[發明專利]一種基于最優蠕滑速度搜尋與跟蹤的優化粘著控制方法

有效

• 申請號: 201910790615.1
• 申請日: 2019-08-26
• 公開（公告）號: CN110450794B
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 黃景春;康燦;文小康;鄧雯琪
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: B61C17/00
• 分類號: B61C17/00;B60L15/00;B60L15/20;G05B13/04
• 代理公司: 成都天既明專利代理事務所(特殊普通合伙) 51259
• 代理人: 彭立瓊;李欽

本發明公開了一種基于最優蠕滑速度搜尋與跟蹤的優化粘著控制方法，包括全維狀態觀測器、參考蠕滑速度搜尋模塊和MPC粘著控制器，全維狀態觀測器利用電機的牽引轉矩和輪對轉速估計出機車粘著系數；參考蠕滑速度搜尋模塊根據機車的粘著系數和蠕滑速度判斷機車運行狀態、完成對參考蠕滑速度的調整并搜尋到當前軌面的最優蠕滑速度，然后將搜尋的參考蠕滑速度輸出至MPC粘著控制器；MPC粘著控制器在給定參考蠕滑速度和實際蠕滑速度兩個信號條件下，結合電機控制轉矩約束、蠕滑速度約束以及行車性能指標，實時地預測出最優牽引轉矩，并輸出至機車，實現對最優蠕滑速度的跟蹤，得到最大粘著力，提高粘著利用率，同時滿足牽引系統的要求。

技術領域

本發明涉及機車牽引控制技術，尤其涉及一種基于最優蠕滑速度搜尋與跟蹤的優化粘著控制方法。

背景技術

重載機車因其運量大，牽引功率高等特點，在軌道交通運輸，特別是貨物運輸方面一直占據著重要的角色，同時也是大型貨物傳輸的最佳途徑。隨著經濟的發展，我國對重載貨運的需求，對機車牽引功率的要求也越來越高。

牽引力和制動力的發揮主要依靠輪軌間的粘著力，機車牽引系統所能發揮的最大牽引力和制動力也因此受到輪軌間粘著狀況的限制。影響輪軌間的粘著系數的因素很多，軌道環境、輪徑參數和線路條件都會對其造成影響。當軌道進入潮濕、油污或者落葉軌道時，粘著系數下降，如果此時機車輪對驅動力大于當前輪軌所能提供的最大粘著力，則輪對可能會發生空轉或滑行，機車牽引力急劇下降，導致踏面損傷，嚴重時，可能會存在列車脫軌的隱患，因此，優化輪軌間的粘著控制，提高粘著利用率對于提高重載機車的牽引性能、保障行車安全具有重大的意義。

機車運行過程中，依靠輪軌間的粘著力將牽引電機上的轉矩轉化為機車運行的牽引力與制動力。如圖1所示，在機車載荷P的作用下，當機車運行時，輪軌之間由于正壓力P的作用會產生彈性形變，形成橢圓形的接觸斑。當車輪向前滾動時，輪軌間接觸部分材料發生彈性形變，車輪運行前沿部分材質被壓縮，而后沿部分材質被拉伸；而輪軌前沿部分被拉伸，后沿部分被壓縮，因而在橢圓形接觸斑內，由于接觸材質的相對變形從而輪軌產生的微小的滑動現象稱為蠕滑。純滾動是不能產生輪軌粘著力的，蠕滑現象使得車輪滾動時，在輪軌接觸面上產生輪周牽引力，即粘著力，它是機車運行過程中前進的唯一動力。

接觸面上微觀的滑動在宏觀上體現為機車的運行速度vt總是略小于車輪的圓周速度v_d，用蠕滑速度vs或者蠕滑率γ來衡量輪軌間的蠕滑程度。

輪軌間的蠕滑速度決定著輪軌接觸面所能傳遞的輪周牽引力的大小。通常將輪軌間所能產生的最大輪周牽引力與機車載荷P之比稱為粘著系數，用μ表示。

大量的研究表明，輪軌間的粘著系數與蠕滑速度存在密切的關系，并通過實踐總結出輪軌間的粘著特性曲線。粘著特性曲線是描述輪軌間粘著系數和蠕滑速度的曲線，如圖2所示，曲線可以分為兩個區域：粘著區和空轉區，粘著區根據曲線性質又可分為微滑區、大滑區。當輪軌蠕滑速度較小時，此時機車運行在微滑區內，粘著系數隨著蠕滑速度增加近似成線性關系；而隨著牽引轉矩增加，蠕滑速度增大較快，此時粘著狀態由微滑區過渡到大滑區；當機車輪對驅動力大于當前輪軌所能提供的最大粘著力時，粘著系數快速下降，機車運行在空轉區，極易發生空轉或滑行，嚴重時可能導致列車脫軌，危害行車安全。

由圖2可知，粘著特性曲線存在一個粘著峰值點μ_m，該粘著峰值點對應的蠕滑速度為最優蠕滑速度vs_m，此時輪軌傳遞的牽引力/制動力最大，能夠最大化利用輪軌間粘著條件。因此，粘著控制的主要目的是控制機車粘著狀態保持在粘著區，并穩定在粘著峰值點附近，以實現粘著的最大利用，優化牽引性能。

現有的粘著控制方法主要為：

(1)組合校正法