一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法和系统技术领域
本发明涉及铁路及轨道交通领域，更具体的说，是涉及一种动车组列车安全高效
运行主动粘着控制方法和系统。
背景技术
轮轨间相互作用所产生的粘着力是轨道车辆动力系统的一个关键组成部分，其为
轨道车辆提供实际的牵引或制动力。然而轮轨间的粘着是一个具有较大不确定性的复杂过
程，受机车设计、轮轨条件、车辆速度、线路状况、气候条件等诸多因素影响。随着动车组列
车的运行速度和范围的不断增加，列车运行环境也变得更为复杂多变。为保证列车在这种
高速度远距离的条件下能安全有效运行，其对动车组列车粘着控制性能提出了更高的要求
与挑战。
目前实际应用于动车组列车上的粘着控制方法均属于再粘着控制方法，其工作原
理是当检测到牵引制动工作点进入到空转或打滑区后再采取相应动作将其拉回到蠕滑区。
近年来一些学者，从理论上提出一些优化粘着控制方法(如基于最优蠕滑率/蠕滑速度/粘
着斜率的优化粘着控制方法)，试图将其工作点一直保持在最大粘着点附近。然而这些方法
在应对“低粘着”所导致的打滑空转问题时都属于事后补偿控制方法，且其需要测量精确的
车体速度和获取轮轨表面的粘着特性以保证控制的有效性。而在目前的实际应用中，精确
的车体速度和轮轨表面粘着特性的获取存在一定的难度。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种动车组列车安全高效运行主动粘着控
制方法和系统，有效提高列车牵引制动效率，降低轮轨磨耗，这对加强列车安全稳定运行，
延长轮轨使用寿命，改善旅客乘车舒适度，减少列车能源消耗。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法，包括以下步骤：
S1、根据单轴动力学模型和全维状态观测器原理设计粘着力矩观测器，用于实时
估算列车轮轨间的粘着力矩
S2、根据粘着力矩车体加速度值a和变步长算法推导计算出牵引电机的自适应
限制转矩Tlim；
S3、根据牵引电机的自适应限制转矩Tlim和上级牵引控制系统所给定的电机输出
转矩指令值Tm*，设计出粘着控制器，协调牵引控制和粘着控制。
作为优选的，所述步骤S1中，所述单轴动力学模型的动力学方程为：
Fr＝M·(a0+b0V+c0V2)
式中，M表示单轴平均质量,Jw表示轮对平均旋转惯量,N表示单轴轴重,Tm表示电机
输出转矩,r表示车轮半径,Fa表示轮轨间切向方向的粘着力,TL表示粘着力矩,ω表示车轮
旋转角速度,V表示车体速度,Vw表示车轮轮周速度,a表示车体加速度,μ表示粘着系数,Fr表
示列车运行阻力,a0,b0,c0表示单位质量列车运行阻力系数。
作为优选的，根据单轴动力学方程，推出一阶状态空间表达式：
令Y＝ω，u＝Tm,C＝[1 0]；上述表达式改
写为：
计算可得矩阵的秩为2。
作为优选的，所述粘着力矩观测器的设计表达式为：
其中，反馈矩阵为L＝[l1 l2]T，通过合理配置反馈矩阵L,使得系统矩阵A-LC的所
有特征值具有负实部及所期望的衰减速度，则可实现状态估计值渐进逼近被估计系统的
状态X。
作为优选的，所述步骤S2中具体包括：
S201、根据积分的基本性质，得引理1：不等式是不等式
的充分不必要条件；其中，不等式为列车在牵引
加速工况下，保证车轮处在蠕滑状态时，蠕滑率λ必须满足的条件；
S202、
将车体加速度和代入不等式可得
其中为粘着力矩观测器所估计的粘着力矩，a为车体加速
度计所测量得到的车体加速度值；；
移项化简可得：
根据引理1可推导出上式是不等式成立的充分不必要条件；
S203、在Tm的取值范围内定义一个自适应限制转矩为：
λx的值在初始启动阶段采用设置的经验值；当列车遭遇“低粘着”条件后，轮轨间
粘着力矩TL产生突降，此时以粘着力矩观测器所估计的的突降为触发条件，强制将λx赋值
为0，以快速抑制轮对的空转现象；恢复稳定后，启动变步长算法：λx(i+1)＝λx(i)+α，其中
更新λx的值，当不再增加时，算法自动停止工作，此时实现低粘着条件下的
