基于智能PWM控制的機車(chē)制動(dòng)控制單元的設計

1 引 言

隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展和人民生活水平的日益提高，鐵路的客、貨運量將越來(lái)越大，列車(chē)牽引重量與運行速度將不斷提高。高速客運及重載貨運列車(chē)的發(fā)展對列車(chē)制動(dòng)系統提出了更高更新的要求。

國外發(fā)達國家都是采用微機應用先進(jìn)控制理論實(shí)現對機車(chē)制動(dòng)氣缸的精確控制。而在我國機車(chē)上廣泛使用的DK-l和JZ-7型制動(dòng)機只能對機車(chē)實(shí)現一些簡(jiǎn)單的邏輯控制功能，不能實(shí)現對機車(chē)制動(dòng)缸和均衡風(fēng)缸的閉環(huán)控制，難以滿(mǎn)足機車(chē)制動(dòng)控制的需要。隨著(zhù)電子技術(shù)及微機控制技術(shù)應用的日漸成熟，有必要應用現代電子技術(shù)和先進(jìn)的控制理論，利用微機的強大功能實(shí)現對機車(chē)的精確制動(dòng)。 目前世界各國鐵路絕大多數仍采用空氣制動(dòng)，要實(shí)現對氣體壓力的控制，特別是小流量壓力控制，就應考慮明顯的非線(xiàn)性和不確定性。另外，負載的不確定性導致了整個(gè)系統模型的不確定，經(jīng)典的控制方法及依賴(lài)于具體數學(xué)模型的現代控制理論都難以實(shí)現系統控制的要求，在這種情況下，將智能控制方法和常規控制方法相結合有望取得更好的控制效果。

本文介紹了一種基于智能脈沖寬度調制(Pulse WidthModulation，PWM)控制的機車(chē)制動(dòng)控制單元的設計和實(shí)現方法。對制動(dòng)機氣缸的高速電控閥實(shí)王見(jiàn)PWM控制，也就是通過(guò)調節信號的占空比米實(shí)現對高速電控閥一定周期內開(kāi)閉時(shí)間的控制。

通過(guò)建立機車(chē)制動(dòng)機氣缸模糊控制規則，運用模糊推理來(lái)實(shí)現PID控制，從而實(shí)現了機車(chē)的精確制動(dòng)。這樣就有效解決了目前我國的DK-1和JZ-7型制動(dòng)機不能實(shí)現精確制動(dòng)的問(wèn)題，對提高我國機車(chē)的安全運行和信息化程度有著(zhù)極大的促進(jìn)作用。

2 系統硬件結構

機車(chē)制動(dòng)控制單元(Brake Control Unit，BCU)主要分為以下幾個(gè)部分：模擬量輸入、模擬量輸出、數字量輸入、數字量輸出、PWM輸出、微處理器部分以及與外圍部分的通信等，系統整體結構圖如圖1所示。

其中模擬量輸入部分主要是包括傳感器模擬信號預處理和A／D轉換，信號預處理主要是將從傳感器上獲得的4～20 mA電流信號轉換為A／D轉換所需要的電壓信號。通過(guò)處理，我們就可以得到氣缸壓力，A／D轉換的精度直接關(guān)系到氣缸壓力控制的精度。為了滿(mǎn)足控制的需要，在本系統中選用了16位的A／D轉換芯片，采樣實(shí)驗表明，采樣值偏差很小，在允許的誤差范圍內。

微機處理部分實(shí)際上包含了2個(gè)微處理器，一個(gè)是單片機，另外一個(gè)是PC104。他們實(shí)現不同的功能，他們之間通過(guò)雙口RAM實(shí)現高速數據通信。單片機主要是實(shí)現對模擬量A／D轉換控制、D／A轉換控制以及智能PWM控制等。由于PC104功能強大，能夠實(shí)現更強大的數據處理功能。PC104主要是將獲得的數字輸入量通過(guò)數據處理后輸出數字量。另外，通過(guò)PC104快速數據處理和軟件的強大功能還使制動(dòng)控制單元具有機車(chē)制動(dòng)機監控及故障檢測、診斷、顯示、告警、記錄、單機自動(dòng)測試等功能。在本系統中，實(shí)現對氣缸壓力的精確控制是由單片機來(lái)完成的，PC104通過(guò)對各種信號如模擬量、數字量等信號的處理得到需要氣缸所需要達到的壓力值，單片機通過(guò)雙口RAM得到壓力值，應用智能PWM控制實(shí)現對壓力的精確控制，這一部分將在下面章節進(jìn)行詳細介紹。

