基于模糊控制的轨道交通车辆液压制动防滑策略研究*

2019-08-19 00:40杨东晨樊贵新齐政亮赵春光

城市轨道交通研究 2019年7期

杨东晨樊贵新齐政亮赵春光

(1. 中国铁道科学研究院集团有限公司研究生部，100081，北京；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，100081，北京//第一作者，硕士研究生)

用于轨道交通车辆的液压制动系统具有结构紧凑、质量低、效率高、响应特性好、工作压力高等特点[1]。目前多用在低地板有轨电车等对转向架空间和质量有严格要求的轨道车辆上。有轨电车多在城市露天环境运行，轮轨粘着条件复杂，且对减速度要求较高，较易发生滑行。一旦有轨电车发生滑行，不仅易造成车轮擦伤，而且会大大延长制动距离，危及行车安全，因此对有轨电车的防滑控制进行研究是十分必要的。

防滑控制是轨道交通制动控制的关键核心技术之一，其难点在于轮轨粘着是非线性时变，模型复杂，较难确立。目前的防滑控制主要依靠专家基于大量试验数据分析得出的控制策略和参数[2]。与传统控制方法相比，模糊控制是基于专家控制经验的控制方法，模糊控制对于非线性、时变、模型不完全系统的控制具有较佳的鲁棒性和适应性，适合于轮轨车辆的防滑控制。

1 轨道交通液压制动控制系统

1. 1 液压制动控制系统工作原理和组成

液压制动使用液压油作为压力介质，采用小功率直流电机驱动液压泵使液压油升压，通过电气单元控制液压阀，根据不同的制动力需求调节输出压力。

液压制动系统主要由电气控制单元、液压控制单元、基础制动装置组成，如图1所示。电气控制单元采集来自列车控制单元的制动指令，根据不同的制动指令，控制电机和液压阀。液压控制单元集成了电机、液压泵和液压阀，负责压力的建立、卸载和调节，实现电-液转换，是液压制动系统的关键部分。基础制动装置将液压力转换为夹钳夹紧力，使列车减速或停车。

图1 液压制动系统组成

1. 2 液压控制单元结构与工作原理

液压控制单元是整个液压制动系统的关键，主要由升压部分、调压部分组成，起着电-液转换的作用。如图2所示，虚线以左是升压部分，虚线以右是调压部分。电机通过带动齿轮泵建立液压力，高压油经过过滤器和单向阀被输送到储能器储存。当压力达到上限值时，电机停止运转；当压力达到下限时，电机开始运转，从而保持高压油维持在一定的压力范围内。通过控制比例阀电流可精准调节输出压力的大小。液压控制单元不需要额外的防滑阀结构，其常用制动功能和防滑控制功能的调压过程，都是通过直接控制比例阀完成的。

图2 液压控制单元结构与工作原理

2 滑行发生原因及防滑控制原理

2. 1 滑行发生原因及危害

当车轮在钢轨上运动时，车轮的轮缘速度要略大于车轮在钢轨上运动速度。车轮在钢轨上的运动，既不是完全的滚动也不是完全的滑动，而是介于滚动和滑动之间的状态。轮轨之间的状态，是存在微量滑动的，这些微量滑动将牵引力或制动力从车轮传递到轨道，从而使列车牵引或制动。力的传递有一个极限，极限的大小取决于车辆载重和轮轨表面状态。车辆载重越大，粘着力越大；轮轨表面状态越差，粘着力越小[3]。

制动施加时，制动缸压力上升，夹钳夹紧力增加，夹紧力作用在车轮上；车轮相对于钢轨有减速的趋势，减速的车轮将夹紧力传递到轨道上，列车逐渐减速或停车，粘着得到有效利用。当施加的夹紧力过大，超过轮轨间最大的可传递力时，过大的夹紧力无法完全传递到轨道，车轮在过剩夹紧力的作用下会急剧减速，从而发生滑行甚至抱死。

滑行或者抱死发生时，往往会导致车轮擦伤。车轮擦伤后的失圆因素会导致强烈的震动，对车轴和轴承等都会造成严重损伤，大大减小相关部件寿命，影响行车安全。

2. 2 滑行判定方法及控制策略选择

判定列车是否出现滑行的依据一般有滑移率、单轴速度与假想轴速度差，以及单轴减速度、轮减速度变化率等。假想轴速度一般取每列车4个轴中最大的速度。针对目前应用现状来看，配备液压制动系统的低地板车有轨电车在常用制动时，带有车轴的动车转向架施加电制动，液压制动主要使用在独立轮结构的拖车转向架上，所以采用拖车转向架上4个独立轮的速度差(ve)、单轮减速度(aec)和轮减速度变化率(aecc)作为防滑控制的输入量。

与空气制动控制装置相比，液压控制单元没有独立的防滑阀结构，其电磁比例阀既用来调节常用制动压力输出大小，也用来控制滑行时的制动压力大小[5]。液压控制单元改变比例阀驱动电流大小，直接控制制动压力，压力变化速度快，稳定时间短，具有良好的响应特性，所以提出压力系数Y作为其滑行控制的输出量(压力系数=防滑控制压力值/原制动压力值)，其取值范围为(0，1)。

