摘要：文章介紹了一種適用于蓄電池電力工程車的速度閉環(huán)控制算法，提出了一種模糊PID控制算法的思路。控制系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)地改變速度閉環(huán)的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在不同工況下對(duì)機(jī)車進(jìn)行精準(zhǔn)低恒速控制的目的。
 

關(guān)鍵詞：蓄電池電力工程車；速度閉環(huán)控制算法；模糊PID控制算法
 

引言

蓄電池電力工程車主要用于軌道交通工程車輛的牽引、車輛段調(diào)車及其他特種作業(yè)（如新建地鐵線路時(shí)敷設(shè)線纜作業(yè)等），一般需要具備較好的低恒速控制（2~10km/h）性能，且控制精度要求在0.5km/h以內(nèi)。不同于大鐵路機(jī)車，蓄電池電力工程車作為軌道工程車的一種，經(jīng)常要擔(dān)負(fù)多種不同的牽引任務(wù)，適應(yīng)多種不同的編組形式，不同的供電模式使得工程車牽引特性亦不相同。本文提出了一種模糊PID控制算法的思路，控制系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)地改變速度閉環(huán)的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在不同工況下，對(duì)機(jī)車進(jìn)行精準(zhǔn)低恒速控制的目的。
 

1原理說明

目前中車株機(jī)公司的蓄電池工程車的低恒速控制方法主要還是沿用大鐵路機(jī)車的控制策略，即基于常規(guī)的PI控制算法，首先設(shè)定目標(biāo)速度，通過速度閉環(huán)計(jì)算輸出牽引力，經(jīng)過黏著限制曲線修正及網(wǎng)壓功率特性曲線外包絡(luò)后，計(jì)算軸重轉(zhuǎn)移的偏移量，進(jìn)而設(shè)定每個(gè)轉(zhuǎn)向架上的牽引力大小，傳送至DCU，然后采集速度反饋信號(hào)，修正牽引力，進(jìn)而控制蓄電池工程車的速度，如圖1所示。蓄電池電力工程車的應(yīng)用環(huán)境不同于鐵路機(jī)車，牽引工況復(fù)雜，供電模式多樣化，所以固定的控制策略無法適應(yīng)復(fù)雜的工程車外部運(yùn)用環(huán)境，在實(shí)際的恒速運(yùn)行過程中很容易出現(xiàn)控制失穩(wěn)現(xiàn)象，魯棒性差。本文提出了一種基于模糊控制技術(shù)的速度閉環(huán)控制算法。當(dāng)蓄電池工程車在運(yùn)行中進(jìn)入低恒速控制模式，首先保持當(dāng)前控制量u輸出不變，控制系統(tǒng)開始實(shí)時(shí)采集供電模式信號(hào)、速度反饋信號(hào)以及速度目標(biāo)值（速度目標(biāo)值可以通過司機(jī)室顯示屏輸入或者司機(jī)控制器控制設(shè)定）等。對(duì)當(dāng)前運(yùn)行速度與速度目標(biāo)值進(jìn)行比較，得到誤差量e(k)，判斷此時(shí)工程車控制調(diào)整的方向（牽引或制動(dòng)），然后將誤差量e(k)和計(jì)算得到的誤差量變化率ec(k)送給增量式PID控制器，得到控制量的增量。再將e(k)和ec(k)送給二維模糊控制器，根據(jù)模糊控制經(jīng)驗(yàn)，得到本次模糊因子的值h。將模糊因子的值和控制量增量相乘，得到模糊計(jì)算后的模糊增量Δu。模糊增量Δu與從移位寄存器中讀取的當(dāng)前控制量u（初始值設(shè)為零）相加，作為下次的控制量u輸出，并將控制量u送給移位寄存器。如圖2所示，蓄電池電力工程車速度閉環(huán)控制算法基于一種模糊PID控制算法，將牽引手柄級(jí)位信號(hào)、供電模式信號(hào)、當(dāng)前工程車速度信號(hào)等作為控制系統(tǒng)的輸入條件，控制系統(tǒng)進(jìn)行模糊PID計(jì)算后，輸出控制量經(jīng)修正（牽引特性曲線及軸重轉(zhuǎn)移）后給牽引變流器，通過改變牽引變流器的輸出進(jìn)而控制牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩，達(dá)到對(duì)工程車進(jìn)行低恒速控制的目的。

低恒速控制算法的工作原理如下：

1）控制系統(tǒng)按照一定的采樣率采集目標(biāo)速度信號(hào)（級(jí)位信號(hào)或手工輸入）、供電模式信號(hào)、機(jī)車當(dāng)前速度信號(hào)等。

2）控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)車當(dāng)前速度信號(hào)與目標(biāo)速度進(jìn)行比較后，得到誤差量，并對(duì)誤差量進(jìn)行求導(dǎo)，得到誤差量變化率，將誤差量和誤差量變化率送給增量式PID控制器，經(jīng)增量式PID計(jì)算后輸出本次控制量的增量。

3）將誤差量和誤差量變化率送入二位模糊控制器，經(jīng)過模糊計(jì)算后輸出模糊因子。

4）將本次控制量增量與模糊因子相乘，作為計(jì)算后的控制量模糊增量。

5）最后將本次控制量模糊增量與移位寄存器讀取的控制量相加后，作為當(dāng)前控制量輸出給牽引變流器，同時(shí)送給移位寄存器。

6）通過改變牽引變流器輸出的電流、電壓，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制機(jī)車速度，并將速度反饋至控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的低恒速控制。低恒速控制算法的軟件流程圖如圖3所示。
 

2仿真分析

通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，在低恒速模式下，工程車迅速地接近目標(biāo)速度值，超調(diào)很小且基本上沒有靜差，如圖4所示。速度的控制精度可以達(dá)到0.5km/h，可以滿足業(yè)主進(jìn)行特種作業(yè)時(shí)的速度要求，如線纜敷設(shè)工序?qū)τ跔恳嚭闼倏刂频囊螅鐖D5所示。在后期加入白噪聲模擬隨機(jī)工況干擾，得益于模糊PID控制算法，控制單元處于高精控制區(qū)時(shí)，可以對(duì)白噪聲等隨機(jī)干擾信號(hào)進(jìn)行濾波處理，控制效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，這對(duì)于經(jīng)常需要恒速作業(yè)的軌道工程車來說是非常必要的。
 

3結(jié)束語

蓄電池電力工程車作為一種環(huán)境友好型的工程車輛，在發(fā)達(dá)國家與地區(qū)應(yīng)用較早，國內(nèi)近年來逐漸開始批量使用。為了節(jié)省平臺(tái)成本費(fèi)用，蓄電池電力工程車一般借用城市軌道車輛通用的牽引電傳動(dòng)平臺(tái)，但是其工作環(huán)境與負(fù)載情況與城軌車輛卻完全不同。本文提出的速度閉環(huán)控制算法結(jié)合蓄電池電力工程車的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，能夠更有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的閉環(huán)控制。
 

參考文獻(xiàn)：

[1]劉金琨.智能控制[M[.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]韓冰.智能自適應(yīng)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].科技信息，2010（34）：100.

作者：蘇雄 張鵬 單位：海外市場(chǎng)營銷中心 產(chǎn)品研發(fā)中心 中車株洲電力機(jī)車有限公司