动车组客室压力控制模拟实验系统研究

罗盼，王雪梅，倪文波

（西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031）

动车组客室压力控制模拟实验系统研究

罗盼，王雪梅，倪文波

（西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031）

为研究动车组客室压力变化对旅客乘坐舒适性的影响，设计一套客室压力控制模拟实验系统。在分析压力控制系统的组成和工作原理的基础上，利用AMESim仿真软件建立客室压力控制系统模型，并以S函数的形式导入到Matlab/Simulink建立的模糊控制系统模型中，对AMESim和Matlab/Simulink进行联合仿真。仿真结果表明：在所设计的客室压力控制系统的作用下，客室内压力和压力变化率能够很好地跟随设定值变化，系统响应速度快、精度高，满足设计要求。

客室压力控制；模糊控制；AMESim软件；Matlab/Simulink软件；联合仿真

0 引言

新一代高速动车组以“高速、舒适、时尚”为突出特点，其中“舒适”是乘客最直观的感受，列车客室内空气的温度、湿度、压力等都是直接影响人体舒适感的重要因素。随着列车速度的提高，客室内的压力成为研究列车舒适性的重要指标之一。当客室内空气压力的变化量或者变化速度超过一定值时，会刺激乘客的耳骨膜，引起耳胀耳痛，甚至关系到乘客的身心健康[1]。目前，国内外动车组主要采用截止阀、连续换气和风量控制换气3种压力控制方法保证车体的气密性[2]，以减小动车组在运行时客室内压力波动对人体和设备产生的不利影响，保证客室内的压力指标符合人体舒适度要求。

为研究动车组客室压力变化对旅客乘坐舒适性的影响，许多国家都开展了相关的研究工作。目前，国外主要采用实车试验和压力舱试验相结合的方式，通过采集大量关于人体舒适度的数据，来研究人体对瞬变压力的反应，并在此基础上建立针对压力波动的舒适性标准[3-5]。国内在这方面也展开了一系列的试验研究，但实质性的进展较少，对于建立适合我国动车组的压力舒适度标准仍然没有明确的规定。

实车试验重复性较差，试验条件苛刻，并且需要消耗巨大的人力、物力和财力，而压力舱试验具有可重复性好、试验方便等优点。本文根据动车组车体通风系统结构特点，针对压力舱试验方法，设计了一套客室压力控制模拟实验系统，以期通过对客室内部压力变化量及变化速率进行精确地控制，来模拟实车客室压力的波动情况，进而研究客室压力波动对人体舒适度的影响。论文在介绍压力控制系统的基本组成和工作原理的基础上，应用AMESim和Matlab软件建立了控制系统仿真模型，并进行了联合仿真研究[6-8]。

1 压力控制系统结构及工作原理

本文拟设计一套压力模拟实验系统，控制动车组客室内压力能够按照预先给定的压力波进行加减压变化。根据车辆落成后气密性要求，确定系统具体技术指标为：客室压力变化在±4 000Pa（相对于标准大气压），压力变化率在±1 250Pa/（3 s）的范围内，试验波形包括正弦波、三角波、梯形波等波形，要求稳态误差＜2%，动态误差＜5%。

根据设计目标，考虑目前车体既有的空调与通风换气系统结构特点，动车组客室压力控制系统结构原理如图1所示。系统主要包括：正、负气压源，压力传感器，电动比例阀门和计算机压力控制系统等。

图1 客室压力控制系统原理图

为了真实模拟两车交汇或通过隧道时压力波对客室压力引起的变化，系统尽可能全面保持车辆当前内部风道系统及客室进、排风口不变，将空调进风口通过法兰与正压源相连，空调排风口通过法兰与负压源相连。由于在整个客室长度内送风口送风均匀性比较好，客室压力均匀性也会非常好，因此仅需在客室内部同一截面布置3个高精度压力传感器，分别位于客室左、中、右3个位置，取平均值作为客室平均压力。

由压力传感器得到的客室内实际压力值经过一定的算法处理，与预先设定的压力指令值进行比较，计算机压力控制系统根据其内部算法输出相应的控制信号给电动比例阀门，在电机的驱动作用下，供、排气电动比例阀门转角发生变化，即通过对阀门开度的控制实现客室内部压力的调节。手动截止阀门用于关断气源。客室压力的控制需要两个电动比例阀门，由计算机控制，分别调节进出客室的气体流量。如果同时调节供气比例阀门和排气比例阀门，则调节阀门的当量直径增加，那么组成的控制系统虽然灵敏度较高，但是动态响应速度降低。本文采用如下的控制方式：使用两个电动比例阀门，当客室压力高于指令值时，供气比例阀门关闭，排气比例阀门工作；当客室压力低于指令值时，排气比例阀门关闭，供气比例阀门工作。这样系统的快速性和灵敏度好，可靠性高，实现方便。

2 系统建模与仿真

2.1 联合仿真的实现

AMESim是基于物理模型的高级建模仿真平台，具有丰富的模型库，为流体、机械、控制、电磁等工程系统提供了一个较完善的综合仿真环境及灵活的解决方案，用户可以在该平台上建立复杂的多学科领域模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析。

Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，为用户提供了多种多样的基本功能模块，具有相对独立的功能和使用方法，被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

由于AMESim不需要推导复杂的数学模型，用户可以按照实际物理系统来构建自定义模块或仿真模型，同时，Matlab/Simulink有强大的数值处理能力[3]。为了充分利用两种软件各自的优点，系统采用AMESim与Matlab/Simulink联合仿真平台，由AMESim建立动车组客室压力控制系统模型，Matlab/Simulink建立模糊控制系统模型。

