一种考虑系统不确定性估计的重载列车最优黏着控制

重载列车在运行时,黏着条件容易受到不良的天气状况或轨面状态影响,会导致列车无法有效发挥牵引力。为了解决重载列车在运行过程中因黏着条件恶化导致无法有效发挥牵引力的问题,提出一种考虑系统不确定性估计的离散积分滑模控制方法,该方法通过对最优蠕滑速度的跟踪控制,实现重载列车的最优黏着控制。由于黏着系数在实际情况中难以测量,所以针对此情况设计串联滑模观测器对黏着系数进行观测估计。采用带遗忘因子的最小二乘法估计出黏着特性曲线斜率,并根据梯度下降算法得到最优蠕滑速度。以最优蠕滑速度和实际蠕滑速度作为控制系统输入,以牵引电机转矩作为系统输出,利用一步延迟估计方法估计系统的不确定性,据此设计离散积分滑模控制器控制电机转矩使蠕滑速度始终稳定在最佳蠕滑速度处。仿真实验结果表明：设计的考虑系统不确定性估计的离散积分滑模控制方法实现了对最优蠕滑速度的跟踪控制,并且与离散积分滑模控制方法相比,系统跟踪误差更小且具有更高的控制精度。说明采用的方法不仅能够补偿系统的不确定性和抑制抖振现象,而且还能实现对最优蠕滑速度的高精度跟踪控制,达到使重载列车牵引性能最优的目的。     

基于最优蠕滑辨识的高速列车黏着控制研究

针对高速列车黏着控制提出一种最优蠕滑辨识方法,通过仿真分析验证该方法的有效性。通过捕捉瞬态控制和稳态控制切换时的蠕滑率作为控制基准值,以模糊控制方式对控制基准值进行调节,实时辨识轨面最优蠕滑率。该方法以最优蠕滑率为控制目标达到获取最优黏着控制效果,实现了最大黏着系数利用、提升牵引力发挥稳定性的目的,为黏着控制在高速列车领域的应用提供了指导。     

基于动态面方法的高速列车蠕滑速度跟踪控制

针对高速列车的主动黏着防滑控制问题,提出基于障碍Lyapunov函数的蠕滑速度动态面跟踪控制算法,可以实现对蠕滑速度的上界约束,同时保障黏着控制系统的稳定性。首先建立考虑牵引与制动转矩产生过程的高速列车动力学模型,并将黏着控制问题描述为含输出约束的非线性系统的跟踪控制问题;然后引入障碍Lyapunov函数处理输出约束问题,设计了自适应动态面控制律,未知参数由自适应律估计得到,未知时变的黏着力和运行阻力由两个力观测器来估算;最后通过Lyapunov方法证明了蠕滑速度跟踪误差半全局一致最终有界,蠕滑速度始终保持在稳定区域内。仿真结果证明了该方法的有效性。     

地铁列车最优黏着控制研究

潮湿、雨雪等轨面条件会导致地铁列车的黏着利用率低,从而降低列车的牵引和制动性能,进一步带来安全问题。为了使轮轨黏着力得到充分利用,建立了地铁列车的单轴牵引模型,设计全维状态观测器对黏着系数进行估计,并通过滑模变结构设计控制器来对电机转矩进行控制调整,基于MATLAB/Simulink进行模型仿真和结果分析。仿真结果表明,这种方法可以实时搜索出不同轨面条件下的最优蠕滑速度,黏着系数保持在最大值附近,提高了黏着利用率。     

