列车制动技术中若干热点问题的理论探讨

吴萌岭 刘宇康 田春

摘 要：首先，讨论制动减速度反馈控制的不同实现方法，分析结果表明减速度制动控制能够使列车实际减速度很好地跟随目标减速度，并且不同的减速度制动控制方法的仿真和试验结果表明自适应减速度制动控制方法的输入信号为速度信号，能对不确定参数进行估计，能自适应拥有不同传递函数的车辆系统，稳定性好。然后，结合实际运用分析铝合金制动盘的关键技术点，为铝合金制动盘的技术发展提供参考。最后，介绍液压制动系统组成，并与空气制动系统进行对比，阐明其具有一定的应用前景。

关键词：轨道交通;制动减速度;反馈控制;铝合金制动盘;液压制动系统

中图分类号：U270.35

随着列车技术的不断发展，制动系统相关的制动控制和系统零部件也在随之持续发展，其中制动减速度反馈控制、铝合金制动盘和液压制动系统等技术已经逐步开展研究、生产及应用。但这些技术目前属于探索或应用初级阶段，存在着一些值得探讨的技术问题，本文将对其中的具体问题进行探讨。

1 制动减速度反馈控制

制动力控制模式是制动系统设计、产生所需要的制动力的依据，是列车制动技术中的关键技术之一。目前，地铁列车或高速动车组的制动系统中广泛采用理论制动力控制和速度黏着控制方法，这2种制动控制方法忽略了列车制动过程中闸瓦（片）摩擦系数、坡道坡度等参数，它们是随时间、速度或距离而改变的，是不确定的量。这些不确定参数会使实际减速度与目标减速度之間存在差异，可见这2种传统的制动控制方法不能实现对列车实际制动力和实际减速度的精确控制，即在减速度层面上是开环的。为了使列车制动性能得到进一步优化，使列车在制动过程中能适应上述不确定参数的影响，研究人员提出了一种新型的制动力控制模式——制动减速度反馈控制。直接利用制动减速度作为反馈值，根据减速度实际值与目标值的差别来调整制动力的大小。制动系统中的制动减速度反馈控制虽然对控制技术要求很高，但仍是一种值得探索的控制方法。近年来，已有国内外学者对此进行了研究，其中包括基于Smith预估器的比例积分（PI）控制、基于在线参数估计的自适应控制等方法，都取得了比较好的仿真效果，并在台架试验或线路试验中验证了其控制性能。本文将对预估制动减速度反馈控制和基于自适应制动减速度反馈控制进行对比分析，以便为制动减速度反馈控制的实际运用提供技术参考。

制动减速度反馈控制模式的流程如图1所示，制动系统根据轴速经电子制动控制单元（EBCU）演算后推出实际减速度，制动系统将实际减速度作为反馈值，与目标减速度进行比较，然后根据对应关系作用于制动减速度反馈控制器。制动系统根据控制器输出的制动缸预控压力（AC压力）调整制动力的大小，将实际制动减速度反馈控制在目标减速度附近，甚至等于目标减速度值。也就是说，制动减速度反馈控制是根据减速度目标值与实际值实时调整制动力的大小。

1.1 预估制动减速度反馈控制

预估制动减速度反馈控制利用制动控制装置检测实际的减速度，并以实测减速度与目标值的差值为基础，利用反馈控制系统进行自动控制，即可抑制干扰因素对减速度产生的影响。反馈控制系统的核心为PI控制器，其计算公式为：（1）式（1）中， 为PI控制器的传递函数;Kp为比例增益; KI为积分增益;s是拉普拉斯算子。通过控制比例增益和积分增益可以调整减速度上升特性、稳定误差及系统稳定性。但是，在包含空耗时间要素的反馈控制系统中，多数情形下难以确保系统的稳定性，所以有必要尽量减少空耗时间或抑制其影响。针对延时影响，预估制动减速度反馈控制采用Smith补偿进行局部反馈，即用空耗时间的预测值抵消空耗时间对反馈的影响，其控制结构如图2所示，Simulink仿真框图如图3所示。图2中，为PI控制传递函数， 表示对车辆模型的预估传递函数，表示动作延迟，L指延迟时间，和共同组成控制器部分;为车辆模型传递函数，和k表示不确定参数影响，表示气压变化过渡特性，、k和干扰共同组成车辆动态特性;m表示列车静态质量。

