（交通信息工程及控制专业论文）驼峰目的制动位应急防撞减速器的研究.pdf

中文摘要 摘要：调车驼峰是铁路编组站的核心设备，是提高铁路货物运输能力的关键设备。 驼峰自动化的核心内容是车组溜放速度控制，主要通过减速器制动位实现。目前 减速器制动位主要存在两个问题：一是制动位失控造成超速连挂、撞坏车辆，这 种现象普遍存在，严重影响铁路安全生产，而且至今国内尚没有专用的目的制动 位应急防撞设备；二是车辆溜放速度控制模型存在缺陷，采用静态的公式和模型 分析复杂的动态变量，控制效果不佳。 本论文针对上述问题，对驼峰目的制动位应急防撞减速器进行了研究。采用 全新设计的机械构造和摩擦制动轨，在此基础上，建立了目的制动位速度控制系 统的模糊神经网络模型，并设计了减速器自动控制系统的硬件和软件。论文的工 作重点包括以下方面： 对目的制动位速度控制系统进行建模仿真。考虑车辆溜放的特点，采用了不 需要建立精确模型的模糊神经网络模型。模型以车辆入口速度、车重和车组辆数 作为输入变量，通过对样本数据的计算分析获得输入和输出变量之间的关系，对 入口和出口的速度差进行预测，进而求得出口速度。采用经过加动量项和变步长 法改进的b p 算法进行前向计算和误差反向传播，修改模型参数。模型具有自学习、 白适应能力，能够更好地克服传统控制模型的缺点。利用m a t l a b 进行了仿真验证， 仿真结果表明模型能够正确和有效地对出口速度进行预测。 在建模的基础上，结合减速器的机械构造，完成了对减速器的嵌入式主控制 板和股道控制板的硬件和软件的设计。主要实现的功能是：从驼峰主计算机接收 超速信息，启动第一台减速器，然后通过模糊神经网络的分析计算，确定后两台 减速器的启动策略，并将减速器的制动、缓解状态显示在l c d 上。硬件设计以嵌 入式芯片l p c 2 2 1 4 为核心，包括r s 4 8 5 串口信息接收，制动、缓解电路及其状态 表示电路，l c d 显示等模块。软件设计的核心内容是在模糊神经网络模型中对信 息的分析判断和处理。 图3 4 幅，表2 个，参考文献5 1 篇。 关键词：驼峰；目的制动位；减速器；速度控制；模糊神经网络；b p 算法；嵌入 式系统 分类号：u 2 9 1 4 a bs t r a c t a b s t r a c t ：s h u n t i n gh u m pi st h ec o r ee q u i p m e n to ft h er a i l w a ym a r s h a l l i n gy a r da n d t h ek e ye q u i p m e n tt o i m p r o v et h er a i l w a yf r e i g h tt r a n s p o r t a t i o na b i l i t y t h eg o r eo f h u m pa u t o m a t i o ni st h ec o n t r o lo fc a r s r o l l i n gs p e e d ，w h i c hi sr e a l i z e dm a i n l yb y r e t a r d e rb r a k i n gl o c a t i o n p r e s e n t l yt h e r ea r et w o e x i s t i n gp r o b l e m sw i t hr e t a r d e r b r a k i n gl o c a t i o n ：f i r s t ，t h eo u to fc o n t r o lo fr e t a r d e rb r a k i n gl o c a t i o nc a u s i n go v e r s p e e d c o u p l i n ga n dc r a c k i n gu pc a r s ，w h i c hi su b i q u i t o u sa n ds e r i o u s l ya f f e c t sr a i l w a ys a f e t y p r o d u c t i o n ，a n d t h e r e sn o s p e c i a lo b j e c t i v eb r a k i n gl o c a t i o ne m e r g e n c y c o l l i s i o n 。