顧建凱， 趙德生

(1. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院， 江蘇 南京 210031；2. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信信號(hào)學(xué)院， 江蘇 南京 210031)

引 言

接觸網(wǎng)電能通過穩(wěn)定運(yùn)行的弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)進(jìn)入車體給予車輛中相關(guān)用電設(shè)備用電保障,這在車輛安全運(yùn)行中起到了關(guān)鍵作用，同時(shí)良好的弓網(wǎng)耦合也能夠減少受電弓滑板的過度磨損或者弓網(wǎng)之間產(chǎn)生的拉弧現(xiàn)象[1]。本文旨在研究以影響弓網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)作為反饋對(duì)受電弓氣囊氣壓進(jìn)行隨動(dòng)調(diào)整的受電弓主動(dòng)系統(tǒng)，并且該控制系統(tǒng)結(jié)合了強(qiáng)調(diào)機(jī)車運(yùn)用控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的模糊控制算法，并通過仿真研究證明了該控制系統(tǒng)的可行性。

1 弓網(wǎng)耦合性能影響要素

弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)能否良好運(yùn)行在一定的工作環(huán)境下由弓網(wǎng)之間的接觸力決定，而弓網(wǎng)之間的接觸力由以下幾個(gè)方面構(gòu)成:①與氣囊充氣后產(chǎn)生的升弓力矩有關(guān)的受電弓靜態(tài)接觸力Fs；②與列車運(yùn)行速度有關(guān)的空氣抬升力Fl；③弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)接觸力Fd[2]。

因此，接觸力F=Fs+Fl+Fd。

而以上的接觸力影響要素中空氣抬升力和動(dòng)態(tài)接觸力很難去主動(dòng)調(diào)整改變，所以目前研究方向主要以對(duì)通過主動(dòng)或者半主動(dòng)控制對(duì)靜態(tài)接觸力進(jìn)行調(diào)整，有些學(xué)者還進(jìn)行了在原有受電弓結(jié)構(gòu)框架中加入第三方動(dòng)作設(shè)備進(jìn)行接觸力數(shù)值干預(yù)。而本論文的研究方向?yàn)椋涸诓桓淖兪茈姽袡C(jī)械動(dòng)作結(jié)構(gòu)的接觸上對(duì)氣路部分進(jìn)行主動(dòng)控制系統(tǒng)嵌入設(shè)計(jì)，所以研究設(shè)計(jì)的落腳點(diǎn)為貼合當(dāng)下機(jī)車運(yùn)行工況要求對(duì)受電弓氣囊進(jìn)行充排氣，以尋求適時(shí)地主動(dòng)改變弓網(wǎng)接觸力的結(jié)果。

2 受電弓現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及應(yīng)用問題

目前鐵路電力列車基于一定的邏輯控制條件并落實(shí)到具體電路和氣路控制來實(shí)現(xiàn)受電弓的升降弓控制，并且整個(gè)受電弓控制模塊合理地嵌入到機(jī)車控制系統(tǒng)當(dāng)中。以HXD1C為例進(jìn)行說明，其以中央控制管理系統(tǒng)CCU為信息檢測(cè)控制中心，進(jìn)行對(duì)受電弓升弓模式和條件的判斷，并最終經(jīng)由受電弓控制閥板進(jìn)行受電弓升降弓氣路的整定完善，而受電弓控制閥板包含了受控于CCU的電空閥、空氣過濾器、升降弓時(shí)間調(diào)整的節(jié)流閥、氣路壓力調(diào)整的精密調(diào)壓閥、顯示氣路氣壓值的壓力表、氣路保護(hù)的安全閥以及檢測(cè)氣路氣壓閾值的壓力傳感器[3]。其控制閥板的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 受電弓控制結(jié)構(gòu)圖

該受電弓控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于列車自身運(yùn)行狀況欠佳，系統(tǒng)不能及時(shí)反饋會(huì)引起欠穩(wěn)定運(yùn)行結(jié)果，包括：①雖然精密調(diào)壓閥起到了整定氣路氣壓的作用，但也存在了當(dāng)輸入氣壓小于整定氣壓要求時(shí)難以滿足升弓氣壓要求而造成了弓網(wǎng)接觸壓力小于額定值；②當(dāng)氣囊漏氣快排閥難以及時(shí)作用而造成弓網(wǎng)接觸壓力小于額定值[4]；③由于列車運(yùn)行速度的改變，受電弓控制系統(tǒng)難以及時(shí)做出反應(yīng)造成弓網(wǎng)接觸力不符合實(shí)際運(yùn)行需求。以上狀況都會(huì)造成受電弓與接觸網(wǎng)之間發(fā)生不良接觸造成拉弧或者碳滑板過度磨損現(xiàn)象。

3 基于模糊控制的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)是非線時(shí)變動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，采用一般線性控制策略與方法難以達(dá)到系統(tǒng)預(yù)期效果，因此不受被控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型以及依賴于系統(tǒng)工作經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和原理的模糊控制方式可以成為構(gòu)建受電弓主動(dòng)或是半主動(dòng)控制的理論構(gòu)建基礎(chǔ)，并且模糊控制系統(tǒng)的魯棒性較強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)過程參數(shù)的變化不敏感，善于表達(dá)界限不清楚的定性知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)成框架如圖2所示，其中列車速度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)列車運(yùn)行速度并由控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)下速度進(jìn)行氣囊要求值匹配，而后檢測(cè)碳滑板下方受力和碳滑板本身的加速度得知弓網(wǎng)之間實(shí)際接觸壓力。得知的實(shí)際接觸力與需求接觸力進(jìn)行差值計(jì)算并作為模糊控制系統(tǒng)的輸入量，而模糊控制系統(tǒng)的輸出量充排氣電磁閥線圈通電時(shí)間作為氣囊氣壓執(zhí)行器的觸發(fā)信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)總結(jié)結(jié)構(gòu)圖

