對正在改型的常導中低速磁懸浮列車的機械制動系統(tǒng)進行了介紹和分析，建立了機械制動系統(tǒng)的模型，介紹了計算機制動控制的工作原理、系統(tǒng)組成以及控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件流程等。在工控機的控制下，實現(xiàn)對磁懸浮列車機械制動系統(tǒng)的自動控制和實時監(jiān)測。
1、前言
磁懸浮列車是一種輪軌非粘著傳動、懸浮于軌道的新型軌道交通運輸系統(tǒng)，是介于鐵路和航空之間的一種獨特的運輸方式。在2001年研制的第一輛常導中低速磁懸浮列車實驗線中，除了采用電制動以外，還設置了機械制動和支撐滑塊制動。實驗表明，幾種制動方式中，電制動和支撐滑塊制動都達到很優(yōu)的效果。
為了達到更優(yōu)的性能指標，對正在改型的第二輛常導中低速磁懸浮列車的機械制動進行了改進。但是，機械制動受外界環(huán)境的影響很大，為了有條件地改變制動力，有效地克服外界環(huán)境的影響，引入了減速度控制方案。本文利用工控機、數(shù)控、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)，對常導中低速磁懸浮列車的機械制動系統(tǒng)進行了設計，實現(xiàn)了計算機控制的機械制動。整個制動系統(tǒng)由機械制動裝置、工控機、高速數(shù)據(jù)采集卡、開關量輸入板、開關量輸出板等組成，實現(xiàn)對常導中低速磁懸浮列車機械制動的自動控制和監(jiān)測。
2、機械制動的制動原理
目前我校自行研制的改進型常導中低速磁懸浮列車的機械制動采用了氣一液制動方式，為了減小制動器的體積，制動的工作介質(zhì)采用液壓油。機械制動氣路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 磁懸浮列車機械制動結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)由比例閥、氣液轉(zhuǎn)換器、制動器組成。氣壓調(diào)節(jié)選用了電流型的比例氣壓調(diào)節(jié)閥，其入口氣壓由恒壓閥調(diào)節(jié)在0.6MPa左右。車輛的氣液轉(zhuǎn)換器的最大增量氣壓設置為0.4MPa，最大油壓可以工作在10MPa左右，因此我們選用轉(zhuǎn)換比為1∶25的氣—液轉(zhuǎn)換器。當控制電流為4～20mA時，輸出氣壓在0～0.4MPa變化，制動器的制動油壓相應在0～10MPa之間變化，每臺制動器的制動臂產(chǎn)生0～9000N的夾持力。如果摩擦片的磨擦系數(shù)在0.3左右時，單臺制動器的制動力可以大于2500N。由于每輛車有16臺制動器，共可產(chǎn)生大于40000N的制動力，在磁浮車處于額定載重條件下（總重30t時），僅機械制動即可產(chǎn)生大于1.3m／s2的減速度效果。
為了保證車輛在比例氣壓調(diào)節(jié)閥失效或需要緊急制動的情況下，仍然能夠完成制動目的，在比例氣壓調(diào)節(jié)閥側(cè)還并聯(lián)了一個開關型電磁閥，作為應急控制之用。
因此，通過調(diào)節(jié)比例閥的電流就可以改變制動器的制動力，從而得到制動減速度。采用計算機實現(xiàn)對制動系統(tǒng)的閉環(huán)控制，駕駛員可以自如地依需要的減速度來控制車輛的制動運行。
3、機械制動系統(tǒng)的建模
要實現(xiàn)機械制動的控制，首先要對機械制動的各個部件進行建模。制動器總成的油壓建立通過了管道，并有一定阻力，另外，制動器還有運動空行程，因此制動力的產(chǎn)生有一定的延遲時間，機械制動系統(tǒng)屬于非線性系統(tǒng)。在比例閥以及氣液轉(zhuǎn)換器處分別安裝氣壓傳感器和液壓傳感器，通過改變比例閥的控制電流來改變制動系統(tǒng)的各個控制部件的輸出，測得各部件的特性曲線。當比例閥的輸入電流階躍變化時，實驗得出系統(tǒng)的階躍響應曲線，然后分析圖形特性，建立系統(tǒng)的參數(shù)模型，確定傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。
圖2為磁懸浮列車機械制動控制部件的特性曲線圖。當比例閥的調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)到6.30mA時，制動器夾住，當調(diào)節(jié)電流在6.30～16.54mA變化時，氣壓傳感器和油壓傳感器的輸出電流都呈線性變化，輸出氣壓在0.08～0.5MPa變化，輸出油壓在1～10MPa變化。當比例閥的輸出電流下調(diào)時，氣壓有一定的回環(huán)。
圖2 磁懸浮列車機械制動控制部件的特性曲線
圖3和圖4分別為比例閥和氣液轉(zhuǎn)換器的階躍響應曲線。
通過辨識，可得到各部件的數(shù)學模型如下：
比例閥的模型為：
氣液轉(zhuǎn)換器的模型為：
制動轉(zhuǎn)換器的模型為：
式中，K1，K2，K3，T1，T2，τ1，τ2等可以通過實驗辨識分析求得。
