智能PWM控制的機車制動控制單元的設計

1 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展和人民生活水平的日益提高，鐵路的客、貨運量將越來越大，列車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的發(fā)展對列車制動系統(tǒng)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控制理論實現(xiàn)對機車制動氣缸的精確控制。而在我國機車上廣泛使用的DK-l和JZ-7型制動機只能對機車實現(xiàn)一些簡單的邏輯控制功能，不能實現(xiàn)對機車制動缸和均衡風缸的閉環(huán)控制，難以滿足機車制動控制的需要。隨著電子技術及微機控制技術應用的日漸成熟，有必要應用現(xiàn)代電子技術和先進的控制理論，利用微機的強大功能實現(xiàn)對機車的精確制動。 目前世界各國鐵路絕大多數(shù)仍采用空氣制動，要實現(xiàn)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性和不確定性。另外，負載的不確定性導致了整個系統(tǒng)模型的不確定，經(jīng)典的控制方法及依賴于具體數(shù)學模型的現(xiàn)代控制理論都難以實現(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)控制的機車制動控制單元的設計和實現(xiàn)方法。對制動機氣缸的高速電控閥實王見PWM控制，也就是通過調(diào)節(jié)信號的占空比米實現(xiàn)對高速電控閥一定周期內(nèi)開閉時間的控制。

通過建立機車制動機氣缸模糊控制規(guī)則，運用模糊推理來實現(xiàn)PID控制，從而實現(xiàn)了機車的精確制動。這樣就有效解決了目前我國的DK-1和JZ-7型制動機不能實現(xiàn)精確制動的問題，對提高我國機車的安全運行和信息化程度有著極大的促進作用。

2 系統(tǒng)硬件結構

機車制動控制單元(Brake Control Unit，BCU)主要分為以下幾個部分：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。通過處理，我們就可以得到氣缸壓力，A／D轉換的精度直接關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轉換芯片，采樣實驗表明，采樣值偏差很小，在允許的誤差范圍內(nèi)。

微機處理部分實際上包含了2個微處理器，一個是單片機，另外一個是PC104。他們實現(xiàn)不同的功能，他們之間通過雙口RAM實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。單片機主要是實現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)更強大的數(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)處理和軟件的強大功能還使制動控制單元具有機車制動機監(jiān)控及故障檢測、診斷、顯示、告警、記錄、單機自動測試等功能。在本系統(tǒng)中，實現(xiàn)對氣缸壓力的精確控制是由單片機來完成的，PC104通過對各種信號如模擬量、數(shù)字量等信號的處理得到需要氣缸所需要達到的壓力值，單片機通過雙口RAM得到壓力值，應用智能PWM控制實現(xiàn)對壓力的精確控制，這一部分將在下面章節(jié)進行詳細介紹。

3 分段控制

為了實現(xiàn)對機車制動機氣缸既能精確控制，又能夠快速達到目標值，我們對氣缸壓力實行分段控制。單片機有4路開關量輸出，分別對應制動缸的進氣閥、放氣閥和均衡風缸的進氣閥、放氣閥，輸出1代表打開閥門，0代表關閉閥門。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，由于算法簡單、魯棒性好、可靠性高而廣泛用于過程控制和運動控制中，尤其適用于能建立精確數(shù)學模型的控制系統(tǒng)。但由于實際工業(yè)生產(chǎn)過程往往是非線性和時變不確定性的，難以建立精確的數(shù)學模型，因此常規(guī)PID控制器很難達到理想控制效果。