高速动车组粘着控制算法分析

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1、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Re465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)PID控制：PID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tJ：Adrian等学者把模糊控制应用到防滑控

2、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

3、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

4、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MATLAB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

5、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CRH5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MATLAB／Simulink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

6、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

7、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【61。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FA=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

8、力产生示意图Fi92一lThewheelslippagesandtractionschematicdrawing5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