时速400 km轮轨制动大蠕滑黏着试验研究（一）——水介质条件下黏着特性

300～400 km·h^-1速度范围内高速列车在湿轨条件下的制动黏着行为特点尚不清楚,制约着时速400 km高速列车制动黏着的有效利用。针对这一问题,利用全尺寸高速轮轨关系试验台,研究高速轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着特性,提出基于高速轮轨关系试验台的轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着特性试验方法,探究100～400 km·h^-1速度范围内轮轨接触界面为中等粗糙度水平(Ra为0.4～0.6μm)且有水介质条件下纵向蠕滑率为0～30%时的制动黏着特性。结果表明：在纵向蠕滑率从0.5%增至5%～8%过程中,黏着力系数出现了减小的现象,此阶段不利于黏着的利用;纵向蠕滑率增至一定数值后(一般为5%～8%),若继续增加,则出现黏着力系数再上升的现象;试验速度为200 km·h^-1时,当纵向蠕滑率增至27%时出现黏着力系数上升的第2个峰,在纵向蠕滑率从30%开始减小过程中黏着力系数出现“卸载峰”;试验速度在300～400 km·h-1范围内,当纵向蠕滑率增至15%左右时出现黏着力系数上升的第2个峰,此处黏着力系数约为第1个峰时的2倍;加...     

基于SVD-UKF的机车最优黏着控制研究

为改善轮轨黏着关系、保障行车安全以及提高黏着利用率,需对机车进行黏着控制。针对机车运行过程中轨面黏着系数难以获取的问题,设计了SVD-UKF观测器,有效克服了外界干扰对观测精度的影响;并结合递推最小二乘法,实现了对当前轨面最优参考蠕滑速度的实时搜索;为提升抗干扰能力和鲁棒性,提出了一种基于指数趋近律的滑模鲁棒控制算法。仿真结果表明,所提出的控制策略具有良好的控制效果,能够实现机车黏着的较高利用。     

基于虚拟样机的机车黏着控制研究

为了抑制轮对空转并最大限度利用轮轨黏着能力,需要开发基于虚拟样机和现代控制理论的机车黏着控制技术.建立了大功率机车牵引列车及电气牵引传动系统的机电一体化动力学模型,考虑到了大蠕滑率时轮轨黏着负斜率特性、电机磁饱和及转矩机械特性,对机车驱动过程进行仿真研究.提出通过检测同一转向架内不同轴之间的最大角速度差和角加速度差,实时计算轮轨黏着度,并采用模糊控制策略的黏着控制方法.仿真结果表明:在不同轨面及运行工况下,黏着控制使得轮轨有效黏着系数保持在黏着峰值,提高了机车的牵引性能;轮对的蛇行运动使得黏着控制中产生波动现象,波动频率与蛇行运动频率一致;针对不同结构参数机车和运行工况,黏着控制参数需要优化以达到最大的轮轨黏着利用率.     

成果信息

交直电力机车全天候黏着控制系统交直电力机车全天候黏着控制系统是根据机车蠕滑率特性曲线,基于改善雨天黏着特性以获取较大黏着系数为指导思想,采用蠕滑率控制技术、高精度GPS技术、光电技术等,对铁路机车进行黏着控制。当需要大牵引力(如坡停起动加速工况)时,利用高精度GPS技术测取机车速度,通过快速测量,计算出机车各轮对蠕滑率对牵引力(电流)的偏微分值,判断各轮对距离黏着特性极限的分离程度,及时调控电机电流使之运行在高黏着区,在不超越极限的情况下,使机车始终能够获得较高的牵引力。     

复杂轨面接触条件下轮轨动态相互作用研究

表面接触状态对轮轨摩擦系数和黏着特性影响显著。基于车辆—轨道耦合动力学理论,建立了考虑轮轨防空转控制的重载列车—轨道耦合动力学模型。利用该数值模型分析了接触状态对轮轨动态相互作用的影响,系统地对比研究了不同防空转控制策略对轮轨黏着性能的影响。分析结果表明：轨面接触状态和防空转控制阈值对轮轨法向相互作用及黏着特性影响显著;相比于定阈值的PID轮轨防空转控制,当采用最优转矩控制策略时牵引效率更高。     

