蓄电池电力工程车的速度闭环控制算法

摘要：文章介绍了一种适用于蓄电池电力工程车的速度闭环控制算法，提出了一种模糊PID控制算法的思路。控制系统通过实时地改变速度闭环的控制参数，实现了在不同工况下对机车进行精准低恒速控制的目的。
 

关键词：蓄电池电力工程车；速度闭环控制算法；模糊PID控制算法
 

引言

蓄电池电力工程车主要用于轨道交通工程车辆的牵引、车辆段调车及其他特种作业（如新建地铁线路时敷设线缆作业等），一般需要具备较好的低恒速控制（2~10km/h）性能，且控制精度要求在0.5km/h以内。不同于大铁路机车，蓄电池电力工程车作为轨道工程车的一种，经常要担负多种不同的牵引任务，适应多种不同的编组形式，不同的供电模式使得工程车牵引特性亦不相同。本文提出了一种模糊PID控制算法的思路，控制系统通过实时地改变速度闭环的控制参数，实现了在不同工况下，对机车进行精准低恒速控制的目的。
 

1原理说明

目前中车株机公司的蓄电池工程车的低恒速控制方法主要还是沿用大铁路机车的控制策略，即基于常规的PI控制算法，首先设定目标速度，通过速度闭环计算输出牵引力，经过黏着限制曲线修正及网压功率特性曲线外包络后，计算轴重转移的偏移量，进而设定每个转向架上的牵引力大小，传送至DCU，然后采集速度反馈信号，修正牵引力，进而控制蓄电池工程车的速度，如图1所示。蓄电池电力工程车的应用环境不同于铁路机车，牵引工况复杂，供电模式多样化，所以固定的控制策略无法适应复杂的工程车外部运用环境，在实际的恒速运行过程中很容易出现控制失稳现象，鲁棒性差。本文提出了一种基于模糊控制技术的速度闭环控制算法。当蓄电池工程车在运行中进入低恒速控制模式，首先保持当前控制量u输出不变，控制系统开始实时采集供电模式信号、速度反馈信号以及速度目标值（速度目标值可以通过司机室显示屏输入或者司机控制器控制设定）等。对当前运行速度与速度目标值进行比较，得到误差量e(k)，判断此时工程车控制调整的方向（牵引或制动），然后将误差量e(k)和计算得到的误差量变化率ec(k)送给增量式PID控制器，得到控制量的增量。再将e(k)和ec(k)送给二维模糊控制器，根据模糊控制经验，得到本次模糊因子的值h。将模糊因子的值和控制量增量相乘，得到模糊计算后的模糊增量Δu。模糊增量Δu与从移位寄存器中读取的当前控制量u（初始值设为零）相加，作为下次的控制量u输出，并将控制量u送给移位寄存器。如图2所示，蓄电池电力工程车速度闭环控制算法基于一种模糊PID控制算法，将牵引手柄级位信号、供电模式信号、当前工程车速度信号等作为控制系统的输入条件，控制系统进行模糊PID计算后，输出控制量经修正（牵引特性曲线及轴重转移）后给牵引变流器，通过改变牵引变流器的输出进而控制牵引电机转矩，达到对工程车进行低恒速控制的目的。

低恒速控制算法的工作原理如下：

1）控制系统按照一定的采样率采集目标速度信号（级位信号或手工输入）、供电模式信号、机车当前速度信号等。

2）控制系统对机车当前速度信号与目标速度进行比较后，得到误差量，并对误差量进行求导，得到误差量变化率，将误差量和误差量变化率送给增量式PID控制器，经增量式PID计算后输出本次控制量的增量。

3）将误差量和误差量变化率送入二位模糊控制器，经过模糊计算后输出模糊因子。

4）将本次控制量增量与模糊因子相乘，作为计算后的控制量模糊增量。

5）最后将本次控制量模糊增量与移位寄存器读取的控制量相加后，作为当前控制量输出给牵引变流器，同时送给移位寄存器。

6）通过改变牵引变流器输出的电流、电压，控制电机转速，进而控制机车速度，并将速度反馈至控制系统，从而实现精准的低恒速控制。低恒速控制算法的软件流程图如图3所示。
 

2仿真分析

通过仿真实验结果可以看到，在低恒速模式下，工程车迅速地接近目标速度值，超调很小且基本上没有静差，如图4所示。速度的控制精度可以达到0.5km/h，可以满足业主进行特种作业时的速度要求，如线缆敷设工序对于牵引车恒速控制的要求，如图5所示。在后期加入白噪声模拟随机工况干扰，得益于模糊PID控制算法，控制单元处于高精控制区时，可以对白噪声等随机干扰信号进行滤波处理，控制效果达到预期目标，这对于经常需要恒速作业的轨道工程车来说是非常必要的。
 

3结束语

蓄电池电力工程车作为一种环境友好型的工程车辆，在发达国家与地区应用较早，国内近年来逐渐开始批量使用。为了节省平台成本费用，蓄电池电力工程车一般借用城市轨道车辆通用的牵引电传动平台，但是其工作环境与负载情况与城轨车辆却完全不同。本文提出的速度闭环控制算法结合蓄电池电力工程车的实际应用环境，能够更有效地实现对速度的闭环控制。
 

参考文献：

[1]刘金琨.智能控制[M[.北京：电子工业出版社，2005.

[2]韩冰.智能自适应技术的现状和发展[J].科技信息，2010（34）：100.

作者：苏雄 张鹏 单位：海外市场营销中心 产品研发中心 中车株洲电力机车有限公司