引言

隨著鐵路貨運(yùn)列車(chē)“重載、快捷”技術(shù)的發(fā)展，列車(chē)編組越來(lái)越多，對(duì)長(zhǎng)大貨物列車(chē)的制動(dòng)性能的研究變得更加重要。在實(shí)際運(yùn)行的列車(chē)上進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)往往耗費(fèi)過(guò)多的人力、財(cái)力、物力，還不能得到良好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行智能化制動(dòng)試驗(yàn)仿真平臺(tái)的控制并模擬各個(gè)場(chǎng)景下的列車(chē)制動(dòng)狀態(tài)分析列車(chē)的制動(dòng)性能和制動(dòng)效果意義重大。

許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)模擬實(shí)際列車(chē)制動(dòng)效果進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]通過(guò) PWM 信號(hào)分別控制充氣電磁閥和排氣電磁閥，在控制過(guò)程中不斷充氣和排氣使輸出曲線(xiàn)無(wú)限接近控制信號(hào)，但是控制變量較多，控制過(guò)程復(fù)雜，且很容易產(chǎn)生震蕩。文獻(xiàn)[2]更多地關(guān)注了實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的空氣制動(dòng)數(shù)據(jù)與理論數(shù)值計(jì)算之間的分析，卻對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際的控制效果關(guān)注較少，得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很可能存在部分誤差。文獻(xiàn)[3]通過(guò) NI 采集板卡實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的控制和數(shù)據(jù)采集，但是 NI 采集板卡價(jià)格高昂，在試驗(yàn)成本受到制約的情況下需要開(kāi)辟新的方法。

本文主要研究通過(guò) LabVIEW 軟件，實(shí)現(xiàn) LabVIEW 和非 NI 公司出品的控制板卡間的數(shù)據(jù)通訊，并通過(guò)控制比例電磁閥完成對(duì)半實(shí)物制動(dòng)仿真平臺(tái)制動(dòng)狀態(tài)的控制，將控制效果與采用數(shù)值仿真方法進(jìn)行的空氣制動(dòng)曲線(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比，并進(jìn)行了分析；從而開(kāi)發(fā)出一套功能強(qiáng)大而又避免高昂的成本價(jià)格的系統(tǒng)，可以為工業(yè)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)辟一條新的道路[4] [5]。

2. 半實(shí)物制動(dòng)仿真試驗(yàn)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)

智能化制動(dòng)仿真試驗(yàn)平臺(tái)主要由風(fēng)源系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、制動(dòng)模擬裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分內(nèi)容組成。其中風(fēng)源系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)和總風(fēng)缸組成，用來(lái)給列車(chē)管充氣，實(shí)現(xiàn)列車(chē)初充氣的過(guò)程；制動(dòng)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)，制動(dòng)控制單元(ZKA-0400 控制模塊)，制動(dòng)執(zhí)行部分(ITV3050 高速比例電磁閥,，電磁中繼閥和均衡風(fēng)缸)來(lái)控制具體要進(jìn)行某種制動(dòng)狀態(tài)的模擬；制動(dòng)模擬系統(tǒng)由列車(chē)管，副風(fēng)缸，制動(dòng)缸和加速緩解風(fēng)缸所組成列車(chē)的實(shí)際制動(dòng)模擬裝置；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器(PCM300D 壓力變送器)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊(ZKA-4000)，以及 TP-link 以太網(wǎng)交換機(jī)組成。智能化制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)反饋控制圖如圖 1 所示。

智能化仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要可以實(shí)現(xiàn)列車(chē)常用制動(dòng)過(guò)程中的初充氣功能，常用制動(dòng)功能，充氣緩解功能以及緊急制動(dòng)功能。雖然該半實(shí)物制動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室只有一套執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但是當(dāng)給執(zhí)行器標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)輸入后，將制動(dòng)作用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)，采用列車(chē)管末端的氣壓作為下一輛車(chē)的信號(hào)輸入，以此類(lèi)推就可以實(shí)現(xiàn)大編組的長(zhǎng)大貨物列車(chē)的制動(dòng)模擬控制。而其中的難點(diǎn)就在與控制信號(hào)的輸出指令在經(jīng)過(guò)電磁比例閥和中繼閥流量放大的過(guò)程后仍然能夠盡可能準(zhǔn)確的在列車(chē)管首端產(chǎn)生和輸入指令完全一致的氣壓信號(hào)。