最大化粘着利用。
作为优选的，所述步骤S3中，采用自适应限制转矩Tlim对牵引控制系统所给定的电
机转矩指令值Tm*进行动态限制，以实现主动粘着控制；其饱和限制型控制逻辑关系如下式
所述：
当给定电机转矩指令值Tm*的绝对值小于自适应限制转矩值Tlim绝对值时，实际电
机输出转矩Tm等于给定电机转矩指令值Tm*，满足牵引控制目标要求；当给定电机转矩指令
值Tm*绝对值大于自适应限制转矩值Tlim绝对值时，此时±Tlim作为Tm的饱和值，限制住Tm，使
其等于±Tlim，满足粘着控制目标要求。
一种根据上述方法进行动车组列车的主动粘着控制系统，包括粘着控制器、数据
处理模块；
所述数据处理模块用于通过反馈回来的轮轴转速信号和牵引电机输出转矩信号
估计出实时的轮轨间粘着力矩，并通过估计出实时的轮轨间粘着力矩和车体加速度值，在
无需车体速度和轮轨粘着特性的条件下，实时计算出能够适应当前轨面条件的牵引电机输
出转矩限制值，为粘着控制器提供牵引电机的自适应限制转矩Tlim；
所述粘着控制器通过数据处理模块中所计算的自适应限制转矩Tlim和上级牵引控
制系统所给定牵引电机转矩指令值Tm*，在一定的控制逻辑下，产生电机输出转矩的控制指
令Tm。
作为优选的，所述数据处理模块包括粘着力矩观测器、变步长算法模块和自适应
限制转矩计算模块；
所述粘着力矩观测器用于通过反馈回来的轮轴转速信号和牵引电机输出转矩信
号估计出实时的轮轨间粘着力矩，为下一步信号处理提供可用的粘着力矩值；
所述变步长算法模块和自适应限制转矩计算模块用于根据估计出实时的轮轨间
粘着力矩和车体加速度值，在无需车体速度和轮轨粘着特性的条件下，实时计算出能够适
应当前轨面条件的牵引电机输出转矩限制值，为粘着控制器提供牵引电机的自适应限制转
矩Tlim。
作为优选的，所述轮轴转速信号由安装在轮轴端的车轴转速传感器输出，车体加
速度信号由安装在转向架上的车加速度传感器输出，牵引电机输出转矩信号由粘着控制器
输出，上级给定牵引电机转矩信号由列车通信网络传输进来。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在无需获取车体速度和轮轨粘
着特性的条件下，采用观测器和变步长算法实时计算出牵引电机的自适应限制转矩，利用
该转矩对牵引电机输出转矩进行在线动态监控，从而能以主动事先预防而非消极事后补偿
机制来实现轮对的粘着控制。该控制方法能更有效地解决再粘着控制方法和优化粘着控制
方法所难以应对的“低粘着”问题，实现在轨面突变的瞬间，快速有效地抑制空转打滑现象，
并在系统恢复稳定后，完成“低粘着”条件下的最大化粘着利用。本发明的应用将优化粘着
力的控制性能，这将更有效提高列车牵引制动效率，降低轮轨磨耗，这对加强列车安全稳定
运行，延长轮轨使用寿命，改善旅客乘车舒适度，减少列车能源消耗等方面具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例的系统结构框图；
图3为本发明实施例的粘着力矩观测器结构图；
图4为本发明实施例的变步长算法流程图；
图5为本发明实施例的饱和限制型控制逻辑示意图；
图6为本发明实施例不同控制方法下蠕滑率变化对比图；
图7为本发明实施例主动粘着控制下各力矩变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种动车组列车安全高效运行主动粘着
控制方法和系统作进一步说明。
以下是本发明所述的一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法和系统的
最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。
图1示出一种动车组列车安全高效运行主动粘着控制方法流程图，包括以下步骤：
S1、根据单轴动力学模型和全维状态观测器原理设计粘着力矩观测器，用于实时
估算列车轮轨间的粘着力矩
S2、根据粘着力矩车体加速度值a和变步长算法推导计算出牵引电机的自适应
