懸浮列車機(jī)械制動(dòng)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

1、1 機(jī)械制動(dòng)的制動(dòng)原理目前的改進(jìn)型常導(dǎo)中低速磁懸浮列車的機(jī)械制動(dòng)采用了氣一液制動(dòng)方式，為了減小制動(dòng)器的體積，制動(dòng)的工作介質(zhì)采用液壓油。機(jī)械制動(dòng)氣路結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖1-1 磁懸浮列車機(jī)械制動(dòng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)由比例閥、氣液轉(zhuǎn)換器、制動(dòng)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)在左右。車輛的氣液轉(zhuǎn)換器的最大增量氣壓設(shè)置為，最大油壓可以工作在10MPa左右，因此我們選用轉(zhuǎn)換比為125的氣液轉(zhuǎn)換器。當(dāng)控制電流為420mA時(shí)，輸出氣壓在0變化，制動(dòng)器的制動(dòng)油壓相應(yīng)在010MPa之間變化，每臺(tái)制動(dòng)器的制動(dòng)臂產(chǎn)生09000N的夾持力。如果摩擦片的磨擦系數(shù)在左右時(shí)，單臺(tái)制動(dòng)器的制動(dòng)力可

2、以大于2500N。由于每輛車有16臺(tái)制動(dòng)器，共可產(chǎn)生大于40000N的制動(dòng)力，在磁浮車處于額定載重條件下（總重30t時(shí)），僅機(jī)械制動(dòng)即可產(chǎn)生大于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(dòng)的情況下，仍然能夠完成制動(dòng)目的，在比例氣壓調(diào)節(jié)閥側(cè)還并聯(lián)了一個(gè)開(kāi)關(guān)型電磁閥，作為應(yīng)急控制之用。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)比例閥的電流就可以改變制動(dòng)器的制動(dòng)力，從而得到制動(dòng)減速度。采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)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(lái)控制車輛的制動(dòng)運(yùn)行。2 制動(dòng)系統(tǒng)的建模自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的特性一般是給定的，如機(jī)械、氣動(dòng)、電動(dòng)、液壓等設(shè)備。在設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，采用加入一個(gè)專門(mén)用來(lái)校正

3、(補(bǔ)償)系統(tǒng)特性的環(huán)節(jié)(校正環(huán)節(jié))，來(lái)改變系統(tǒng)特性，使其符合給定的特性要求。實(shí)現(xiàn)該環(huán)節(jié)的裝置，稱為校正裝置或調(diào)節(jié)器。設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是校正裝置的設(shè)計(jì)。由于該系統(tǒng)一般達(dá)不到控制的要求，因而自動(dòng)控制系統(tǒng)均采用閉環(huán)(反饋)控制方法要實(shí)現(xiàn)機(jī)械制動(dòng)的控制，首先要對(duì)機(jī)械制動(dòng)的各個(gè)部件進(jìn)行建模。制動(dòng)器總成的油壓建立通過(guò)了管道，并有一定阻力，另外，制動(dòng)器還有運(yùn)動(dòng)空行程，因此制動(dòng)力的產(chǎn)生有一定的延遲時(shí)間，機(jī)械制動(dòng)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(guò)改變比例閥的控制電流來(lái)改變制動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)控制部件的輸出，測(cè)得各部件的特性曲線。當(dāng)比例閥的輸入電流階躍變化時(shí)，實(shí)驗(yàn)得出系

4、統(tǒng)的階躍響應(yīng)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2-1為磁懸浮列車機(jī)械制動(dòng)控制部件的特性曲線圖。當(dāng)比例閥的調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)到時(shí)，制動(dòng)器夾住，當(dāng)調(diào)節(jié)電流在變化時(shí)，氣壓傳感器和油壓傳感器的輸出電流都呈線性變化，輸出氣壓在變化，輸出油壓在110MPa變化。當(dāng)比例閥的輸出電流下調(diào)時(shí)，氣壓有一定的回環(huán)。圖2-1 磁懸浮列車機(jī)械制動(dòng)控制部件的特性曲線 圖2-2和圖2-3分別為比例閥和氣液轉(zhuǎn)換器的階躍響應(yīng)曲線。圖2-2 比例閥的階躍響應(yīng)曲線 圖2-3 氣液轉(zhuǎn)換器的階躍響應(yīng)曲線 通過(guò)辨識(shí)，可得到各部件的數(shù)學(xué)模型如下： 比例閥的模型為： 氣液轉(zhuǎn)換器的模型為： 制動(dòng)轉(zhuǎn)換器的模型為：

