孟凡晖 张青俊 栾丕涛
1.2.3中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111
摘要：随着高速铁路迅猛建设发展，在注重列车速度提升的同时，也要保障其运行过程中的安全性和可靠性。高速列车在钢轨上高速运行时，面对的轨面环境以及天气因素是复杂多变的，高速列车一旦遇到突发情况进行制动，没有良好的制动控制系统很容易发生抱死打滑现象，时间一长会降低列车的制动性能，严重影响列车行车安全。防滑控制系统的提出就是为了防止车轮失稳、打滑，并可以有效利用轮轨间的粘着。本文设计了一种具有自适应调节功能的良好防滑控制方法。通过仿真也验证了该方法的可靠性。
关键词:高速列车；防滑控制；制动
引言
自铁路六次大规模提速、万吨货运机车的开行、高速动车组的开通以来，在国内外产生了深远的影响。在机车车辆大规模提速和货运载荷日益加重的同时，机车脱轨事件也频频发生。
对于高速列车来说，粘着问题显得尤为重要。高速铁路的轮轨粘着问题直接关系到牵引动力配置，牵引功率分配，轮轨表面损伤等。我国列车主要以粘着制动为主，存在粘着力有限的隐患，随着列车速度提高，粘着系数降低，不能给为列车制动提供足够的粘着力。因此探索分析符合我国高速铁路实际运行状况的现代防滑控制方法，具有至关重要的理论与实践意义。
1国内外防滑控制系统研究现状
在列车防滑问题研究的最初阶段，当机车发生空转或者滑行时，传统的控制方法是司机凭借经验观测速度表和电流表后，如果变化幅度大，司机会大幅度降低功率或者电流。
在我国在整个防滑器的发展过程中，60年代国内研究人员陆续研制了一系列功能各异的防滑器。例如机械一电气式防滑器、机械一空气式防滑器、由青岛四方车辆研究所研制的我国最早的微机型防滑控制系统及铁道科学研究院研制的TFXl型防滑器。1992年，我国成功研制了有自主产权的微机型防滑控制系统一TFXl型防滑器，该防滑器将蠕滑率判据作为辅助判据与速度差判据同时使用，防滑性能己经达到了一定水平，填补了我国制动技术的一项空白[1]。
日本已经成功研制的三代防滑控制系统是在二代防滑控制系统的基础上不断改进，能够实时对各个滑行判据进行动态检测，极大地提高了轮轨问粘着系数的利用率。日本方面对于模糊智能算法引入防滑控制方面也比较深入。国内一些科研机构也对模糊控制系统进行了研究，但尚处于理论探索阶段。
目前，我国高速列车普遍正在使用的是国外的微机型防滑控制系统， 虽然这些产品的特性和功能已经接近或者达到世界先进水平，但是价格昂贵，长期依赖于国外进口，会抑制我国铁路科技水平的发展。在引进国外先进控制系统的基础上，进一步分析研讨防滑控制理论，消化、吸收、再消化、再创新国内外的防滑4控制模式，探索和研究新一代符合我国高速铁路交通状况的防滑控制方法势在必行[2]。
2现代防滑控制技术发展
随着牵引动力技术的飞速发展，列车朝着重载、高速方向发展，防滑控制问题成为人们关注的焦点，人们希望列车在速度提高的情况下能够有效制动。防滑控制的目标从单独考虑防止列车车轮抱死以减少车轮擦伤，到如今发展成必须同时兼顾防滑与轮轨粘着利用。现有的防滑控制方法已不能满足高速列车的制动要求，技术人员必须在原有防滑控制方法的基础上不断改进，寻求更高效的智能防滑控制方法。
传统的防滑控制根据如固定的粘着系数值或粘着系数特性曲线等经验数据进行轮对的滑动判断，基于此监测轮对的运动状态并控制制动力。另外，轮对的加速度及蠕滑速度(即列车前进速度和车轮转速的差值)这两个经验数据也常作为传统防滑控制的门槛值，上述经验数据大多可通过模拟粘着试验或者查阅相关文献书籍获得。然而，实时的粘着系数测量难以实现，对系统进行精确建模又费时费力，传统的防滑控制方法往往存在上述问题，不能满足高速列车的要求。
在列车实际运行中，基于经验的逻辑门限制控制和PID控制方法应用较为广泛。逻辑门限制控制方法是一种基于经验值的控制方法，不需要精确的数学模型，但控制逻辑复杂，控制效果不够平稳[3]。
模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。与传统控制相比，模糊控制在处理非线性、时变和不确定的控制系统的问题有很大的优势滑模控制方法也被大量运用到防滑控制当中。这种方法能够克服系统的不确定性，对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性，其最大优点为滑动模态对加在系统上的干扰和参数摄动具有完全的自适应性，然而系统控制器输出不可避免地存在抖振。
3列车轮轨动力学模型建立
在列车粘着控制研究之前，首先要建立一个精确的列车轮轨模型，而查阅各种资料发现，对于机车的粘着控制来说，大多数研究人员通过机理建模的方式对机车进行建模，模型应该包括有关机车粘着的各种特征，但在实际情况下列车运行过程情况复杂多变，真实的模型难以获取，一般都采用简化模型进行研究，因此只要模型能够反映机车运行的特点，模型都是有效的[4]。
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4防滑控制系统设计
通过使用自适应滑模控制方案设计所需的车轮滑动制动控制系统，以实现稳定的轮轨滑动制动控制。列车的质量和粘滞摩擦系数也被认为是具有未知变化的参数。通常，滑模面有两种设计形式，
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，其中为积分系数，本文根据文献[2]，选择后者为设计滑模面，误差表达式如下：
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在列车运行过程中轮轨环境会受到天气等外因素影响，因此需要克服这种不确定因素的影响，列车质量在运行过程当中也不是一成不变的量，因此定义一个不确定函数
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为:
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式（4-20）将系统中的未知变量通过矩阵的形式进行了替代，而为了获得替代矩阵中未知参数的更新情况，需要利用李雅普诺夫函数进行对自适应律的求解，因此考虑
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函数：
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在此基础上，设计一套的自适应滑模控制算法控制策略，该控制策略原理结构如图2所示。
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图3中可以看出列车在传统滑模控制下，车速在刚开始制动时，车轮有明显的滑行，轮速的抖动变化幅度大，在2s过后，车速和轮速能保持在一定的范围内，说明轮速稳定克服了打滑现象，在轨面变化时也呈现出较为明显的速度变化，但最终也能稳定下来，轮速蠕滑速度虽然有下降的趋势，但蠕滑速度抖动明显在干燥轨面最大为22km/h，整体控制效果良好。
5结束语
随着我国大兴基建，铁路便作为基建项目中的重点项目得到大力发展，尤其近几年国内轨道交通的兴起和走出国门的战略要求，对于列车的安全性和快速性也提出了新的要求，不论是手动驾驶还是未来的自动驾驶，列车在高速制动过程中安全性至关重要。随着人工智能等新兴智能算法的发展，采取新的智能防滑控制算法对未来高速列车的制动防滑起到了深远的影响，滑模算法简单可靠，值得探索。
参考文献
[1]万广. 机车粘着控制技术现状与发展[J]. 机车电传动. 1996, 22(3):1-4.
[2]徐永波. 列车运行防滑控制研究[D]. 北京, 北京交通大学, 2016.
[3]高翔, 陆阳. 电力机车黏着控制研究[J]. 铁道机车车辆, 2017, 37(3): 35-39.
[4]李少远, 席裕庚. 模糊滑动模态控制系统的性质分析[J]. 控制理论与应用, 2012, 17(1): 14-18.