高速列车电液制动系统模糊PID控制算法研究

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22机械设计与制造Machinery Design & Manufacture第9期2013年9月高速列车电液制动系统模糊PID控制算法研究王学庆，宋锦春，武氏怀秋(东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110004)摘 要：高速列车制动技术对于列车安全运行至关重要，而基础制动是最为关键的制动装置之一，是高速列车在制动系统其他制动措施失效情况下的最后一道安全保障。高速列车基础制动采用电液制动器是靠制动卡钳与制动盘摩擦来传递制动转矩的，制动转矩的大小主要取决于制动缸压力的大小。主要建立了高速列车电液制动系统的模型，然后设计了模糊 PID控制器，使用 MATLAB／Simulink软件对所设计的模糊 PlD控制器进行了仿真，仿真结果显示控制效果较好。对以后模糊 PID运用到实际提供了理论基础。

关键词：高速列车、制动、模糊 PID、仿真中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)09—0022—03A Study of Fuzzy PI D Control Algorithm for High Speed Train’SEIectriC—HydrauIiC Braking SystemWANG Xue-qing，SONG Jin-chun，WUSHI Huai-qiu(School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Liaoning Shenyang 1 10004，China)Abstract：Braking technology is crucialfor high speed train to guarantee a safe operation．As one of the most importantbraking devices，foundation braking s~tem serves as the last safety step when other braking steps Z in working．High speedtrain’Sfoundation braking s~tem transmits braking torque by thefriction between brake caliper and brake disc．Pressurethe brake cylinderafects the magnitude ofbrakingtorque．It establishes electric-hydraulic braking systemmodel anddesignsfuzzy PID controller which is simulated by MATLAB／Simulink．The effect of simulation turns out good．This paper laid atheoreticalfoundationfor apractical e offuzzy PID controller in the comingdays.

Key W ords：High-Speed Train；Brake；Fuzzy PID；Simulationl I商在高速列车制动过程中，制动力矩的控制是非常重要的，首先建立了高速列车电液制动系统的数学模型，由于电液比例控制系统由于多种因素的影响，系统的精确数学模型不易建立，并且系统的参数也会发生变化，加之非线性等因素，因此用常规 PID控制，系统不易获得满意的控制效果。

模糊控制系统具有较好的鲁棒性和动态性能，并且能够适应系统参数的变化。结合了模糊控制和PID控制的优点设计了模糊 PID控制器来控制制动过程中制动力矩的大小。其中压力控制系统示意图Ⅲ，如图 1所示。

比例减压阀图 1制动器压力控制示意图Fig．1 Schematic Diagram of Clutch Pressure Control器2制动器压力控制系统模型的建立三通比例减压阀关闭时的状态是控制压力输出口和回油口连通，对制动器工作腔进行泄压回油，三通比例减压阀打开时的状态是回油口关闭，主油压入口和控制压力输出口连通口。

2．1直动式电液比例阀建模2．1．1阀芯力平衡方程比例减压阀控制阀芯上作用有电磁推力、惯性力、摩擦力、液动力，同时还有弹簧力。忽略液压卡紧力，由牛顿运动定理得，作用于控制阀芯上的力平衡方程131：F-pLAI=m 柏1 I(％ ) (1)式中：p，—制动缸输出压力，Pa；A．—压力检测柱塞端面面积，m ；，矿一阀芯及其组件等效质量，kg；B广综合阻尼系数，N·s／m；，一 阀芯对中弹簧刚度，N／m；x 厂对中弹簧预压缩量，m；一 阀芯位移，m。

2．1．2三通减压阀流量方程滑阀的负载流量方程为：qL= 蚍 丽 来稿日期 ：2012一l1一o4基金项目：国家科技支撑计划项目(2oo7BAF12B01)作者简介：王学庆，(1988一)，男，辽宁大连人，硕士研究生，主要研究方向：电液伺服控制；宋锦春，(1957一)，男，辽宁沈阳人，教授，博士，博士生导师，主要研究方向：机电液一体化(2)第9期 王学庆等：高速列车电液制动系统模糊 PID控制算法研究 23式中：P，一负载流量 ，m ；c广 流量系数； 滑阀的面积梯度 ；～ 阀芯的位移，m；p 供油压力，Pa；p厂一负载压力，Pa。