圖 1. 智能化制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)反饋控制圖

3. 建立制動(dòng)控制數(shù)值仿真模型

列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是一種氣動(dòng)系統(tǒng)，主要是壓縮空氣在各個(gè)氣室之間的傳遞實(shí)現(xiàn)列車(chē)的緩解與制動(dòng)作用。采用完全氣體假設(shè)，得出完全氣體狀態(tài)方程：

式中：P 為絕對(duì)壓強(qiáng)；V 為體積；m 為質(zhì)量；R 為氣體常數(shù)，對(duì)于空氣 R = 287 N?m/(kg?K)；T 為熱力學(xué)溫度。

在單位時(shí)間內(nèi)，充入容器內(nèi)的氣體質(zhì)量的計(jì)算公式為：

式中：qm1為單位時(shí)間內(nèi)充入的質(zhì)量流量。

在單位時(shí)間內(nèi)，從容器內(nèi)排出的氣體質(zhì)量的計(jì)算公式為：

式中：qm2為單位時(shí)間內(nèi)排出的氣體質(zhì)量流量。

氣體在交換過(guò)程中，主要分為聲速和亞聲速兩個(gè)過(guò)程，再兩個(gè)氣室壓力相差不大時(shí)，氣體處于亞聲速流動(dòng)中，氣體的質(zhì)量流量為：

式中，qm——通過(guò)回路的氣體質(zhì)量流量，kg/s；

S——節(jié)流孔有效截面積，m2；

P1——?dú)鈩?dòng)元件上游管道內(nèi)的靜壓力(絕對(duì)壓力)，kPa；

P2——?dú)鈩?dòng)元件下游管道內(nèi)的靜壓力(絕對(duì)壓力)，kPa；

T——?dú)鈩?dòng)回路內(nèi)的溫度，K；

b——臨界壓力比，取 b = 0.2。

當(dāng)兩個(gè)氣室內(nèi)的壓力在臨界壓力比(b = 0.2)以下時(shí)，回路中通過(guò)的氣體質(zhì)量流量的計(jì)算公式為：

將式(1)帶入式(2)可得：

故當(dāng)充氣過(guò)程為聲速充氣時(shí)，即 P2/P1 ≤ b時(shí)，經(jīng)積分運(yùn)算，由 P20充至 P2所需的充氣時(shí)間為：

當(dāng)充氣過(guò)程為 1 ≥  P2/P1> b 為亞聲速充氣時(shí)，即 1 ≥  P2/P1> b 時(shí)，經(jīng)積分運(yùn)算，由 P20 充至 P2 所需的充氣時(shí)間為：

b = 0.2，R = 287J/kg?K，在向容器充氣時(shí)，容器內(nèi)的壓力隨時(shí)間變化的關(guān)系式推導(dǎo)為：

從氣動(dòng)力學(xué)角度講，列車(chē)實(shí)際進(jìn)行的制動(dòng)和緩解工況可以看作不同氣室之間的充氣和放氣過(guò)程，對(duì)于列車(chē)管路內(nèi)部的復(fù)雜通路結(jié)構(gòu)所引起的氣體傳遞之間的阻力可以看作等效的節(jié)流孔。對(duì)于總風(fēng)缸向列車(chē)管的充排氣過(guò)程、副風(fēng)缸向制動(dòng)缸充排氣過(guò)程都可以采用氣動(dòng)系統(tǒng)的基本充放氣特性方程。對(duì)于初充氣過(guò)程，可以通過(guò)一個(gè)相同容積的氣容來(lái)等效替代列車(chē)管。圖 2 為總風(fēng)缸向列車(chē)管初充氣的簡(jiǎn)化示意圖，表示氣壓為 Ps的總風(fēng)缸經(jīng)過(guò)通路向氣壓為 P0的列車(chē)管等效風(fēng)缸充氣，并用一個(gè)有相關(guān)參數(shù)的節(jié)流孔等效代替總風(fēng)缸與列車(chē)管間的通路結(jié)構(gòu)，用 S 表示有效節(jié)流系數(shù)，T 為絕對(duì)溫度；

圖 2. 列車(chē)管初充氣簡(jiǎn)化示意圖

列車(chē)管的容積表達(dá)式為：

式中：D——分別為列車(chē)管主管、支管直徑；

L——分別為列車(chē)管主管、支管長(zhǎng)度； 

N——車(chē)輛數(shù)量。

在列車(chē)管從無(wú)空氣壓力充至 500 kPa 的氣體流動(dòng)過(guò)程中包括聲速與亞聲速兩個(gè)階段。根據(jù)氣動(dòng)系統(tǒng)充氣特性方程結(jié)合列車(chē)管容積表達(dá)式可得，初充氣時(shí)列車(chē)管絕對(duì)氣壓 P1關(guān)于時(shí)間 t 的函數(shù)式為[6]：

