（电力电子与电力传动专业论文）高速动车组粘着控制算法研究.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：i t sc r u c i a li s s u et oe l e v a t et h ea d h e s i o nc a p a c i t yo ft r a i n ，w i t ht h e c o n s t r u c t i o no fh i g hs p e e dr a i l w a yi nc h i n a , e s p e c i a l l yt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e s t r a t e g yo fh i g hs p e e da n do v e rl o a d i n g ，a sw e l la sm o r ea n dm o r eh i g h s p e e de m u s h i g h - s p e e de m u s o p e r a t i o ns p e e di s3 0p e r c e n th i g h e rt h a nt h er o u t i n eo n e s ，a n d a d h e s i o nr e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fs p e e d a c c u r a t ea n dr e l i a b l ea d h e s i o ni s e s s e n t i a lf o ro p e r a t i o n a ls a f e t y , s oi t si m p o r t a n tt os t u d yt h ea d h e s i o nc o n t r o ls t r a t e g yo f 1 l i g h - s p e e de m u s t h i sp a p e rb u i l d sas i m u l a t i o np l a t f o r mb ym a t l a b s i m u l i n kf o rt h es t u d yo f l o c o m o t i v ea d h e s i o nc o n t r o lm e t h o d t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sp l a t f o r mi st e s t e db y r e a l i z i n gt h ea n t i - s l i p s l i d ea d h e s i o nc o n t r o l sf o rt h em o d eo nc o m p l e xr a i lc o n d i t i o n s ， a d o p t i n gt h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o d so fl o c o m o t i v ea d h e s i o nc o n t r 0 1 t h em a j o rw o r k o ft h i sp a p e ra sf o l l o w s ： f i r s t ，i ti n t r o d u c e st h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sa c t u a l i t ys h o w sa d h e s i o nc o n t r o lt o e n g a g ei nam a j o rp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e s e c o n d ，i ti n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo fa d h e s i o nc o n t r o l ，a n t i s l i p s l i d et h e o r y a n ds p l i d p a g ec o n t r o lm e t h o d ，w h i c hp r o v i d e st h er a t i o n a l ef o rt h em a t l a bc o n t r o l m o d e l se s t a b l i s h m e n t t h i r d ，i ti n t r o d u c e st h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fe m u ，d e t a i l e dd e s c r i b e st h e s t r u c t u r ea n dv a r i o u sp a r to fp e r f o r m a n