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。