CN107203151B - 电空制动系统的仿真控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电空制动系统的仿真控制方法，确定空气制动阀和制动实验的类型；根据控制策略模型输出与制动实验类型匹配的脉冲宽度调制PWM信号；实时检测电空制动实验器中的气压变化数据并修正；将修正的气压变化数据与控制策略模型预测的理论气压变化数据进行比对，得到比对结果；调整控制策略模型输出的脉冲宽度调制PWM信号；根据调整后的脉冲宽度调制PWM信号控制气管路上充气电磁阀和/或排气电磁阀的开关状态，得到符合实际制动实验情况的电空制动气压变化数据。本发明能够模拟出各种实际制动实验中的气压变化规律，有效提高仿真制动实验结果的准确性，节约了实际制动实验所需的人力和物力，加快了研发和生成的周期。
Description
技术领域
本发明涉及机车控制技术领域，具体地，涉及电空制动系统的仿真控制方法。
背景技术
机车制动试验一直以来都是研究列车安全制动问题的重要手段。但对于制动试验，尤其是线路试验会导致运营线路的占用，不仅耗费了大量的时间,也同样花费了大量的经费,而且得出的数据结果离散性也比较大。这些问题都对制动系统的研制与开发带来诸多不便。因此，若是采用仿真方法来模拟机车制动时的各种复杂的工况及系统变化，可以节省大量的人力物力，降低了产品的开发成本与周期的。
但是，单纯的理论模型不能完全真实地反映机车实际运行情况下的制动阀变化情况，还需要对采用的仿真模型进行修正，以提高仿真结果的真实性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电空制动系统的仿真控制方法。
本发明提供一种电空制动系统的仿真控制方法，包括：
确定空气制动阀和制动实验的类型，所述实验的类型包括：初充气试验、制动充气实验、制动排气实验、缓解实验以及紧急制动实验；
根据空气制动阀和制动实验的类型，确定控制策略模型，所述控制策略模型用于按照不同类型的空气制动阀中气体流体的变化预测出相应的空气制动阀中预设点位置的气压变化；
根据所述控制策略模型输出与所述制动实验类型匹配的脉冲宽度调制PWM信号；其中，所述脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号用于控制电空制动气管路上的充气电磁阀和/或排气电磁阀的开关状态；
控制风源对电空制动气管路上的电空制动实验器进行充风，并实时检测所述电空制动实验器中的气压变化数据；
对所述气压变化数据进行预处理后，得到修正的气压变化数据；
将所述修正的气压变化数据与所述控制策略模型预测的理论气压变化数据进行比对，得到比对结果；
根据所述比对结果，调整所述控制策略模型输出的脉冲宽度调制PWM信号，得到调整后的脉冲宽度调制PWM信号；
根据所述调整后的脉冲宽度调制PWM信号控制气管路上充气电磁阀和/或排气电磁阀的开关状态，得到符合实际制动实验情况的电空制动气压变化数据。
可选地，所述确定空气制动阀和制动实验的类型，包括：
在上位机中安装的电空制动系统的仿真软件的交互界面中进行不同类型空气制动阀和制动实验的选择，其中，所述电空制动系统仿真软件用于加载不同类型空气制动阀和制动实验所对应的多个控制策略模型。
可选地，所述电空制动气管路上安装有充气电磁阀、排气电磁阀、电空制动试验器以及多个压力传感器；其中，所述电空制动试验器设置在所述充气电磁阀和排气电磁阀之间；压力传感器用于实时检测电空制动气管路和所述电空制动试验器的气压变化数据。
可选地，所述对所述气压变化数据进行预处理后，得到修正的气压变化数据，包括：
采用防脉冲干扰中位值滤波法对所述气压变化数据进行预处理，所述气压变化数据由预设时间段内的多个离散的气压数值构成；具体的：
将采集到的气压变换数据的每个气压数值进行序列扩充，得到由多个序列段组成的气压变化数据；其中，所述序列扩充是指：将任一个气压数值与前后相邻的若干个气压数值一起扩充为一个序列段；
