對(duì)正在改型的常導(dǎo)中低速磁懸浮列車的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹和分析，建立了機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的模型下质，介紹了計(jì)算機(jī)制動(dòng)控制的工作原理姓建、系統(tǒng)組成以及控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件流程等。在工控機(jī)的控制下缤苫，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮列車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)引瀑。

1、前言

磁懸浮列車是一種輪軌非粘著傳動(dòng)榨馁、懸浮于軌道的新型軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)憨栽，是介于鐵路和航空之間的一種獨(dú)特的運(yùn)輸方式。在2001年研制的第一輛常導(dǎo)中低速磁懸浮列車實(shí)驗(yàn)線中翼虫，除了采用電制動(dòng)以外屑柔，還設(shè)置了機(jī)械制動(dòng)和支撐滑塊制動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明珍剑，幾種制動(dòng)方式中掸宛，電制動(dòng)和支撐滑塊制動(dòng)都達(dá)到很優(yōu)的效果。

為了達(dá)到更優(yōu)的性能指標(biāo)招拙，對(duì)正在改型的第二輛常導(dǎo)中低速磁懸浮列車的機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行了改進(jìn)唧瘾。但是，機(jī)械制動(dòng)受外界環(huán)境的影響很大别凤，為了有條件地改變制動(dòng)力禀丁，有效地克服外界環(huán)境的影響，引入了減速度控制方案乃描。本文利用工控機(jī)跨基、數(shù)控、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)斯凑，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)肾俯，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)裝置蛀颓、工控機(jī)乡纸、高速數(shù)據(jù)采集卡、開(kāi)關(guān)量輸入板艘尊、開(kāi)關(guān)量輸出板等組成坪秒，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)。

2影晋、機(jī)械制動(dòng)的制動(dòng)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(jī)械制動(dòng)采用了氣一液制動(dòng)方式在膏，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1所示檬寂。

圖1 磁懸浮列車機(jī)械制動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由比例閥终抽、氣液轉(zhuǎn)換器、制動(dòng)器組成桶至。氣壓調(diào)節(jié)選用了電流型的比例氣壓調(diào)節(jié)閥昼伴，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镣屹，最大油壓可以工作在10MPa左右圃郊，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(shí)女蜈，輸出氣壓在0～0.4MPa變化持舆，制動(dòng)器的制動(dòng)油壓相應(yīng)在0～10MPa之間變化，每臺(tái)制動(dòng)器的制動(dòng)臂產(chǎn)生0～9000N的夾持力伪窖。如果摩擦片的磨擦系數(shù)在0.3左右時(shí)逸寓，單臺(tái)制動(dòng)器的制動(dòng)力可以大于2500N。由于每輛車有16臺(tái)制動(dòng)器覆山，共可產(chǎn)生大于40000N的制動(dòng)力竹伸，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1.3m／s2的減速度效果福互。

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)的情況下刹由，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)型電磁閥鹉鉴，作為應(yīng)急控制之用妨菩。

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)力胃争，從而得到制動(dòng)減速度伯梧。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)行所讶。

3、機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的建模

要實(shí)現(xiàn)機(jī)械制動(dòng)的控制纳傍，首先要對(duì)機(jī)械制動(dòng)的各個(gè)部件進(jìn)行建模妄温。制動(dòng)器總成的油壓建立通過(guò)了管道，并有一定阻力拧亡，另外瓷莽，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)間谤碳，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)屬于非線性系統(tǒng)溃卡。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瘸羡。當(dāng)比例閥的輸入電流階躍變化時(shí)漩仙，實(shí)驗(yàn)得出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，然后分析圖形特性犹赖，建立系統(tǒng)的參數(shù)模型队他，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(jī)械制動(dòng)控制部件的特性曲線圖峻村。當(dāng)比例閥的調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)到6.30mA時(shí)麸折，制動(dòng)器夾住，當(dāng)調(diào)節(jié)電流在6.30～16.54mA變化時(shí)粘昨，氣壓傳感器和油壓傳感器的輸出電流都呈線性變化垢啼，輸出氣壓在0.08～0.5MPa變化，輸出油壓在1～10MPa變化张肾。當(dāng)比例閥的輸出電流下調(diào)時(shí)芭析，氣壓有一定的回環(huán)。

圖2 磁懸浮列車機(jī)械制動(dòng)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)曲線然那。

通過(guò)辨識(shí)邀敲，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：

式中，K1涝沈，K2珍媚，K3，T1侍醇，T2尼布，τ1，τ2等可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)分析求得子历。