a v o i d a n c ee q u i p m e n t ；s e c o n d ，t h em o d e lo fc a r sr o l l i n gs p e e dc o n t r o lh a s d e f e c t s ，a n a l y z i n gc o m p l i c a t e dd y n a m i cv a r i a b l e sw i t hs t a t i cf o r m u l a sa n dm o d e l ，t h e c o n t r o le f f e c ti sn o tg o o d a i m i n g a tt h ep r o b l e m sa b o v e ，t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h es t u d yo nh u m p o b j e c t i v eb r a k i n gl o c a t i o ne m e r g e n c yc o l l i s i o n a v o i d a n c er e t a r d e r o nb a s i so f b r a n d - n e wd e s i g nm a c h i n e r yc o n s t r u c t i o na n df r i c t i o n a lb r a k i n g r a i l s ，a l lo b j e c t i v e b r a k i n gl o c a t i o ns p e e dc o n t r o ls y s t e mm o d e li sb u i l tu s i n gf u z z yn e u r a ln e t w o r k ，a n d h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h er e t a r d e ra u t o c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t h ek e y w o r k so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： m o d e l i n ga n de m u l a t i n go no b j e c t i v eb r a k i n gl o c a t i o ns p e e dc o n t r o ls y s t e m c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a r s r o l l i n g , t h ef u z z yn e u r a ln e t w o r km o d e l w h i c h d o e s n tn e e dap r e c i s em o d e li sa d o p t e d t h em o d e lt a k e se n t r a n c es p e e da tr e t a r d e r , w e i g h to fc a r sa n dn u m b e r so fc a r sa si n p u tv a r i a b l e s ，o b t a i n st h er e l a t i o n sb e t w e e n i n p u ta n do u t p u tv a r i a b l e sb yc o m p u t i n ga n da n a l y z i n gs a m p l ed a t a ，a n dp r e d i c t st h e s p e e dd i f f e r e n c eb e t w e e ne n t r a n c ea n dr e l e a s es p e e d ，t h e nt h er e l e a s es p e e di so b t a i n e d t h ef o r w a r dc o m p u t i n g , b a c k w a r d p r o p a g a t i o no fe r r o rs i g n a l sa n dp a r a m e t e r s m o d i f i c a t i o ni st a k e nu s i n gb pa l g o r i t h mi m p r o v e db ya d o p t i n ga d d i t i o n a lm o m e n t u m a n dv a r i a b l es t e ps i z em e t h o d t h em o d e lh a ss e l f - l e a r n i n ga n ds e l f - a d a p t i v ea b i l i t y , w h i c hc a no v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lc o n t r o lm o d e lm o r ee f f e c t i v e l y b y t a k i n ge