≥tV，則分別選擇指令變化前后所對應的理論目標壓力作為閥控參數的初始值和目標值。如圖5所示，常用制動指令B在虛擬壓力達到所對應的理論目標壓力后才開始改變，所以，選擇由指令B到指令C這個過程的閥控參數時，將指令B對應的理論目標壓力Pt,B作為初始值，將指令C對應的理論目標壓力Pt,C作為目標值。

a) 常用制動指令-時間曲線

b) 制動缸壓力-時間曲線

selection whentH≥tV

若tH

此時，選擇由指令B到指令C這個過程的閥控參數時，將指令C對應的理論目標壓力Pt,C作為目標值，將tBC時刻的虛擬壓力PV作為初始值，PV按照式(2)進行計算。

PV=Pt,pre+(tH-t0)k

(2)

3.2 設置參數的默認值

為了防止正常情況下程序對電磁閥控制的參數學習記錄不完整，在程序初始化階段會根據前期試驗得到的有效數據，先對城市軌道交通車輛各種不同制動/緩解過程的電磁閥控制參數賦予一組默認值。

此外，在讀取存儲器中的閥控參數時，需對數據進行循環(huán)冗余校驗。只有通過校驗的數值才可以使用，否則將按照默認值進行控制，以增加控制方法的可靠性。

a) 常用制動指令-時間曲線

b) 制動缸壓力-時間曲線

3.3 累積誤差的修正

利用控制系統的特性來消除因開環(huán)控制引起的累積誤差。當制動緩解后，EBCU控制排氣電磁閥一直處于排氣狀態(tài)，此時即使壓力信號異常，制動缸壓力也能夠保證為0，這樣就消除了之前動作累積的誤差，不會將誤差累積到下一次制動緩解過程。

4 試驗驗證

為了驗證智能化改進后的壓力控制方法，在城市軌道交通車輛制動控制系統試驗臺上對其進行了試驗。在常用純空氣制動工況下，分別測試了壓力信號采集正常和異常時車輛制動施加、制動緩解的壓力變化情況。圖7、圖8分別為壓力信號采集正常和異常情況下多級位常用制動施加過程的壓力曲線。圖9、圖10分別為壓力信號采集正常和異常情況下多級位常用制動緩解過程的壓力曲線。

通過實測情況可以看出：

1) 在壓力信號采集正常情況下，EBCU能夠根據壓力反饋值，通過充氣電磁閥或排氣電磁閥精確地控制壓力，其誤差≤±5 kPa；在壓力信號采集異常情況下，EBCU能夠按照常用制動指令，根據正常情況下已學習記錄的電磁閥控制參數對電磁閥進行開環(huán)控制，響應時間與正常情況下一致，并且控制精度較高。

2) 為了簡化學習記錄和壓力信號采集異常時的控制復雜度，智能化改進后的壓力控制方法在目標壓力升高時只對充氣閥動作進行學習和控制，在目標壓力降低時只對排氣閥動作進行學習和控制。所以在一次制動施加/緩解的過程中，常用制動指令第1次變化后產生的誤差相對較小，約為±10 kPa；隨著常用制動指令變化次數增多，累積誤差逐漸變大，到了常用制動指令第4次變化后，其誤差約為±20 kPa。

a) 常用制動指令-時間曲線

b) 制動缸壓力-時間曲線圖7 壓力信號采集正常情況下常用制動施加壓力曲線Fig.7 Pressure curve of service brake application when pressure signal acquisition is normal

a) 常用制動指令-時間曲線

b) 制動缸壓力-時間曲線圖8 壓力信號采集異常情況下常用制動施加壓力曲線Fig.8 Pressure curve of service brake application when pressure signal acquisition is abnormal

a) 常用制動指令-時間曲線

b) 制動缸壓力-時間曲線圖9 壓力信號采集正常情況下常用制動緩解壓力曲線Fig.9 Pressure curve of service brake release when pressure signal acquisition is normal

a) 常用制動指令-時間曲線

b) 制動缸壓力-時間曲線圖10 壓力信號采集異常情況下常用制動緩解壓力曲線

3) 常用制動指令回零后，制動缸壓力緩解到0，誤差清零，不會將誤差累積到下一次制動緩解的過程。

5 結語

本文針對城市軌道交通車輛空氣制動系統因壓力信號采集異常導致無法實現壓力控制的問題，利用智能控制的原理對現有的方法進行改進與優(yōu)化，在壓力信號采集正常時選擇有效的學習樣本，對電磁閥控制參數進行學習和記錄；在壓力信號采集異常的情況下根據學習所獲得的控制參數，對電磁閥進行開環(huán)控制。

根據試驗臺實測的結果，在壓力信號采集異常情況下，對現有方法改進后的壓力控制方法能夠按照常用制動指令對制動缸壓力進行開環(huán)控制，實現接近正常情況下的壓力控制，控制精度較高，可以滿足城市軌道交通車輛制動系統的應用要求。此外，車輛在制動緩解后，誤差清零，不會將誤差累積到下一次制動緩解的過程。改進后的壓力控制方法能夠保證城市軌道交通車輛在壓力信號異常情況下的制動需求，提高制動系統的可用性。