c eo fa n t i s l i p s l i d es y s t e mo ft h ee m u ，a n d a n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i co f a d h e s i o na n di t su s a g e a n dt h e ni tg i v e sa n da n a l y z e st h e r e s u l t so ft h ea n t i - s l i p s l i d et e x to fc r h 5e m uw h e ni tt r a v e l e d f o r t h ，i tb u i l d sam o d e lo fa d h e s i o nc o n t r o ls i m u l a t i o na n dc a r r yo ns e v e r a lg r o u p s o fs i m u l a t i o n s ，s h o w st h a tt h i sc a ns u c c e s s f u l l ys u p p r e s s e st h et e n d e n c yo fw h e e l s l i p s l i d e ，e n h a n c et h ep o w e r o ft r a c t i o na n dc o n f i r mt h es i m u l a t i o nm o d e lf e a s i b i l i t y t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o nb r i n gf a s t e rr e g u l a t i o n sa n dm o d i f i c a t i o n st oa d h e s i o n c o n t r o lm e t h o d s t h es u c c e s so fa n t i s l i p s l i d ec o n t r o lo nc o m p l e xr a i lc o n d i t i o n s v e r i f i e st h em o d e la n dp r o v i d e st h ep o s s i b i l i t yf o rq u e s t i n go p t i m a la d h e s i o nc o n t r o l m e t h o d s t h i sp a p e ri saf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d yo fa d h e s i o nc o n t r o lm e t h o d s k e y w o r d s ：e m u ( e l e c t r i cm u l t i p l eu n i t ) ；a n t i - s l i p s l i d e ；a d h e s i o nc o n t r o l ； s p l i d p a g er a t e ；h y b r i dr e v i s i n gm e t h o d c l a s s n o ：i j 2 6 0 1 15 独创性声明 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。 学位论文作者签名：黎 签字同期： 6 5 彬母 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) 学位论文作者签名：驰 签字眺珈7 年石月劫 签 致谢 值此论文即将完成之际，我的研究生生涯也将要画上一个句号。回首往事， 感慨良多：老师们循循善诱的教诲，同学们真挚的友谊，无不成为我今生永难忘却 的回忆! 首先要衷心感谢我的导师郑琼林教授。作为我的指导教师，郑老师孜孜不倦 的求学精神和踏实严谨的治学态度对我的成长影响殊深。在整个课题的研究和论 文的撰写过程中，我自始至终得到了郑老师的悉心指导和帮助。不仅如此，在生 活中郑老师如慈父般呵护和关心我，让我深受感动。两年来，与郑老师的相处过 程中，我不仅在专业知识学习上和动手实践上收获很多，而且在如何面对挑战、 如何做人等方面受益匪浅。 同时衷心感谢我的导师田永洙导师高工，在长春轨道客车股份有限公司的这 一年多时间里，田老师在现场参观、项目安排和论文撰写上给予我极大的帮助和 指导。田老师渊博的学识、丰富的现场经验、认真细致的工作态度和独特的教育 方法让我十分钦佩l 再次感谢两位老师，两位老师的教诲和培育将伴我一生! 感谢王琛琛老师和韦克康博士对我的帮助。 感谢赵海波工程师，在长客实习期间正是他在工作和生活上的无私帮助和细 致安排，才保证我顺利的度过这段难忘的日子。 最后，衷心感谢我的父母，二十几年来，我的每一步都离不开他们在身后的 支持和关爱，养育之恩，终生难报谨以此文献给他们，祝他们永远健康、平安、 幸福! 