智能PWM控制的機(jī)車制動(dòng)控制單元的設(shè)計(jì)

1 引 言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展和人民生活水平的日益提高，鐵路的客、貨運(yùn)量將越來越大，列車牽引重量與運(yùn)行速度將不斷提高。高速客運(yùn)及重載貨運(yùn)列車的發(fā)展對(duì)列車制動(dòng)系統(tǒng)提出了更高更新的要求。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家都是采用微機(jī)應(yīng)用先進(jìn)控制理論實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車制動(dòng)氣缸的精確控制。而在我國(guó)機(jī)車上廣泛使用的DK-l和JZ-7型制動(dòng)機(jī)只能對(duì)機(jī)車實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的邏輯控制功能，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車制動(dòng)缸和均衡風(fēng)缸的閉環(huán)控制，難以滿足機(jī)車制動(dòng)控制的需要。隨著電子技術(shù)及微機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的日漸成熟，有必要應(yīng)用現(xiàn)代電子技術(shù)和先進(jìn)的控制理論，利用微機(jī)的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車的精確制動(dòng)。 目前世界各國(guó)鐵路絕大多數(shù)仍采用空氣制動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體壓力的控制，特別是小流量壓力控制，就應(yīng)考慮明顯的非線性和不確定性。另外，負(fù)載的不確定性導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)模型的不確定，經(jīng)典的控制方法及依賴于具體數(shù)學(xué)模型的現(xiàn)代控制理論都難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的要求，在這種情況下，將智能控制方法和常規(guī)控制方法相結(jié)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(diào)制(Pulse WidthModulation，PWM)控制的機(jī)車制動(dòng)控制單元的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)制動(dòng)機(jī)氣缸的高速電控閥實(shí)王見PWM控制，也就是通過調(diào)節(jié)信號(hào)的占空比米實(shí)現(xiàn)對(duì)高速電控閥一定周期內(nèi)開閉時(shí)間的控制。

通過建立機(jī)車制動(dòng)機(jī)氣缸模糊控制規(guī)則，運(yùn)用模糊推理來實(shí)現(xiàn)PID控制，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)車的精確制動(dòng)。這樣就有效解決了目前我國(guó)的DK-1和JZ-7型制動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)精確制動(dòng)的問題，對(duì)提高我國(guó)機(jī)車的安全運(yùn)行和信息化程度有著極大的促進(jìn)作用。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

機(jī)車制動(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(shù)字量輸入、數(shù)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)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(hào)預(yù)處理和A／D轉(zhuǎn)換，信號(hào)預(yù)處理主要是將從傳感器上獲得的4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為A／D轉(zhuǎn)換所需要的電壓信號(hào)。通過處理，我們就可以得到氣缸壓力，A／D轉(zhuǎn)換的精度直接關(guān)系到氣缸壓力控制的精度。為了滿足控制的需要，在本系統(tǒng)中選用了16位的A／D轉(zhuǎn)換芯片，采樣實(shí)驗(yàn)表明，采樣值偏差很小，在允許的誤差范圍內(nèi)。

微機(jī)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(jī)，另外一個(gè)是PC104。他們實(shí)現(xiàn)不同的功能，他們之間通過雙口RAM實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。單片機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量A／D轉(zhuǎn)換控制、D／A轉(zhuǎn)換控制以及智能PWM控制等。由于PC104功能強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。PC104主要是將獲得的數(shù)字輸入量通過數(shù)據(jù)處理后輸出數(shù)字量。另外，通過PC104快速數(shù)據(jù)處理和軟件的強(qiáng)大功能還使制動(dòng)控制單元具有機(jī)車制動(dòng)機(jī)監(jiān)控及故障檢測(cè)、診斷、顯示、告警、記錄、單機(jī)自動(dòng)測(cè)試等功能。在本系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸壓力的精確控制是由單片機(jī)來完成的，PC104通過對(duì)各種信號(hào)如模擬量、數(shù)字量等信號(hào)的處理得到需要?dú)飧姿枰_(dá)到的壓力值，單片機(jī)通過雙口RAM得到壓力值，應(yīng)用智能PWM控制實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的精確控制，這一部分將在下面章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3 分段控制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車制動(dòng)機(jī)氣缸既能精確控制，又能夠快速達(dá)到目標(biāo)值，我們對(duì)氣缸壓力實(shí)行分段控制。單片機(jī)有4路開關(guān)量輸出，分別對(duì)應(yīng)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代表打開閥門，0代表關(guān)閉閥門。我們以pt表示壓力目標(biāo)值，pi表示當(dāng)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(duì)值，其中M1>M2，M1表示在接近目標(biāo)值的一個(gè)值，M2表示允許的最大誤差，分段控制規(guī)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程控制和運(yùn)動(dòng)控制中，尤其適用于能建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)。但由于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程往往是非線性和時(shí)變不確定性的，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此常規(guī)PID控制器很難達(dá)到理想控制效果。