最后得列車(chē)管初充氣仿真模型如圖 3。

圖 3. 列車(chē)管初充氣數(shù)值仿真曲線(xiàn)

4. 制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)

4.1. 上位機(jī)和控制模塊的 TCP 通訊

TCP 協(xié)議是面向連接的通信協(xié)議，在傳輸數(shù)據(jù)前通過(guò)三次握手建立起服務(wù)器和客戶(hù)端之間的邏輯連接，可以提供兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)交換機(jī)將上位機(jī)和各控制模塊放在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，采用 TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與各模塊之間的可靠的數(shù)據(jù)交互。打開(kāi) TCP 連接用來(lái)打開(kāi)由地址和遠(yuǎn)程端口或服務(wù)名稱(chēng)指定的 TCP 網(wǎng)絡(luò)連接。地址是要與其建立連接的地址。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中將本機(jī) IP 地址設(shè)置為 192.168.0.155，并使用以太網(wǎng)交換機(jī)將采集板卡、控制板卡以及上位機(jī)分配在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，遠(yuǎn)程端口號(hào)設(shè)為 10001 [7] [8]。信息要采用 16 進(jìn)制 HEX 報(bào)文進(jìn)行寫(xiě)入，采用八位無(wú)符號(hào)數(shù)的數(shù)據(jù)格式，將字符串變成數(shù)組發(fā)送給下位機(jī)，通過(guò)循環(huán)指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送和接收。LabVIEW 的 TCP 通信程序圖如圖 4 所示。

圖4. LabVIEW 的 TCP 通信程序圖

4.2. 智能化制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)

在整個(gè)智能化列車(chē)制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)中，控制部分無(wú)疑處于核心地位，本文采用 LabVIEW 通過(guò)TCP 通訊控制 ZKA-0400 控制板卡，進(jìn)而控制 ITV3050 高速比例電磁閥的電流量，并經(jīng)過(guò)電磁中繼閥的流量放大作用實(shí)時(shí)控制試驗(yàn)系統(tǒng)制動(dòng)狀態(tài)，再通過(guò) PCM300D 壓力傳感器采集列車(chē)管壓力，副風(fēng)缸壓力，加速緩解風(fēng)缸壓力和制動(dòng)缸的壓力信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上對(duì)比制動(dòng)效果是否符合要求。制動(dòng)控制程序與信號(hào)監(jiān)測(cè)程序如圖 5 所示。

5. 試驗(yàn)驗(yàn)證和分析

通過(guò)對(duì)制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的控制，對(duì)列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行充氣試驗(yàn)并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

由初充氣仿真曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比分析得到，列車(chē)管壓力在列車(chē)充氣信號(hào)給定后會(huì)存在 2 秒左右的延遲，之后存在一定的過(guò)充現(xiàn)象，存在正負(fù) 10 kPa 的氣壓波動(dòng)，但隨著時(shí)間收斂于控制信號(hào)；由七級(jí)制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可得，制動(dòng)系統(tǒng)在得到控制信號(hào)后存在 1.5 秒左右的延遲響應(yīng)，隨后對(duì)信號(hào)快速進(jìn)行響應(yīng)，并穩(wěn)定在控制信號(hào)上下 8 kPa 范圍內(nèi)，最終控制效果與實(shí)際目標(biāo)存在 2~3 kPa 的偏移。七級(jí)制動(dòng)屬于列車(chē)的常用制動(dòng)，在制動(dòng)過(guò)程中，隨著列車(chē)管壓力的變化，經(jīng)過(guò) 120 控制閥的控制作用，副風(fēng)缸向制動(dòng)缸充氣，列車(chē)開(kāi)始進(jìn)行制動(dòng)作用；由七級(jí)制動(dòng)緩解試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可得，列車(chē)管實(shí)際壓力可以始終穩(wěn)定在曲線(xiàn)附近上下 2 kPa 范圍內(nèi)，可以達(dá)到緩解充氣的效果，但是在列車(chē)管壓力充到 495 kPa 范圍后，變化不再明顯，始終存在 3~4 kPa 的充氣不足，這與列車(chē)管不斷充放氣過(guò)程時(shí)的溫度變化有關(guān)。緩解過(guò)程中，制動(dòng)缸進(jìn)行排氣，緩解列車(chē)的制動(dòng)作用，副風(fēng)缸開(kāi)始充氣，為下次制動(dòng)工況做好準(zhǔn)備；由緊急制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可得，制動(dòng)系統(tǒng)依然會(huì)存在 1.5 秒左右的延遲，隨著制動(dòng)時(shí)間變化，控制效果逐漸提高，最后可以穩(wěn)定在仿真曲線(xiàn)的上下 1 kPa 左右。