m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o nu s i n gm a t l a b ，t h ee m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e m o d e lc a np r e d i c tt h er e l e a s es p e e da c c u r a t e l ya n de f f e c t i v e l y t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ee m b e d d e dm a i nb o a r da n dt r a c kc o n t r o l b o a r di sb a s e do nm o d e lb u i l d i n g ，a s s o c i a t e dw i t ht h em a c h i n e r yc o n s t r u c t i o no ft h e r e t a r d e r t h em a i nf u n c t i o ni s ：r e c e i v et h eo v e r s p e e di n f o r m a t i o nf r o mt h eh u m ph o s t c o m p u t e r , e n a b l et h ef i r s tr e t a r d e r , t h e nm a k et h ee n a b l es t r a t e g yo ft h en e x tt w o r e t a r d e r sb yt h ea n a l y s i so ff u z z yn e u r a ln e t w o r k ，a n dd i s p l a yt h eb r a k ea n dr e l e a s e s t a t eo ft h er e t a r d e ro nl c d t h eh a r d w a r ed e s i g ni st a k e ne m b e d d e dc h i pl p c 2 2 14a s i t sc o r e ，i n c l u d i n gr s - 4 8 5s e r i a lp o r td a t ar e c e p t i o n ，b r a k ea n dr e l e a s ec i r c u i ta n ds t a t e e x p r e s s i o nc i r c u i t ，a n dl c d m o d u l e t h ec o r eo fs o f t w a r ed e s i g ni sa n a l y z i n g , j u d g i n g a n dh a n d l i n go fi n f o r m a t i o ni nt h ef u z z yn e u r a ln e t w o r km o d e l k e y w o r d s ：h u m p ；t a r g e tb r a k i n g ；r e t a r d e r ；s p e e dc o n t r o l ；e m b e d d e ds y s t e m ；f u z z y n e u r a ln e t w o r k ；b a c kp r o p a g a t i o na l g o r i t h m c l a s s n 0 ：u 2 9 1 4 v 图索引 图1 1 驼峰减速器制动位设置2 图2 1 车辆在坡道上溜放时的作用力分析7 图2 2 能高线原理图9 图3 1 模糊逻辑控制系统的原理图一1 4 图3 2 神经元的结构模型1 5 图3 3 入口速度k 。的隶属度函数2 0 图3 4 车重g 的隶属度函数2 1 图3 5 车组辆数的隶属度函数2 2 图3 6 目的制动位速度控制的模糊神经网络模型2 4 图3 7 目的制动位速度控制模糊神经网络算法流程图3 0 图3 8 误差变化曲线3 2 图3 9 训练样本的统计分析3 2 图3 1 0 测试样本的统计分析3 3 图3 1 l 入口速度与速度差值的关系3 4 图3 1 2 车重与速度差值的关系3 4 图3 1 3 车辆数与速度差值的关系3 5 图4 1 减速器的位置设置3 7 图4 2 减速器机械构造3 8 图4 3 减速器自动控制系统原理框图4 l 图4 4 硬件结构框图4 5 图4 5r s - 4 8 5 串口接收模块4 6 图4 6r s _ 4 8 5l c d 显示模块4 7 图4 7 制动电磁阀启动模块4 8 图4 8 缓解电磁阀启动模块4 8 图4 9 制动、缓解状态表示模块4 9 图4 10 电源模块4 9 图4 1 l 晶振模块一5 0 图4 1 2 复位模块一5 0 图4 1 3j t a g 模块5 0 图4 14 程序模块图5l 图4 15 主程序流程图一5 2 图4 16 串口数据接收模块流程图5 3 图4 1 7 模糊神经网络程序流程图：5 5 图4 1 8l c d 数据发送流程图5 6 6 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 糊躲强知够 签字日期：沙i 。