磁懸浮列車有16臺制動器總成，安裝夾持力傳感器在實際中不好實現(xiàn)。但是，當實現(xiàn)了制動系統(tǒng)的氣壓調(diào)節(jié)作用時，實際上就間接地控制了制動油壓和制動器的夾持力，該過程忽略了管線、制動器部件運動的摩擦阻力，因此設計氣壓校正網(wǎng)絡來實現(xiàn)夾持力閉環(huán)控制，誠然，只使用夾持力閉環(huán)控制時，由于自然條件和軌面的條件不同，同樣的夾持力，可能獲得的制動效果不同，制動的效果與駕駛員的經(jīng)驗有關。采用減速度閉環(huán)控制時，駕駛員可以通過制動手柄，控制不同的減速度，駕駛員對制動手柄的控制是以減速度給定值不大于1.3m／s2為上限的，因此設計了氣壓和減速度為反饋量的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其反饋控制框圖如圖5所示。氣壓校正網(wǎng)絡W2（s）用于控制氣壓，即間接地控制了夾持力，加速度校正網(wǎng)絡W1（s）則用于控制減速度，使減速度不至于過大，并可以從0～1.3m／s2之間進行線性操作。
圖5 機械制動系統(tǒng)反饋控制框圖
4、計算機控制的機械制動系統(tǒng)組成
計算機控制的機械制動系統(tǒng)主要由傳感器（加速度、氣壓）、A／D轉(zhuǎn)換卡、開關量輸入卡、D／A轉(zhuǎn)換卡、工控機（包括控制程序）等組成。如圖6所示，被控對象是列車的減速度，當制動時，由加速度傳感器測量制動減速度的值，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，送入工控機。工控機對測量的減速度信號進行數(shù)字濾波，并和制動手柄給定的減速度信號進行比較，通過減速度控制器W1（s）（由軟件實現(xiàn)）計算出減速度控制信號，與氣壓傳感器采集的氣壓反饋信號比較，獲得誤差信號，再通過氣壓控制器W2（s）（由軟件實現(xiàn)）得到氣壓控制信號，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換，驅(qū)動比例閥控制氣壓從而改變制動力的大小，最終達到所希望的減速度。
另外，機械制動器的安裝位置比較緊湊，對剎車片的磨耗的觀察和檢查比較困難，采用了摩擦片內(nèi)埋線的方式，在磨耗達到極限并處于夾持狀態(tài)時，可以用埋線被短路的條件獲得電信號。因此，可以對剎車片的狀況進行在線檢測。
本系統(tǒng)中，工控機采用研華公司的IPC610H，而開關量輸入卡、A／D轉(zhuǎn)換卡、D／A轉(zhuǎn)換卡分別采用康拓公司的系列板卡，系統(tǒng)框圖見圖6。
圖6 計算機機械制動系統(tǒng)框圖
5、機械制動系統(tǒng)的軟件設計
本系統(tǒng)采用基于windows平臺的可視化軟件Visual C＋＋6.0作為開發(fā)工具，本著模塊化軟件設計思想，把系統(tǒng)劃分為幾個模塊，并設置各個模塊之間的接口，根據(jù)要求，將磁懸浮機械制動系統(tǒng)分為：參數(shù)設置模塊、輸入數(shù)據(jù)采集和A／D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字濾波模塊、控制器算法模塊、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊、輸出數(shù)據(jù)D／A轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、與上位機的通信模塊等。如圖7所示。參數(shù)設置模塊主要是一些輸入輸出板卡的設置等；數(shù)據(jù)采集和A／D轉(zhuǎn)換模塊主要是實現(xiàn)制動手柄給定的加速度值、輸出的加速度值以及氣壓值的采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換等；為了有效地克服測量信號中的干擾和噪聲，設置了數(shù)字濾波模塊，通過軟件濾波減少干擾；另外還設置了數(shù)據(jù)處理和顯示模塊，用來實時顯示當前的加速度值和制動時間；輸出數(shù)據(jù)D／A轉(zhuǎn)換模塊將控制信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；另外還設置了數(shù)據(jù)保存模塊以及與上位機的通信模塊。核心的控制器算法采用非線性PID控制算法，控制參數(shù)由計算機優(yōu)化得出。主程序流程如圖8所示。
圖7 計算機機械制動系統(tǒng)的軟件設計框圖
圖8 計算機機械制動系統(tǒng)的主流程圖
6、結(jié)束語
本文對計算機控制的常導磁懸浮列車的機械制動系統(tǒng)在建模、硬件、軟件上進行了闡述，計算機制動控制改善了以往手動機械制動的不足，是磁懸浮機械制動的新突破。目前正處于研發(fā)階段，并將在我校自行研制的改進型磁懸浮列車上使用和考核性能，為今后常導磁懸浮列車的機械制動研究做了鋪墊。
參考文獻
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