圖 5. 半實(shí)物制動(dòng)仿真平臺(tái)控制程序圖

圖 6. (a) 制動(dòng)系統(tǒng)初充氣試驗(yàn); (b) 制動(dòng)系統(tǒng)七級(jí)制動(dòng)試驗(yàn)曲線(xiàn); (c) 制動(dòng)系統(tǒng)七級(jí)制動(dòng)緩解試驗(yàn)曲線(xiàn); (d) 制動(dòng)系統(tǒng)緊急制動(dòng)曲線(xiàn)

由制動(dòng)系統(tǒng)的初充氣試驗(yàn)，七級(jí)制動(dòng)試驗(yàn)，七級(jí)制動(dòng)緩解試驗(yàn)和緊急制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，該控制系統(tǒng)存在的主要誤差是對(duì)于響應(yīng)信號(hào)初始時(shí)存在的延遲問(wèn)題，該制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)際列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)主要區(qū)別在于中繼閥，推測(cè)是由于中繼閥產(chǎn)生的延遲效果造成的系統(tǒng)誤差。

6. 中繼閥的仿真模型

中繼閥是制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一，由于輸入的壓力信號(hào)指令要通過(guò)中繼閥進(jìn)行流量放大，實(shí)際控制效果與中繼閥有重要的聯(lián)系[9] [10]。為了驗(yàn)證中繼閥是否會(huì)對(duì)響應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生延遲效果，在 AMESim 中進(jìn)行了中繼閥的仿真模型搭建，最終仿真結(jié)果表明，在該制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)中，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)中繼閥的流量放大作用變?yōu)榱熊?chē)管的壓力存在一定的滯后效果，其原因主要就是因?yàn)橹欣^閥要克服閥芯彈簧的作用力以及中繼閥內(nèi)部的摩擦力，在初始時(shí)由于氣壓過(guò)小，中繼閥無(wú)法打開(kāi)總風(fēng)缸和列車(chē)管之間的通路。故而存在一定的延遲效果。中繼閥的仿真模型如圖 7 所示，中繼閥的列車(chē)管仿真曲線(xiàn)如圖 8 所示。

圖 7. 中繼閥的仿真模型

圖 8. 中繼閥的列車(chē)管仿真曲線(xiàn)

7. 結(jié)語(yǔ)

本文使用 LabVIEW 軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能化制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的控制，并將控制結(jié)果和采用數(shù)值分析方法計(jì)算的列車(chē)管制動(dòng)氣壓的仿真曲線(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比。在進(jìn)行初充氣試驗(yàn)、七級(jí)制動(dòng)試驗(yàn)、七級(jí)制動(dòng)緩解試驗(yàn)和緊急制動(dòng)試驗(yàn)后，試驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)行制動(dòng)控制過(guò)程開(kāi)始時(shí)，列車(chē)管氣壓普遍存在延遲 1~2 秒左右的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)中繼閥的建模仿真，得出這主要是由于中繼閥的閥芯彈簧會(huì)影響信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間，屬于系統(tǒng)誤差；在壓力變化過(guò)程中，試驗(yàn)曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)誤差始終在 10 kPa 范圍內(nèi)，并且大部分時(shí)間可以穩(wěn)定在仿真曲線(xiàn) 2 kPa 范圍內(nèi)，控制效果較好；在氣壓變化的最后，七級(jí)制動(dòng)過(guò)程和制動(dòng)緩解過(guò)程均會(huì)與理想壓力相差 3~4 kPa，這主要是由于充放氣時(shí)，氣缸內(nèi)部溫度變化影響所導(dǎo)致。

試驗(yàn)結(jié)果和仿真曲線(xiàn)表明，采用 LabVIEW 軟件做出的控制算法可以良好地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的制動(dòng)控制，該 TCP 通訊方法可以實(shí)現(xiàn) LabVIEW 和國(guó)產(chǎn)芯片模塊間的數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)交互，并具有良好的控制效果，可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行更深入的多維度的長(zhǎng)大貨物列車(chē)制動(dòng)性能的研究。

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