再次向所有关心、支持和帮助过的亲人、师长和朋友们表示衷心的感谢，并 致以最崇高的敬意! 作者：王颖超 2 0 0 9 6 1 6 引言 1 1研究背景 1 引言 列车的制动技术经历了1 0 0 多年的发展，现在主要的制动方式仍然依靠轮轨 的粘着来制动。粘着制动存在的最大缺陷就是粘着力有限，在某些情况下不能提 供足够的制动力。在牵引或制动时，如果牵引或制动力矩过大就会使车轮空转或 滑行。为此，要根据不同的车速、气候条件和乘车率对制动力加以控制。提高粘 着利用率是安全有效制动的重要手段【2 2 】。 铁路列车车辆的运行需要利用车轮和钢轨之间的摩擦，如果这种摩擦在某种 情况下失去，无论列车的输出功率如何小，列车动轮也要发生空转，以至不能获 得所需要的牵引力与速度，这种摩擦的现象就称为粘着【i j 。 牵引力和制动力的形成依赖于粘着，而且牵引功率和制动功率的发挥也受到 轮轨粘着的限制，因此轮轨间的粘着是有轨运输系统的基本条件。粘着系数是一 个复杂多变的参数，定义为车辆牵引力除以车辆自身重量，受列车设计条件、环 境条件和运用条件的影响，因此粘着系数的利用问题一直是铁路科技工作者长期 以来研究的热点。 目前，普遍采用在列车上安装粘着控制系统的方法来提高最大粘着系数力， 以有效地利用列车的牵引力。美国g e 公司对粘着控制系统进行了3 0 多年的研究 和开发，将列车粘着系数从0 1 8 提高到o 3 5 ，3 台列车就能完成原来需要5 台列 车才能完成的工作。我国现在列车平均粘着系数不到o 2 5 ，平均每天有几千台列 车在运营，有很大的提升空间【l 】。 近年来，我国正在发展2 0 0 k m h 和3 0 0 k m h 的高速动车组。高速动车组具有 重量轻，粘着利用好，起动加速度快等特点，运行在铁路快速客运或城际客运线 路上，为缓解我国客运压力既提高铁路速度做出了巨大贡献。由于列车有效功率 的利用受到轮轨间可用粘着限制，牵引功率的增加将受到严重制约，高速动车组 在既有线路上以高于常规列车3 0 左右的速度运行，为了运营安全，必须有准确 可靠的制动，因此对高速动车组粘着控制的研究就显得至关重要。 本课题对c r h 5 动车组技术进行消化吸收，采用铁道列车中现行的控制方法， 通过m a t l a b s i m u l i n k 构建一个仿真模型，实现对列车的粘着控制。此研究有助 于预防并抑制列车的空转和打滑，提高列车可用粘着利用效率，具有很强的实际 意义。 北京交通大学硕+ 学位论文 1 2粘着控制的发展现状 在轮轨交通运输中，列车动轮和钢轨之间的粘着力是驱动列车运行的最终动 力。良好的粘着利用不仅可以有效地提高列车的加速性能，缩短制动距离，改善 乘车舒适性，而且还能显著地减少列车的空转和滑行，避免轮轨严重擦伤，以延 长轮轨的使用寿命【l 8 1 。 列车粘着控制包括再粘着控制和优化粘着控制。再粘着控制主要目的在于把 牵引力工作点从牵引力一蠕滑特性不稳定区拉回稳定区：而优化粘着控制则是使工 作点在稳定区更接近峰值点，从而实现充分利用粘着力的作用。从国内外相关资 料表明，最成熟粘着控制是粘着再恢复控制，其中比较典型的是法国采用微处理 器的f a i v e l e ya e f8 3 p 型防空转滑行装置；1 9 9 1 年，a e f9 1 p 新型的防空转防 滑装置已通过认证以及采用微处理器的k n o r rm g s i 型防空转滑行装置和同本 的第一代、第二代防空转滑行装置【3 】。 我国的高速动车组以粘着制动为主，在车辆运行过程中，随着车辆速度的提 高，粘着系数降低，滑行几率增大。而高速运行时一旦发生滑行，对车轮的擦伤 将极为严重，危机行车安全，因此对车辆实施粘着控制非常重要。而我国列车粘 着控制装置还是以引进为主，例如：g e 公司的n d 5 型列车再粘着控制装置；g m 公 司的列车s d 5 0 粘着控制装置：法国费维莱公司( e a i v e l e y ) 研制的s k 型电力列车 再粘着控制装置：日本6 k 型再粘着控制装置以及德国k m 公司的粘着控制装置【3 】。 目前粘着控制装置已成为高速动车组制动系统的重要组成部分之一，不仅能 避免危险的空转现象，而且还可以在所有工况下最优利用最大粘着系数力，使列 车运行的实际工作点位于粘着系数与蠕滑关系曲线的最高峰值点附近。 随着电子、微电子工业的发展以及测量技术、控制技术的不断进步，控制装 置在检测精度、控制性能和可靠性方面都得到显著提高。目前粘着控装置己经从 早期最简单的防空转继电器发展到以采用高性能的1 6 位或3 2 位微处理器为核心， 并采用模块化设计可独立运行也可与其它车辆控制单元协调工作的粘着控系统： 控制思想从简单的通断控制经过蠕滑校正，发展为连续的蠕滑控制；粘着控制装 置的意义也从简单的防空转、防滑行扩大到最佳利用轮轨间的粘着，充分发挥轮 周牵引力，并同时防止空转和滑行以及由此带来的车轮、钢轨或驱动部件的损坏【3 1 。 如我国在1 9 9 2 年自力更生成功研制的t f x l 型防滑器、德国的克诺尔m g s l 型、 奥地利的o m g 2 0 2 型、同本的滑行再粘着装置以及法国的f a i v e l e y 型防滑装置 【6 】 o 在高速动车组粘着控制中，不仅要避免打滑及空转现象，还要在所有工况下 最优利用可用粘着力，因此国内外提出了一些优化粘着控制方法。