顧建凱， 趙德生

(1. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院機車車輛學院， 江蘇 南京 210031；2. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院通信信號學院， 江蘇 南京 210031)

引 言

接觸網(wǎng)電能通過穩(wěn)定運行的弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)進入車體給予車輛中相關(guān)用電設備用電保障,這在車輛安全運行中起到了關(guān)鍵作用，同時良好的弓網(wǎng)耦合也能夠減少受電弓滑板的過度磨損或者弓網(wǎng)之間產(chǎn)生的拉弧現(xiàn)象[1]。本文旨在研究以影響弓網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的相關(guān)參數(shù)指標作為反饋對受電弓氣囊氣壓進行隨動調(diào)整的受電弓主動系統(tǒng)，并且該控制系統(tǒng)結(jié)合了強調(diào)機車運用控制經(jīng)驗和知識的模糊控制算法，并通過仿真研究證明了該控制系統(tǒng)的可行性。

1 弓網(wǎng)耦合性能影響要素

弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)能否良好運行在一定的工作環(huán)境下由弓網(wǎng)之間的接觸力決定，而弓網(wǎng)之間的接觸力由以下幾個方面構(gòu)成:①與氣囊充氣后產(chǎn)生的升弓力矩有關(guān)的受電弓靜態(tài)接觸力Fs；②與列車運行速度有關(guān)的空氣抬升力Fl；③弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的動態(tài)接觸力Fd[2]。

因此，接觸力F=Fs+Fl+Fd。

而以上的接觸力影響要素中空氣抬升力和動態(tài)接觸力很難去主動調(diào)整改變，所以目前研究方向主要以對通過主動或者半主動控制對靜態(tài)接觸力進行調(diào)整，有些學者還進行了在原有受電弓結(jié)構(gòu)框架中加入第三方動作設備進行接觸力數(shù)值干預。而本論文的研究方向為：在不改變受電弓原有機械動作結(jié)構(gòu)的接觸上對氣路部分進行主動控制系統(tǒng)嵌入設計，所以研究設計的落腳點為貼合當下機車運行工況要求對受電弓氣囊進行充排氣，以尋求適時地主動改變弓網(wǎng)接觸力的結(jié)果。

2 受電弓現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及應用問題

目前鐵路電力列車基于一定的邏輯控制條件并落實到具體電路和氣路控制來實現(xiàn)受電弓的升降弓控制，并且整個受電弓控制模塊合理地嵌入到機車控制系統(tǒng)當中。以HXD1C為例進行說明，其以中央控制管理系統(tǒng)CCU為信息檢測控制中心，進行對受電弓升弓模式和條件的判斷，并最終經(jīng)由受電弓控制閥板進行受電弓升降弓氣路的整定完善，而受電弓控制閥板包含了受控于CCU的電空閥、空氣過濾器、升降弓時間調(diào)整的節(jié)流閥、氣路壓力調(diào)整的精密調(diào)壓閥、顯示氣路氣壓值的壓力表、氣路保護的安全閥以及檢測氣路氣壓閾值的壓力傳感器[3]。其控制閥板的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 受電弓控制結(jié)構(gòu)圖

該受電弓控制系統(tǒng)在實際應用過程中，由于列車自身運行狀況欠佳，系統(tǒng)不能及時反饋會引起欠穩(wěn)定運行結(jié)果，包括：①雖然精密調(diào)壓閥起到了整定氣路氣壓的作用，但也存在了當輸入氣壓小于整定氣壓要求時難以滿足升弓氣壓要求而造成了弓網(wǎng)接觸壓力小于額定值；②當氣囊漏氣快排閥難以及時作用而造成弓網(wǎng)接觸壓力小于額定值[4]；③由于列車運行速度的改變，受電弓控制系統(tǒng)難以及時做出反應造成弓網(wǎng)接觸力不符合實際運行需求。以上狀況都會造成受電弓與接觸網(wǎng)之間發(fā)生不良接觸造成拉弧或者碳滑板過度磨損現(xiàn)象。

3 基于模糊控制的控制系統(tǒng)設計

弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)是非線時變動力學系統(tǒng)，采用一般線性控制策略與方法難以達到系統(tǒng)預期效果，因此不受被控制對象的精確數(shù)學模型以及依賴于系統(tǒng)工作經(jīng)驗數(shù)據(jù)和原理的模糊控制方式可以成為構(gòu)建受電弓主動或是半主動控制的理論構(gòu)建基礎，并且模糊控制系統(tǒng)的魯棒性較強，對系統(tǒng)過程參數(shù)的變化不敏感，善于表達界限不清楚的定性知識與經(jīng)驗。

本文設計系統(tǒng)的構(gòu)成框架如圖2所示，其中列車速度傳感器實時檢測列車運行速度并由控制系統(tǒng)根據(jù)當下速度進行氣囊要求值匹配，而后檢測碳滑板下方受力和碳滑板本身的加速度得知弓網(wǎng)之間實際接觸壓力。得知的實際接觸力與需求接觸力進行差值計算并作為模糊控制系統(tǒng)的輸入量，而模糊控制系統(tǒng)的輸出量充排氣電磁閥線圈通電時間作為氣囊氣壓執(zhí)行器的觸發(fā)信號。

