铁路机车制动系统电空比例阀的模糊控制

铁路机车制动系统电空比例阀的模糊控制

史立军

中国铁路呼和浩特局集团有限 公司包头西机务段 内蒙古 包头市 014010

摘要：电空比例阀能够完成电气（电压或电流）—空气压力的比例转换，是电空联合制动系统的必不可少的组成部分。国外电空比例阀主要有两种形式：一种是以比例电磁铁作为电A机转换装置的电空比例阀，此类电空比例阀具有较好的频率响应、线性精度较高，但制造工艺复杂，价格高，对压缩空气的清洁度要求高；另一种是采用开关阀作为电A机转换装置的数字式电空比例阀，利用计算机和传感器技术构成对空气压力的闭环控制。其对制造精度要求不高，抗介质污染能力强，可靠性高，但要求有较高的计算机控制技术。

关键词：铁路机车制动系统电空比例阀；模糊控制；

前言：电空比例阀是动车组制动系统的重要元件，它的功能是将电流信号转换为成比例的电磁力，从而控制比例阀输出压力的大小。在现有的动车组制动系统中，电空比例阀有两种基本形式，其中一种是模拟型电空比例阀，利用作用在波形膜板上的出口空气压力与作用在供排气阀杆上电磁力平衡来获得所需要的输出空气压力。

一、电空比例阀

随着列车速度的进一步提高，单一的空气制动形式已难以满足铁路高速和重载运输发展的需要，电空联合制动成为列车制动系统发展的必然趋势。动力制动与空气制动相互配合，可保证列车所需的制动力，安全平稳停车，同时有利于减少闸片磨耗和节约能源。电空比例阀由空气阀体和比例电磁线圈两部分组成，其中，空气阀体主要由给排阀、给排阀弹簧、供排气阀杆、波形膜板与复位弹簧等组成；比例电磁线圈主要由壳体、铁芯、线圈、隔磁环、衔铁、导套、限位片与端盖等组成。在动车组中，模拟电空比例阀竖直安装在制动控制装置中，比例电磁线圈朝地面。它为动车组制动系统提供控制压力，不仅具与有制动、保压与缓解三种作用工况。当线圈接收到制动的电气信号时，比例阀产生向上的电磁力，衔铁克服复位弹簧的作用力向上运动。在衔铁的作用下，供排气阀杆向上运动。当供排气阀杆位移为0.7mm 时，供排气阀杆顶端面贴合在给排阀底面，推动给排阀克服给排阀弹簧力离开阀座，阀口打开，压缩空气从供风口供气，压力不断上升，实现制动工况。压力通过阀体内部风路进入给排阀室与波形膜板，产生向下的作用力。当压力达到制动信号所需的压力时，给排阀与供排气阀杆上、下方作用力达到平衡，给排阀弹簧推动给排阀与供排气阀杆向下运动，直到给排阀落回阀座上，压力保持不变，实现保压工况。当制动电信号下降或无电信号时，波形膜板上方的作用力大于电磁力，供排气阀杆向下运动，打开给排阀与供排气阀杆之间的排气通道，压力排向大气，实现缓解工况。当控制器接到制动电信号后立即控制充气阀或排气阀动作，通过充气或排气来控制容积室压力。容积室的气体压力通过压力传感器反馈到控制器实现闭环控制，保证容积室的压力与制动电信号相对应，完成电空转换。容积室的气体压力作为指令使中继阀动作，当列车管或制动缸空气压力与容积室压力近似相等时，中继阀关闭，制动缸压力达到平衡。即可完成对列车管或制动缸压力的精确控制。充气阀和排气阀都是二位二通的高速开关阀，高速开关阀的驱动采用脉宽调制技术进行。