5、 式中，K1，K2，K3，T1，T2，1，2等可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)分析求得磁懸浮列車有16臺(tái)制動(dòng)器總成，安裝夾持力傳感器在實(shí)際中不好實(shí)現(xiàn)。但是，當(dāng)實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓調(diào)節(jié)作用時(shí)，實(shí)際上就間接地控制了制動(dòng)油壓和制動(dòng)器的夾持力，該過(guò)程忽略了管線、制動(dòng)器部件運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力，因此設(shè)計(jì)氣壓校正網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾持力閉環(huán)控制，誠(chéng)然，只使用夾持力閉環(huán)控制時(shí)，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(dòng)效果不同，制動(dòng)的效果與駕駛員的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。采用減速度閉環(huán)控制時(shí)，駕駛員可以通過(guò)制動(dòng)手柄，控制不同的減速度，駕駛員對(duì)制動(dòng)手柄的控制是以減速度給定值不大于s2為上限的，因此設(shè)計(jì)了氣壓和減速度為反饋量的雙閉環(huán)控制系

6、統(tǒng)。其反饋控制框圖如圖2-4所示。氣壓校正網(wǎng)絡(luò)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(luò)W1（s）則用于控制減速度，使減速度不至于過(guò)大，并可以從0s2之間進(jìn)行線性操作。圖2-4 機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)反饋控制框圖3 比例微積分控制原理和比例運(yùn)算電路3.1 比例微積分控制原理3 比例積分調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器具有辨誤差，為解決此問(wèn)題，可引入積分環(huán)節(jié)，比例微分調(diào)節(jié)器對(duì)誤差的任何變化，都產(chǎn)生一個(gè)控制作用比，阻止誤差的變化。e變化越快，pd越大，輸出校正量也越大。它有助于減少超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；同時(shí)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。它的缺點(diǎn)是抗干擾能力變差。3.

7、1.2PID調(diào)節(jié)器積分器的消除容差，提高精度，但使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢、穩(wěn)定性變差。微分器能增加穩(wěn)定性，加快響應(yīng)速度。比例器為基本環(huán)節(jié)。三者合用，選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制。微分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié) 圖3-1 為PID調(diào)節(jié)器的方塊圖。積分控制電路及輸入輸出波形 其傳遞函數(shù)為：Gs=1/s圖3-2積分控制電路3-3輸入波形 圖3-4輸出波形微分控制電路及輸入輸出波形 其傳遞函數(shù)為：Gs=s圖3-5微分控制電路圖3-6輸入波形圖3-7輸出波形3.2比例運(yùn)算電路3反相比例器如圖3-8 所示： _ + 圖3-8 反相比例器輸入電壓ui經(jīng)電阻R1加到集成運(yùn)的反相輸入端，其同相輸入端經(jīng)電阻接地。輸出電

8、壓uo經(jīng)RF接回到反相輸入端。集成運(yùn)放的反相輸入端和同相輸入端，實(shí)際上是運(yùn)放內(nèi)部輸入級(jí)兩個(gè)差分對(duì)管基極。為使差動(dòng)放大電路的參數(shù)保對(duì)稱，應(yīng)使兩個(gè)差分對(duì)管基極對(duì)地的電阻盡量一致，以免靜態(tài)基流流過(guò)這兩個(gè)電阻時(shí)，在運(yùn)放輸入端產(chǎn)生附加的偏差電壓。因此，通常選擇R2的阻值為R2=R1/RF經(jīng)過(guò)分析可知，反相比例運(yùn)算電路中反饋的組態(tài)是電壓并聯(lián)負(fù)反饋。由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模增益很高，因此容易滿足深負(fù)反饋的條件，故可以認(rèn)為集成運(yùn)放工作在線性區(qū)。因此，可以利用理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)來(lái)分析相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)。在圖中，由于“虛短”故i+=0,即R2上沒(méi)有壓降，則u-=u+=0上式說(shuō)明

9、在反相比例運(yùn)算電路中，集成運(yùn)放的反相輸入端與同相輸入法端兩點(diǎn)的電位不僅相等，而且均等于零，如同該兩點(diǎn)接地一樣，這種現(xiàn)象稱為“虛地”。“虛地”是反相比例運(yùn)算電路的一個(gè)重要特點(diǎn)。由于i-=0,則由圖可見(jiàn)i1=iy即（ui-u_）/R1=(u_-uo)/RF上式中u_=0，由此可求得反相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為Auf=uo/ui=-（RF/R1）下面分析反相比例運(yùn)算電路的輸入電阻。因?yàn)榉聪噍斎攵恕疤摰亍?，顯而易見(jiàn)，電路的輸入電阻為Rif=R1綜合以上分析，對(duì)反相比例運(yùn)算電路可以歸納得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：1.反相比例運(yùn)算電路實(shí)際上是一個(gè)深度的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。在理想情況下，反相輸入端的電位等于零，稱

