摘 要：列車的牽引力與輪軌間的粘著相互依存，而粘合控制是地鐵牽引電機控制的重要組成部分，但粘著狀態(tài)是難以估計的，檢測設備的準確率和輪軌接觸情況的影響均影響了粘著力的大小。文章采用全維狀態(tài)觀測器來觀測電機負載轉(zhuǎn)矩，對粘著控制進行優(yōu)化，并通過牽引電機控制實現(xiàn)對輪軌間可用粘著力的最大程度利用。再結(jié)合最優(yōu)粘合控制算法，對于牽引輪的輪對差異所導致的并聯(lián)牽引電機轉(zhuǎn)矩不平衡提出附有勵磁補償?shù)目刂撇呗?。建立MATLAB/Simulink 模型進行實例仿真和現(xiàn)場試驗驗證。仿真結(jié)果表明： 采用文章的最優(yōu)粘合控制優(yōu)化方法對粘著力的整體利用率滿足地鐵列車的設計要求。

關鍵詞：粘著力 地鐵牽引傳動 優(yōu)化控制 空轉(zhuǎn)/打滑

1 緒論

隨著地鐵客運迅速發(fā)展，地鐵線路設計逐漸復雜化、多樣化，除了傳統(tǒng)的地下隧道，還常出現(xiàn)高架橋等露天行駛的區(qū)域。雨雪天氣造成軌面濕滑，這直接導致牽引電機負載狀況脫離穩(wěn)態(tài)，并出現(xiàn)打滑、空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這將嚴重影響列車運行、乘車體驗，甚至威脅乘客安全[1]。為改善輪軌之間的粘合情況，就應從控制粘著力的粘合控制模塊入手，該模塊用于計算驅(qū)動車輪所需的轉(zhuǎn)矩與動力。大量現(xiàn)場實踐已經(jīng)證明，通過優(yōu)化該模塊向牽引電機輸出的控制策略、精細化輸入/輸出數(shù)據(jù)，可很好的解決以上問題，并能在一定程度上減少列車用于牽引所消耗的能量，這也使得最優(yōu)粘著控制策略成為修正牽引電機輸出、提升粘著可靠性的主流方法[2-4]。文獻[5]中提到用模糊控制算法解決車輪空轉(zhuǎn)/打滑的發(fā)生，但該方法并不適用于對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的精細處理與預測，因此也不適用于高速鐵路、城市軌道交通車輛運行過程中的最優(yōu)粘合策略涉及的建模問題；另外，還有部分學者采用粘著特性曲線梯度法的原理來確定粘著特性極值點的。每種輪軌粘合情況都與其黏著特性曲線相對應[6]；文獻[7]基于CKF算法來進行機車粘著狀態(tài)估計，并結(jié)合ISTCKF算法預測粘著力對車速的影響曲線，進一步優(yōu)化雨雪天氣下的粘著控制策略。

本課題的研究目標是通過對地鐵列車的電機轉(zhuǎn)矩進行控制調(diào)整從而提高列車的粘著利用率。以某城市地鐵的3號線電客車（車型為B型車，牽引電機為阿爾斯通永濟電氣設備生產(chǎn)公司生產(chǎn)的4極三相鼠籠式感應電機）為研究對象，考慮雨雪天氣露天運行與隧道內(nèi)干燥環(huán)境下運行的情況，基于Matlab/Simulink對地鐵列車的雙軸牽引模型進行仿真，并基于滑塊極值搜索算法對不同軌面條件下的最優(yōu)蠕滑速度進行搜索，集合最優(yōu)蠕滑速度與當前牽引電機工況綜合給出最優(yōu)粘合策略，提高粘著利用率，從而實現(xiàn)最優(yōu)粘合控制，增強列車的牽引和制動性能。

2 粘著特性與列車粘合控制

輪軌粘著力與接觸壓力、摩擦系數(shù)、彈性形變與粘滑現(xiàn)象有關。機車在軌道上行駛時，機車動輪對的受力分析如圖1所示（預設運行方向為右）。機車動輪對作用在鋼軌上的法向載荷是輪對軸重，為粘著力的產(chǎn)生提供了基礎。牽引電動機轉(zhuǎn)矩Ｔ，其計算方法為：

動輪對與鋼軌的接觸部分因載荷的壓力被貼合在一起。由于等效切向力的作用，動輪對與鋼軌的接觸點有向左移動的趨勢。輪軌之間相互接觸部分的摩擦和法向載荷的共同作用導致鋼軌對車輪的靜摩擦力。輪軌間未發(fā)生相對滑動時，此時輪軌接觸點是相對靜止的。法向載荷作用于輪軌接觸部分且兩者間保持相對靜止又未發(fā)生滑動，這種狀態(tài)叫做粘著狀態(tài)。此時的靜摩擦力稱為粘著牽引力。以上形變致使輪軌接觸面之間出現(xiàn)微量滑動，這種滑動被稱為“蠕滑”[8]。因為只有蠕滑產(chǎn)生的靜摩擦力才能將切向力進行傳遞。而在日程運行中，雨雪天氣、潮濕環(huán)境總會另軌面濕滑，影響輪軌粘著系數(shù)。具體的黏著系數(shù)變化如圖1（a）所示。