基于细观尺度粗糙轮轨接触蠕滑特性数值分析

为了进一步考虑粗糙表面对轮轨蠕滑的影响,从微凸体的微米尺度跨越到米的尺度,着力于摩擦的物理学本质,建立干摩擦工况下的轮轨蠕滑力的二维动态计算模型。通过微凸体接触与断开来模拟轮轨接触的滚滑运动,讨论不同速度、蠕滑率、轮轨表面粗糙度参数等因素对轮轨黏着系数的影响,对每个因素造成的轮轨牵引系数的变化进行数值分析。在中低速情况下,通过对线路测量数据和实验室JD对滚机数据与模型计算结果的对比,验证了模型的有效性。结果表明随着速度的增大,黏着系数随之下降;适当增加轮轨表面粗糙度能提高轮轨间的黏着系数;同时以非人为划分的方式重现接触斑内牵引系数变化的过程,从黏着区到滑动区的过渡过程。     

机车车辆轮轨黏着-蠕滑问题研究

机车车辆轮轨黏着问题与机车运行存在密切关系。在其他条件不变情况下,牵引轴重必将加大滑动区面积,但随着蠕滑率的不断加大,黏着系数随着轴重增加而减少。黏着控制实质是蠕滑率控制,目的是有效识别和抑制机车空转和滑行,使机车牵引力或制动力在接近轮周牵引力峰值点工作,充分发挥轮轨可用黏着潜力,提高黏着利用率,并根据国内机车黏着利用方面存在的不足提出改进建议。     

重载轮轨黏着特性的数值分析

基于ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)有限元建立稳态轮轨滚动接触的三维有限元模型.利用该模型计算和分析重载轮轨滚动接触的黏着特性,并研究不同速度等级对重载轮轨黏着蠕滑特性的影响.用该模型对重载大功率机车车轮在轨道上从制动、惰行到牵引过程进行计算,得到了这一过程中轮轨接触状态的变化规律和黏着特性曲线.在重载大功率机车从制动、惰行到牵引的过程中,轮轨纵向摩擦力由反方向饱和状态逐渐转变成牵引方向饱和状态,而轮轨横向摩擦力始终呈反对称性分布,其最大值位置先是逐渐靠近接触斑中心,然后又逐渐远离之;摩擦力矢量呈旋转分布,其方向从与运动方向相反逐渐变为与运动方向相同,其旋转中心从轮缘附近逐渐进入接触斑,随后又逐渐向轮缘一侧移动;当轮轨纵向蠕滑率较小(≤0.003)时,黏着力随纵向蠕滑率的增加而近似线性增加,但运行速度对此影响不大;进入大蠕滑率(＞0.003)区域后,黏着力随蠕滑率的增加而减小,并且速度越高,黏着力降低得越快.     

水介质条件下轮轨黏着特性试验研究

在JD—1轮轨模拟试验机上进行轮轨在干态工况突然加水和水介质条件下的黏着特性试验,着重研究水介质条件下不同速度、轴重以及蠕滑率对轮轨黏着的影响。结果表明:在相同的蠕滑率下,干态工况加水之后轮轨间的黏着系数较干态时的黏着系数降低了50%~60%;在水介质条件下,不论是最大黏着值还是稳定黏着值(机车实际运行黏着区),受车轮速度影响较大,黏着系数随着车轮速度的上升而降低,轴重对黏着系数的影响较小;黏着系数在达到最大值(饱和值)之前随蠕滑率的增加而线性增加,而后随蠕滑率的增加而下降,最后逐渐趋于稳定。最大黏着系数所对应的蠕滑率为0.5%左右。     

重载机车轮轨黏着利用技术研究综述

重载运输是除高速铁路以外,铁路现代化的又一标志,重载机车牵引与制动性能的发挥效果依赖于轮轨黏着利用状况。本文首先从黏着-蠕滑现象和黏着特性两方面,简要介绍黏着基本理论;然后着重围绕制约黏着利用性能提升的关键问题,从黏着系统建模、系数辨识、故障检测、黏着控制四个方面,系统综述重载机车轮轨黏着利用近年来的研究成果,并依据机车运行工况的特点,分别评述现有成果在实际应用中的优势与不足之处。最后从复杂多变条件下黏着系统建模、黏着微小故障在线检测和多牵引动力协同分配等角度,指出轮轨黏着利用研究的未来发展趋势。     

