高速列车主动粘着防滑可靠牵引与制动控制研究

High speed trains often run with fast speed, long distance and complex varying operation environment, thus safety and reliability of the traction and braking systems must be strictly ensured. To enhance train's operation saftety, this project is focused on developing traction and braking control methodologies, integrated with active adaptive adherence and anti-skid control. The major issues to be addressed are: 1) Active adherence and anti-skid based dynamical modeling of high speed trains; 2) Active adherence and anti-skid based robust adaptive traction and braking control; and 3) Triple layer based fault-tolerant and reliable traction/braking control. The proposed research offers effective control theories and design methods for constructing safe and reliable traction and braking systems, which will have great impact on the healthy and sustainable development of the current and future high speed train transportation systems.

因运行速度快、运行区域跨度大及运行环境复杂多变等因素，高速列车对其牵引/制动系统的安全性和可靠性有着非常严苛的要求。本项目针对高速列车在途安全运行控制问题，重点研究粘着防滑控制约束下的可靠牵引与安全制动控制理论与方法。主要研究内容包括：(1) 基于粘着防滑约束的列车动力学建模；(2) 鲁棒自适应主动粘着防滑牵引与制动控制；(3) 基于三重容错的可靠牵引与制动控制。本项目的研究为构建安全可靠的高速列车牵引/制动控制系统提供有效的理论和方法，对我国现有高速列车安全运行以及未来高速铁路建设的持续稳步发展具有重要意义。本项目的研究将为构建安全可靠的高速列车牵引/制动控制系统提供有效的理论和方法，对我国现有高速列车安全运行以及未来高速铁路建设的持续稳步发展具有重要意义。

高速运行条件下轮对打滑直接危及着高速列车的运行安全，如何通过主动粘着防滑控制手段避免轮对滑行是一个非常有意义且具有挑战性的问题。为此，本项目重点研究了牵引/制动控制与粘着防滑控制的相互作用关系，防滑约束条件下的牵引/制动控制方法，以及容错可靠牵引/制动控制设计等三方面问题。. 本项目的主要成果包括：（1）提出了基于支持向量机的轮轨滑行在线预测方法。其思路是通过对一般支持向量机分类超平面平移，使支持向量机具备适当超前的预测能力，及时准确预测即将出现的轮轨滑行；（2）提出了基于扰动观测的粘着力、运行阻力估计与控制方法，建立了基于车体速度和轮对转速的轮轨粘着力和车体运行阻力的复合观测器，实现了对轮轨粘着力和车体运行阻力的精确估计与主动补偿；（3）提出了高速动车组自适应协同牵引控制/制动控制新方法，一方面确保牵引/制动的宏观目标得以如期实现，另一方面，通过对驱动轮对控制指令进行局部自适应再协同分配，使驱动轮对蠕滑速度达到一致，达到轮对驱动力和蠕滑速度协同，从而提高驱动轮对寿命，确保高速列车远期运行安全；（4）提出了基于状态受限的高速列车主动防滑牵引/制动控制策略，确保牵引/制动过程中轮轨相对蠕滑率始终处于不打滑的区间，解决了牵引/制动控制目标与防滑控制目标无法同时兼顾的问题；（5）提出了一种基于一阶低通滤波器框架的自适应变频力观测器设计思路，用闭环系统控制误差自适应调节低通滤波观测器的截止频率，不断提高观察器的测量精度，解决了高速列车粘着力和运行阻力本身难以直接测量问题；（6）提出了基于虚拟参数的高速列车容错牵引/制动控制方法，通过反步和容错控制设计，消除高速运行过程中的系统参数、运行环境以及外界扰动的不确定性以及局部故障对高速列车运行可靠性的影响； . 研究过程中共发表高水平SCI期刊论文5篇，国际会议论文6篇，培养硕士研究生6名，完成了预期的各项研究指标。本项目深入探索了高速列车牵引/制动过程中的轮对防滑问题，提出了根本上避免高速轮对打滑的控制新思路，其研究成果为构建安全可靠的高速列车牵引/制动控制系统具有指导借鉴意义。其相应研究成果为构建安全可靠的高速列车牵引/制动控制系统具有指导借鉴意义。