粘著控制系統(tǒng)是機車傳動控制系統(tǒng)的一部分[9]，如圖2所示。粘著控制通常在列車運行環(huán)境不確定的情況下，通過對電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩等信息采集、分析和處理，并結(jié)合駕駛員判斷給出的電機轉(zhuǎn)矩指令，向電機控制系統(tǒng)發(fā)出指令，調(diào)整電機驅(qū)動力矩，使列車獲取當前運行環(huán)境下較為適宜的粘著特性，避免列車出現(xiàn)打滑、空轉(zhuǎn)等危險[10-11]。

3 基于全維狀態(tài)觀測器與雙軸傳動模型的最優(yōu)粘合控制策略

鑒于雙軸牽引模型能較為全面的進行車輛運行中的粘著力模擬[12]，因此本文基于Matlab搭建了該牽引傳動系統(tǒng)仿真模型。模型仿真參數(shù)如表1所示。

牽引電機的轉(zhuǎn)動方程為：

其中的為電機的轉(zhuǎn)子角速度，以此描述輪對的狀態(tài)空間表達式如下：

地鐵車輛運行過程中會受到隧道內(nèi)部設備以及車輛自身通信設備、逆變設備等產(chǎn)生的電磁干擾，盡管大多數(shù)車輛增加了EMC電磁兼容裝置來進行電磁干擾的消除，但是仍會對測量造成極大的誤差，干擾到系統(tǒng)控制輸出的穩(wěn)定性，因此仍需建立狀態(tài)觀測器，使觀測結(jié)果無限接近實際值，由與進行空間重構(gòu)，并建立具有反饋增益矩陣的全維狀態(tài)觀測器[6]。

即為觀測到的電機負載轉(zhuǎn)矩；為該狀態(tài)觀測器的極點，通過極點配置[11]，保證觀測器的性能穩(wěn)定和模型的快速收斂。并根據(jù)基于滑模極值搜索給出最優(yōu)粘合控制策略來控制牽引逆變單元（VVVF）輸出控制指令，以此減小發(fā)生空轉(zhuǎn)的可能，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，控制策略給出需要經(jīng)過以下兩個模塊：全維粘著系數(shù)觀測器（Adhesion Observer）與滑模極值搜索單元（Extremum Seeking）。前者采集當前粘著數(shù)據(jù)，后者則根據(jù)實時數(shù)據(jù)尋找最大可利用粘著力。整個控制系統(tǒng)綜合了司控手柄指令、車體速度、電機轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速和電機實際電磁轉(zhuǎn)矩，輸出量為電機矢量控制轉(zhuǎn)矩給定。全維狀態(tài)觀測器模塊輸出即為觀測到的電機負載轉(zhuǎn)矩，然后求得對應的粘著因數(shù)，對其微分作為蠕滑速度參考值發(fā)生器的一個輸入量。

本文選取了雨雪天氣下的濕滑路面、晴天時的干燥路面作為牽引過程中的變化項，設在第9.7秒時模擬濕滑路面的路況，干燥路段控制動輪的輸出轉(zhuǎn)矩定值為，列車司機針對濕滑路面向司控器發(fā)出控速指令，其對應輸出轉(zhuǎn)矩為。在濕滑軌面上運行的瞬間，滑塊極值搜索算法會迅速搜索當前工況下的可利用最大粘著力，并將此時適用于牽引電機的轉(zhuǎn)矩輸出指令，輸入給VVVF，此時的轉(zhuǎn)矩為，可以看出在第9.7秒時由于路面濕滑造成黏著系數(shù)突然降低，粘著力突變，因此需要采取較小的轉(zhuǎn)矩；若采用本文所提出的最優(yōu)粘合控制策略，則可將粘著力進一步穩(wěn)定，且相較于人為穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩所需的時間更短，對比得到如圖4所示的結(jié)果。

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，即使路況由干燥突變?yōu)槌睗?，所提出的牽引電機最優(yōu)粘合控制策略仍可自動搜索粘著峰值點并實現(xiàn)對當前路況下最優(yōu)粘著力控制，在提高行車安全水平的基礎上對于VVVF控制的轉(zhuǎn)矩輸出實現(xiàn)動態(tài)控制，并且相較于人為控制能更快的穩(wěn)定牽引電機輸出，進一步減小了由于環(huán)境變化對牽引電機帶來的電流變化沖擊，保證了列車整體牽引能力（整體粘著利用率）的提高。如能進一步將本文中的控制策略運用到實際地鐵車輛運行的控制過程中，可較大程度的避免在雨雪濕滑天氣下輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)、側(cè)翻的可能，保障行車安全與車輛運行的穩(wěn)定性，提升乘客乘坐體驗感。

基金項目西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院2022年度立項課題XTZY22G12。

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