10、為“虛地”。因此加在集成運(yùn)放輸入端的共模輸入電壓很小。2.電壓放大倍數(shù)Auf=-RF/R1，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，但相位相反。也就是說(shuō)，電路實(shí)現(xiàn)了反相比例運(yùn)算。比值A(chǔ)uf決定于電阻RF和R1之比，而與集成運(yùn)放內(nèi)部各項(xiàng)參數(shù)無(wú)關(guān)。只要RF和R1的阻值比較準(zhǔn)確而穩(wěn)定，就可以得到準(zhǔn)確的比例運(yùn)算關(guān)系。比值A(chǔ)uf可以大于1，也可以小于1。當(dāng)RF=R1時(shí)，Auf=-1，稱為單位增益倒相器。3.由于引入了深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋，因此電路的輸入電阻不高，輸出電阻很低。3同相比例運(yùn)算電路在圖3-9中，輸入電壓uI接至同相輸入端，但是為保證引入的是負(fù)反饋，輸也電壓uO通過(guò)電阻RF仍接到反相輸入端，同時(shí)，反相

11、輸入端通過(guò)電阻RI接地。為了使集成運(yùn)入反相輸入端和同相輸入端對(duì)地的電阻一致，R2的阻值仍應(yīng)為R2=R1RF圖3-9 同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，同樣可以利用理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來(lái)分析其電壓放大倍數(shù)。在上圖中，根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知，I-=I+=0,故u-=R1/(R1+RF)uo而且u-=u+=uI由以上二式可得R1uo/(R1+RF)=uI則同相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為Auf=uo/ui=1+RF/R1由于引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此能夠提高輸入電阻，而且提高的程度與反饋饋深度有關(guān)。在理想運(yùn)放條件下，即認(rèn)為Aod,Rid,則同相比例運(yùn)

12、算電路的輸入電阻Rif.當(dāng)考慮Aod,Rid的一般情況時(shí)，經(jīng)過(guò)分析可知，同相比例運(yùn)算電路的輸入電阻為Rif=(1+AodF)Rid式中Aod和Rid分別是集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模電壓增益和差模輸入電阻，F(xiàn)是反饋系數(shù)，在本電路中F=uF/uo=R1/(R1+RF)由上式可知，同相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)總是大于或等于1。當(dāng)RF=0或R1=時(shí)，Auf=1。u+=uIu-=uO由于“虛短”，即u-=u+，故uo=uI則電壓放大倍數(shù)為Auf=uo/uI=1由于這種電路的輸出電壓與輸入電壓不僅幅值相等，而且相位也相同，二者之間是一種“跟隨”關(guān)系，所以又稱為電壓跟隨器。綜上所述，對(duì)同相比例運(yùn)算電路可以得到以下

13、幾點(diǎn)結(jié)論：1.同相比例運(yùn)算放大電路是一個(gè)深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。因?yàn)閡-=u+=uI,所不存在“虛地”現(xiàn)象，在選用集成運(yùn)放時(shí)要考慮到其輸入端可能具有較高的共模輸入電壓。2.電壓放大倍數(shù)Auf=1+RF/R1,即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同。也就是說(shuō)，電路實(shí)現(xiàn)了同相比例運(yùn)算。Auf也只能取決于電阻RF和R1之比，而與集成運(yùn)放的內(nèi)部參數(shù)無(wú)關(guān)，所以比例運(yùn)算的精度和穩(wěn)定性主要取決于電阻RF和R1這精確度和穩(wěn)定度。一般情況下，Auf值恒大于1。當(dāng)RF=0或R1=時(shí)，Auf=1,這種電路稱為電壓跟隨器。3由于引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此電路的輸入電阻很高，輸出電阻很低。 4 計(jì)算機(jī)控制的