其中，比较典 2 引言 型的粘着控制方法有粘着力时间微分直接法、粘着力时间微分间接法和正交相关 法。另外，瑞士现基于r e 4 6 5 系列单轴传动列车进行正交相关法粘着控制装置研 制，但正交相关法是基于线性化的列车牵引模型，观察频率工作点范围很小。在 实践中，一定的观察频率下，很难保证相位移与粘着特性曲线斜率存在一一对应 的关系。因此，正交相关法目前在实际应用中不成熟。根据目前所采用的粘着制 器形式有两种：i ) p i d 控制：p i d 控制器具有控制算法简单可靠，因此在化粘着控制 中是一种常用的且很重要的控制形式。2 ) 简单的模糊控带t j ：a d r i a n 等学者把模糊控 制应用到防滑控制中【4 】。 1 3防滑防空转系统的发展 一个较好的防空转系统应该具有以下特蝌h 】： ( 1 ) 粘着利用率高； ( 2 ) 不会发生连续空转； ( 3 ) 不会发生宏观空转，影响列车使用寿命； ( 4 ) 装置本身灵敏度高、动作可靠。 初期的防滑防空转系统使用的基本上是继电器或晶体管组件，大都利用空转 支路与并联的未空转支路的电流差，或空转电机与串联的未空转电机的电压差， 作为保护系统的检测信号。这样的保护系统不但体积大，精度低，而且受电机特 性差异影响较大。另外，由牵引电动机的转速特性决定，低速与高速具有相同的 转速差时，低速时的电流差值较大；因为低速时电动机的磁通大，故低速与高速 具有相同的转速差时，低速时的电压差值较大。所以，这种利用电流差或电压差 作为检测信号的空转进行保护系统，动车在低速运行时，其保护比较灵敏；而在 高速运行时，灵敏度较差。 现代列车防滑防空转系统能是列车在邻近最大粘着系数的条件下运用，即在 防止粘着破坏的前提下，充分发挥牵引力。其设计重点应放在列车起动加速和恶 劣轨面、天气条件下的粘着利用上。 较新的防滑防空转系统，采用了大量的逻辑电路和集成运算放大器电路。直 接利用各轮对之间的转速差及轮对自身的加速度等信号电压作为鉴别空转滑行 的信号源。这样的保护系统不但体积减小了，功能增强，而且信号源的精度也大 为提高。但是，由于系统本身没有记忆功能，是一个电子模拟系统，因此其精度 和灵敏度都还欠佳。 近年来，有些国家又成功研制用微处理器控制的防滑防空转系统，该系统能 以更高的精度和速度准确地处理信息，只要将设计的控制基准值预先输入微机内 3 北京交通人学硕十学位论文 存，微处理器就会切实发挥其控制功能，实现单独处理和控制每一个轮对粘着性 能的目标吲。 1 4论文的主要研究工作 本课题结合粘着控制基本理论和目前铁路上正在使用的组合校正型控制方 法，用m a t l a b 建立控制模型，进行仿真实现对运行列车的粘着控制。 论文的主要工作如下： ( 1 ) 介绍粘着基本理论及其控制系统，对现有控制方法：校正型控制方及现代 智能控制方法作了基本介绍和总结； ( 2 ) 介绍粘着控制系统基本结构防滑判据，分析高速动车组防滑防空转软件工 作原理及工作过程；分析c r h 5 型动车组行驶过程中的防滑防空转试验结果。 ( 3 ) 根据组合校正法，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立控制模型，仿真实现相关 控制； ( 4 ) 定义三种不同粘着特性的轨面，在仿真平台上进行两组仿真：应用组合校 正法进行粘着控制，列车在简单和复杂变化路面上运行；实现对列车的粘着控制； 1 5小结 本章介绍并分析了列车的粘着控制和防滑防空转系统的国内外发展现状，介 绍了本论文所采用技术的发展和应用情况，指出了本课题在我国近年实施的高速、 重载策略中的实际意义，并介绍了本论文的主要工作。 4 粘着基本理论 2 1粘着理论基础 2 粘着基本理论 几十年来，人们通过对轮轨关系的研究得出：“动轮在钢轨上滚动摩擦中必 然伴随着滑动摩擦 。而这种滑动摩擦在初级阶段往往是有益的，滑动速度和粘 着速度之间成j 下比关系。但随着滑动速度持续增加，粘着系数将急剧下降，造成 动轮空转。 列车轮轨之间的粘着特性，即牵引力与蠕滑率以及与速度的关系，是在高速动 车组牵引计算中，用以有效发挥牵引、制动性能的防滑防空转控制技术的基础。 高速动车组需要大的牵引功率和加速能力，较轻的轴重，而随着速度的提高，轮 轨可利用粘着系数也随之下降，这是一个难以克服的矛盾。 2 1 1 粘着相关概念 粘着在宏观上表现为轮轨之间的一种切向力，它是列车牵引与制动得以实现 的最重要的物理现象。如果没有粘着，车轮就不能滚动，更不能传递扭矩为牵引 力或制动力【6 1 。 在轮荷重最的作用下，轮轨接触部位发生弹性形变，形成椭圆形接触区。当 车轮在驱动力矩m 作用下向前滚动时，轮轨材料在接触面附近发生弹性变形，从 而在接触面上产生切向力e ，且f a = m r ( r 为车轮半径) ，切向力c 即轮周牵引 力，它使车轮滚动前进。 