为了实现二者的联合仿真，首先通过在AMESim中建立系统模型、参数设置、系统编译等步骤生成可供Simulink使用的S函数，然后在Simulink环境中，将建好的AMESim模型当作一个普通的S函数，并将其添加入包含其他Simulink模块的模糊控制系统模型中，从而实现AMESim与Matlab/Simulink的联合建模与仿真[9]。

2.2 客室压力控制系统模型

根据上述客室压力控制系统的工作原理，按照CRH-380A头车客室实际参数以及风道布置情况，在AMESim环境下建立动车组客室压力控制系统模型，如图2所示。

图2 动车组客室压力控制系统模型

为了方便仿真时试验波形的切换，本系统添加了3个模拟气压源，并对联合仿真出现的延时进行匹配。系统的供、排气比例阀门均由两个可调充气孔进行模拟，一个根据控制信号来调节气体流量；另一个用来模拟阀门的流量特性，根据电动比例阀门的参数，设阀门的延迟时间为1 s。此外，系统使用20个充气孔来模拟动车组头车送风口和回风口。当客室内压力低于指令值时，供气比例阀门开启，气压升高；当客室内压力高于指令值时，排气比例阀门开启，气压下降，空气进入主风道后，再由各送风口均匀地送入客室内。客室压力控制系统部分参数如表1所示。

表1 压力控制系统部分参数

2.3 控制系统模型

模糊控制算法建立在现代控制理论的模糊集合论的基础上，是一种基于模糊推理与语言规则的高级控制理论，具有抗干扰能力强、响应速度快等优点，特别适用于不易获得精确数学模型的被控对象。考虑本压力控制系统结构复杂，很多阀门和风道的精确数学模型难以获得，故采用模糊控制算法对系统压力进行控制调节。在Matlab/Simulink环境下建立的模糊控制系统模型如图3所示，其中S函数的参数为“0.01 0.01 1E-5”。

图3 Simulink环境下的模糊控制系统模型

通过Matlab/Simulink的模糊控制工具箱建立FIS系统文件。系统采用二维模糊控制器，以误差E和误差变化率EC作为模糊控制器的输入，以控制信号U作为输出。输入输出变量E、EC、U的隶属度函数均采用三角函数，论域范围均为[-6，6]，模糊子集均为{PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB}，子集中的元素分别代表正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。模糊控制规则如表2所示。

表2 模糊控制规则表

2.4 仿真结果和分析

输入信号源设定了梯形波、三角波和正弦波3种模拟波形。梯形波及三角波的上升和下降速率均按照±1 250Pa/（3 s）设定；正弦波频率为0.026 042Hz，相当于以1250Pa/（3s）的速率达到±4000Pa。设置仿真时间为80 s，时间间隔为0.1 s，在Matlab/Simulink内启动仿真。

图4～图6分别为系统对梯形波、三角波和正弦波的响应曲线。

由仿真结果可以看出，系统的控制效果较好，客室内实际压力能够很好地跟随压力指令值进行变化。由于阀门存在死区，导致阀门每次从闭合到开启都存在1 s的延迟，但是在控制系统作用下，客室内的压力可以很快达到期望值。经过数据分析，系统的稳态误差＜2%，动态误差＜5%。因此，将模糊控制算法应用在该压力控制系统中，具有稳态精度高、动态性能好等特点。

3 结束语

本文使用AMESim和Matlab软件对动车组客室压力控制系统进行了联合建模与仿真，现得到以下结论：

图4 系统对梯形波的响应曲线

图5 系统对三角波的响应曲线

（1）联合仿真的实现既解决了在AMESim环境下难以实现模糊控制的问题，又避免了在Matlab/ Simulink环境下对客室压力控制系统进行建模时因简化模型而引起的误差，充分发挥了这两种软件的优势；

（2）在该模糊控制器的作用下，客室压力控制系统的稳定性好、响应速度快、控制精度高，具有良好的调节效果，满足设计要求。

图6 系统对正弦波的响应曲线

本文提出的研究动车组客室气压舒适度的方案应用于工程实际，具有一定的可行性。

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[2]张兴娟，袁修干.高速列车车厢新型压力控制技术研究[J].北京：北京航空航天大学学报，1997，23（5）：602-605.

[3]陈一帆.压力波动模拟试验系统的仿真分析[D].北京：北京交通大学，2011.

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Experimental system design for EMU passenger com partment pressure control simulation

LUO Pan，WANG Xue-mei，NIWen-bo
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In order to research the effects of pressure changes of EMU passenger compartment on human body com fort，a pressure control simulation system was designed in this paper.Based on the analyses of structure and working principle of the whole system，the passenger compartment pressure control system model was established with AMESim software，which was imported into the fuzzy control model that was already built in Matlab/Simulink platform in the form of S function.The united simulation results show the interior pressure and its changing-rate can both follow the set value well，meeting the design requirements with its high-speed and high accuracy.

passenger compartment pressure control；fuzzy control；AMESim；Matlab/Simulink；united simulation

TP273+.4；U292.91+4；TP391.9；N945.13

A

1674-5124（2013）03-0092-04

2012-08-26；

：2012-10-19

罗盼（1987-），女，山西永济市人，硕士研究生，专业方向为测控技术及仪器。