一种轨道交通列车的黏着控制方法与流程

本技术涉及轨道交通牵引控制，尤其涉及一种轨道交通列车的黏着控制方法。

背景技术：

1、对于轨道交通列车而言，黏着控制是列车牵引控制中主要核心技术之一，其对于整个列车的控制性能至关重要。黏着控制可以有效减少列车的空转和滑行，提高列车运行效率，保证列车运行安全。因此研究高性能的黏着控制方法具有重要的理论和实际意义。

2、黏着控制的主要目标为优化利用轮轨间的黏着力。图1中的曲线1表示干燥轨面对应的黏着特性曲线，a表示曲线1的黏着系数的最大点，曲线2表示潮湿轨面对应的黏着特性曲线，b表示曲线2的黏着系数的最大点，如图1所示，不同的轨面条件具有不同的黏着特性，每条黏着特性曲线通常都有黏着系数的最大点。如果牵引力或制动力超过轮轨之间的最大黏着力，会发生空转或滑行，影响牵引力和制动力的发挥。黏着控制的作用是在黏着特性不断变化的过程中，通过改变牵引转矩使得黏着系数趋于最大值，进而优化利用黏着力。

3、如图2所示，目前的黏着控制的方法主要包括：由全维状态观测器估计黏着系数μ，然后通过一种蠕滑速度搜索方法获得参考蠕滑速度vsr，最后利用模型预测控制方法得到最优牵引转矩t。其缺点是这种蠕滑速度搜索方法需要根据黏着特性分区，分区边界及各区步长设定困难，模型预测控制在不同轨面条件变化时调整牵引转矩波动大，不利于列车的稳定运行。

技术实现思路

1、针对现有技术中的至少一个问题，本技术提出了一种轨道交通列车的黏着控制方法，能够提高黏着控制的可靠性，进而保证列车的稳定运行。

2、为了解决上述技术问题，本技术提供以下技术方案：

3、第一方面，本技术提供一种轨道交通列车的黏着控制方法，包括：

4、获取目标轨道交通列车当前的黏着系数和蠕滑速度；

5、根据所述黏着系数和蠕滑速度，确定所述目标轨道交通列车对应的参考蠕滑速度、所述目标轨道交通列车的黏着特性曲线当前对应的斜率和截距；

6、根据所述蠕滑速度、所述参考蠕滑速度、所述斜率、所述截距、预设的列车动力学模型的目标函数和约束条件，确定所述目标轨道交通列车对应的最优电机转矩；

7、根据所述目标轨道交通列车对应的最优电机转矩，完成所述目标轨道交通列车的黏着控制。

8、在一个实施例中，所述根据所述黏着系数和蠕滑速度，确定所述目标轨道交通列车对应的参考蠕滑速度以及黏着特性曲线对应的斜率和截距，包括：

9、根据所述黏着系数和蠕滑速度，确定所述目标轨道交通列车对应的黏着特性曲线的斜率和截距；

10、根据所述黏着系数和蠕滑速度，采用带遗忘因子的递推最小二乘法确定所述参考蠕滑速度。

11、在一个实施例中，所述根据所述蠕滑速度、所述参考蠕滑速度、所述斜率、所述截距、预设的列车动力学模型的目标函数和约束条件，确定所述目标轨道交通列车对应的最优电机转矩，包括：

12、根据所述约束条件将所述蠕滑速度、所述参考蠕滑速度、所述斜率、所述截距输入预设的列车动力学模型的目标函数，求解所述目标函数，将达到所述目标函数的最优解时得到的电机转矩确定为最优电机转矩。

13、在一个实施例中，所述的轨道交通列车的黏着控制方法，还包括：

14、构建得到所述预设的列车动力学模型；

15、构建得到所述预设的列车动力学模型对应的目标函数。

16、在一个实施例中，所述构建得到所述目标轨道交通列车的单轴动力学模型，包括：

17、建立列车运动方程：

18、

19、fs＝μ·w·g  (2)

20、fd＝(a+bvt+cvt2)mg  (3)

21、式中，m表示列车总质量，vt为列车运行速度，fs为黏着力，fd为运行基本阻力，μ为黏着系数，w为列车单轴轴重，g为重力加速度，a,b,c为与阻力计算相关的次项系数；

22、计算黏着系数的经验公式为：

23、

24、式中，a1,b1,c1,d1是与轨面条件有关的参数；

25、建立电机轴的转动方程和轮对转动方程：

26、

27、

28、t＝rgtl  (7)

29、其中：列车齿轮箱传动比为rg＝ωm/ωd；

30、得到电机轴的转动方程：

31、

32、构建得到所述单轴动力学模型为：

33、

34、式中，vs为蠕滑速度，jm为电机转动惯量，ωm为电机转速，jd为轮对转动惯量，jequ为等效到电机侧的转动惯量，tm为电机转矩，tl为电机的负载转矩，r为车轮半径。