轨 图2 - 1 车轮蠕滑及牵引力产生示意图 f i 9 2 一lt h ew h e e ls l i p p a g e sa n dt r a c t i o ns c h e m a t i cd r a w i n g 5 北京交通大学硕十学位论文 由于轮轨接触面产生弹性形变，列车滚动前进时( 在粘着状态下) ，车体的前进 速度总是低于车轮的圆周速度，这个速度差称为蠕滑速度，用蠕滑率y 表示蠕滑的 大小： 7 ：笠土( 2 1 ) 形 式中：吒，一车轮线速度；v t 一车体前进速度 轮轨间能传递( 产生) 的最大切向力兄垂向静荷重尼之比定义为粘着系数： = 焉f ( 2 2 ) 从粘着机理上看，车轮与钢轨是滚动接触的，在滚动接触面上传递力的同时， 伴随着由于车轮与钢轨的弹性形变而产生的微小相对滑动，在接触区内存在着对 应于所传递的力而变化的空转区和粘着斟6 1 。 对于粘着控制系统的设计来说，最重要的并可通过电力传动装置直接控制的 参数，是车轮与钢轨间的蠕滑。粘着系数与蠕滑率成非线性关系，这种关系称为 粘着特性。如图2 2 所示。驱动力矩m 不是很大时，即切向力e 不是很大时，蠕 滑率很小，约为千分之几，这时与y 成线性关系，如图，称此段为微滑区，当m 大到一定程度后，蠕滑率增大较快，此段称为大滑区。微滑区和大滑区统称为粘 着区。当m 再增加时，车轮相对于钢轨产生很大的滑动( y 很大) ，轮轨接触面的粘 着系数却随着y 的增大而迅速下降，这就是车轮的空转。列车可以在粘着区工作， 轮轨都处于粘着状态。列车不能在空转状态工作。空转除造成牵引力急速下降外， 还会使轮轨剧烈磨耗，发生轮匝松弛等事故，必须避免【刀。 微滑大滑空转 图2 - 2 粘着系数与蠕滑率的关系 f i 9 2 2t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n ta n ds p l i d p a g er a t e 6 粘着基本理论 如图2 - 2 1 】所示，粘着系数存在最大值凤。，。显然，只有在粘着系数取最大值 。，时，能够传递的牵引力才将达最大值。而在列车实际运行中，由于种种原因， 能利用( 能实现) 的粘着总小于最大粘着，粘着控制的目标就是在列车运行过程中， 使实际的粘着系数尽量逼近于当时路况的粘着系数最大值，从而获得最大的平均 牵引力。一般利用从蠕滑率0 到粘着极限的微滑区的粘着力。 k a l k e r 曲线反映粘着系数与蠕滑率的关系，如图2 3 【8 】所示，该曲线有两个稳 定工作区间。第一个稳定区在蠕滑率为0 5 左右处粘着系数达到峰值产生，由于 通过这个区的时间很短，并且难以检测与控制，故称之为假稳定区，真正的粘着 利用与控制是在第二个稳定区。k a l k e r 曲线是理论曲线，实际通过测量和统计得 到的粘着系数曲线不包括假稳定区。 图2 - 3 k a l k e r 理论粘着曲线 f i 9 2 - 3k a l k e ra d h e s i o nc b r v e 图2 4 【8 1 为美国g m 公司“高级蠕滑控制系统 报告中给出的蠕滑曲线，它是 在中低速时各种不同钢轨条件下试验得出的。 7 北京交通大学硕十学位论文 粘 着 系 数 蠕滑翠，( ) 图2 _ 4 不同轨面的蠕滑粘着关系图 f i 9 2 - 4t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n ta n ds p l i d p a g er a t e u n d e rd i f f e r e n tr a i l w a yc o n d i t i o n s 从图2 4 可以看出，对于干燥轨面，最大粘着系数。在蠕滑率为6 7 时 出现，而对于潮湿轨面，蠕滑率约在1 5 时出现。，撒砂减i i , t 出现最大粘着 系数时的蠕滑率，撒砂后蠕滑率约在5 时出现。撒砂是指在空转尚未发生前 的撒砂，如果空转已经发生，只能靠减载制止空转，撒砂的作用是帮助恢复粘着。 干燥轨面撒砂时最大粘着系数可达4 0 左右，潮湿轨面撒砂时只达2 9 左右【8 j 。 在同一轨面条件下，空转停止后，如果不用撒砂去提高粘着系数，则牵引力恢复 后空转将继续发生。 2 1 2 微滑区特性 试验表明，在轮轨接触点上的切向力只与车轮沿钢轨表面的蠕滑速度y ，( 当 列车速度为v 时) 之间，存在着如图2 - 5 6 】所示的关系：车轮的蠕滑率较小时，接 触点上的切向力的近似的与蠕滑率y 值成线形关系( 粘着摩擦) 。而蠕滑率在某一 临界值y h 以后，切向力实际上成为一个常数。切向力的最大值等于摩擦力 c 。= 伊易( 疋为轮荷重) 。当只 只。) ( 3 3 ) 式中：k 一列车轮对的空转速度； 允一空转后的滑动摩擦系数； ，一车轮半径； m 一列车归算到轮对上的质量； 一归算到轮对的转动惯量( 包括轮对、传动齿轮、电枢等折算到轮对上的 转动惯量) ； c 。一最大粘着力。 在粘着范围内，当列车加速时，由式( 3 3 ) 知m 最r ， e = ( m m r + j f ) ( j + m r 2 ) 疋，咖出= ( m m r - m f r r 2 ) m ( j + m r 2 ) 】 0 ， 咖，出= 0 ，此时列车开始加速；当加速至平衡运行点时，咖班= 0 ， e = c = m r ，在这个过程中，空转速度始终为零。