目前空气制动常用的防滑控制策略是：当某一轴轴速低于假想轴速度一定范围或减速度大于一定值时，防滑信号激活。通过防滑阀的不断动作，使制动缸充排风或保压；通过不间断地检测4个轴速度，来控制车轮滑移率，进而达到防滑的目的。

对于液压制动系统，当发生滑行时，将比例阀输出压力根据压力系数缩小，进行防滑控制。速度传感器实时采集单轮速度，并计算出减速度和减速度变化率，结合模糊控制逻辑，实时计算压力系数。根据试验测出制动系统的滞后时间，并据此来确定制动压力的控制时间间隔，以此进行滑行控制。

3 用于防滑控制的模糊控制器设计

防滑控制器主要由输入激励、模糊控制器、输出响应组成[6]。其中输入量为轮速度差、轮减速度和轮减速度微分，输出量为制动压力系数。模糊控制器是一个三输入单输出的三维单变量模糊控制器。防滑控制器的控制流程图如图3所示。

图3 防滑控制器的控制流程图

3. 1 输入输出量模糊化

速度传感器实时采集4个轮速，电气控制单元进一步处理为轮速度差、轮减速度和轮减速度微分，作为模糊控制器的输入量。轮速度差表征当前滑行程度，轮减速度表征当前是处于滑行还是恢复状态，轮减速度微分表征当前滑行或恢复程度的快慢。将压力缩小系数作为输出值，将输入输出值模糊化，并确定其隶属度函数。隶属度函数是论域在该模糊等级中程度的表征，论域U中的任意元素x，都有一个数A(x)∈[0,1]与之对应。当x在U中变动时，A(x)就是一个函数，称为A的隶属度函数。当A(x)越接近1时，x属于A的程度越高；当x越接近0时，x属于A的程度越低。

根据实际速度差(ve)的输入[vmin,vmax]，将速度差在论域[0,4]进行尺度变换；确定3个量化等级，对应3个模糊分割空间S(小)、M(中)和L(大)。当速度差处于S(小)空间时，认为速度差小，不进行防滑控制；当速度差处于M(中)空间时，认为速度差适中，列车处于滑行临界点或已有小范围滑行，需进行小程度的防滑控制；当速度差处于L(大)空间时，认为车轮速度差大，列车处于滑行状态，需进行大程度的防滑控制。因为该论域是连续的，所以采用隶属度函数的方法描述，以提高论域精度。当速度小于论域中点2时，认为列车车轮速度差绝对小，故使用梯形隶属函数和三角形隶属度函数结合设计速度差隶属度函数，如图4所示。

根据减速度(aec)的实际输入范围，确定减速度输入量论域范围均为[-4,4]；确定3个量化等级，对应3个模糊分割空间N(负)、Z(零)和P(正)。论域以0为中心，当论域处在“负”模糊空间时，认为列车单轮减速度过大，处在滑行状态，需要减小输出压力，进行滑行控制；当减速度处于“零”模糊空间时，认为列车减速度满足制动需求，不需进行防滑控制；当论域在“正”范围内时，认为车轮速度处在恢复状态，可以升高压力缩小系数。因为该论域是连续的，所以采用隶属度函数的方法描述。本文使用三角形隶属度函数和梯形隶属度函数相结合方式对加速度隶属度函数进行描述，以提高论域精度。减速度隶属度函数如图5所示。

图4 速度差隶属度函数

图5 减速度隶属度函数

根据减速度变化率(aecc)的实际输入范围，确定减速度输入量论域范围均为[-4,4]；确定3个量化等级，对应3个模糊分割空间N(负)、Z(零)和P(正)。论域以0为中心，当论域处在“负”模糊空间时，认为列车单轮减速度正在变大，处在滑行加深状态，需要减小输出压力，进行滑行控制；当减速度变化率处于“零”模糊空间时，认为列车减速度变化较小，滑行程度不再加深；当论域在“正”范围内时，认为车轮减速度在减小，滑行程度处在减小状态。因为该论域是连续的，所以采用隶属度函数的方法描述。本文使用三角形隶属度和梯形隶属度函数相结合方式对减速度变化率隶属度函数进行描述，以提高论域精度。减速度微分隶属度函数如图6所示。

图6 减速度微分隶属度函数

模糊控制器的输出量为压力系数(Y)，考虑到比例阀调压具有一定时滞的特性，将压力系数下限设置为0.4。将压力缩小系数论域范围设为[0.4,1]，分为5个量化等级。对应7个模糊分割空间VS(很小)、S(小)、M(中)、L(大)和VL(很大)。因为该论域是连续的，所以采用隶属度函数的方法描述。本文使用三角形隶属度函数的方法描述，以提高论域精度。压力缩小系数隶属度函数如图7所示。