对上式进行线性化处理表示为 ：= 却 ； — (3)式中： 一流量增益； 一流量压力系数。

2．2制动器执行机构建模2-2．1制动器活塞力平衡方程活塞的运动可以分为两个阶段。在第一阶段时，制动器活塞的位移Y小于制动卡钳和制动盘之间的间隙y ，制动器活塞在压力油作用下推动制动钳压紧制动盘，此阶段活塞的动力学方程为：pc ： 罟 ) (4)式中： I动器活塞及其附件的质量；曰厂制动器活塞和油缸之间的粘性摩擦系数； 厂制动器复位弹簧刚度；r—制动器活塞位移；)， 制动器复位弹簧初始压缩量；pr_液压缸油压；A厂制动器活塞面积。

第二阶段时，即，= ，制动器活塞位移不在增加，制动钳和制动盘之间的距离为0，忽略摩擦元件的变形，此时活塞的力平衡方程为：p 2= 2(，， ，T)+R (5)式中： _制动盘的反作用力，N。

2．2．2制动器流量方程制动器油缸的流量方程为：qc ：誓+cp +告 (6)式中：卢—液压油弹性模量；g —制动器油缸流量；C一总泄露系数； ．一总压缩容积。

根据以上分析建立制动器压力的控制模型图，如图2所示。

Scope4图2制动器压力控制图Fig．2 The Brake Pressure Control Model Diagram3电液系统模糊 PID控制器的设计模糊PID控制器结构图，如图3所示。输入是压力的偏差和偏差变化率，输出是 PID三个参数的调整量，分别用来调节PID三个系数的值嘲。模糊PID控制器经过计算，最终输出是输入给比例减压阀比例电磁铁的电流。

图3模糊PID控制系统框图Fig．3 Block Diagram of Fuzzy PID Control System3．1基本论域的确定在设计模糊控制器时，所有输入变量和输出变量的基本论域都必须给予确定，而且都是精确量。根据实际经验得出，压力偏差e的基本论域为X =[-90，90]，偏差变化率的基本论域为 ：[一6，6]。

3．2模糊化方法将压力的偏差 e和压力偏差的变化率 ec以及其输出量 PID的△ ，AK ，△ ，的模糊子集均设为含有以下七个模糊子集：负大(ⅣL)，负中(NM)，负小( )，零(Z0)，正／b(PS)，正中(PM)，正大(咒)。取隶属度函数为分段函数，其中，压力偏差的隶属度函数，如图4所示。

C图4压力偏差的隶属度函数Fig．4 The Membership Functionof the Pressure Deviation3．3模糊规则的确定PID控制器是由比例环节、积分环节和微分环节组成，PID参数的整定必须考虑在不同时刻三个参数的作用及相互之间的关系。模糊 PID控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则，根据上述在不同压力偏差及偏差变化率下对 PID参数的要求，从而分别得到整定 △KAK A 的模糊规则目。

3．4决策逻辑下面以求取 。控制表的过程为例来说明。以压力的偏差e和偏差变化率ec为输入的模糊PID控制器，其模糊推理采用如下条件语句：E：E andEC=EC~thenK上述语句可由模糊关系式来描述，若已知输入为Ei、EG时，机 械设 计 与 制造No．9Sept．2013应当有输出△K ，则输入输出的关系R为：R=(E,xECi)rxAKp (7)由此可得由模糊推理合成规则算出：△ =(EI~ECj)oR (8)即： K=V ^ ^ )] (9)3．5解模糊方法的确定选取加权平均法对压力模糊 PID控制器进行解模糊化，按计算最后输出的精确值，得到下式：△ ：～j =l竺 ?： 堡(1。)∑ (△ ，)压力的精确控制 。

4仿真及结果分析使用 MATI AB／Simulink进行仿真。系统的阶跃响应曲线，如图5所示。从图 5可以看出，采用模糊 PID控制后，系统的超调量基本不变，响应时间相对于 PID控制明显减少了。

5结束语将模糊控制方法中的规则和推理机制应用于常规 PID控制器的参数校正，从而获得了模糊 PID控制器。其控制律不仅具有模糊控制智能化的特点，而且具有常规PID控制器结构简单、明确、实用等优点。

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