限制转矩Tlim；
S3、根据牵引电机的自适应限制转矩Tlim和上级牵引控制系统所给定的电机输出
转矩指令值Tm*，设计出粘着控制器，协调牵引控制和粘着控制。
在本实施例中，所述步骤S1中，所述单轴动力学模型的动力学方程为：
Fr＝M·(a0+b0V+c0V2)
式中，M表示单轴平均质量,Jw表示轮对平均旋转惯量,N表示单轴轴重,Tm表示电机
输出转矩,r表示车轮半径,Fa表示轮轨间切向方向的粘着力,TL表示粘着力矩,ω表示车轮
旋转角速度,V表示车体速度,Vw表示车轮轮周速度,a表示车体加速度,μ表示粘着系数,Fr表
示列车运行阻力,a0,b0,c0表示单位质量列车运行阻力系数。
由上式可推出一阶状态空间表达式：
令Y＝ω，u＝Tm,C＝[1 0]；上述表达式改
写为：
计算可得矩阵的秩为2。
根据系统的可观性判断法则，可知上述线性稳定系统是完全可观的，，所述粘着力
矩观测器的设计表达式为：
其中，反馈矩阵为L＝[l1 l2]T，通过合理配置反馈矩阵L,使得系统矩阵A-LC的所
有特征值具有负实部及所期望的衰减速度，则可实现状态估计值渐进逼近被估计系统的
状态X。
作为优选的，所述步骤S2中，无需获取精确车体速度和轮轨粘着特性的条件下牵
引电机的自适应限制转矩Tlim的推导和计算：具体包括：
S201、根据积分的基本性质，得引理1：不等式是不等式
的充分不必要条件；其中，不等式为列车在牵引
加速工况下，保证车轮处在蠕滑状态时，蠕滑率λ必须满足的条件；
S202、将车体加速度和代入不等式可得
其中为粘着力矩观测器所估计的粘着力矩，a为车体加速度
计所测量得到的车体加速度值；移项化简可得：
根据引理1可推导出上式是不等式成立的充分不必要条件，即
若牵引电机输出转矩Tm在上述不等式所表示的范围内时，车轮处于蠕滑状态，保证车轮不
出现空转或打滑现象；
S203、在Tm的取值范围内定义一个自适应限制转矩为：
λx的值在初始启动阶段采用设置的经验值；当列车遭遇“低粘着”条件后，轮轨间
粘着力矩TL产生突降，此时以粘着力矩观测器所估计的的突降为触发条件，强制将λx赋值
为0，以快速抑制轮对的空转现象；恢复稳定后，启动变步长算法：λx(i+1)＝λx(i)+α，其中
更新λx的值，当不再增加时，算法自动停止工作，此时实现低粘着条件下的
最大化粘着利用。
作为优选的，所述步骤S3中，采用自适应限制转矩Tlim对牵引控制系统所给定的电
机转矩指令值Tm*进行动态限制，以实现主动粘着控制；其饱和限制型控制逻辑关系如下式
所述：
当给定电机转矩指令值Tm*的绝对值小于自适应限制转矩值Tlim绝对值时，实际电
机输出转矩Tm等于给定电机转矩指令值Tm*，满足牵引控制目标要求；当给定电机转矩指令
值Tm*绝对值大于自适应限制转矩值Tlim绝对值时，此时±Tlim作为Tm的饱和值，限制住Tm，使
其等于±Tlim，满足粘着控制目标要求。
图2示出了一种根据上述方法进行动车组列车的主动粘着控制系统，包括粘着控
制器、数据处理模块；输入信号包括轮轴转速信号、牵引电机输出转矩信号、车体加速度信
号、上级给定牵引电机转矩信号。
在本实施例中，所述轮轴转速信号由安装在轮轴端的车轴转速传感器输出，车体
加速度信号由安装在转向架上的车加速度传感器输出，牵引电机输出转矩信号由粘着控制
器输出，上级给定牵引电机转矩信号由列车通信网络传输进来。
所述数据处理模块用于通过反馈回来的轮轴转速信号和牵引电机输出转矩信号
估计出实时的轮轨间粘着力矩，并通过估计出实时的轮轨间粘着力矩和车体加速度值，在
无需车体速度和轮轨粘着特性的条件下，实时计算出能够适应当前轨面条件的牵引电机输
出转矩限制值，为粘着控制器提供牵引电机的自适应限制转矩Tlim；
所述粘着控制器通过数据处理模块中所计算的自适应限制转矩Tlim和上级牵引控
制系统所给定牵引电机转矩指令值Tm*，在一定的控制逻辑下，产生电机输出转矩的控制指
令Tm。
作为优选的，所述数据处理模块包括粘着力矩观测器、变步长算法模块(即图2中
的变步长算法)和自适应限制转矩计算模块(即图2中的Tlim计算)；
