最優(yōu)粘合控制優(yōu)化在地鐵車輛行車安全中的應(yīng)用

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(jī)控制的重要組成部分，但粘著狀態(tài)是難以估計(jì)的，檢測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)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(cè)器來觀測(cè)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，對(duì)粘著控制進(jìn)行優(yōu)化，并通過牽引電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)于牽引輪的輪對(duì)差異所導(dǎo)致的并聯(lián)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩不平衡提出附有勵(lì)磁補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?。建立MATLAB/Simulink 模型進(jìn)行實(shí)例仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)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(duì)粘著力的整體利用率滿足地鐵列車的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：粘著力 地鐵牽引傳動(dòng) 優(yōu)化控制 空轉(zhuǎn)/打滑

1 緒論

隨著地鐵客運(yùn)迅速發(fā)展，地鐵線路設(shè)計(jì)逐漸復(fù)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(dǎo)致牽引電機(jī)負(fù)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(yán)重影響列車運(yùn)行、乘車體驗(yàn)，甚至威脅乘客安全[1]。為改善輪軌之間的粘合情況，就應(yīng)從控制粘著力的粘合控制模塊入手，該模塊用于計(jì)算驅(qū)動(dòng)車輪所需的轉(zhuǎn)矩與動(dòng)力。大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐已經(jīng)證明，通過優(yōu)化該模塊向牽引電機(jī)輸出的控制策略、精細(xì)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(jī)輸出、提升粘著可靠性的主流方法[2-4]。文獻(xiàn)[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(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的精細(xì)處理與預(yù)測(cè)，因此也不適用于高速鐵路、城市軌道交通車輛運(yùn)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(xué)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(diǎn)的。每種輪軌粘合情況都與其黏著特性曲線相對(duì)應(yīng)[6]；文獻(xiàn)[7]基于CKF算法來進(jìn)行機(jī)車粘著狀態(tài)估計(jì)，并結(jié)合ISTCKF算法預(yù)測(cè)粘著力對(duì)車速的影響曲線，進(jìn)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(biāo)是通過對(duì)地鐵列車的電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)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(hào)線電客車（車型為B型車，牽引電機(jī)為阿爾斯通永濟(jì)電氣設(shè)備生產(chǎn)公司生產(chǎn)的4極三相鼠籠式感應(yīng)電機(jī)）為研究對(duì)象，考慮雨雪天氣露天運(yùn)行與隧道內(nèi)干燥環(huán)境下運(yùn)行的情況，基于Matlab/Simulink對(duì)地鐵列車的雙軸牽引模型進(jìn)行仿真，并基于滑塊極值搜索算法對(duì)不同軌面條件下的最優(yōu)蠕滑速度進(jìn)行搜索，集合最優(yōu)蠕滑速度與當(dāng)前牽引電機(jī)工況綜合給出最優(yōu)粘合策略，提高粘著利用率，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)粘合控制，增強(qiáng)列車的牽引和制動(dòng)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(guān)。機(jī)車在軌道上行駛時(shí)，機(jī)車動(dòng)輪對(duì)的受力分析如圖1所示（預(yù)設(shè)運(yùn)行方向?yàn)橛遥?。機(jī)車動(dòng)輪對(duì)作用在鋼軌上的法向載荷是輪對(duì)軸重，為粘著力的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)。牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Ｔ，其計(jì)算方法為：

動(dòng)輪對(duì)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(dòng)輪對(duì)與鋼軌的接觸點(diǎn)有向左移動(dòng)的趨勢(shì)。輪軌之間相互接觸部分的摩擦和法向載荷的共同作用導(dǎo)致鋼軌對(duì)車輪的靜摩擦力。輪軌間未發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，此時(shí)輪軌接觸點(diǎn)是相對(duì)靜止的。法向載荷作用于輪軌接觸部分且兩者間保持相對(duì)靜止又未發(fā)生滑動(dòng)，這種狀態(tài)叫做粘著狀態(tài)。此時(shí)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(dòng)，這種滑動(dòng)被稱為“蠕滑”[8]。因?yàn)橹挥腥浠a(chǎn)生的靜摩擦力才能將切向力進(jìn)行傳遞。而在日程運(yùn)行中，雨雪天氣、潮濕環(huán)境總會(huì)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(jī)車傳動(dòng)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(yùn)行環(huán)境不確定的情況下，通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩指令，向電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，調(diào)整電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩，使列車獲取當(dāng)前運(yùn)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(xiǎn)[10-11]。

3 基于全維狀態(tài)觀測(cè)器與雙軸傳動(dòng)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(jìn)行車輛運(yùn)行中的粘著力模擬[12]，因此本文基于Matlab搭建了該牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型。模型仿真參數(shù)如表1所示。

牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方程為：

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

地鐵車輛運(yùn)行過程中會(huì)受到隧道內(nèi)部設(shè)備以及車輛自身通信設(shè)備、逆變?cè)O(shè)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(jìn)行電磁干擾的消除，但是仍會(huì)對(duì)測(cè)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(cè)器，使觀測(cè)結(jié)果無限接近實(shí)際值，由與進(jìn)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(cè)器[6]。

即為觀測(cè)到的電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為該狀態(tài)觀測(cè)器的極點(diǎn)，通過極點(diǎn)配置[11]，保證觀測(cè)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(gè)模塊：全維粘著系數(shù)觀測(cè)器（Adhesion Observer）與滑模極值搜索單元（Extremum Seeking）。前者采集當(dāng)前粘著數(shù)據(jù)，后者則根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)尋找最大可利用粘著力。整個(gè)控制系統(tǒng)綜合了司控手柄指令、車體速度、電機(jī)轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速和電機(jī)實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩，輸出量為電機(jī)矢量控制轉(zhuǎn)矩給定。全維狀態(tài)觀測(cè)器模塊輸出即為觀測(cè)到的電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，然后求得對(duì)應(yīng)的粘著因數(shù)，對(duì)其微分作為蠕滑速度參考值發(fā)生器的一個(gè)輸入量。

本文選取了雨雪天氣下的濕滑路面、晴天時(shí)的干燥路面作為牽引過程中的變化項(xiàng)，設(shè)在第9.7秒時(shí)模擬濕滑路面的路況，干燥路段控制動(dòng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩定值為，列車司機(jī)針對(duì)濕滑路面向司控器發(fā)出控速指令，其對(duì)應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為。在濕滑軌面上運(yùn)行的瞬間，滑塊極值搜索算法會(huì)迅速搜索當(dāng)前工況下的可利用最大粘著力，并將此時(shí)適用于牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出指令，輸入給VVVF，此時(shí)的轉(zhuǎn)矩為，可以看出在第9.7秒時(shí)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(jìn)一步穩(wěn)定，且相較于人為穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩所需的時(shí)間更短，對(duì)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)槌睗瘢岢龅臓恳姍C(jī)最優(yōu)粘合控制策略仍可自動(dòng)搜索粘著峰值點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前路況下最優(yōu)粘著力控制，在提高行車安全水平的基礎(chǔ)上對(duì)于VVVF控制的轉(zhuǎn)矩輸出實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制，并且相較于人為控制能更快的穩(wěn)定牽引電機(jī)輸出，進(jìn)一步減小了由于環(huán)境變化對(duì)牽引電機(jī)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(jìn)一步將本文中的控制策略運(yùn)用到實(shí)際地鐵車輛運(yùn)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(duì)發(fā)生空轉(zhuǎn)、側(cè)翻的可能，保障行車安全與車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性，提升乘客乘坐體驗(yàn)感。

基金項(xiàng)目西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院2022年度立項(xiàng)課題XTZY22G12。

參考文獻(xiàn)：

[1]裴有福，金元生，溫詩鑄.輪軌粘著的影響因素及其控制措施[J].國外鐵道車輛，1995（02）：5-11.

[2]金雪巖，劉啟躍，王夏秋.輪軌粘著-蠕滑特性試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2000（01）：36-39.

[3]林文立.地鐵動(dòng)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)分析、建模及優(yōu)化[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[4]陳國清，鄭玄.地鐵車輛輪軌低粘著問題改善措施探討[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2016（03）：95-98

[5]林文立，劉志剛，方攸同.地鐵列車牽引傳動(dòng)再粘著優(yōu)化控制策略[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，47（03）：465-470.

[6]勾洪浩.機(jī)車粘著控制驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿真研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[7]柳?？?基于粘滑特性的高速列車最優(yōu)粘著控制研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2020.DOI：10.27205/d.cnki.gltec.2020.000538.

[8]孟凡暉.基于最優(yōu)蠕滑率的列車制動(dòng)防滑控制方法[D].南昌：華東交通大學(xué)，2020.DOI：10.27147/d.cnki.ghdju.2020.000664.

[9]顧伍樓.地鐵車輛計(jì)算粘著系數(shù)和牽引電動(dòng)機(jī)功率選用問題簡(jiǎn)析[J].鐵道機(jī)車車輛，2023，（06）：42-45.

[10]趙凱輝，李燕飛，張昌凡，等.無穩(wěn)態(tài)振蕩極值搜索重載機(jī)車最優(yōu)粘著控制[J].計(jì)算機(jī)仿真，2018，35（09）：150-154+232.

[11]李江紅，陳華國，胡照文.國產(chǎn)化北京地鐵車輛的粘著控制[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2019（06）：44-46.

[12]徐立恩，陳華國，曾云，等.廣州地鐵車輛國產(chǎn)化改造的粘著利用控制[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2008（06）：44-47.