磁悬浮列车制动缸压力控制方法
【专利摘要】磁悬浮列车制动缸压力控制方法，计算制动缸压力实际值与制动缸最终目标值之间的误差，记为目标误差，计算制动缸压力实际值与制动缸冲动限制目标值之间的误差，记为瞬时误差；设定阈值1和阈值2；当目标误差＞阈值1时，充排气电磁阀常开；当阈值2＜目标误差＜阈值1时，按瞬时误差调整充排气电磁阀一个控制周期内打开的时间，记为粗调占空比；当目标误差＜阈值2时，按瞬时误差调整充排气电磁阀一个控制周期内打开的时间，记为细调占空比；粗调占空比大于细调占空比。该方法是基于目标压力和冲动限制目标而进行的，在满足冲动限制目标和制动缸目标压力的前提下，可完成更精确的控制，缩短制动响应时间，缩短制动距离，改善制动缸的稳态性能。
【专利说明】
磁悬浮列车制动缸压力控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于轨道交通制动缸压力控制技术领域，涉及一种制动缸控制方法，具体 的说，涉及一种磁悬浮列车制动缸压力控制方法。
【背景技术】
[0002] 磁悬浮列车是一种新型的轨道交通运输工具，利用电磁铁与轨道间的电磁力将列 车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用直线电机驱动列 车运行，具有速度快、运行平稳、噪声低、环境影响小等优点。
[0003] 磁悬浮列车具有常用制动、紧急制动、非常制动、保持制动等功能，其中常用制动 采用电空混合制动方式，依靠电制动和空气制动共同完成，优先使用电制动，电制动不足 时，补充空气制动，其余几种制动功能完全依靠空气制动来完成。磁悬浮列车的电制动通过 改变直线电机的电流相序，使电机输出的牵引力反向变成制动力，但直线电机特殊的结构 形式决定了其效率不高，同时，磁悬浮列车对制动减速度的要求比一般城轨列车大，造成在 制动过程中需要经常补充空气制动。此外，在低速、紧急、电制动故障等情况下，需要完全施 加空气制动。由此可见，磁悬浮列车对空气制动的要求比一般城轨列车大，空气制动的性能 对整车性能的影响相应也比一般城轨列车大。
[0004] 如图1所示，目前，城轨列车的制动缸压力控制方法是计算出目标值和冲动限制目 标，根据中继阀之前的压力传感器反馈值，单一的控制预控压力按照冲动限制目标上升，中 继阀按照预控压力输出制动缸压力，通过基础制动单元形成制动力。但磁悬浮列车的基础 制动单元的数量多、制动缸容积大、管路分支多，所以中继阀之后的总制动缸容积要比一般 城轨列车大，城轨列车每个车厢的制动缸总容积在10升左右，而磁悬浮列车每个车厢的制 动缸总容积在30升以上。如果还按照城轨列车的制动缸压力控制方法，会造成磁悬浮列车 的制动缸升压缓慢、空走时间加长，导致制动距离变长、安全性降低。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对磁悬浮列车的特点及现有制动控制方式的不足，提供一种 磁悬浮列车制动缸压力控制方法。
[0006] 本发明的技术方案为:磁悬浮列车制动缸压力控制方法，压力传感器采集制动缸 压力实际值，计算制动缸压力实际值与制动缸最终目标值之间的误差，记为目标误差，计算 制动缸压力实际值与制动缸冲动限制目标值之间的误差，记为瞬时误差；
[0007] 设定阈值1和阈值2，阈值1 >阈值2;
[0008] 当目标误差 > 阈值1时，充排气电磁阀常开；
[0009] 当阈值2<目标误差<阈值1时，按瞬时误差调整充排气电磁阀打开占空比，记为 粗调占空比；
[0010] 当目标误差 < 阈值2时，按瞬时误差调整充排气电磁阀打开占空比，记为细调占空 比；
[0011] 粗调占空比大于细调占空比。
[0012] 优选的是:压力传感器采集的为中继阀出口处压力值。传统的控制方法，制动缸压 力采集点位于中继阀入口处，由于中继阀是纯机械部件，输出的制动缸压力比输入的预控 压力存在一定的滞后，而且，误差会随着压力的增大而变大，而中继阀出口直接与制动缸相 接，中继阀出口压力更接近制动缸的真实压力，将制动缸压力的采集点放在中继阀之后，可 提高制动缸压力的控制精度。