控制器延迟参数设置为0.7 s，设置车辆模型延迟参数分别为0.6 s和0.8 s，调节PI控制器参数后，仿真得到的实际减速度和目标减速度如图4所示。

为了更好地模拟实际延时情况，仿真车辆模型延迟围绕预设值0.7 s波动，波动范围为±0.1 s，仿真结果如图5所示。从瞬时波动来看，无法消除影响。设置车辆模型延迟围绕定值波动，且控制器预设延迟与波动均值存在0.1 s偏差，其仿真结果如图6所示。由图6中可知，部分制动阶段可能存在较大偏差。

由上面分析可知，这种结构的算法对延迟参数预估的准确度要求很高，或者说对系统延迟的稳定性要求很高。现提出改进方法：只需要对系统的传递函数进行预估，不需要对系统延迟进行预估。设置车辆模型延迟参数分别为0.6 s和0.8 s时，仿真结果如图7所示。对比2种工况的仿真结果可知，不同的延迟参数，其制动控制的效果基本相同。车辆模型延迟围绕定值波动时的仿真结果如图8所示。由图8可知，其控制效果较好。车辆传递函数与控制器预估传递函数误差为50%时的仿真结果如图9所示。由图9可知，实际减速度的控制效果良好。由上可知，改善预估制动减速度反馈控制对系统延迟稳定的依赖大大降低，但这种结构需要对所有制动缸压力及电制动力进行采集反馈。

1.2 自适应制动减速度反馈控制

自适应制动减速度反馈控制在计算目标制动力和目标制动缸压力前首先将列车的制动力（包括电制动力和制动缸压力）和列车速度（含有减速度信息）采集到制动控制系统中，然后根据这些力和速度的信息通过自适应参数估计器实时估计和更新不确定参数，再用这些估计得到的参数计算目标制动力和目标制动缸压力。因为该制动控制模式在计算目标制动力和目标制动缸压力时考虑了列车制动过程中的多种不确定参数的影响，所以能实现列车实际减速度的精确控制。其控制流程如图10所示。其中，aref为目标减速度，Fref为目标制动力， M为列车动态质量，为运行阻力，Pref为目标制动缸压力，Fele为电制动力，n为制动缸数，ξ为制动倍率，为闸瓦摩擦系数设定值，Fspring为制动缸克服的弹簧力，A为制动缸作用面积。

4 结束语

本文分别探讨了列车制动中制动减速度反馈控制、铝合金制动盘和液压制动系统等技术问题。其中分析了预估制动减速度反馈控制和自适应制动减速度反馈控制，提出了改进预估制动减速度反馈控制方法，仿真分析表明：改进预估制动减速度反馈控制和自适应制动减速度反馈控制均能使列车的实际减速度很好地跟随目标减速度;自适应制动减速度反馈控制方法的输入信号为速度信号，方便实际运用，且适用于不同传递函数的车辆系统，稳定性好。

采用铝合金制动盘能够起到减小质量的作用，但其较低的塑性限制了运用工况，且制造工艺对制动盘的物理性能影响也较大。同时，对于对偶闸片匹配性提出了一定的要求。

液压制动系统相对空气制动系统，集成度高，设备体积小，更适用于安装空间较小的列车车辆使用，同时响应速度也更快。但其运营维护成本较高，且存在液压油泄漏等问题，限制了其应用的推广。

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收稿日期 2019-08-19

责任编辑 党选丽