当轮对失去粘着时， 只= 乃圪 0 ，此时空转速度增加，空转开始形 成。 3 3防滑防空转判据 粘着控制系统的核心技术在于发生滑行或者提前预测即将发生滑行，而控制 的关键是在什么时候判断为空转或滑行。判断早了，会使制动力损失过大，无法 充分利用轮轨问粘着；判断晚了，就会产生滑行，造成踏面擦伤，甚至车轮抱死， 起不到防滑的作用。 对防滑系统的要求是在尽可能高的制动率条件下防止滑行，以最大限度的利 用轮轨问粘着。因此正确选择车辆防滑器的控制参数，合理制定滑行判断标准是 防滑系统性能好坏的关键。 目前已有的防滑系统在判定滑行时采用了许多判据，主要有速度差、加速度、 加速度的导数、蠕滑率等，其中速度差和加速度判据采用的较为普遍。但无论采 用那一种判据或几种判据的组合，都是把防滑防空转和充分利用粘着作为主要目 的。 1 6 粘着控制系统算法分析 3 3 1 蠕滑率 防滑系统采用蠕滑率作为防滑防空转判据时，当某一车轴的蠕滑率达到一定 值时便被判定为发生空转滑行。 蠕滑率与粘着利用是密切相关的，把蠕滑率控制在粘着利用峰值点附近就能 达到充分利用粘着的目的。在车轮防滑防空转过程中，当y h 时，应减少制动力矩，使车轮重新获得 加速，使蠕滑率减少且趋于以。通过上述反复增加或减少制动力使得蠕滑率保持 在期望值附近，从而实现既能够有效的制动又能防滑。 蠕滑率控制期望在合理控制蠕滑率量值的基础上，即通过控制制动力使车轮 蠕滑率保持在一定范围内，在防止滑行的同时充分利用粘着，防止制动距离延长 过大。 日本的试验表明：当蠕滑率低于5 时，瞬时粘着系数变化很小；蠕滑率超过 5 时，粘着系数趋于下降，这表明当车轮蠕滑率维持在确定的水平时，就能有效 的利用粘着，同时防止空转和滑行的产生【2 4 1 。 但仅用蠕滑率进行控制时需要根据轨面状况改变参考速度的斜率，所以至少 还需要一套测定列车减速度的装置。而在各种轨面上不一定都与最佳蠕滑率儿。 相对应，不可能准确地测出车轮的稳定界限。同时在车轮转速返回稳定区域之前， 连续降低制动力，有时会造成制动力损失过多。因此仅用蠕滑率进行控制的实用 性并不高。 3 3 2 轮轨速度差 列车制动过程中，当某个轮对发生滑行时，该轴的速度必然低于其它未滑行 轴的速度，对各轴速度进行比较并判定滑行轴的速度与列车参考速度的差值，当 此差值大于一定标准时便判定为滑行，相应车轴的防滑装置作用降低制动力以实 现再粘着控制 1 7 北京交通大学硕十学位论文 h 。1 ) 图3 - 1 粘看滑行定律 f i 9 3 1a d h e s i o n - s p l i d p a g et h e o r e m 如图3 - 1 所示，当车辆速度和轮轴速度之差较小时( 稳定范围内) ，粘着系数将 快速下降到零；在速度差较大时( 不稳定范围内) ，粘着系数将按一条比较平的曲 线延伸。而单独用速度差作为判据时，如果速度差滑行判定阈值为定值，但在高 速时当速度差达到阈值蠕滑率可能并不大，此时降低制动力，就无法充分利用粘 着。由此得出，低速时判断滑行的速度差阈值要比高速时的小，即速度差判据的 大小是随速度变化的，只有这样才能实现粘着的充分利用。 实践表明，车轮在连续滑行时，宜采用速度差判据进行控制。但由于速度差 对于车轮的磨耗造成的轮对圆周尺寸的误差特别敏感，且速度差阈值往往受速度 变化的影响，因此速度差标准的制定和设计是一个复杂的问题。 由于所求得的速度差与列车运行速度有关，而真正的蠕滑速度与列车速度无 关；其次，求列车参考速度需有时间延迟。因此，根据蠕滑率和速度差来识别空转 发生时，空转已比较严重，牵引力损失较多。为了尽早识别空转，现提出一种基于轮 周加速度和加速度导数进行空转趋势识别的方法。 3 3 3 加减速度及其导数 当多根轴以接近速度同时滑行时，用速度差判据是难以检测出的，灵敏度不 高，这时可以采用减速度判据进行控制。当车轮即将发生抱死滑行时，车轮速度 发生突变，减速度值相应增大，当减速度大于预定值时便判定为滑行，应采取措 施控制制动力按一定策略变化以实现粘着恢复并尽可能充分利用粘着。 加速度判据值的确定对粘着利用也十分重要，其阈值一般为为定值，不受速 度变化的影响。而且加减速度标准相对于本轴是独立的，与其他轴无关。因此绝 大多数防滑系统都采用了此标准。 当j h 减速度达到判据阈值时，防滑装置动作，经过延迟时间t l 后，制动缸压 力开始变化，此时因n 减速度变化快慢不同，即加减速度的导数值不同，就有可 粘着控制系统算法分析 能造成加减速度变化慢的粘着利用不良，而变化快的防滑作用不良。如图3 2 乜们 所示，加减速度变化快慢不同，制动缸压力开始变化时的加减速度也是不同的。 l 7 氐l 一i i f 1 ；八 ： ! f l 、 ；+ 叫 图3 - 2 根据减速度进行判断的曲线图 f i 9 3 2t h ec u r v eb a s e do nt h e a c c e l e r a t i o n 为了弥补这种由于防滑系统机械部分存在动作延迟引起的制动缸的压力变化 作用滞后，有的防滑系统在使用加减速度判据的同时，使用加减速度的导数进行 辅助判断。 如图3 3 雎4 1 所示，当( 口+ d a l d t t 1 ) 达到阈值是判定为“滑行 ，则经过延迟时 间后，无论加速度变化快还是变化慢，经过相同时间加减速度达到的值都是相同 的，这样才能保证良好的防滑作用和充分利用粘着。 