旷年占月l z 日 导师躲哼薅 签字日期：砂诱年j 1 1 7 - 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储摊稍、南夥辩嗍删引即日 致谢 本论文的工作是在我的导师叶唏副教授的悉心指导下完成的，叶老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来叶老 师对我的关心和指导。 叶老师对我在公司的实习进行了细致的安排：硬件实习，设计电路，制作电 路板，嵌入式系统的编程和调试，循序渐进，最终完成公司的项目。毕业论文也 是铁道部的重点课题。在此向叶老师表示衷心的谢意。 在公司实习期间，杨学民主任，张振国、杨焕军、鲁家良、段帅全等工程师 都对我给予了热情帮助，在此表示衷心的感谢。 在撰写论文期间，张严心老师，任忠杰、孟祥龙、李斌、刘嵩和贾琰等同学 对我论文中的模糊神经网络理论的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我 的感激之情。 另外也感谢我的家人，在我最困难的时候，是他们的支持使我坚持不抛弃、 不放弃。 1 绪论 1 1 驼峰自动化的背景及意义 在我国的国民经济和交通运输系统中，铁路运输占有极其重要的地位l l j 。铁路 客货运输具有运量大、成本低、速度快、安全可靠、能全天候运输等众多优势。 其中，长距离、大运量的货物运输，更是我国铁路运输的主要特征，对国民经济 的发展具有极其重要的意义。因此，需要不断发展和提高铁路运输能力。 提高铁路运输能力的具体方法有很多，比如提高货车装载能力，铁路提速等 等。而在世界铁路运输界，公认的提高铁路运输能力的最关键之处并不在于“拉 得多、跑得快”，而是在于列车编组，由编组站【2 】来完成。编组站是铁路运输的重 要生产单位，是铁路网上集中办理大量货物列车到达、解体、编组出发、直通和 其它列车作业的车站，是保障铁路货运能力提高的主要环节之一，有“货物列车 制造工厂之称【3 】。其主要工作就是列车编组，把货物列车中的车辆解体，然后按 其去向重新集结编组成新的列车，向目的站方向发车。 但是从我国铁路路网的实际情况来看，随着铁路货车既有线提速的进行和深 入，铁路运输能力紧张，点线能力不协调，编组站编组能力不足，是制约我国铁 路运输能力提高的主要因素【2 ，3 】。据数据统计，在车辆的全周转时间内，车辆在编 组站的作业与停留时间约占5 0 左右【3 】，由此可见，提高编组站的作业效率，实现 编组站自动化，对于提高铁路运输能力起着举足轻重的作用。 调车驼峰【3 】，是完成货物列车解体作业的核心设备，也是编组站的主要调车设 备。调车驼峰的作业能力，决定了整个编组站的改编能力，驼峰自动化是实现编 组站自动化的最核心部分。驼峰自动化【2 卅一般包括驼峰车辆溜放速度自动控制、 溜放进路和调车进路联锁控制、推峰机车速度控制和货车信息处理等捧】。而驼峰车 辆溜放速度自动控制是驼峰自动化的核心，它主要使用车辆减速器等调速设备来 控制车组的溜放速度，在提高作业效率的前提下，实现车组与前方停留车辆的安 全连挂。 1 2 驼峰车辆溜放速度控制的原理及发展现状 驼峰调车的基本原理【2 ，3 1 是：调车机车将车组推上峰项，摘开车钩后，车组凭 借所获得的势能和车辆的自身重力向下自动溜放，根据去向的不同溜入不同的股 道，安全连挂后再由机车牵引发车。在溜放过程中，需要安装不同的调速工具对 车辆溜放的速度进行调节。 驼峰车辆溜放速度控制【2 ，3 1 的内容包含以下几个方面：制动位设置，调速工具 设置，以及调速方法的选择。 1 2 1制动位设置 根据制动目的的不同，可以将制动位【2 5 1 的设置分为两类： 1 间隔制动【2 - 5 】 间隔制动( b r a k i n gf o ri n t e r n a l ) 的作用是保持前后溜放车辆间必要的间隔距离。 该距离能使道岔来得及转换，使减速器能及时转换其制动或缓解的状态，以使车 辆顺利通过溜放部分进入调车线。 2 目的制动【2 - 5 1 、 溜放部分 打靶区 连挂巨 加速区高速区减速区 一一- 一“- “ j l 鄙位减速器l l l 邵位减速器 图1 1 驼峰减速器制动位设置 f i g u r e1 it h es e to fh u m pr e t a r d e r l o c a t i o n 目的制动( o b j e c t i v eb r a k i n g ) 是为调车场内的停车制动创造条件，使车辆能停在 调车线上预定地点，不与停留车辆发生冲撞或相距太远而造成过大的“天窗 。