3 分段控制

為了實(shí)現對機車(chē)制動(dòng)機氣缸既能精確控制，又能夠快速達到目標值，我們對氣缸壓力實(shí)行分段控制。單片機有4路開(kāi)關(guān)量輸出，分別對應制動(dòng)缸的進(jìn)氣閥、放氣閥和均衡風(fēng)缸的進(jìn)氣閥、放氣閥，輸出1代表打開(kāi)閥門(mén)，0代表關(guān)閉閥門(mén)。我們以pt表示壓力目標值，pi表示當前氣缸壓力值，E表示偏差值。所以，有E=pi-pt。M1，M2表示壓力偏差的絕對值，其中M1>M2，M1表示在接近目標值的一個(gè)值，M2表示允許的最大誤差，分段控制規則如表1所示。

4 智能PWM控制

4.1 智能PID介紹

PID控制是較早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高而廣泛用于過(guò)程控制和運動(dòng)控制中，尤其適用于能建立精確數學(xué)模型的控制系統。但由于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往是非線(xiàn)性和時(shí)變不確定性的，難以建立精確的數學(xué)模型，因此常規PID控制器很難達到理想控制效果。

近年來(lái)，智能控制無(wú)論是理論上還是技術(shù)應用上均得到了長(cháng)足的發(fā)展，隨之不斷涌現將智能控制方法和常規PID控制方法融合在一起的新方法，形成了許多智能PID控制器。這些智能控制器不僅具備自學(xué)習、自適應、自組織的能力，而且還有常規PID控制器結構簡(jiǎn)單、魯棒性強、可靠性高、為現場(chǎng)工程設計人員所熟悉等特點(diǎn)。目前主要有4種智能PID控制：基于專(zhuān)家智能PID控制、基于模糊推理的PID控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的PID控制、基于遺傳算法的PID控制。

在本系統中，采用基于模糊推理的PID控制來(lái)實(shí)現對機車(chē)制動(dòng)氣缸壓力的精確控制?；谀：评淼腜ID控制就是運用Fuzzy Sets理論和方法將操作人員或者專(zhuān)家的整定經(jīng)驗和技術(shù)知識總結成為Fuzzy規則模型，形成微機的查詢(xún)表格及解析式，根據系統的實(shí)際響應情況，運用模糊推理來(lái)實(shí)現PID控制。在PID控制算法基礎上增加求采樣時(shí)刻的偏差E和偏差變化率Ec，參數的Fuzzy自校正思想是根據被控對象的響應在采樣時(shí)刻的E和Ec來(lái)確定kP，k1，kD三參數修正的方向和大小。其算法過(guò)程是利用對應的規則集將控制指標模糊化，然后利用他與知識庫中的模糊規則進(jìn)行匹配，如有規則被匹配，則執行該規則的結果部分，就可以得到相應的參數修正值。其結構圖如圖2所示。

4.2 模糊PID控制器設計

控制系統的PID算法是根據壓力目標值與實(shí)際值之差的比例值、積分值、微分值來(lái)確定控制量的大小。其算式為：

式中，e(t)，e(t-1)分別為第t次及第t-1次采樣偏差值；pout(t)為第t次的控制量輸出值；kP，kI，kD分別為比例系數、積分系數和微分系數。合適的kP，kI，kD參數直接關(guān)系到控制的精度。