将所述序列段中的气压数值按照从大到小的顺序进行排序，得到修正的序列段；
去除所述修正的序列段中最大值的气压数值与最小值的气压数值后，提取所述修正的序列段的中位值作为该修正的序列段的气压数值；
提取所有修正的序列段的气压数值，得到修正的气压变化数据。
可选地，所述根据所述比对结果，调整所述控制策略模型输出的脉冲宽度调制PWM信号，包括：
获取所述修正的气压变化数据与所述控制策略模型预测的理论气压变化数据之间的偏差值和所述偏差值的变化率；
将所述偏差值和所述偏差值的变化率作为修正模型的输入变量，通过所述修正模型得到调整后的脉冲宽度调制PWM信号；其中，所述修正模型是指：实际制动实验情况的电空制动气压变化数据与脉冲宽度调制PWM信号的波形参数之间的对应关系。
可选地，所述修正模型的建立步骤包括：
记录多次实际制动实验情况的电空制动气压变化数据，以及记录与实际制动实验情况的电空制动气压变化数据相对应的脉冲宽度调制PWM信号的波形参数；
将多次记录的所述脉冲宽度调制PWM信号的波形参数的数据按照预设的顺序进行排列，得到规则控制表，根据经验与大量的实验数据对所述规则控制表进行修正。
可选地，所述控制策略模型是指：通过气体流体力学理论将不同类型的空气制动阀中气体流体的变化进行理论推导，得到制动实验中空气制动阀预设点位置的压力变化数据，将各个预设点位置的压力变化数据输入到电空制动试验器的气动模型中，得到各个预设点位置的气体流动变化量，推算出控制所述预设点位置的充气电磁阀和排气电磁阀的变化规律，得出控制所述电磁阀的控制策略。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的电空制动系统的仿真控制方法，能够根据空气制动阀和制动实验的类型选择不同的控制策略模型，并将压力传感器检测到的电空制动试验器的实时压力数据与控制策略模型预测的压力变化数据进行比对，得到两者的偏差值和偏差变化率。通过偏差值和偏差变化率调整控制策略模型输出的脉冲宽度调制PWM信号，得到调整后的脉冲宽度调制PWM信号。根据调整后的脉冲宽度调制PWM信号控制气管路上充气电磁阀和/或排气电磁阀的开关状态，得到符合实际制动实验情况的电空制动气压变化数据。从而模拟出各种实际制动实验中的气压变化规律，由于其与实际实验状态相近，因此能够有效提高仿真制动实验结果的准确性，节约了实际制动实验所需的人力和物力，加快了研发和生成的周期。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的电空制动系统的仿真控制方法的流程图；
图2为应用本发明中方法的控制系统的上位机部分结构示意图；
图3为应用本发明中方法的控制系统的嵌入式处理器部分结构示意图；
图4为本发明中修正策略的原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明提供的电空制动系统的仿真控制方法的流程图，如图1所示，本发明中的方法可以包括：
S101、确定空气制动阀和制动实验的类型，所述实验的类型包括：初充气试验、制动充气实验、制动排气实验、缓解实验以及紧急制动实验。
本实施例中，可以应用图2所示的控制系统中，在上位机中安装的电空制动系统的仿真软件的交互界面中进行不同类型空气制动阀和制动实验的选择，其中，所述电空制动系统仿真软件用于加载不同类型空气制动阀和制动实验所对应的多个控制策略模型。
