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铁道车辆杂志在线阅读
文章编号:1002-7602(2018)08-0001-04
轨道车辆 EP 阀结构改进和控制算法优化
田庆
---文章选自铁道车辆杂志
(中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心,山东青岛 266111)
作者简介:田庆(1980-),男,高级工程师。
摘要:在分析轨道车辆现有 2 种 EP 阀结构缺陷的基础上,提出了 EP 阀的改进方案,并通过改进前后的 EP 阀仿真对比,验证了改进后的 EP 阀具有更好的控制精度。
关键词:Bang-Bang 控制;EP 阀;单神经元 PID;联合仿真
中图分类号:U270.35 文献标志码:B
随着运行品质的提高,传统空气制动机已难以满足制动要求,用微机控制的电空制动机取代传统空气制动机成为主要解决方案。电空制动机中 EP 阀用于将电信号转换为空气压力信号,其控制精度直接影响电空制动机性能。现今轨道车辆制动系统中的 EP 阀主要有开关型和模拟型 2 种。20 世纪已存在的多电磁阀技术、PID 控制技术、脉宽调制技术和模糊 PID技术在近些年相关文献中不断被仿真或试验验证,或细化了算法。本文将在现有 EP 阀结构基础上,分析其不足之处,并提出改进方案。
1 EP 阀改进方案
1.1 现有 EP 阀结构及其缺陷分析
1.1.1 模拟型 EP 阀
模拟型 EP 阀根据电流指令等模拟量信号来控制空气压力,由电磁线圈、供气阀和供排气阀杆等零部件组成。控制过程中,电流作用在电磁铁上,产生与之成比例的电磁吸力,电磁吸力带动移动铁芯,在膜板上与预控室压力平衡。由于其控制空气压力与电流成比例,所以又叫比例电空阀。控制过程没有反馈环节,为开环控制,控制精度受加工精度影响。另外,模拟型EP 阀采用的电磁铁存在“磁滞”现象,根据“电流控制电磁吸力,电磁吸力平衡空气压力”的逻辑,电流大小与电磁吸力的关系一旦发生变化,将会严重影响压力的精确控制。
1.1.2 开关型 EP 阀
开关型 EP 阀是一种数字式调压阀,由预控室、压力传感器、EP 单元和 2 对电磁阀等组成。图 1 为其结构示意图。一个电磁阀安装在进气通道上控制制动风缸对预控室的充气作用,即进气阀;另一个电磁阀安装在排气通道上,控制预控室的排气作用,即排气阀。EP 阀的控制对象为预控室的空气压力,此压力由压力传感器检测,反馈到电子控制单元,在电子控制单元里与目标压力进行比较,最后通过控制进气阀和排气阀进行压力调节。
开关型 EP 阀是通过一个闭环控制系统来达到对压力的精确控制的。闭环系统是指制动电子控制单元(BECU)根据制动指令计算出目标压力值,通过压力传感器将空气压力信号转换为电信号输入至 EP 单元实现闭环反馈,执行元件是 2 个开关电磁阀。电磁阀采用 Bang-Bang 控制,即数字信号控制电磁阀,仅有 2种状态,因此其控制性能主要取决于电磁阀本身性能,影响控制性能的参数主要是电磁阀响应频率和开口大小。
电磁阀开口大,达到目标值的响应时间短,但达到压力目标值后由于电流大而很难稳定下来,这样不仅使控制精度下降,还会影响电磁阀寿命;电磁阀开口小,控制精度高,响应时间变长,易导致列车制动或缓解不及时。电磁阀开口大小影响对比如图 2 所示。因此,电磁阀开口大小必须折中取值,无法兼顾控制精度和响应时间这 2项性能指标的优化。
另外,不能忽略电磁阀频率对电磁阀开断响应时间的影响,因为响应时间设置为电磁阀开(或断)状态维持时间的下极限,是控制临近稳定时引起过冲或过排的主要因素。电磁阀频率越小,EP 阀的控制精度越低。
1.2 EP 阀结构改进
模拟型 EP 阀如果采用开环控制,其性能受电磁铁“磁滞”现象影响大,精度也主要取决于整体的加工精度;而开关型 EP 阀的控制性能却主要受执行元件——电磁阀的影响。本文在开关型 EP 阀的基础上进行改进,仍采用开关型 EP 阀的闭环控制模式,但改变其闭环系统的执行元件和执行元件输入信号:将开关电磁阀改成阀口开度(流量)受控制的进气阀(排气阀),输人信号变成模拟量。改进型 EP 阀结构如图 3所示。压力传感器将预控室压力信号转换成电信号检测出来,输人至 BECU 与目标压力值做比较,得到偏差值,通过偏差值控制进气阀和排气阀的阀口开度,偏差值的绝对值越大阀口开度越大;反之,偏差值的绝对值越小阀口开度也越小。
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