基于工控機的常導(dǎo)中低速磁懸浮列車機械制動控制系統(tǒng)
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磁懸浮列車是一種輪軌非粘著傳動、懸浮于軌道的新型軌道交通運輸系統(tǒng)，是介于鐵路和航空之間的一種獨特的運輸方式。在2001年研制的第一輛常導(dǎo)中低速磁懸浮列車實驗線中，除了采用電制動以外，還設(shè)置了機械制動和支撐滑塊制動。實驗表明，幾種制動方式中，電制動和支撐滑塊制動都達(dá)到很優(yōu)的效果。
為了達(dá)到更優(yōu)的性能指標(biāo)，對正在改型的第二輛常導(dǎo)中低速磁懸浮列車的機械制動進(jìn)行了改進(jìn)。但是，機械制動受外界環(huán)境的影響很大，為了有條件地改變制動力，有效地克服外界環(huán)境的影響，引入了減速度控制方案。本文利用工控機、數(shù)控、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)，對常導(dǎo)中低速磁懸浮列車的機械制動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，實現(xiàn)了計算機控制的機械制動。整個制動系統(tǒng)由機械制動裝置、工控機、高速數(shù)據(jù)采集卡、開關(guān)量輸入板、開關(guān)量輸出板等組成，實現(xiàn)對常導(dǎo)中低速磁懸浮列車機械制動的自動控制和監(jiān)測。
2、機械制動的制動原理
目前我校自行研制的改進(jìn)型常導(dǎo)中低速磁懸浮列車的機械制動采用了氣一液制動方式，為了減小制動器的體積，制動的工作介質(zhì)采用液壓油。機械制動氣路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 磁懸浮列車機械制動結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)由比例閥、氣液轉(zhuǎn)換器、制動器組成。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0.6MPa左右。車輛的氣液轉(zhuǎn)換器的最大增量氣壓設(shè)置為0.4MPa，最大油壓可以工作在10MPa左右，因此我們選用轉(zhuǎn)換比為1∶25的氣—液轉(zhuǎn)換器。當(dāng)控制電流為4～20mA時，輸出氣壓在0～0.4MPa變化，制動器的制動油壓相應(yīng)在0～10MPa之間變化，每臺制動器的制動臂產(chǎn)生0～9000N的夾持力。如果摩擦片的磨擦系數(shù)在0.3左右時，單臺制動器的制動力可以大于2500N。由于每輛車有16臺制動器，共可產(chǎn)生大于40000N的制動力，在磁浮車處于額定載重條件下（總重30t時），僅機械制動即可產(chǎn)生大于1.3m／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的情況下，仍然能夠完成制動目的，在比例氣壓調(diào)節(jié)閥側(cè)還并聯(lián)了一個開關(guān)型電磁閥，作為應(yīng)急控制之用。
因此，通過調(diào)節(jié)比例閥的電流就可以改變制動器的制動力，從而得到制動減速度。采用計算機實現(xiàn)對制動系統(tǒng)的閉環(huán)控制，駕駛員可以自如地依需要的減速度來控制車輛的制動運行。
3、機械制動系統(tǒng)的建模
要實現(xiàn)機械制動的控制，首先要對機械制動的各個部件進(jìn)行建模。制動器總成的油壓建立通過了管道，并有一定阻力，另外，制動器還有運動空行程，因此制動力的產(chǎn)生有一定的延遲時間，機械制動系統(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，通過改變比例閥的控制電流來改變制動系統(tǒng)的各個控制部件的輸出，測得各部件的特性曲線。當(dāng)比例閥的輸入電流階躍變化時，實驗得出系統(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為磁懸浮列車機械制動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6.30mA時，制動器夾住，當(dāng)調(diào)節(jié)電流在6.30～16.54mA變化時，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0.08～0.5MPa變化，輸出油壓在1～10MPa變化。當(dāng)比例閥的輸出電流下調(diào)時，氣壓有一定的回環(huán)。
圖2 磁懸浮列車機械制動控制部件的特性曲線
圖3和圖4分別為比例閥和氣液轉(zhuǎn)換器的階躍響應(yīng)曲線。
通過辨識，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： 
制動轉(zhuǎn)換器的模型為： 
式中，K1，K2，K3，T1，T2，τ1，τ2等可以通過實驗辨識分析求得。磁懸浮列車有16臺制動器總成，安裝夾持力傳感器在實際中不好實現(xiàn)。但是，當(dāng)實現(xiàn)了制動系統(tǒng)的氣壓調(diào)節(jié)作用時，實際上就間接地控制了制動油壓和制動器的夾持力，該過程忽略了管線、制動器部件運動的摩擦阻力，因此設(shè)計氣壓校正網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)夾持力閉環(huán)控制，誠然，只使用夾持力閉環(huán)控制時，由于自然條件和軌面的條件不同，同樣的夾持力，可能獲得的制動效果不同，制動的效果與駕駛員的經(jīng)驗有關(guān)。采用減速度閉環(huán)控制時，駕駛員可以通過制動手柄，控制不同的減速度，駕駛員對制動手柄的控制是以減速度給定值不大于1.3m／s2為上限的，因此設(shè)計了氣壓和減速度為反饋量的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其反饋控制框圖如圖5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，使減速度不至于過大，并可以從0～1.3m／s2之間進(jìn)行線性操作。
圖5 機械制動系統(tǒng)反饋控制框圖
4、計算機控制的機械制動系統(tǒng)組成
計算機控制的機械制動系統(tǒng)主要由傳感器（加速度、氣壓）、A／D轉(zhuǎn)換卡、開關(guān)量輸入卡、D／A轉(zhuǎn)換卡、工控機（包括控制程序）等組成。如圖6所示，被控對象是列車的減速度，當(dāng)制動時，由加速度傳感器測量制動減速度的值，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，送入工控機。工控機對測量的減速度信號進(jìn)行數(shù)字濾波，并和制動手柄給定的減速度信號進(jìn)行比較，通過減速度控制器W1（s）（由軟件實現(xiàn)）計算出減速度控制信號，與氣壓傳感器采集的氣壓反饋信號比較，獲得誤差信號，再通過氣壓控制器W2（s）（由軟件實現(xiàn)）得到氣壓控制信號，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換，驅(qū)動比例閥控制氣壓從而改變制動力的大小，最終達(dá)到所希望的減速度。
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