磁懸浮列車有16臺(tái)制動(dòng)器總成朦舟，安裝夾持力傳感器在實(shí)際中不好實(shí)現(xiàn)。但是稻便，當(dāng)實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓調(diào)節(jié)作用時(shí)投湿，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)程忽略了管線趁宠、制動(dòng)器部件運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力不从，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)然犁跪，只使用夾持力閉環(huán)控制時(shí)椿息，由于自然條件和軌面的條件不同，同樣的夾持力坷衍，可能獲得的制動(dòng)效果不同寝优，制動(dòng)的效果與駕駛員的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)条舔。采用減速度閉環(huán)控制時(shí)，駕駛員可以通過(guò)制動(dòng)手柄乏矾，控制不同的減速度孟抗，駕駛員對(duì)制動(dòng)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(jì)了氣壓和減速度為反饋量的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)妻熊。其反饋控制框圖如圖5所示夸浅。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扔役，加速度校正網(wǎng)絡(luò)W1（s）則用于控制減速度帆喇，使減速度不至于過(guò)大，并可以從0～1.3m／s2之間進(jìn)行線性操作亿胸。

圖5 機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)反饋控制框圖

4馁雏、計(jì)算機(jī)控制的機(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）国产、A／D轉(zhuǎn)換卡托俯、開(kāi)關(guān)量輸入卡、D／A轉(zhuǎn)換卡拼固、工控機(jī)（包括控制程序）等組成雹纤。如圖6所示，被控對(duì)象是列車的減速度今攀，當(dāng)制動(dòng)時(shí)墓趋，由加速度傳感器測(cè)量制動(dòng)減速度的值，經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換敲抄，送入工控機(jī)奈兢。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)行比較碴验，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)啼插，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)缕陕，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)粱锐，經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)比例閥控制氣壓從而改變制動(dòng)力的大小扛邑，最終達(dá)到所希望的減速度卜范。

另外，機(jī)械制動(dòng)器的安裝位置比較緊湊鹿榜，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)埋線的方式锦爵，在磨耗達(dá)到極限并處于夾持狀態(tài)時(shí)舱殿，可以用埋線被短路的條件獲得電信號(hào)奥裸。因此，可以對(duì)剎車片的狀況進(jìn)行在線檢測(cè)沪袭。

本系統(tǒng)中湾宙，工控機(jī)采用研華公司的IPC610H，而開(kāi)關(guān)量輸入卡冈绊、A／D轉(zhuǎn)換卡侠鳄、D／A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6死宣。

圖6 計(jì)算機(jī)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)框圖

5枕捺、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＋＋6.0作為開(kāi)發(fā)工具，本著模塊化軟件設(shè)計(jì)思想跷碰，把系統(tǒng)劃分為幾個(gè)模塊壁歧，并設(shè)置各個(gè)模塊之間的接口，根據(jù)要求谎后，將磁懸浮機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)分為：參數(shù)設(shè)置模塊段扛、輸入數(shù)據(jù)采集和A／D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字濾波模塊古种、控制器算法模塊袁虽、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊、輸出數(shù)據(jù)D／A轉(zhuǎn)換模塊绷荔、數(shù)據(jù)保存模塊坠髓、與上位機(jī)的通信模塊等。如圖7所示浅慎。參數(shù)設(shè)置模塊主要是一些輸入輸出板卡的設(shè)置等胁会；數(shù)據(jù)采集和A／D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)換等抵蚊；為了有效地克服測(cè)量信號(hào)中的干擾和噪聲施绎，設(shè)置了數(shù)字濾波模塊，通過(guò)軟件濾波減少干擾贞绳；另外還設(shè)置了數(shù)據(jù)處理和顯示模塊谷醉，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)D／A轉(zhuǎn)換模塊將控制信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換冈闭；另外還設(shè)置了數(shù)據(jù)保存模塊以及與上位機(jī)的通信模塊俱尼。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)化得出萎攒。主程序流程如圖8所示遇八。

圖7 計(jì)算機(jī)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框圖

圖8 計(jì)算機(jī)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的主流程圖

6、結(jié)束語(yǔ)

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)在建模耍休、硬件刃永、軟件上進(jìn)行了闡述货矮，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)的新突破斯够。目前正處于研發(fā)階段囚玫，并將在我校自行研制的改進(jìn)型磁懸浮列車上使用和考核性能，為今后常導(dǎo)磁懸浮列車的機(jī)械制動(dòng)研究做了鋪墊榕华。

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