不同运行工况下高速轮轨稳态滚动接触蠕滑特性分析

以LMA型踏面车轮和CHN60钢轨为对象,基于有限元软件ABAQUS,采用mixed LagrangianEulerian法,分析全滑动制动、全滑动牵引、蠕滑制动以及蠕滑牵引4种工况下的高速列车轮轨稳态滚动接触蠕滑特性。结果表明:全滑动制动工况下纵向蠕滑力的合力为蠕滑制动工况下的6.5倍左右,全滑动牵引工况下纵向蠕滑力的合力为蠕滑牵引工况下的1.7倍左右;接触斑内的蠕滑力矢量在全滑动工况下均指向同一方向,制动时与运动方向相反,牵引时与运动方向相同,而在蠕滑工况下其存在自旋效应;全滑动工况下的纵向蠕滑率均大于蠕滑工况下的,而蠕滑工况下的横向蠕滑率均远大于全滑动工况下的;纵向蠕滑率在全滑动工况下的分布只有1个峰值区域,而在蠕滑工况下则存在2个峰值区,前一工况下的横向蠕滑率分布区域较散,数值相当小,最大仅为0.064%,而后一工况下的分布则相对集中,其最大值可达0.287%。     

基于台架试验的高速动车组防滑控制特性研究

黏着制动是通过车轮与钢轨接触斑之间的黏着-蠕滑来传递制动力的,因此轮轨黏着是影响制动系统性能的主要因素.防滑控制系统能防止由于轮轨低黏着而引起的轮对擦伤,是列车制动系统的核心技术之一.在深入分析轮轨黏着机理的基础上,设计一种分层递阶和多模式黏着切换的防滑控制新策略,防滑控制系统能根据不同的轮轨黏着条件自适应获得最佳可用...     

广州地铁速度120km/h车辆自主牵引系统防滑控制策略优化

阐述了地铁车辆轮轨间的黏着特性,介绍了广州地铁3号线120km/h车辆自主牵引系统的黏着控制策略,重点对列车防滑控制逻辑进行分析,包括滑行检测逻辑和力矩减载恢复逻辑。试验表明,自主牵引系统的防滑控制逻辑能有效检测到滑行现象,及时对力矩进行调整,有效提高了黏着控制性能。     

轨道交通车辆防空转和滑行控制策略研究

分析了车辆空转和滑行产生的原因,并根据蠕滑率和黏着之间的特性关系,阐述了校正型和蠕滑率控制型两种防空转和滑行控制策略,并对这两种控制策略适用条件进行了对比,在工程应用中需结合实际情况灵活运用。     

一种城市轨道交通节能优化控制算法设计

城市轨道交通系统能耗包括列车牵引、通风空调、电梯、给排水等设备产生的能耗,其中列车牵引能耗占轨道交通系统总能耗40%以上,最大化地降低列车牵引能耗成为了日益关注的问题。主要针对复杂路况下列车的运行控制,设计出一套基于递归思想的优化算法,能够得到在特定时间、路况等约束条件下的最优行驶控制策略,能够有效降低牵引能耗。同时研究了多列车运行时,如何通过协同控制最大化利用制动再生能量的问题,并给出了相关的解决方案。     

采用动态多子群GSA-RBF神经网络的机车黏着优化控制

为解决机车牵引过程中轮轨间最优黏着利用能否获得的问题,提出一种基于高斯RBF神经网络的机车黏着智能优化控制方法。针对黏着极限态优化控制效果的定量评估,定义了同时考虑轮轨间黏着力变化指标和牵引电机转矩波动指标的加权目标函数;提出动态多子群GSA算法以优化RBFNN参数,避免了参数选择的盲目性,提高了RBFNN的收敛速度和学习能力;此外,该方法不依赖被控对象的解析模型,仅基于系统输入、输出信息完成控制器设计,并通过对电机转矩的动态调整,实现轮轨间黏着的最优利用。仿真结果验证了该方法的正确性和有效性。