具体的，嵌入式处理器采集气体压力信息，传输给上位机，并交由上位机控制处理信息，针对采集数据实时对比修正控制模型的仿真控制方法。首先通过人机交互界面选择空气制动阀和制动仿真实验，上位机会根据所选择的制动仿真实验，采取不同的控制策略模型，然后将控制策略模型转化成实时的PWM信号，通过串口通信发送至嵌入式处理器。嵌入式处理器会对通过串口传输进来的命令进行处理，并执行控制命令控制电磁阀。同时压力传感器实时采集到当前系统的压力信号数据，通过总线传输到嵌入式处理器，嵌入式处理器会对采集到的原始数据进行预处理，对明显失真的信号进行修正。然后通过串口通信将预处理的数据发送到上位机。上位机会根据所选择的制动仿真实验，将嵌入式处理器已经预处理过的数据与其对应实验的理论数据模型进行对比，然后对基本控制策略进行修正，最终产生符合实际制动实验情况的气压变化数据及气体压力输出，达到仿真的目的。
S102、根据空气制动阀和制动实验的类型，确定控制策略模型，所述控制策略模型用于按照不同类型的空气制动阀中气体流体的变化预测出相应的空气制动阀中预设点位置的气压变化。
可选地，所述控制策略模型是指：通过气体流体力学理论将不同类型的空气制动阀中气体流体的变化进行理论推导，得到制动实验中空气制动阀预设点位置的压力变化数据，将各个预设点位置的压力变化数据输入到电空制动试验器的气动模型中，得到各个预设点位置的气体流动变化量，推算出控制所述预设点位置的充气电磁阀和排气电磁阀的变化规律，得出控制所述电磁阀的控制策略。
具体的，通过气体流体力学理论推导，将不同种类的空气制动阀中气体流体的系统变化进行理论推导，计算出在进行制动试验中，空气制动阀各个关键点的压力变化数据，通过将各个关键点的压力变化数据带入到进行仿真控制的电空制动试验器的气动模型中，计算出在本系统中各个关键点气体流动变化量，从而推算出控制该点电磁阀的变化规律，最终得出完整的基本控制策略。
S103、根据所述控制策略模型输出与所述制动实验类型匹配的脉冲宽度调制PWM信号；其中，所述脉冲宽度调制PWM信号用于控制电空制动气管路上的充气电磁阀和/或排气电磁阀的开关状态。
本实施例中，如图3所示的控制系统中，电空制动气管路上安装有充气电磁阀、排气电磁阀、电空制动试验器以及多个压力传感器；其中，所述电空制动试验器设置在所述充气电磁阀和排气电磁阀之间；压力传感器用于实时检测电空制动气管路和所述电空制动试验器的气压变化数据。
S104、控制风源对电空制动气管路上的电空制动实验器进行充风，并实时检测所述电空制动实验器中的气压变化数据。
S105、对所述气压变化数据进行预处理后，得到修正的气压变化数据。
本实施例中，采用防脉冲干扰中位值滤波法对所述气压变化数据进行预处理，所述气压变化数据由预设时间段内的多个离散的气压数值构成；具体的：将采集到的气压变换数据的每个气压数值进行序列扩充，得到由多个序列段组成的气压变化数据；其中，所述序列扩充是指：将任一个气压数值与前后相邻的若干个气压数值一起扩充为一个序列段。将所述序列段中的气压数值按照从大到小的顺序进行排序，得到修正的序列段。去除所述修正的序列段中最大值的气压数值与最小值的气压数值后，提取所述修正的序列段的中位值作为该修正的序列段的气压数值。提取所有修正的序列段的气压数值，得到修正的气压变化数据。具体的，以图3所示的控制系统为例进行说明，通过嵌入式处理器采集到的原始数据的预处理，通过采用防脉冲干扰中位值滤波法对原始数据进行滤波，首先将每个采集到的原始压力数据点进行序列扩充，将该点和与其前后相邻的若干个数据点扩充为序列段，然后按照从大到小的顺序进行排序处理，然后将该序列的最大值与最小值去除后，取该段序列的中位值作为该点的修正数据值，更新原始数据，最后传输到上位机中，解决了在实际工作中各种外部条件所带来的气压扰动变化。
S106、将所述修正的气压变化数据与所述控制策略模型预测的理论气压变化数据进行比对，得到比对结果。
S107、根据所述比对结果，调整所述控制策略模型输出的脉冲宽度调制PWM信号，得到调整后的脉冲宽度调制PWM信号。
可选地，获取所述修正的气压变化数据与所述控制策略模型预测的理论气压变化数据之间的偏差值和所述偏差值的变化率。将所述偏差值和所述偏差值的变化率作为修正模型的输入变量，通过所述修正模型得到调整后的脉冲宽度调制PWM信号；其中，所述修正模型是指：实际制动实验情况的电空制动气压变化数据与脉冲宽度调制PWM信号的波形参数之间的对应关系。