l n n 7 一一一一、卜c 一 t l 。： i 1 1 7 i f 1 。! ! 、 7 图3 3 根据减速度和减速度导数进行判断的曲线图 f i 9 3 - 3t h ec u r v eb a s e do nt h ea c c e l e r a t i o na n di t sd e r i v a t i v e 1 9 北京交通大学硕十学位论文 减速度和减速度导数检测，实际上都是为了控制减速度，从而控制制动力， 达到防滑防空转的目的。 但列车在以较低速度行驶，轮对的减速度达不到设定值时施加制动，就可能 使车轮的旋转无法得到控制而抱死。另外在确定车轮转速是否恢复到稳定区域的 过程中特别是粘着系数发生急速变化的情况下无法进行制动控制，可能会导致车 轮抱死或蠕滑率增大、制动控制失灵等现象。而且从低粘着系数轨面进入高粘着 系数轨面时，利用) i n 减速度及其导数作为判据反应迟缓，使制动距离长。因此仅 以j h 减速度和其导数作为判据进行控制，控制效果也不尽如人意。 由上述内容可看出，单独应用任何一种防滑控制参数时，都存在一些不足【6 】： 容易在低粘着轨面上发生车轮擦伤或抱死现象或在高粘着轨面出现过度减压：对 粘着系数急变的轨面适应性差，特别是从高粘着轨面向低粘着轨面跃变时车轮特 别容易抱死；列车低速行驶时施加制动力，车轮容易抱死。 选择车轮蠕滑率和加减速度及其导数三个参数组合起来作为防滑防空转控制 参数，可解决上述问题。本论文所研究的模型就是通过组合校正法对蠕滑率、加 速度进行检测。 3 3 4 影响判据准确性的因素 从目前的的发展状况和技术条件来看，直接测量列车的车辆速度、蠕滑率、加 速度及其导数是不可能实现的。普遍采用的方法是：首先测得各轴速度，根据一 定计算方法得到轮速，在此基础上计算得出蠕滑率、加速度及其导数，最后再进 行比较判断。 在粘着控制系统中，通常轮速的计算公式如下： 1 ，：3 6 1 r d n x ( 3 4 ) 1 ，= 一 l j 斗， tp 式中：y 一速度( 砌h - ) 5 丁一采样时间( 周期) ； 一每次采样间隔的脉冲数： p 一脉冲数转； d 一轮径( m ) 。 由式( 3 4 ) 可看出，速度计算与车轮轮径有关。车轮经过磨耗后，计算速度 与实际速度会有误差，造成粘着控制系统失误，导致误动作。为了消除轮径大小 不同造成的测速误差，必须对轮径进行修正，即轮径补偿。 速度差和蠕滑率的确定都与参考速度有关，所以首先要确定参考速度。理想 2 0 粘着控制系统算法分析 的参考速度应为列车的速度，但在车辆运行中要取得车辆速度是比较困难的，因 此采用某一轮速代替列车参考速度，参考速度的选取原则见4 5 3 节。 综上所述，轮速的测量和计算方法、轮径补偿以及列车参考速度的选择等都 对防滑防空转判据的准确性起着关键作用。 3 3 5国内外几种防滑器的判据选择 t f x 型防滑器是由铁道部科学研究院独立开发研制的国产微机控制防滑器， 在我国铁路车辆上广泛应用。该防滑器采用了三个控制判据：蠕滑率、速度差和 减速度。其中把蠕滑率作为一个辅助控制与速度差同时应用。 s f h 2 型防滑器是我国最早研制的防滑器，与1 9 9 6 年由四方车辆研究所研制 成功。s f h 2 型防滑器的控制判据可控制方法与t f x 型防滑器相同。 以法国t v g 防滑器为代表的法国大蠕滑率控制防滑器，具有高粘着利用的特 点。该防滑器以蠕滑率作为判据进行控制。 日本的再粘着控制防滑器也是通过对蠕滑率的判断进行粘着控制。 总之，由于各国的情况各不相同，其粘着控制系统防滑判据的选择也不尽相 同。表3 1 列出了部分国家微机控制防滑器的滑行检测判据心引。 表3 - 1 微机控制防滑器的常用防滑判据1 t a b5 - 1c o m m o n l yu s e dg l i d ee x a m i n a t i o np a r a m e t e ro fa n t i s k i dc o n t r o l l e db y m i c r o c o m p u t e r 3 4 粘着控制设计原则及控制策略 3 4 1 粘着控制设计原则 目前国内外粘着控制系统主要有校正型和蠕滑率控制型两类。 校正型粘着控制系统是通过各动轮间的线速度差，及每个动轮的线加速度 1 注释：表示采用该防滑判据。 2 l 北京交通大学硕+ 学位论文 咖出，甚至速度的二次微分值d z v a t 2 来判断其空转程度。当动轮牵引力一旦超过 粘着值，空转或空转趋势达到一定程度时，则迅速削减动轮驱动转矩，使空转得 到强烈的抑制。粘着恢复后，又迅速恢复牵引力：当回升到空转前转矩的7 5 9 0 时，再以缓慢速率增长，以寻找下一个粘着极限点，不让空转发展，使轮轨经 常运行在高粘着区。 蠕滑率控制型粘着控制系统利用安装在列车底部的分类波无线电雷达，经过 数据处理系统，得到精度1 以内的列车行驶速度，再将每个轮对转速与之比较， 得出蠕滑率值，并根据各电动机电流( 相当于轮轨驱动力) ，测量出蠕滑特性梯度， 并判断是接近还是离开最大粘着值，通过快速但幅度较小的牵引力校正使轮对接 近最大粘着值，又不超越到大空转的不稳定区。 