[0013] 优选的是:粗调占空比的调节方法为:根据下式计算：
[0014] Δ e(t) =e~e(t)；
[0015]
[0016] ed = e(,t；-e(,t-l)；
[0017] Utc = Pc A e(t)+Icesum+Dced；
[0018] 其中：Δ e (t)为t时刻制动缸压力瞬时误差，e为制动缸冲动限制目标值，e(t)为t 时刻制动缸压力实际值，e_表示瞬时误差的累计值，Ut。表示一个控制周期内，充排气电磁 阀打开的时间；
[0019] 细调占空比的调节方法与粗调占空比的调节方法相同：
[0020] Utx = Px Δ e(t)+IxeSUm+Dxed;Utx表示一个控制周期内，充排气电磁阀打开的时间；
[0021] Utx〈Utc。
[0022] 充排气电磁阀的控制是基于PWM的控制，因此，基于以上控制算法计算得到的Utx和 1^将转换为占空比，对充排气电磁阀进行控制。
[0023]优选的是:PX>P。，Ix>I。，DX>D。。由于充排气电磁阀具有最小响应时间，若一个控制 周期内，充排气电磁阀的打开时间小于充排气电磁阀的最小响应时间，则充排气电磁阀不 能打开，气源与制动缸之间的气路不通，也就不能执行为制动缸充排气的指令。
[0024]本发明的有益效果为：
[0025] (1)本发明提供的制动缸压力控制方法是基于目标压力和冲动限制目标而进行 的。根据磁悬浮列车气路结构和压力变化的特性，按照目标误差的大小对制动缸进行分阶 段的控制，根据不同的阶段对控制的不同要求，执行不同的控制方法:分别采取快充、PID粗 调和PID细调控制。基于以上方法，在满足冲动限制目标和制动缸目标压力的前提下，可完 成更精确的控制，缩短制动响应时间，缩短制动距离，改善制动缸的稳态性能。
[0026] (2)将制动缸压力的采集点置于中继阀出口处，中继阀输出压力值更接近制动缸 压力的目标值，以提高制动缸压力的控制精度。
【附图说明】
[0027]图1为现有技术中制动缸控制原理图。
[0028]图2为制动缸压力与响应时间示意图。
[0029]图3为本发明制动缸控制原理图。
[0030]图4为本发明制动缸控制流程图。
[0031]图5为现有技术实施中制动缸压力与响应时间曲线。
[0032]图6为本发明实施中制动缸压力与响应时间曲线。
[0033]其中：l-φ恸指令，2-冲动限制目标值，3-中继阀出口压力，4-φ恸缸压力
【具体实施方式】
[0034]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行进一步的描述。
[0035] 制动响应时间与制动系统的机械特性和制动缸容积、管路长度有很大的关系，同 时也与制动缸压力的控制方法有很大关系。图2为制动缸压力与响应时间示意图，从To时刻 发出制动指令到!^时刻制动缸压力开始上升，这段时间t为空走时间，从^时刻开始到制动 缸压力上升到压力最大值的90%(0·9Ρ)，这段时间t 2为升压时间。ti+t2为制动响应时间，因 此，若想降低制动响应时间，则可通过降低七和^的方式实现。
[0036] 由于磁悬浮列车平均制动减速度要求大，制动缸容积也增大很多，城轨列车的制 动缸压力控制方法已经不能满足磁悬浮列车对制动距离的要求，详见以下计算分析：
[0037] 列车制动距离的计算公式
[0038]
(式 2)
[0039] 其中，
[0040] S为制动距离，单位m，
[0041 ] Vo为制动初速度，单位m/s，
[0042] a为平均减速度，单位m/s2，
[0043] β为瞬时减速度，单位m/s2，
[0044] ti为空走时间，单位s，
[0045] t2为制动缸升压时间，单位s。
[0046] 由式1可以推导出，相同的制动初速度，相对于磁悬浮列车，若想获得比城轨列车 更大的平均减速度a，S相应的要减小。由式2可以推导出，要减小S，一方面要尽量减小^和 t2,另一方面要增大瞬时减速度β，也就是增大制动力，但是制动力的增加是有限度的，而且 增大制动力会带来耗风量增加、闸瓦磨耗增大、舒适性降低等问题，所以减少制动响应时间 就非常重要。