本 课题是关于目的制动位应急防撞减速器的研究，主要考虑的因素以及参照和依据 的都是目的制动位的制动原理。 2 制动位具体设置方案是：在溜放线路上设置三个制动位：i 、i i 、i i i 部位。 i 、i i 部位设在驼峰头部咽喉区，主要用作间隔制动；i i i 部位设在调车线上，主 要用作目的制动。每个制动位都设有减速器用于制动调速。在i i i 部位之后，设置 连续式调速工具，如减速顶，直至调车线尾部。具体设置及其在溜放线上的位置 如图1 1 所示。 1 2 2调速工具设置 调速工到2 ，3 ，9 1 是完成间隔调速和目的调速的执行设备，其性能在一定程度上影 响调速的效果。调速工具按作用分类，可以分为间隔调速工具和目的调速工具两 类。按制动方式分类，可以分为钳夹式车辆减速器【3 埘和非钳夹式车辆减速器【3 ，9 】 两类。钳夹式车辆减速器借助于车轮两侧制动夹板上的水平方向制动力对车轮施 加压力而产生摩擦力，从而使车辆减速。非钳夹式车辆减速器的制动力或由减速 器内部部件的摩擦产生，或由感应电流产生，或由其他方式产生。目前国内外使 用较多的、效果较好的是钳夹式车辆减速器。钳夹式车辆减速器按其制动力的来 源，又可分为外力式和重力式两种。下面简要介绍这两种减速器的工作原理。 1 外力式车辆减速器【3 ，9 】 外力式车辆减速器的制动力由外力产生。当外力一定时，其制动力是常数， 与车重无关。例如t j k 型车辆减速器，是以压缩空气为动力的钳夹式减速器。 这种减速器通过压缩空气进入制动缸推动制动夹板对溜放车辆的轮对产生侧压 力，使车辆减速。制动力的大小由压缩空气的压力决定。 2 重力式车辆减速器【3 , 9 j 重力式车辆减速器是利用被制动车辆本身的重量，通过可浮动基本轨及制动 钳的传递，使安装在制动钳上的制动轨对车轮两侧产生侧压力而进行制动。它的 制动力与被制动车辆的重量成正比。即车辆越重，制动力越大。这个特点给溜放 速度的自动控制创造了有利条件，这是使它得到大力发展的原因之一。 重力式车辆减速器按可浮动基本轨及制动夹板【1 7 , 1 8 】起落的动力不同，又可分 为以下三种州： ( 1 ) 液压重力式车辆减速器，如t 眦、t j y 2 a 型； r 2 ) 气动重力式车辆减速器，如t j k 2 、t j k 2 a 型； ( 3 ) 液压、气动两用车辆减速器，如t j y 3 、t j k 3 型。 1 2 3驼峰调速方法的发展 3 调速方法指的是减速器出口速度的传统确定方法。其理论基础是传统的基于 车辆自由溜放的数学模型。这个模型有其固有缺陷，不是很合理，我们将在第二 章中建立基于模糊神经网络的速度控制模型。下面简单介绍一下目的制动位出口 速度的两种传统确定方法。 1 计算法【3 j 计算法采用的计算公式是由传统的基于车辆自由溜放的数学模型得出的。其 主要建立在把车组视为质点，阻力作为各因素对车辆溜放状态的综合影响的基础 上的，这里的因素主要包括车辆自身因素、站场因素和气候因素等几个方面。但 是其中有很多因素的精确测量和计算是有一定困难的，而且非常复杂，现有的计 算模型考虑很不全面，误差较大，而且这个模型没有自学习和自适应能力。 因而用计算法来确定减速器出口速度不仅计算复杂，而且由于模型本身存在 局限性，难免会有系统误差和计算误差，在实际控制过程中使用效果不是很好。 在实际控制过程中，使用较多的方法是查表法。 2 查表法1 3 j 查表法的主要思想是根据溜放速度计算公式计算或根据操作员的长期操作经 验给定出口定速表。在车组进入减速器区段前，根据车组的走行性能、股道空闲 长度等信息直接查表得到车组的出口速度，车组进入减速器区段后，控制车组的 速度，使其达到出口定速。 查表确定减速器出口速度的方法有一定的实用性，一般情况下能够达到一些 预期效果，但系统自学习和自适应能力较差，而且由于驼峰溜放车辆打靶是开环 控制，这就在一定程度上限制了调速的效果和当外界因素变化时的随机适应能力， 影响了作业效率和安全。 1 3 课题研究背景及意义 前面已经提到，在驼峰溜放线上，设置了i 、1 i 、i i i 三个减速器制动位用于 车辆溜放速度控制。一般情况下，减速器工作正常，能够有效地控制车辆实现安 全连挂。但是在驼峰解体作业中，由于货车的车轮污染或薄轮造成减速器制动位 失控，造成超速连挂、撞坏车辆的现象普遍存在【9 】。目前国内采取的措施是在目的 制动位后打靶区设置脱鞋道叉，对超速溜放车辆进行人工放铁鞋制动，作为应急 防撞措施。这种办法存在相当大的人身安全隐患，对列车轮对也有损害，而且放 铁鞋应急防撞很难做到准确及时。例如，徐州北站【l o 】自2 0 0 5 年1 2 月至2 0 0 7 年9 月总计发生超速连挂2 3 0 次，车损2 4 辆，据徐州北站对该情况的分析和统计，因 减速器制动力弱，出口超速造成车辆损坏扣修1 3 次，扣修车辆1 6 辆，占撞车扣 4 修车总数的6 6 7 。