列車的運(yùn)行速度與弓網(wǎng)目標(biāo)接觸力之間關(guān)系通過現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得到，可以明確的是當(dāng)機(jī)車速度低于120 km/h時(shí)，需求接觸力要求趨于F0=70 N；當(dāng)列車速度范圍為120-200 km/h，平均需求接觸壓力Fn為(60，0.00047V2+90]；當(dāng)列車速度范圍為250-350 km/h，平均需求接觸壓力Fn≤0.00097V2+70。

系統(tǒng)通過碳滑板下方壓力傳感器進(jìn)行碳滑板受到下方機(jī)械四連桿的支撐力Fs，并且經(jīng)由加速度傳感器進(jìn)行碳滑板加速度值a的測(cè)定,同時(shí)明確碳滑板的質(zhì)量為m。于是可以算得實(shí)際接觸壓力為F=Fs+ma。

同時(shí)系統(tǒng)時(shí)刻對(duì)受電弓氣囊氣壓進(jìn)行檢測(cè)以監(jiān)測(cè)是否因?yàn)檩斎霘鈮翰蛔慊蚴菤饽椅锢砥茡p導(dǎo)致氣囊氣壓小于要求值，此現(xiàn)象經(jīng)過反復(fù)檢測(cè)依舊存在，將信息反饋于控制系統(tǒng)進(jìn)行故障降弓處理。

3.1 模糊控制結(jié)構(gòu)

模糊控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，其由模糊化、推理機(jī)、規(guī)則庫以及反模糊化等模塊組成。由此本論文所設(shè)計(jì)的受電弓主動(dòng)控制系統(tǒng)核心部件為控制器的設(shè)計(jì)，其包括模糊規(guī)則、模糊化與反模糊化方法、模糊變量輸入輸出變量論域等方面的設(shè)計(jì)工作；模糊規(guī)則選取包括語言變量設(shè)定、語言值隸屬度設(shè)計(jì)和構(gòu)建模糊推理規(guī)則等[5]。

圖3 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 模糊控制器的輸入輸出

本系統(tǒng)的模糊控制部分以機(jī)車當(dāng)下接觸壓力偏差偏差e(t)=Fn(t)—F(t)和接觸力偏差變化率de(t)/dt作為控制器輸入變量，以氣囊氣壓要求作為控制器的輸出變量P(t),其數(shù)值為充排氣電空閥線圈得電時(shí)間。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，接觸壓力e(t)的論域取為[-200 200]N，偏差變化率論域取為[-2000 2000]N/s，P(t)論域取為[-2，2]s，其中正值為充氣狀態(tài)，負(fù)值為排氣狀態(tài)。

3.3 輸入輸出量模糊化

根據(jù)模糊控制系統(tǒng)自身構(gòu)造特征，輸入輸出變量值域以貼合人類非具體數(shù)值的語言表達(dá)形式，類似于“極大”、“大”、“小”等定性描述。以此為依據(jù)對(duì)本論文中的接觸力偏差以及偏差變化率設(shè)定了相同的語言值域，也即T(e)=T(de)={負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，對(duì)輸出變量P(t)設(shè)定為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}。各自語言值對(duì)應(yīng)上文所提的數(shù)值連續(xù)論域，并以三角形隸屬度曲線表達(dá)其中的關(guān)系，圖4和圖5分別表達(dá)了e, de及P的隸屬度曲線。

圖4 輸入量E和de的隸屬度函數(shù)

圖5 輸出量P的隸屬度函數(shù)

3.4 控制規(guī)則表

該模糊控制系統(tǒng)的推理知識(shí)庫設(shè)置遵循以下要求：①當(dāng)接觸力誤差較大時(shí)，輸出控制量的數(shù)值選擇以消除誤差為目標(biāo)；②當(dāng)誤差較小時(shí)，輸出控制量的數(shù)值選取以保持系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)為目標(biāo)?；谝陨弦蟛⒔Y(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如表1所示的模糊推理規(guī)則表。

表1 模糊推理規(guī)則表

通過以上控制規(guī)則建立以及輸入輸出論域隸屬度化后，在MATLAB進(jìn)行觀察規(guī)則視圖如圖6所示。

圖6 模糊控制規(guī)則視圖

3.5 輸出量反模糊化

經(jīng)過模糊控制系統(tǒng)得到的氣囊充排氣時(shí)間P是語言值，在實(shí)際應(yīng)用中必須要轉(zhuǎn)化成實(shí)際的充排氣時(shí)間數(shù)值，系統(tǒng)以該值為標(biāo)準(zhǔn)通過氣壓傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)下氣壓從而有序地控制充排氣電磁閥工作進(jìn)而讓弓網(wǎng)接觸力能夠匹配當(dāng)下速度要求。本設(shè)計(jì)采用較為簡(jiǎn)單可靠的重心法進(jìn)行充排氣時(shí)間數(shù)值確定。

4 結(jié) 論

本論文旨在設(shè)計(jì)根據(jù)列車當(dāng)下速度，結(jié)合弓網(wǎng)耦合時(shí)下的實(shí)際接觸力參數(shù)并通過所設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行接觸力優(yōu)化，同時(shí)考慮了由于現(xiàn)有受電弓結(jié)構(gòu)自身缺陷加入了氣囊實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)節(jié)以達(dá)到對(duì)弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，能夠滿足列車在各個(gè)運(yùn)行速度下的受電弓接觸力目標(biāo)要求，提高受電弓的受流穩(wěn)定性。