一．引言

列车运行速度的提高对机车运行的安全性和可靠性提出了更高的要求，同时铁路干线日益繁忙，在线路上试运机车的可能性也越来越小。机车定置试验台以一整套的方案解决了这些问题。在机车定置试验台中机车各轮对的速度控制和速度同步控制，是机车在定置试验台上进行各种牵引试验得以顺利进行的保证。

二．机车定置试验台

机车定置试验台的工作原理如下：待测试机车在一定速度下，以特定方式驶上试验台上的轨道轮（参考图1，轨道轮为机车车轮下的轮子），利用试验台两端车钩将车头固定，并调整机车车轮与轨道轮对齐。当机车车轮转动时，车轮带动试验台上的轨道轮转动。轨道轮转动后，通过传动机构带动发电机（在图1中，测功机即为发电机）转动，发电机发出一定的功率，这些功率全部消耗在水箱中的电阻上。试验过程中，通过调节发电机励磁来调节发电机的输出电压，即控制其输出功率，从而控制了机车的速度。在试验过程中，我们采集全部相关数据，并利用数据库将这些数据存储起来，在试验结束后，对这些数据进行分析，并对试验机车给出一个性能上的评价。

三．机车速度控制

为了保证试验台能够在机车位置固定的前提下，尽量模拟实际的机车在铁路上运行状态，机车两个转向架的速度同步控制显得尤其重要。即机车稳态运行时，各个轮轴的速度应该保持一致，机车升速或者减速时，各个轮轴的动态速度也应该保持一致。

一般而言，机车有六组轮轴。每三组轮轴通过转向架连接在一起，构成一个系统。在本项目中每个转向架的三组轮轴所对应的三个轨道轮我们通过机械齿轮和万向轴连接，因此能够保证三个组轮轴始终保持速度的一致。

图1 定置试验台示意图

3.1 机车单轮组速度控制

对于一个轮组的速度控制。机车的速度控制是通过调节发电机的励磁电流来实现的。在机车档位给定的情况下，通过调节励磁电流的大小，来改变机车的负载情况，进而控制机车的运行速度。励磁控制原理示意图如图2所示：

图2  励磁控制原理示意图

1．             串励直流电动机的转速特性

机车上串励直流电动机转速特性是指在恒压供电时，其他参数不变时，电动机转速n 随电流Ia变化。如果电枢回路中总电阻为Ro（包括串励绕组电阻）；则有反电势，

式（2）等号右边第一项与Ia 反比，第二项是常数，因此，转速特性在电流较小、磁路不饱和时是一条双曲线。其特性很软。当电动机空载、电流很小时，转速很高。随着电流的增加，转速不断下降。呈恒功率特性。

2、 串励直流电动机在恒压供电时的转速调整过程

假设系统原来已经工作在稳态，即电动机由机车内燃发电机恒压供电，其转速为n1。如要减少电动机和发电机的转速，应增加电动机的电流，此时增加发电机的励磁电流，发电机的输出电压增加，发电机的负载电流增加，电动机的电流也随之增加，电动机的转速下降。当然转速的下降会引起发电机的电压下降，因此励磁电流的增加应比较大一些，以补偿转速的下降引起发电机的电压下降。反之，要增加转速，应减小发电机的励磁电流。

3. 励磁控制结构设计

本系统要求较高的稳速精度，因此系统外环为速度环。为限制励磁电流和提高系统的响应速度，采用电流闭环作为内环。为防止发电机输出电压过高损坏测功电阻，限制发电机输出电压的最大值为380V，加设电压截止环节，电压截止在350V－380V范围内起作用。在电流环上加了一个恒定电流给定，这样电流环的输入为速度调节器的输出和恒定电流给定之差。当需要降低速度时（例如当速度实际值大于给定值时），应增加励磁电流，与速度调节器的工作情况相反，速度调节器此时的输出是下降的。因此需要在电流环输入加一个电流给定，这样当速度环输出下降时，对应电流环的综合给定（速度环的输出和恒定电流给定之差）就是上升的。