虽然采取了很多措施但仍未找到很好的办法。据悉，类似徐州 北站的这种情况在全路各个编组站驼峰作业中均不同程度的存在，已成为影响铁 路安全生产的大问题，其经济损失也不可忽视【1 9 。2 1 1 。 至今国内尚没有专用的目的制动位应急防撞设备，而且据调查，与国内t j k 、 t j y 等型号减速器相比较，同类型的国外减速器均使用了专用制动轨，其摩擦 制动性能比较优良，但因价格昂贵、技术保密而无法引进【2 2 乃】。因此，研发和应 用目的制动位应急防撞减速器属国内首创，研制成功后形成的新产品，可以填补 国内技术空白。可以有效地实现减速制动，防止撞坏车辆，对非i f 常超高速车辆 能减少损失，消除人身安全隐患，具有可靠显著的安全效益和巨大的经济效益。 减速器的具体设置是：在驼峰目的制动位现有减速器之后连续设置三台相同 配置的五节六支撑减速器。要根据车辆在减速器的入口速度、车重、车辆数等因 素以及单台减速器的制动性能，科学决定减速器的启动策略，即要建立合理的车 辆溜放速度控制模型，设计出合理的算法。 传统的车辆溜放速度控制模型3 j 有其固有缺陷，对复杂多变的因素采用不变的 公式，比较机械，难以反映出驼峰调车现场各种参数的变化，缺乏自学习和自适 应的能力，控制效果不能达到安全合理的要求，所以必须研究新的具有自学习和 自适应能力的控制算法及模型。由于车辆溜放速度控制过程【5 】具有非线性，车辆走 行阻力的影响因素及其复杂，难以用公式精确计算，加上许多参数存在时变性和 不确定性，而且相互之间又有交叉耦合，使得溜放车辆在减速器的出口速度的精 确数学模型很难建立。因此我们换一种思路，在能达到良好的控制效果的条件下， 考虑使用不需要精确数学公式的模型。 在驼峰车辆溜放现场，存在一个普遍的事实是：计算机自动调速的效果往往 不如调速作业员手动调速的效果好，也就是常说的“机控不如人控 。这是因为调 速作业员通过学习、试验及长期的经验积累，形成了一套手动和人工给定出口速 度的控制策略，存储在大脑中。他们通过对车辆溜放作业状况的不精确的观测， 再根据自己的经验积累进行综合分析，作出模糊控制决策，给定出口速度。 这种工作方式和模糊逻辑控制的思路很是相似。模糊逻辑具有模仿人脑的逻 辑思维的特点，很适合处理模型未知或不精确的控制问题，它的主要理论基础是 模糊集合论和模糊规则。但是模糊逻辑系统的自学习能力差，且隶属度函数和模 糊控制规则不好科学确定。而神经网络可通过对样本数据的学习来隐式获取并修 改隶属度函数和模糊控制规则，具有自学习和自适应的能力。这样，就把模糊逻 辑控制和神经网络】的优点结合起来，使得系统的模型既能够准确反映溜放现场 的实际状况，同时又具有自学习和自适应的能力，能够根据溜放现场车辆状况的 变化自行调整参数，使得控制效果不断得到优化 2 3 , 2 5 】。 5 因此，我们决定采用模糊神经网络来构造驼峰车辆溜放速度控制的模型，然 后在此基础上自动预测减速器的出口速度，确定减速器的启动策略，设计自动控 制系统的嵌入式主控制板和股道控制板，并进行基于模糊神经网络模型的软件编 写。 1 4 论文研究内容 本文共分五章，主要内容是关于驼峰目的制动位应急防撞减速器速度控制系 统的模糊神经网络建模研究，以及减速器自动控制系统的硬件和软件设计。 第一章，介绍了驼峰自动化的背景及意义，简要介绍了驼峰车辆溜放速度控 制的基本原理及发展现状，以及课题研究的背景及意义。提出采用模糊神经网络 建立驼峰目的制动位应急防撞减速器的速度控制模型，简要说明了采用模糊神经 网络的优点，最后给出了论文的章节安排。 第二章，详细介绍了关于驼峰车辆溜放速度控制的原理。首先进行了车辆溜 放的动力学分析，介绍了能高线原理和传统的减速器出口速度计算公式；然后分 析了影响车辆溜放的因素，包括车辆自身因素、站场因素和气候因素。这一部分 是建模的理论基础之一，对于输入变量和参数的选择和确定有重要指导意义。 第三章，本文的重点部分。应用模糊神经网络对驼峰目的制动位应急防撞减 速器速度控制进行建模，包括输入变量及其隶属度函数的确定，模糊神经网络模 型的结构，经过改进的b p 算法的应用，最后给出算法的实现流程，并进行仿真， 得出仿真图形及结论。 第四章，本文的设计部分。简要介绍了目的制动位应急防撞减速器的位置设 置及其机械构造，分析了减速器自动控制系统的组成结构、工作原理和工作流程。 然后详细叙述了减速器自动控制系统的核心部分嵌入式主控制板和股道控制 板的硬件设计，以及基于模糊神经网络的软件设计思路。 第五章，总结与展望。对全论文所作的工作进行总结，讨论了本研究的不足 和对将来主要工作的展望。 最后是参考文献列表。 6 2 驼峰车辆溜放速度控制的基本原理 驼峰车辆的自由溜放过程，是一个非常复杂的物理运动过程，其受力状况比 较复杂，影响溜放的因素很多，有着很大的不确定性。但其仍然有基本规律可循， 遵循基本的动力学原理。