[0047]磁悬浮列车制动缸压力控制方法，是基于目标压力和冲动限制目标的分阶段控制 方法。压力传感器置于中继阀出口处，采集的为中继阀出口压力值，将中继阀出口压力值视 为制动缸压力实际值，计算制动缸压力实际值与制动缸最终目标值之间的误差，记为目标 误差，计算制动缸压力实际值与制动缸冲动限制目标值之间的误差，记为瞬时误差。
[0048] 设定阈值1和阈值2，阈值1 >阈值2，本实施例中，以充气过程为例，阈值1为150kPa， 阈值2为50kPa，目标控制压力为280kPa。
[0049] (1)初始阶段
[0050] 初始阶段是指制动指令施加之初，这一阶段制动缸压力非常小，约等于0，与制动 缸压力目标值相差很大，因此，这一阶段不需要考虑超调和控制精度，控制的目标是在尽可 能短的时间内建立压力，使基础制动单元开始输出制动力。
[0051] 压力传感器持续监测中继阀出口处的压力，并计算目标误差：
[0052] Δ E = E-e(t)；
[0053]其中：ΔΕ表示制动缸压力的目标误差，E表示制动缸压力最终目标值，e(t)为t时 刻制动缸压力实际值。
[0054]制动指令施加之初，Δ E为280kPa，瞬时误差为0。如图3所示，持续计算Δ E，根据其 与阈值1和阈值2的大小关系，选择在不同的控制阶段间切换。若ΔΕ>阈值1，则控制系统选 择开关置于1处，该阶段充气电磁阀保持常开，快速为制动缸充气，控制充气阀出口处的压 力快速跃升，使制动缸压力迅速上升，基础制动单元处的制动缸压力迅速建立，同时，管路 空间和制动缸容积消化了由压力跃升产生的冲动，从而使列车不超出冲动限制的要求。 [0055] (2)PID粗调阶段
[0056] 当阈值2< Δ E<阈值1时，即当130kPa〈e(t)<230kPa时，进入PID粗调阶段。由于制 动缸压力持续上升，为防止超调过大，必须要降低系统的调节速度。从图2可见，在制动过程 中，冲动限制目标以接近线性比例增大，任一时刻，冲动限制目标与制动缸实际压力之间的 差小于等于制动缸最终目标压力与制动缸实际压力之间的差。
[0057] 因此，在一个控制周期内，为降低调节速度并提高控制精度，以瞬时误差为控制目 标，进行PID粗调，允许中继阀出口压力有过充，但基础制动单元处的制动缸压力不能超出 冲动限制的要求。
[0058] 按瞬时误差调整充排气电磁阀打开的占空比，记为粗调占空比；
[0059] 粗调占空比的调节方法为:根据下式计算：
[0060] Δ e(t) =e~e(t)；
[0061]
[0062] ea = e(t)-e(t-l)；
[0063] Utc = Pc A e(t)+Icesum+Dced；
[0064] 其中：Ae(t)为t时刻制动缸压力瞬时误差，e为制动缸冲动限制目标值，e(t)为t 时刻制动缸压力实际值，e_表示瞬时误差的累计值，Ut。表示一个控制周期内，充排气电磁 阀打开的时间。调节P、I、D控制参数，获得适当的U t。值。
[0065] 充排气电磁阀采用PWM控制，Utc转化为一个控制周期内充排气电磁阀的占空比控 制指令，用于控制充排气电磁阀打开的时间。
[0066] PID粗调阶段，占空比较大，制动缸压力逐渐上升。
[0067] (3)PID细调阶段
[0068]当Δ E<阈值2时，即当e(t)>230kPa时，按瞬时误差调整充排气电磁阀打开的占空 比，记为细调占空比；
[0069] 细调占空比的调节方法与粗调占空比的调节方法相同：
[0070] Utx = Ρχ Δ e(t)+IxeSUm+Dxed;Utx表示一个控制周期内，充排气电磁阀打开的时间。
[0071] 调节P、I、D控制参数，获得适当的Utx值。Utx值将转化为一个控制周期内充排气电 磁阀的占空比控制指令，用于控制充排气电磁阀打开的时间。
[0072]由于这个阶段，制动缸压力已经接近最终目标值，此时仅对制动缸压力做细微调 整，使其输出精确定位或跟随指定输入变化，以改善制动缸的稳态性能。因此，Utx<utc，即 用于制动缸控制的粗调占空比大于细调占空比。