可选地，所述修正模型的建立步骤包括：记录多次实际制动实验情况的电空制动气压变化数据，以及记录与实际制动实验情况的电空制动气压变化数据相对应的脉冲宽度调制PWM信号的波形参数。将多次记录的所述脉冲宽度调制PWM信号的波形参数的数据按照预设的顺序进行排列，得到规则控制表，根据经验与大量的实验数据对所述规则控制表进行修正。
具体的，所述的控制模型修正策略是通过原始数据与理论模型数据相对比，采用模糊控制的方法，将采集系统内压力的偏差值和偏差的变化率，作为修正模型的输入变量，输出变量则是控制策略中PWM脉宽调制的周期时间，在系统运行中通过不断检测和通过总结项目中实际测试的经验和其他大量的专家知识，建立合适的模糊控制表，再运用模糊控制算法，得到PWM调制脉冲波形参数的规则控制表格，对其进行在线修改。
本实施例中，控制策略采用闭环修正的方式，可以实时的修改控制方式，提高仿真的仿真效果，与实际状态相逼近。
S108、根据所述调整后的脉冲宽度调制PWM信号控制气管路上充气电磁阀和/或排气电磁阀的开关状态，得到符合实际制动实验情况的电空制动气压变化数据。
本实施例中，在控制方案中提供了控制策略和基于模糊控制的修正模型，提高控制的准确性；在原始数据方面采用了基于防脉冲中值滤波法，减小了由于各种因素所带来的干扰，采用模块化思想，降低各个模块间的耦合性，提高模块内的内聚性，提高仿真验证方案的重用性和拓展性。
具体的，首先通过上位机人机交互界面选择仿真不同类型的空气制动阀以及需要进行的制动实验，包括初充气试验，制动充气实验，制动排气实验，缓解实验，紧急制动实验等。然后控制风源对电空制动试验器进行充风，通过压变传感器实时监测试验器中气压的变化，并反馈给嵌入式处理器，通过将试验器中实时数据与理论模型进行对比计算，通过控制分布在各个管路接口处的电磁阀的开关状态，控制风源对试验器内部充气与放气的流量大小，从而实现模拟货车制动实验时制动阀实际的气压变化过程及输出，最终将实验数据通过串口通信发送到上位机，通过上位机处理之后得出气压数据的变化规律，最终实现模拟电空制动实验时制动阀变化的效果。
如图2所示，采用针对采集数据实时对比修正控制模型的仿真控制方法。首先通过人机交互界面选择空气制动阀和制动仿真实验，上位机会根据所选择的制动仿真实验，采取不同的基本控制策略模型，然后将控制策略模型转化成为控制命令，通过串口通信发送至嵌入式处理器。同时接收嵌入式处理器所发送的气压数据。上位机会根据所选择的制动仿真实验，将嵌入式处理器所发送的数据与其对应实验的理论数据模型进行对比，然后根据其误差对基本控制策略进行修正，更新控制命令发送至嵌入式处理器。
如图3所示，将控制命令处理成为PWM控制命令，并执行PWM控制命令分别控制充气电池阀与排气电磁阀。同时压力传感器实时采集到当前系统内关键部位的压力信号数据，通过总线传输到嵌入式处理器，嵌入式处理器会对采集到的原始数据进行预处理，其中对明显失真的信号进行修正。然后通过串口通信将预处理的数据发送到上位机。
如图4所示，采用模糊控制的方法，将采集系统内压力的偏差值和偏差的变化率，作为修正模型的输入变量，输出变量则是控制策略中PWM脉宽调制的周期时间，在系统运行中通过不断检测和将偏差值和偏差的变化率进行模糊化处理，然后通过大量总结项目中实际测试的经验和其他专家知识后，建立合适的模糊控制表，通过模糊推理从连续的精确量中，求出相应的精确值，再通过解模糊算法，将所求得的控制量转化为PWM的周期值的控制输出，可以对制动控制模型进行在线修改。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种电空制动系统的仿真控制方法，其特征在于，包括：
确定空气制动阀和制动实验的类型，所述实验的类型包括：初充气试验、制动充气实验、制动排气实验、缓解实验以及紧急制动实验；