14、機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)主要由傳感器（加速度、氣壓）、AD轉(zhuǎn)換卡、開(kāi)關(guān)量輸入卡、DA轉(zhuǎn)換卡、工控機(jī)（包括控制程序）等組成。如圖6所示，被控對(duì)象是列車的減速度，當(dāng)制動(dòng)時(shí)，由加速度傳感器測(cè)量制動(dòng)減速度的值，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，送入工控機(jī)。工控機(jī)對(duì)測(cè)量的減速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，并和制動(dòng)手柄給定的減速度信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)減速度控制器W1（s）（由軟件實(shí)現(xiàn)）計(jì)算出減速度控制信號(hào)，與氣壓傳感器采集的氣壓反饋信號(hào)比較，獲得誤差信號(hào)，再通過(guò)氣壓控制器W2（s）（由軟件實(shí)現(xiàn)）得到氣壓控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)比例閥控制氣壓從而改變制動(dòng)力的大小，最終達(dá)到所希望的減速度。另外，機(jī)械制動(dòng)器的安裝位置比較緊

15、湊，對(duì)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(dá)到極限并處于夾持狀態(tài)時(shí)，可以用埋線被短路的條件獲得電信號(hào)。因此，可以對(duì)剎車片的狀況進(jìn)行在線檢測(cè)。本系統(tǒng)中，工控機(jī)采用研華公司的IPC610H，而開(kāi)關(guān)量輸入卡、AD轉(zhuǎn)換卡、DA轉(zhuǎn)換卡分別采用康拓公司的系列板卡，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖4-1。圖4-1計(jì)算機(jī)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)框圖5 機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用基于windows平臺(tái)的可視化軟件Visual C作為開(kāi)發(fā)工具，本著模塊化軟件設(shè)計(jì)思想，把系統(tǒng)劃分為幾個(gè)模塊，并設(shè)置各個(gè)模塊之間的接口，根據(jù)要求，將磁懸浮機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)分為：參數(shù)設(shè)置模塊、輸入數(shù)據(jù)采集和AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字濾波模塊、控制

16、器算法模塊、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊、輸出數(shù)據(jù)DA轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、與上位機(jī)的通信模塊等。如圖7所示。參數(shù)設(shè)置模塊主要是一些輸入輸出板卡的設(shè)置等；數(shù)據(jù)采集和AD轉(zhuǎn)換模塊主要是實(shí)現(xiàn)制動(dòng)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(cè)量信號(hào)中的干擾和噪聲，設(shè)置了數(shù)字濾波模塊，通過(guò)軟件濾波減少干擾；另外還設(shè)置了數(shù)據(jù)處理和顯示模塊，用來(lái)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的加速度值和制動(dòng)時(shí)間；輸出數(shù)據(jù)DA轉(zhuǎn)換模塊將控制信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；另外還設(shè)置了數(shù)據(jù)保存模塊以及與上位機(jī)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(jì)算機(jī)優(yōu)化得出。主程序流程如圖5-1所示。圖5-1 計(jì)算機(jī)機(jī)

17、械制動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框圖圖5-2 計(jì)算機(jī)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的主流程圖6 結(jié)論本文利用工控機(jī)、數(shù)控、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)，對(duì)常導(dǎo)中低速磁懸浮列車的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械制動(dòng)。整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)由機(jī)械制動(dòng)裝置、工控機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集卡、開(kāi)關(guān)量輸入板、開(kāi)關(guān)量輸出板等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)常導(dǎo)中低速磁懸浮列車機(jī)械制動(dòng)的自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)。本文對(duì)計(jì)算機(jī)控制的常導(dǎo)磁懸浮列車的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)在建模、硬件、軟件上進(jìn)行了闡述，計(jì)算機(jī)制動(dòng)控制改善了以往手動(dòng)機(jī)械制動(dòng)的不足，是磁懸浮機(jī)械制動(dòng)的新突破。同時(shí)，該電路也具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，通過(guò)其它電路也同樣能實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能，所以，實(shí)現(xiàn)該電路控制系統(tǒng)不是唯一的。 7 設(shè)計(jì)體會(huì)通過(guò)本次設(shè)計(jì)，讓我懂得磁懸浮列車機(jī)械制動(dòng)的基本原理，自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理與分析，自動(dòng)控制系統(tǒng)是通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)器、PID調(diào)節(jié)器、反相比例運(yùn)算電路、傳感器以及模擬/數(shù)字和數(shù)字模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器的工作原理來(lái)對(duì)本系統(tǒng)加以控制。同時(shí)，該電路也具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，通過(guò)其它電路也同樣能實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能，所以，實(shí)現(xiàn)該電路控制系統(tǒng)不是唯一的。通過(guò)本次設(shè)計(jì)讓我學(xué)習(xí)