我们已经确定用模糊神经网络理论来对驼峰车辆溜放速 度控制进行建模，虽然不像传统的控制方法那样需要建立溜放控制的具体数学模 型，不需要得出具体解析的数学公式，但仍然需要考虑系统的输入输出变量，需 要以车辆溜放速度控制的基本原理为基础，要充分了解影响车辆溜放的各种复杂 因素，才能获得较好的系统参数。因此，我们首先来看车辆溜放的动力学分析， 再讨论影响车辆溜放的各种复杂因素。 2 1 车辆溜放的动力学分析 2 1 1车辆溜放的受力分析 车辆自峰顶向调车场溜放过程中，作用在车辆上的力【2 7 】主要有以下几种： jl r 峰 除 ，r c 厂 。 1一一 r 图2 1 车辆在坡道上溜放时的作用力分析 f i g u r e2 1t h ea n a l y s i so ft h ea c t i n gf o r c e so nt h er o l l i n gr a i l w a yc a r so nt h er a m p 1 推力 车辆自峰顶脱钩自由溜放时，由于机车的推力而得到溜放的初速度。 2 车辆本身重力的分力 车辆自峰顶向下溜放时，是由高处往低处沿着面向调车场的一系列下坡道运 7 行，因而车辆本身的重力产生与斜坡平行的分力，可以促使车辆加速溜放。 3 车辆溜放阻力 车辆在溜放过程中所受的阻力包括：基本阻力、风和空气阻力、道岔阻力和 曲线阻力。 4 制动力 制动力是指制动设备( 减速器、减速顶、铁鞋等) 对溜放中的车辆施加制动 而产生的制动阻力。 下面就通过作图来形象地对车辆沿斜面运动时作用在车辆上的各种力进行分 析，如图2 1 所示。 车辆沿坡道溜放时，其重量q 可以分成两个相互垂直的分力f 和p 。其中f 与 该坡道平行，尸与该坡道垂直。但是，即使驼峰的坡度较陡，如坡度为5 0 的情 况下，斜面与水平线所成的倾斜角口也只有2 。5 2 。因此，将斜面长度a b 看成是等 于其水平投影的长度b c ，不会影响计算所要求的精确度。 由图可知： p = q c o s a q( 2 2 ) f = q s i n e t o t a n a q i ( 2 - 3 ) 式中卜一坡度的千分数，以为单位。 当车辆自驼峰向下溜放时，它是在力，的作用下运动的。由图2 1 可知，这一 运动又同时受阻力心的反作用。阻力的作用方向与力f 相反，为负值，其大小 决定于车辆的重量和车辆在溜放时所受的单位阻力，。，- 以n k n 计，或以表示 ( 1 n k n = 10 ) ，即 = q r 1 0 q ( 2 - 4 ) 因此，车辆溜放时所受的合力为 f 一尽总q ( i r ) x 1 0 q ( 2 - 5 ) 2 1 2能高线原理 车辆自峰顶向调车线溜放同物体沿斜面运动有着相同的动力学原理，它们都 遵守能量守恒和能量转换定律。从车辆自峰顶脱钩开始溜放至调车线停车为止， 是一个能量转换的过程。 把使车辆溜放的能量和溜放消耗的能量看作假想的高度，称能量高度，简称 能耐2 7 】。用作图的方式，把溜放过程中的各种能量( 动能、势能、由阻力产生的 能量) 均转换成高度后，画在同一张图上，这样便于研究能量的变化和速度的变 化关系。掌握了车辆溜放过程中的能量转换关系，就可以求取车辆在溜放线上任 意点的速度。图2 2 所示为一张简化了的能高线图。 m n l ljl h r k 么 7 7 k 弋 h 嘣 、 1 r 、 ，d 1 三 7 图2 2 能禹线原理图 f i g u r e2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h el i n eo fe n e r g yh e a d 当车辆由机车推上峰顶时，自身重量为q 的车辆在峰顶a 处的总能量是由两 种能量组成的：一种是动能q 磋2 2 9 ；另一种是势能q 。总能量为 q 瑶2 9 + q 其中g 为考虑了转动惯量的重力加速度，工程上通常取9 5 m s 2 。 车辆在溜放过程中克服阻力所作的阻力功为： l = q r l x l o 刁 ( 2 - 6 ) 式中心车辆总阻力，n ； ，车辆溜放时的单位总阻力( 包括基本阻力、风阻力、曲线阻力和道岔阻 力) ，n k n ； 溜放距离，m 。 如果车辆溜经距离后，它在峰顶所具有的总能量由于需要做阻力功而全部消 耗掉，则在距离的终点( 即计算点) 停住。 q + 嚯2 9 7 - q r l x l o = 0 ( 2 - 7 ) + 硅一= 0 ( 2 - 9 ) 9 当车辆溜经距离，到达流放部分某点k 时，在克服各种阻力之后仍有剩余势能 q ( k 点与d 点的高差) 和动能q 吆2 9 ，则车辆在k 点将以速度k 继续溜行。 q + 瑶2 9 - q r l x l o 一= 眠+ v k 2 2 9 ( 2 - 1 0 ) + 一巩一k = k ( 2 - 1 1 ) 式中k = 嚯2 9 车辆在峰项a 点的初速度，m ； k = v 。, 2 2 9 车辆溜到纵断面上任意点k 的速度高或动能高，m ； 见。