根据空气制动阀和制动实验的类型，确定控制策略模型，所述控制策略模型用于按照不同类型的空气制动阀中气体流体的变化预测出相应的空气制动阀中预设点位置的气压变化；其中，所述控制策略模型是指：通过气体流体力学理论将不同类型的空气制动阀中气体流体的变化进行理论推导，得到制动实验中空气制动阀预设点位置的压力变化数据，将各个预设点位置的压力变化数据输入到电空制动试验器的气动模型中，得到各个预设点位置的气体流动变化量，推算出控制所述预设点位置的充气电磁阀和排气电磁阀的变化规律，得出控制所述电磁阀的控制策略；
根据所述控制策略模型输出与所述制动实验类型匹配的脉冲宽度调制PWM信号；其中，所述脉冲宽度调制PWM信号用于控制电空制动气管路上的充气电磁阀和/或排气电磁阀的开关状态；
控制风源对电空制动气管路上的电空制动实验器进行充风，并实时检测所述电空制动实验器中的气压变化数据；
对所述气压变化数据进行预处理后，得到修正的气压变化数据；
将所述修正的气压变化数据与所述控制策略模型预测的理论气压变化数据进行比对，得到比对结果；
根据所述比对结果，调整所述控制策略模型输出的脉冲宽度调制PWM信号，得到调整后的脉冲宽度调制PWM信号；
根据所述调整后的脉冲宽度调制PWM信号控制气管路上充气电磁阀和/或排气电磁阀的开关状态，得到符合实际制动实验情况的电空制动气压变化数据。
2.根据权利要求1所述的电空制动系统的仿真控制方法，其特征在于，所述确定空气制动阀和制动实验的类型，包括：
在上位机中安装的电空制动系统的仿真软件的交互界面中进行不同类型空气制动阀和制动实验的选择，其中，所述电空制动系统仿真软件用于加载不同类型空气制动阀和制动实验所对应的多个控制策略模型。
3.根据权利要求1所述的电空制动系统的仿真控制方法，其特征在于，所述电空制动气管路上安装有充气电磁阀、排气电磁阀、电空制动试验器以及多个压力传感器；其中，所述电空制动试验器设置在所述充气电磁阀和排气电磁阀之间；压力传感器用于实时检测电空制动气管路和所述电空制动试验器的气压变化数据。
4.根据权利要求1所述的电空制动系统的仿真控制方法，其特征在于，所述对所述气压变化数据进行预处理后，得到修正的气压变化数据，包括：
采用防脉冲干扰中位值滤波法对所述气压变化数据进行预处理，所述气压变化数据由预设时间段内的多个离散的气压数值构成；具体的：
将采集到的气压变换数据的每个气压数值进行序列扩充，得到由多个序列段组成的气压变化数据；其中，所述序列扩充是指：将任一个气压数值与前后相邻的若干个气压数值一起扩充为一个序列段；
将所述序列段中的气压数值按照从大到小的顺序进行排序，得到修正的序列段；
去除所述修正的序列段中最大值的气压数值与最小值的气压数值后，提取所述修正的序列段的中位值作为该修正的序列段的气压数值；
提取所有修正的序列段的气压数值，得到修正的气压变化数据。
5.根据权利要求1所述的电空制动系统的仿真控制方法，其特征在于，所述根据所述比对结果，调整所述控制策略模型输出的脉冲宽度调制PWM信号，包括：
获取所述修正的气压变化数据与所述控制策略模型预测的理论气压变化数据之间的偏差值和所述偏差值的变化率；
将所述偏差值和所述偏差值的变化率作为修正模型的输入变量，通过所述修正模型得到调整后的脉冲宽度调制PWM信号；其中，所述修正模型是指：实际制动实验情况的电空制动气压变化数据与脉冲宽度调制PWM信号的波形参数之间的对应关系。
6.根据权利要求5所述的电空制动系统的仿真控制方法，其特征在于，所述修正模型的建立步骤包括：
记录多次实际制动实验情况的电空制动气压变化数据，以及记录与实际制动实验情况的电空制动气压变化数据相对应的脉冲宽度调制PWM信号的波形参数；
将多次记录的所述脉冲宽度调制PWM信号的波形参数的数据按照预设的顺序进行排列，得到规则控制表，根据经验与大量的实验数据对所述规则控制表进行修正。
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