二、铁路机车制动系统电空比例阀的模糊控制

1.在电空比例阀的控制中，控制器是关键部分。控制器采用能够输入输出信号的单片机作为自带路的 模块，集成度较高，较适合于工业控制。控制方法是控制器的核心。目前应用较多的是控制和模糊控制。控制是技术成熟、应用最广泛的一种控制方法。根据被控对象的不同，适当调整参数，可以获得比较满意的控制效果。其算法简单，参数调整容易，并且有一定的控制精度，因此它已成为最为普遍采用的控制算法。但是控制算法也有不足，如 算法只有在系统模型参数为非时变的情况下，才能获得理想的效果；当一个调好参数的控制器被应用到模型参数时变系统时，系统的性能会变差，甚至不稳定；另外，在对参数进行整定的过程中，参数的整定值是具有一定局域性的优化值，而不是全局性的最优值，因此这种作用无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。模糊控制器和常规的控制器相比具有无需建立被控对象的数学模型，对被控对象的时滞、非线性和时变性具有一定的适应能力等优点，同时对噪声也具有较强的抑制能力，即鲁棒性较好。但它也有一些需要进一步改进和提高的地方。模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。控制和模糊控制各有自己的优缺点，把两者结合起来，即可以构成兼有这两者优点的模糊控制器。容积室压力是非线性、时变的控制对象，因此运用模糊控制器的效果会比单纯使用模糊控制或控制要好。有几种方法可以构成模糊控制器，本文采用的是具有参数模糊自整定功能的一类控制器的设计方法。模糊自整定参数控制算法主要由模糊化、输入量的合成、规则推理以及反模糊化等步骤组成，下面分别进行说明。

2.模糊化。各种容积室（包括均衡风缸和作用风缸）的压力经过传感器由控制器的转换器采集。满量程对应了的空气压力，一般情况下，需要设定的空气压力最大为一般来说，精确值的模糊化首先要确定该语言变量的语言值，即一个模糊集合。并将精确值从普通论域映射到模糊论域。每个模糊论域的值可对应一个模糊集合。要采用模糊技术，就要把这些值转换成模糊集合的隶属函数。隶属函数可采用吊钟形、梯形和三角性，理论上说吊钟形最理想，但是计算复杂；实践证明，用三角形和梯形函数其性能并没有显著的差别；所以为了节省在线计算时间，语言变量和各值的隶属函数的数学形式取梯形和矩形所示。为了使在小误差阶段控制能够灵敏。偏差/ 为指令设定压力与反馈压力之差。另外程序采用带死区的控制，当反馈压力在误差允许范围时就关闭充气阀和排气阀，因此可以减少高速开关阀的动作次数，延长开关阀的使用时间。当偏差处于误差允许范围之外时，使用模糊参数整定方法整定参数，然后进行控制。在电空比例阀得到不同电流输出压力，在电流下降过程中， 各不同电流下的输出压力超出了标准值上限 符合标准要求。带有死区的模糊控制如采用带有死区的模糊控制方法，在控制值达到设定值偏差允许范围之后，高速开关阀即停止动作，高速开关阀只在反馈值偏离设定值时动作。要确认阀座、波形膜板接触部位没有伤痕。波形膜板如发生有害伤痕（龟裂、剥离、裂口），要进行新品更换。用手弯曲膜板与新品比较硬度明显地不同时要进行新品更换。已到达使用期限的要进行新品更换。密封件表面呈现膨胀，有害伤痕，跳动变平时要进行新品更换。先使用润滑剂润滑可动部位，如给排阀、供排气阀杆、波形膜板等元件。橡皮零部件以及阀座的密封面不要留有伤痕和损坏。螺栓和螺母的紧固扭矩按表所示标准进行，其动作次数大大降低，使用寿命可大大延长。

结束语：本文在介绍电空比例阀的基础上对电空比例阀的模糊控制方法进行了研究。在采用带有死区的模糊控制方法后，电空比例阀响应迅速，性能良好，在达到控制精度范围内，可通过减少高速开关阀的动作来延长使用寿命。列车制动系统的工作环境较恶劣，采用抗介质污染能力强的数字式电空比例阀有利于提高系统可靠性。

参考文献：

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