圖2 系統(tǒng)總結(jié)結(jié)構(gòu)圖

列車的運行速度與弓網(wǎng)目標接觸力之間關(guān)系通過現(xiàn)場長時間的運行經(jīng)驗得到，可以明確的是當機車速度低于120 km/h時，需求接觸力要求趨于F0=70 N；當列車速度范圍為120-200 km/h，平均需求接觸壓力Fn為(60，0.00047V2+90]；當列車速度范圍為250-350 km/h，平均需求接觸壓力Fn≤0.00097V2+70。

系統(tǒng)通過碳滑板下方壓力傳感器進行碳滑板受到下方機械四連桿的支撐力Fs，并且經(jīng)由加速度傳感器進行碳滑板加速度值a的測定,同時明確碳滑板的質(zhì)量為m。于是可以算得實際接觸壓力為F=Fs+ma。

同時系統(tǒng)時刻對受電弓氣囊氣壓進行檢測以監(jiān)測是否因為輸入氣壓不足或是氣囊物理破損導致氣囊氣壓小于要求值，此現(xiàn)象經(jīng)過反復檢測依舊存在，將信息反饋于控制系統(tǒng)進行故障降弓處理。

3.1 模糊控制結(jié)構(gòu)

模糊控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，其由模糊化、推理機、規(guī)則庫以及反模糊化等模塊組成。由此本論文所設計的受電弓主動控制系統(tǒng)核心部件為控制器的設計，其包括模糊規(guī)則、模糊化與反模糊化方法、模糊變量輸入輸出變量論域等方面的設計工作；模糊規(guī)則選取包括語言變量設定、語言值隸屬度設計和構(gòu)建模糊推理規(guī)則等[5]。

圖3 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 模糊控制器的輸入輸出

本系統(tǒng)的模糊控制部分以機車當下接觸壓力偏差偏差e(t)=Fn(t)—F(t)和接觸力偏差變化率de(t)/dt作為控制器輸入變量，以氣囊氣壓要求作為控制器的輸出變量P(t),其數(shù)值為充排氣電空閥線圈得電時間。依據(jù)現(xiàn)場設備應用經(jīng)驗，接觸壓力e(t)的論域取為[-200 200]N，偏差變化率論域取為[-2000 2000]N/s，P(t)論域取為[-2，2]s，其中正值為充氣狀態(tài)，負值為排氣狀態(tài)。

3.3 輸入輸出量模糊化

根據(jù)模糊控制系統(tǒng)自身構(gòu)造特征，輸入輸出變量值域以貼合人類非具體數(shù)值的語言表達形式，類似于“極大”、“大”、“小”等定性描述。以此為依據(jù)對本論文中的接觸力偏差以及偏差變化率設定了相同的語言值域，也即T(e)=T(de)={負大，負小，零，正小，正大}，對輸出變量P(t)設定為{負大，負小，零，正小，正大}。各自語言值對應上文所提的數(shù)值連續(xù)論域，并以三角形隸屬度曲線表達其中的關(guān)系，圖4和圖5分別表達了e, de及P的隸屬度曲線。

圖4 輸入量E和de的隸屬度函數(shù)

圖5 輸出量P的隸屬度函數(shù)

3.4 控制規(guī)則表

該模糊控制系統(tǒng)的推理知識庫設置遵循以下要求：①當接觸力誤差較大時，輸出控制量的數(shù)值選擇以消除誤差為目標；②當誤差較小時，輸出控制量的數(shù)值選取以保持系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)為目標?；谝陨弦蟛⒔Y(jié)合現(xiàn)場應用經(jīng)驗設計了如表1所示的模糊推理規(guī)則表。

表1 模糊推理規(guī)則表

通過以上控制規(guī)則建立以及輸入輸出論域隸屬度化后，在MATLAB進行觀察規(guī)則視圖如圖6所示。

圖6 模糊控制規(guī)則視圖

3.5 輸出量反模糊化

經(jīng)過模糊控制系統(tǒng)得到的氣囊充排氣時間P是語言值，在實際應用中必須要轉(zhuǎn)化成實際的充排氣時間數(shù)值，系統(tǒng)以該值為標準通過氣壓傳感器實時檢測當下氣壓從而有序地控制充排氣電磁閥工作進而讓弓網(wǎng)接觸力能夠匹配當下速度要求。本設計采用較為簡單可靠的重心法進行充排氣時間數(shù)值確定。

4 結(jié) 論

本論文旨在設計根據(jù)列車當下速度，結(jié)合弓網(wǎng)耦合時下的實際接觸力參數(shù)并通過所設計的模糊控制系統(tǒng)進行接觸力優(yōu)化，同時考慮了由于現(xiàn)有受電弓結(jié)構(gòu)自身缺陷加入了氣囊實時檢測環(huán)節(jié)以達到對弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，能夠滿足列車在各個運行速度下的受電弓接觸力目標要求，提高受電弓的受流穩(wěn)定性。