图7 压力缩小系数隶属度函数

3. 2 建立模糊规则

模糊控制器规则库依据列车滑行和恢复状态设计。大致分为如下几个过程：

1) 车轴刚出现滑行时，速度差小，减速度处在“零”模糊空间，减速度变化率处在“负”模糊空间，滑行即将加深。

2) 车轴滑行程度增大，速度差小，减速度处在“负”的模糊空间，减速度变化率处在“负”模糊空间。列车滑行程度加深，检测到滑行。

3) 进行滑行控制，制动缸压力减小，减速度变化率处在“零”模糊空间，滑行趋势不再扩大，减速度变为负最大值，速度差进一步增大。

4) 制动缸压力继续减小，减速度变化率处在“正”模糊空间，减速度回升至零，速度差达到极大值，滑行不再扩大。

5) 滑行轴减速度上升，速度差缩小，滑行轴速度上升，滑行减小。

6) 滑行轴速度继续上升至参考轴速度，恢复粘着。

建立原则是：速度差大，当减速度为负、减速度变化率为负时，滑行程度大，滑行趋势加深，压力需降低至很小值，故压力系数很小；速度差小，当减速度为零时，滑行程度很小，粘着恢复，压力需恢复至较大值，故压力系数较大。

模糊控制器为三维输入模糊控制器，每个输入划分为3个模糊空间。所以建立27条模糊规则。通常格式为if…then…形式，其代表着输入与输出之间的关系。

根据以上原则确定模糊规则表，如表1所示。

3. 3 控制量的解模糊过程

根据车轮的速度差、减速度和减速度变化率进行模糊推理后得到的结果为压力系数的模糊集。通过解模糊过程，确定精确的压力输出系数。采用中心平均法解模糊，这种方法计算简便、直观合理、连续性强。

输出值压力系数可由如下公式确定：

(1)

式中：

m——对应隶属度规则数量；

y——输入隶属度量化等级；

w——该量化等级下对应的隶属度。

具体求解过程如下：

设：输入速度差为2.5(根据实际值的尺缩变换得出)，减速度为-2.5，减速度变化率为-1.5。

当输入速度差为2.5时，仅属于“小”和“中”两个模糊空间，根据隶属度函数计算，属于“小”的程度y是0.5，属于“中”的程度y是0.5。当输入减速度为-2.5时，仅属于“负”和“零”两个模糊空间，属于“负”的程度y是0.25，属于“零”的程度y是0.75。当输入减速度变化率为-1.5时，仅属于“负”和“零”两个模糊空间，属于“负”的程度y是0.5，属于“零”的程度y是0.5。

这3个输入量共对应8条模糊规则。查模糊表，这8条规则分别是：

1) IF速度差(ve)为“小”and减速度(aec)为“负”and 减速度变化率(aecc)为“负”，then压力系数(Y)为“大”；

2) IF速度差(ve)为“小”and减速度(aec)为“负”and 减速度变化率(aecc)为“零，then压力系数(Y)为“大”；

3) IF速度差(ve)为“小”and减速度(aec)为“零”and 减速度变化率(aecc)为“负”，then压力系数(Y)为“大”；

4) IF速度差(ve)为“小”and减速度(aec)为“零”and 减速度变化率(aecc)为“零”，then压力系数(Y)为“很大”；

5) IF速度差(ve)为“中”and减速度(aec)为“负”and 减速度变化率(aecc)为“负”，then压力系数(Y)为“很小”；

6) IF速度差(ve)为“中”and减速度(aec)为“负”and 减速度变化率(aecc)为“零”，then压力系数(Y)为“很小”；

7) IF速度差(ve)为“中”and减速度(aec)为“零”and 减速度变化率(aecc)为“负”，then压力系数(Y)为“小”；

8) IF速度差(ve)为“中”and减速度(aec)为“零”and 减速度变化率(aecc)为“零”，then压力系数(Y)为“中”。

于是有：Y=[A(1)(ve)A(1)(aec)A(1)(aecc)Y(1)+A(2)(ve)A(2)(aec)A(2)(aecc)Y(2)+A(3)(ve)A(3)(aec)·A(3)(aecc)Y(3)+A(4)(ve)A(4)(aec)A(4)(aecc)Y(4)+A(5)(ve)A(5)(aec)A(5)(aecc)Y(5)+A(6)(ve)·A(6)(aec)A(6)(aecc)Y(6)+A(7)(ve)A(7)(aec)·A(7)(aecc)Y(7)+A(8)(ve)A(8)(aec)A(8)(aecc)Y(8)]/

[A(1)(ve)A(1)(aec)A(1)(aecc) +A(2)(ve)·A(2)(aec)A(2)(aecc) + U(3)(ve)A(3)(aec)A(3)(aecc)+A(4)(ve)A(4)(aec)A(4)(aecc) +A(5)(ve)A(5)(aec)·A(5)(aecc) +A(6)(ve)A(6)(aec)A(6)(aecc)+A(7)(ve)A(7)(aec)A(7)(aecc) +A(8)(ve)·A(8)(aec)A(8)(aecc) ]=0.731 5

(注：变量A和Y的小标1～8表示所对应的模糊规则)