4. 励磁控制实现

1)、 PID调节器

PID调节器为数字调节器，由可编程控制器PLC实现。电流环调节周期：0.05S、速度环调节周期：0.2S。电流反馈由霍尔电流互感器经PLC的A/D采样后得到。电压截止反馈由霍尔电压互感器经PLC的A/D采样后得到。速度反馈由光电编码器经PLC高速计数单元采样后得到。速度给定值由上位机的试验监控软件或者主操作台的速度增/减按钮发至PLC。固定励磁电流给定由PLC给出。

2)、 速度静态精度

由于PID调节器的积分作用，静态速度精度取决于采样精度，与光电编码器的脉冲数/转和采样周期有关。我们采用的光电编码器是4096脉冲/转。下面我们进行精度和频率校核：

本系统的采样周期为  0.2S  。最低转速221转/分时，1秒钟内脉冲数为：221×4096/60＝15086。0.2S内的脉冲数为：0.2×15086＝3017。最高转速1000转/分时，1秒钟内脉冲数为：1000×4096/60＝68267，0.2S内的脉冲数为：0.2×68267＝13653。速度精度要求1％，即在最低转速221转/分时，1％×3017＝30.17，能满足数字PID的控制最小误差（2～5个脉冲）要求。实际系统中我们的静态误差为0.1％。远高于设计精度1％的要求。

3．2   两个轮组速度动态同步控制

1． 动态同步控制概述

由于两个轮组的动态特性不一致，在启动、停止、电网波动等情况时，动态响应也不一致。如果单一轮组考虑其主、付调节器的P、I、D参数，则机车的前后轮组动态速度将会不一致。为此，我们必须研究如何选择合理的参数，使两组轮组速度动态尽可能一致。方法有很多种。在这里我们介绍一下本系统里是如何使用已经广泛应用于自动控制领域中的一种通用优化算法“模拟退火算法”来解决这个问题。

2． 基于模拟退火算法的双系统动态同步PID参数优化

模拟退火算法是基于Mente Carlo迭代求解策略的一种随机寻优算法，其出发点是基于物理中固体物质的退火过程与一般组合优化问题之间的相似性。模拟退火算法从某初始温度开始，伴随降温的过程，在解空间中结合概率突跳特性随机寻找目标函数的全局最优解。

本文采用传递函数作为系统模型，研究两个典型的二阶系统的动态同步PID参数优化问题。给出两个系统传递函数如下：

由于我们项目中的设备没有反复试验的条件，我们把实验系统中实测的数据用计算机进行数字仿真。仿真结果经典PID参数为PID =[ 2.5000  20.0000  0 ；1.2500  10.0000  0]，动态同步最大差值为0.4478 。本文方法PID参数优化为PID =[15.0217  55.4314  1.1302 ；3.7541  10.0000  0.4727]，动态同步最大差值为0.0611 。模拟退火算法在温度值为82时，已经得到上述结果。结果说明，模拟退火算法在双系统动态同步PID参数优化中的应用是非常有效的。在系统超调量允许的范围内，系统响应时间减少，系统响应加快。

在试验台的速度同步控制中我们用基于模拟退火算法的双系统动态同步PID参数优化方法计算取得的参数，进行设置两个轮组的调节器参数，也取得了良好的效果。图4为实际项目中机车测试的转速曲线图。

图4  实测转速曲线

图中的红线和绿线分别表示了两个测功机的转速，可以看出，两个测功机的同步控制已经达到很高的水平，实测数据表明同步精度完全达到项目的设计要求。

本文作者创新点：针对机车各轮对的速度同步控制问题，通过机械齿轮和万向轴连接实现机械同步，通过基于模拟退火算法的双系统动态同步PID控制实现电气同步

参考文献

[1] 王凌．智能优化算法及其应用[M].北京：清华大学出版社，17-35

[2] 吴麒．自动控制原理（上册）[M].北京：清华大学出版社，280-330

[3] 严刚峰，赵宪生．基于模拟退火算法的过程控制参数的优选[J].仪器仪表与分析监测，    2003年第2期

[4] 原菊梅．基于模拟退火算法的数字PID控制器参数整定的研究[J] 北京工商大学学报（自然科学版）2004年7月：40-42

[5] 呼秀山，钱利民，李迎春．一种基于PLC开关量输入单元的转速信号测量方法［J］．微计算机信息，2006年第13期

[6] 吴振纲，陈虎．PLC的人机接口与编程［J］．微计算机信息，2005，8-1：21-23