根據模糊數學(xué)的理論和方法，將在現場(chǎng)獲得的調試經(jīng)驗和技術(shù)知識總結成為IF(條件)、THEN(結果)形式的模糊推理規則，并把這些模糊規則及相關(guān)信息(如初始的PID參數)存入計算機。根據檢測回路的響應情況，計算出采樣時(shí)刻的偏差E和變化率Ec，運用模糊推理，進(jìn)行模糊運算，即可得到該時(shí)刻的kP，kI，kD，實(shí)現對PID參數的最佳調整。

Fuzzy-PID就是根據現場(chǎng)調試得到在PID參數預整定值k′P，k′I，k′D，再利用模糊規則實(shí)時(shí)在線(xiàn)整定PID控制器的三個(gè)修正參數△kP，△kI和△kD，實(shí)現對壓力的優(yōu)化控制。模糊控制器的輸入、輸出變量都是精確量，模糊推理是針對模糊量進(jìn)行的，因此控制器首先要對輸入量進(jìn)行模糊化處理。在所設計的Fuzzy-PID控制器中，輸入、輸出變量的語(yǔ)言值均分為7個(gè)語(yǔ)言值：{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，他們分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。隸屬度函數采用靈敏性強的三角函數，如圖3所示。

偏差E的基本論域為[-5 kPa，+5 kPa]，偏差變化率Ec的基本論域為[-0.5，+0.5]，△kP的基本論域為[-1，1]；△kI的基本論域為[-0.002，0.002]；△kD的基本論域為[-1，1]。以上各變量的模糊量分別為E，Ec，△kP，△kI和△kD，其論域均為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。輸入量E，Ec的量化因子為：ke=1.2，kec=12。

總結工程設計人員的技術(shù)知識和實(shí)際操作經(jīng)驗，得到了針對kP，kI，kD三個(gè)參數分別整定的模糊控制表，見(jiàn)表2、表3和表4。

在本系統中，根據偏差E和偏差變化率Ec，取得相應的語(yǔ)言值，根據表1～表3的整定規則表，經(jīng)過(guò)公式法模糊決策，分別得到3個(gè)修正參數△kP，△kI，△kD的模糊量，然后△kP，△kI，△kD要進(jìn)行去模糊化取得精確量，去模糊化有幾種方法，一般用重心法比較合適，由公式可得：



其中u為模糊判決后的輸出量，uN(xi)為隸屬度函數，xi為論域中的元素。
然后由此得到各修正參數：

其中ku為輸出量的比例因子：



經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，可以得到模糊控制器的3個(gè)參數：



5 軟件實(shí)現

在系統控制電路中，單片機選用ATMEL公司的AT89C55，程序選用C51進(jìn)行編寫(xiě)。本系統主要模塊有主程序、T0中斷子程序、模糊PID算法子程序等。主程序流程如圖4所示，模糊PID算法的程序流程如圖5所示。

主程序進(jìn)行一系列的初始化后循環(huán)等待中斷；T0產(chǎn)生2 ms定時(shí)中斷，T0中斷服務(wù)子程序對中斷次數計數，每50次中斷(100 ms)為一個(gè)控制周期，每一個(gè)控制周期讀入當前氣缸壓力采樣值，調用模糊PID子程序對氣缸壓力進(jìn)行精確控制。

6 結 語(yǔ)

基于智能PWM控制的制動(dòng)控制單元具有以下特點(diǎn)：

(1) 系統充分利用了單片機和PC104的軟硬件，系統結構簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾能力強。

(2) 系統通過(guò)模糊PID算法由單片機產(chǎn)生PWM信號實(shí)現對機車(chē)制動(dòng)缸和均衡風(fēng)缸的壓力控制，系統調壓范圍廣，動(dòng)、靜態(tài)性能好、控制精度高、自適應能力強。

通過(guò)在株洲電力機車(chē)廠(chǎng)對制動(dòng)機的調試表明，基于智能PWM控制的制動(dòng)控制單元對機車(chē)制動(dòng)機制動(dòng)缸和均衡風(fēng)缸的控制精度可達到0.5 kPa，可以滿(mǎn)足電力機車(chē)制動(dòng)控制的需要。