= r l x1 0 一纵断面上k 点的阻力高或阻力损失，m ； k = r l x l 0 一车辆从峰顶爿溜到计算点d 停车时的阻力高，m ； 日。纵断面上任意点k 与计算点d 的高差，m 。 从上式可以看出，车辆的溜放速度和阻力功都可以被认为是假想的高度或者 换算高度。车辆在纵断面上任意点足的速度与车辆从k 的高度垂直降落时所具有 的速度是一样的。 知道了车辆在驼峰任意一点的动能高k 后，即可求得它的相应的速度，即 k = v 2 9 l 气k ( 2 - 1 2 ) 当车辆以速度巧通过驼峰纵断面上j 点时，它到k 点的速度圪可以能量守恒 定律用下式计算： 聊( 吆一哆) 2 = g ( f 一厂) 1 0 。 k = 屑五瓦丽 式中厂车辆溜放的单位总阻力，且厂= 飞+ r 风+ + 厂岔； ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 6 ) f 线路坡度，以为单位，顺坡为正，反坡为负。 为了计算的便利并保证必要的精度，可以将各项阻力值代入。在计算风阻力 时，在较短的坡段上，可以将瞻的值看成是该坡段始终点的平均车速。则式( 2 一1 6 ) 可以表示为 式中口= 0 0 6 3 c ，l f c x o q c o s 2 口。 2 2 影响车辆溜放速度的因素分析 ( 2 1 7 ) 车辆溜放是一个复杂的动态过程，影响车辆溜放速度的因素很多，且有些因 素存在相互交叉耦合或时变性，难以应用数学公式来描述，这也使得车辆溜放速 l o 度控制带有更多的不确定性，影响了控制效果和作业效率。影响车辆溜放速度的 因素概况起来有三类：车辆自身因素、站场因素和气候因素【7 1 。 2 2 1车辆自身因素 1 车重 一般重车阻力小，易行；轻车阻力大，难行。而且轻车比重车的阻力离散度 大，这也是轻车比重车较难控制的重要原因。 2 车速2 】 根据驼峰车辆溜放速度控制的经验研究表明，车组所受的阻力与车速呈二次 方程的关系 w = a + 西+ 西2 ( 2 一1 8 ) 式中前两项为车组的基本阻力，常数项a 与车组有关，反映车组溜放部分的特性。 第二项与车速成正比，在一定程度上代表了车组溜放部分的共性。空气阻力和风 阻力与车速的平方成正比，对应式中第三项。从式( 2 1 8 ) 可见，随着溜放速度的降 低，车组的基本阻力和基本阻力的离散度都将减小。 3 车型 不同车型的车辆受风面积和轴距可能不同，导致车辆的走行性能存在差异【1 2 】。 另外，还存在一些特殊车辆，例如：薄轮车、油轮车。薄轮车由于车轮较薄，钳 夹式减速器对其正压力相对较小，所以较难控制；油轮车由于车轮沾有油性物质 导致减速器与车轮之间的摩擦力较小，也较难控制。 4 车组的构成与辆数 车组的构成中轻车和重车不同组合会改变车组的重心位置，在一定程度上对 其走行性能会造成影响；车组辆数的变化使得车组本身长度改变，直接影响到实 际打靶距离。车组辆数越多，阻力的离散度减小，使得出口速度就应该相对小些。 5 车辆装载状况【1 3 】 负载的不同可能具有不同的受风面积，如平板车。另外油罐车内的液体晃动 在一定程度上也会影响其走行性能。 2 2 2站场因素 1 线路坡度1 3 , 7 】 线路坡度是车组溜放的动力来源。坡度越大，车组自由溜放的加速度越大， 有利于车组快速溜放，但坡度太大也会有不利因素，如减速器入口超速、机车上 峰的困难以及速度控制难度的加大等。 2 溜放线路曲线半径 溜放车组运行于曲线区段，会受到曲线附加阻力，阻力的大小与曲线半径有 关。曲线半径越小，对车组产生的阻力就越大。另外，车组在曲线上运动时还会 产生蛇行运动，使曲线附加阻力的离散度加大。 3 道岔型号与道岔数 溜放车组运行于道岔区段，会受到道岔附加阻力，它是由于车轮通过道岔曲 线时与尖轨、辙叉撞击而产生的。车组在道岔区段运行时也会产生蛇行运动，使 道岔附加阻力的离散度加大。 4 钢轨技术状况 钢轨的轨距、弹性、接头状况、磨耗程度、肥边等对车组的走行都会造成一 定的影响。随着时间的推移，钢轨受到磨耗，其技术参数会发生一定的变化，因 而对车组的走行会产生不同程度的影响。 2 2 3气候因素 1 风力和风向 顺风对车组有加速作用，而逆风对车组有减速作用，且风力越大相应的作用 就越大。 2 温度和湿度 温度和湿度对车辆轴间润滑程度和轮轨摩擦会产生影响，从而会使车辆的走 行阻力发生变化。一般车组的基本阻力随温度的升高而降低，呈指数关系： e = a e 嘲 ( 2 1 9 ) 其中t 为环境温度，a 和b 为系数，可通过统计回归方法得到。 另外，从阻力随温度变化的分布统计可知，低温时的车辆走行阻力离散度大， 而高温时的夏季阻力分布比较集中。湿度会影响车轮和钢轨间的润滑程度，一般 而言，湿度越大越润滑，摩擦力小。 1 2 3 基于模糊神经网络的目的制动位速度控制建模 驼峰车辆溜放速度控制是一个复杂的多变量过程控制系统，其影响因素众多， 且为非线性过程，而且车组溜放过程和车辆走行状态又具有实时性和不确定性。 由此可见