当1 ，或a 1 ，a t 、d 2 巩2 超过阈值时，系统动作，电机经历一个从迅速降低电 流到逐渐恢复电流的过程。从国外成功的控制经验来看，要使粘着恢复，这一过 程时间以l o s 左右为好。调节过程如图3 4 所示，当检测到空转时，瞬间降低牵引 电流，。开始，经5 0 m s 左右降为，。的一半。再经1 0 0 m s 恢复到l 的7 0 ，然后在 4 s 内缓慢地恢复到( 9 0 9 7 ) i k ，以防止再次空转。最后经过6 s 恢复到1 0 0 i k 。 0 0 0 o 0 0 0 0 0 图3 _ 4 一个调节过程的安秒特性 f i 9 3 - 4t h ea sc h a r a c t e r i s t i co fo n er e g u l a t i n gp r o c e s s 整个调节过程分三个部分，第三部分控制特性尤为重要，这是建立粘着，寻 找下一粘着极限点的过程。这一步如果控制得不好，极易造成连续空转。 粘着控制系统算法分析 吕 0 厶吕 0 0 0 0 图3 - 5 两个调：符过程的安秒特性 f i 9 2 - 11t h ea 。sc h a r a c t e r i s t i co fo n er e g u l a t i n gp r o c e s s e s 图3 5 给出的两个连续过程表明：第二次调节是在第一次基础上进行的，它以 第一次调节后的厶为基数，因此相应的降功幅值加大。 3 4 2 粘着系统控制策略 车轮的转动力或制动力超过轮轨粘着力是导致车轮空转和滑行的主要原因。 防止空转和滑行的方法可分为三类。第一类是提高粘着系数，采用增粘闸瓦、增 粘研磨子和在轮轨间喷射陶瓷粒子的方式；第二类是对粘着力的有效利用，包括 对制动力的连续控制模式、空电复合制动、空重车调整装置、电动车组的制动力 合理分配、轴重变化补偿控制等方法；第三类是空转、滑行检测及再粘着控制， 通常采用速度比较和加速度比较的检测方法作为粘着控制系统的基本工作原理。 目前国内主要采用组合校正法对列车进行粘着控制，国外的高速列车中常用 的粘着控制方法还有模型控制法及模糊控制法等。 ( 一) 组合校正法 组合校正法的基本思想【3 2 】是：测量列车的动轴速度与拖轴速度，由动轴速度 和拖轴速度确定列车参考速度( 确定原则见4 5 3 节) 。再由车轮速度和列车参考 速度计算蠕滑率。然后根据动轮加速度、蠕滑率制定控制方案。 组和校正法由加速度标准法、极值法和反馈法三种控制方法组合而成，该方 法的具体过程是：首先对车轮加速度进行判断，当加速度超过阂值时表示打滑现 象比较严重，迅速降低驱动转矩；如果车轮加速度没有超过阈值，则对蠕滑率进 行判断，当蠕滑率超过阈值时，对驱动转矩进行较大幅度的调整：反之，判定为 正常运行状况。组合校正法的控制框图如图3 - 6 所示( 包含两个转向架，共四个轮 轴) ： 北京交通人学硕十学位论文 h 易 吩 屹 正 疋 7 三 互 图3 - 6 反馈与极值组合法控制框图 f i 9 3 - 6f e e d b a c ka n de x t r e r n ev a l u ec o m b i n a t i o nm e t h o dc o n t r o ld i a g r a m 组合校正法在算法上不是特别复杂，但它反应速度快，风险低，是一种可靠 的控制方法，因此被广泛应用于国内外列车的粘着控制系统中。国外动车组系统 中采用现代智能控制方法寻求粘着最优化，但依然采用组合校j 下法作为粘着控制 的基础及后备，以保证列车行驶安全。 ( 二) 模型控制法 模型控制法在研究粘着控制中需要采用简化的列车牵引模型。该方法在控制 过程中不需要对蠕滑速度进行计算，而是利用粘着峰值处的警= 0 ，因此该方法 o t 与蠕滑速度无关。 图3 - 7 模型控制法结构框图 f i 9 3 - 7c o n t r o lo fm o d e ls t r u c t u r ed i a g r a m 如图3 7 【1 1 7 】所示，该控制法运用p i 控制器进行控制，同时增加一个迅速降低电 机转矩的l w 以实现把粘着系数从非稳定区调节至稳定区。 ( 三) 滑模变结构控制法 滑模变结构控制法以经典数学控制理论为基础，这种控制方法能增强系统的抗 干扰能力，具有很强的自适应性。滑模变结构属于一类特殊的非线性控制系统， 它根据系统当时的状态偏差及导数值，在不同的控制区域内，以理想开关的方式 切换控制量的大小和符号，使系统在滑曲线很小的领域内沿着切换线滑动。系统 2 4 粘着控制系统算法分析 一般由受控对象和一个变结构控制器组成，控制器含有一个逻辑环节，它操纵控 制器结构的变化，进入切换线后，就与系统的结构及扰动无关，因而它具有较强 的鲁棒性，是一种非常有效的控制方法。 ( 四) 模糊控制法 模糊控制是最新出现的智能型控制方法，在许多领域都得到了成功的应用。 它的最大特点是不需要详细了解被控系统的精确数学模型。模糊控制方法能够充 分利用人的经验，模仿人的思维方式，将人的控制经验形式化并引入控制过程中， 再应用较严密的数学处理，实现模糊推理进