[0073]由于充排气电磁阀具有最小响应时间，若一个控制周期内，充排气电磁阀打开的 时间小于充排气电磁阀的最小响应时间，则充排气电磁阀不能打开，例如，充排气电磁阀的 最小响应时间为10ms，则Utx和Utc；均需要大于10ms才可以保证充排气电磁阀能够打开，否则 气源与制动缸之间的气路不通，也就不能执行为制动缸充排气的指令。
[0074]因此在PID细调阶段，除了要获得较小、较精准的制动缸调节时间外，还要保证Utx 达到充排气电磁阀的最小响应时间。而在该阶段，瞬时误差A e(t)是逐渐减小的，若采用更 小的P、I、D控制参数，很有可能使Utx达不到充排气电磁阀的最小响应时间。因此，与PID粗调 阶段相比，在该阶段中，将增大P、I、D控制参数。
[0075] 如图5所示，该曲线是按照现有城轨的制动缸压力控制方法，施加最大常用制动指 令时的制动缸压力与响应时间曲线。从图5可以看出，从t = 0时刻开始施加制动指令1，收到 制动指令1后，通过预控控制中继阀出口压力3基本按照冲动限制目标2上升，但受列车管路 和制动缸容积的影响，最终基础制动单元处的制动缸压力会有较大的滞后。在t = 0.6时刻 开始，制动缸压力4开始上升，即空走时间为ti = 0 · 6s，制动缸压力4最大值为280kPa，制动 缸压力4最大值的90%为252kPa，制动缸压力4上升到制动缸压力最大值90%所用的升压时 间为t 2 = 2.67s，即制动响应时间ti+t2为3.27s。
[0076] 如图6所示，采用本发明所述的控制方法对制动缸压力进行控制，从t = 0时刻开始 施加制动指令，与图5不同的是，收到制动指令1后，中继阀出口压力3快速跃升，能使从制动 控制装置到基础制动单元迅速建立起压力，在t = 〇. 26时刻开始，制动缸压力4开始上升，即 空走时间为ti = 0.26s，与图5的原理相同，制动缸压力4上升到制动缸压力4最大值90%所 用的升压时间为t2 = 1.9s，即制动响应时间ti+t2为2.16s，与图5中的控制方法相比，采用本 发明所示的方法制动响应时间缩短了1. Is左右，有效减小了制动响应时间。
[0077] 综上，与现有技术相比，本发明提出的制动缸压力控制方法减少了空走时间，缩短 了升压时间，可有效提高制动响应速度，缩短制动距离。
【主权项】
1. 磁悬浮列车制动缸压力控制方法，压力传感器采集制动缸压力实际值，计算制动缸 压力实际值与制动缸最终目标值之间的误差，记为目标误差，计算制动缸压力实际值与制 动缸冲动限制目标值之间的误差，记为瞬时误差;其特征在于： 设定阈值1和阈值2，阈值1 >阈值2; 当目标误差 > 阈值1时，充排气电磁阀常开； 当阈值2<目标误差<阈值1时，按瞬时误差调整充排气电磁阀一个控制周期内打开的 时间，记为粗调占空比； 当目标误差<阈值2时，按瞬时误差调整充排气电磁阀一个控制周期内打开的时间，记 为细调占空比； 所述粗调占空比大于细调占空比。2. 如权利要求1所述的磁悬浮列车制动缸压力控制方法，其特征在于:所述压力传感器 采集的为中继阀出口处压力值。3. 如权利要求1或2所述的磁悬浮列车制动缸压力控制方法，其特征在于:所述粗调占 空比的调节方法为:根据下式计算： Δ e(t) = e_e(t); ed = e(t)_e(t_l);Utc - PcA e(t)+Icesum+Dced; 其中：A e (t)为t时刻制动缸压力瞬时误差，e为制动缸冲动限制目标值，e (t)为t时刻 制动缸压力实际值，es?表示瞬时误差的累计值，Ut。表示一个控制周期内，充排气电磁阀打 开的时间； 所述细调占空比的调节方法与粗调占空比的调节方法相同： Utx=PxA e(t)+Ixesum+Dxed;Utx表示一个控制周期内，充排气电磁阀打开的时间； Utx〈Utc 〇4. 如权利要求3所述的磁悬浮列车制动缸压力控制方法，其特征在于:所述ΡΧ>Ρ。，Ιχ>1。， Dx>Dc〇
【文档编号】B60T15/42GK105946838SQ201610402223
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】胡波, 赵欣, 卢鸣鹤
【申请人】中车青岛四方车辆研究所有限公司