35、在一个实施例中，所述根据所述单轴动力学模型，构建得到所述预设的列车动力学模型，包括：

36、s1、根据所述单轴动力学模型，得到部分线性化后的黏着控制系统模型：

37、

38、s2、将式(13)转换成如下状态空间方程形式：

39、

40、其中，状态量x＝[vs,vt]t，输入控制量u(t)＝tm，输出y＝vs；

41、s3、对状态空间方程离散化，得到离散化后的预测模型：

42、

43、s4、将式(14)代入式(15)中，设工作点为[x0,u0]，列车持续输入控制量u0后的状态轨迹为则有：

44、

45、s5、将式(16)在工作点[x0,u0]处使用泰勒级数展开，并去掉高阶项，只保留一阶项，得到：

46、

47、其中，为状态方程f关于状态变量x的雅可比矩阵，为状态方程f相对于控制变量u的雅可比矩阵；

48、s6、式(17)减去式(16)，整理后得到：

49、

50、由式(18)进一步得到：

51、

52、s7、在每个周期k，通过式(19)推导出的黏着控制系统的离散化预测模型为：

53、

54、上式中令vt0＝0，系统矩阵、输出矩阵和观测矩阵分别为：

55、c＝[10]，

56、

57、s8、引入新的状态变量：

58、

59、式(20)引入新的状态变量后表示为：

60、

61、其中，

62、

63、

64、在一个实施例中，所述构建得到所述预设的列车动力学模型对应的目标函数，包括：

65、将参考蠕滑速度轨迹yref(k)的值设置为最佳蠕滑速度搜索值，得到：

66、yref(k+j)＝vsref(k)  (24)

67、在时刻k，目标函数为：

68、

69、式中，q，r为权重矩阵，yref(k)为参考蠕滑轨迹，np为预测时域，nc为控制时域，δu(k+i)为i时刻的控制增量。

70、在一个实施例中，所述预设的约束条件包括：

71、

72、其中，u为电机转矩，umax为电机转矩上限，δu为转矩增量，δumin为转矩增量下限，δumax为转矩增量上限，vs为蠕滑速度，vsmin为蠕滑速度下限，vsmax为蠕滑速度上限。

73、在一个实施例中，umax＝11000n·m；δumin＝-4000(n·m)/s；δumax＝2000(n·m)/s；vsmin＝0，vsmax＝1m/s。

74、在一个实施例中，所述将达到所述目标函数的最优解时得到的电机转矩确定为最优电机转矩，包括：

75、当达到所述目标函数的最优解时，得到多个控制周期各自对应的电机转矩增量；

76、根据当前的电机转矩以及各个控制周期各自对应的电机转矩增量，确定各个周期各自对应的电机转矩；

77、将每个周期对应的电机转矩确定为该周期对应的最优电机转矩。

78、在一个实施例中，所述根据所述黏着系数和蠕滑速度，采用带遗忘因子的递推最小二乘法确定所述参考蠕滑速度，包括：

79、根据下列公式确定所述参考蠕滑速度vsref：

80、

81、其中，vs为所述蠕滑速度，为所述黏着特性曲线的斜率，κ、γ均为固定步长。

82、第二方面，本技术提供一种轨道交通列车的黏着控制装置，包括：

83、获取模块，用于获取目标轨道交通列车当前的黏着系数和蠕滑速度。

84、确定参数模块，用于根据所述黏着系数和蠕滑速度，确定所述目标轨道交通列车对应的参考蠕滑速度、所述目标轨道交通列车的黏着特性曲线当前对应的斜率和截距。

85、确定最优电机转矩模块，用于根据所述蠕滑速度、所述参考蠕滑速度、所述斜率、所述截距、预设的列车动力学模型的目标函数和约束条件，确定所述目标轨道交通列车对应的最优电机转矩。

86、黏着控制模块，用于根据所述目标轨道交通列车对应的最优电机转矩，完成所述目标轨道交通列车的黏着控制。

87、第三方面，本技术提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的轨道交通列车的黏着控制方法。

88、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现所述的轨道交通列车的黏着控制方法。

89、由上述技术方案可知，本技术提供一种轨道交通列车的黏着控制方法。其中，该方法包括：获取目标轨道交通列车当前的黏着系数和蠕滑速度；根据所述黏着系数和蠕滑速度，确定所述目标轨道交通列车对应的参考蠕滑速度、所述目标轨道交通列车的黏着特性曲线当前对应的斜率和截距；根据所述蠕滑速度、所述参考蠕滑速度、所述斜率、所述截距、预设的列车动力学模型的目标函数和约束条件，确定所述目标轨道交通列车对应的最优电机转矩；根据所述目标轨道交通列车对应的最优电机转矩，完成所述目标轨道交通列车的黏着控制，能够实现动态确定黏着特性曲线对应的斜率和截距，进而能够提高黏着控制的可靠性，进而保证列车的稳定运行；主要优点包括：

90、(1)可以基于模型预测控制和最优蠕滑速度搜索进行黏着控制，对高速列车及轨道交通列车黏着控制策略进行优化。在列车运行过程中，实时预测轴的最优转矩指令，可以提高黏着利用。

91、(2)可以解决轨面条件切换时黏着特性变化剧烈的问题，使用带遗忘因子的递推最小二乘法对黏着特性曲线进行在线参数辨识。

92、(3)通过对模型预测控制器进行改进，可以将黏着曲线参数辨识结果输入到列车动力学模型的目标函数中，使得黏着控制动态效应更好，对复杂线路条件适应性更强。