所述粘着力矩观测器用于通过反馈回来的轮轴转速信号和牵引电机输出转矩信
号估计出实时的轮轨间粘着力矩，为下一步信号处理提供可用的粘着力矩值；如图3所示，
图为粘着力矩观测器结构图，该观测器的特征方程为：s2-l1s+akl2＝0，选择合理L的取值来
保证特征方程的所有极点均在复平面的左侧，这样当由于建模误差或噪声干扰导致估计状
态不等于实际状态X时，该观测器可将误差通过矩阵L进行反馈调节，使之以一定
的收敛速度和精度趋近于实际状态X，这样设计出来的观测器满足估计精确性和实时性的
要求。
所述变步长算法模块和自适应限制转矩计算模块用于根据估计出实时的轮轨间
粘着力矩和车体加速度值，在无需车体速度和轮轨粘着特性的条件下，实时计算出能够适
应当前轨面条件的牵引电机输出转矩限制值，为粘着控制器提供牵引电机的自适应限制转
矩Tlim。
图4为变步长算法流程图，通过上述粘着力矩观测器检测到粘着力矩值发生突降
后，设置短暂的延时时间，使得车轮空转现象被彻底抑制，系统恢复稳定后，启动变步长算
法，变步长公式λx(i+1)＝λx(i)+α，其中该步长α由初始步长α0和变步长组
成，初始步长α0和变步长比例常数k根据试验经验值设定。变步长可以根据粘着力变化
斜率而改变，当粘着力变化大时变步长也相应增大，以缩短到达最优粘着工作点的时间，根
据当前算法中所更新的λx(i+1)＝λx(i)+α，相应更新自适应限制转矩Tlim的值。当检测到
时，结束变步长算法，不再更新自适应限制转矩Tlim的值，此时表明系统到达最优粘着工作
点。
如图5所示饱和限制型控制逻辑示意图。采用自适应限制转矩Tlim对牵引控制系统
所给定的电机转矩指令值Tm*进行动态限制，当给定电机转矩指令值Tm*的绝对值小于当前
自适应限制转矩值Tlim绝对值时，实际电机输出转矩Tm等于给定电机转矩指令值Tm*，满足牵
引控制目标要求；当给定电机转矩指令值Tm*绝对值大于当前自适应限制转矩值Tlim绝对值
时，此时±Tlim作为Tm的饱和值，限制住Tm，使其等于±Tlim，满足粘着控制目标要求，自适应
限制转矩Tlim在一定的范围内动态变化时，若给定电机转矩指令值Tm*大于当前自适应限制
转矩值Tlim绝对值时，实际电机输出转矩Tm也将跟随自适应限制转矩Tlim进行动态变化，此
时系统形成闭环自动控制。
如图6所示在不同控制方法下蠕滑率变化对比图。在t＝2s时遭遇“低粘着”轨面条
件，无粘着控制条件下，蠕滑率迅速增大到1，这表明车轮发生了严重的空转；在再粘着控制
条件下，蠕滑率在所设置的阀值影响下，蠕滑率的值在最优蠕滑率附近上下跳变，此时轮对
发生局部短暂的空转现象；在主动粘着控制条件下，蠕滑率平滑稳定地逼近最优蠕滑率，在
t＝2.5s时达到最优蠕滑率λ＝0.2，并保持不变，这实现在低粘着条件下，车轮不发生空转
且最大化利用粘着力。
从图7我们可以看到，在主动粘着控制中，在轨道突变为低粘着条件下，电机输出
转矩、自适应限制转矩、实际粘着力矩的变化情况。初始时为保证列车在普通轨面条件下以
恒转矩加速启动，我们根据恒转矩指令大小对λx设置一个初始经验值，使得自适应限制转
矩Tlim大于电机输出转矩Tm，此时粘着力矩稳定在加速所需要的值上。在t＝2s时，轨面条件
突变为“低粘着”，此时粘着力矩产生必然突降，如果牵引电机输出力矩仍保持原值，那么车
轮将会马上出现空转现象。在这种情况下，抑制车轮空转的重要性要远远大于追求最大加
速。所以当检测到粘着力矩突降后，马上令λx＝0，则从图中我们也可看
到自适应限制转矩Tlim也随着发生了大范围的突降.此时，车轮的旋转加速度等于车体运行
加速度，车轮空转现象将被抑制。经过短暂的延时(0.1s)后，车轮再恢复稳定状态，为了实
现在“低粘着”条件下最大化粘着利用，需在蠕滑范围内，尽可能提高Tlim值以增大被限制的
Tm值。我们采用变步长公式λx(i+1)＝λx(i)+α，其中逐步增加λx，此时Tlim相应
增加。在未到达最大粘着点时即实际蠕滑率λ＜λopt时，TL也会随着Tlim的增加而相应增加。
在t＝2.5s时，粘着力矩观测器检测到不再增加时，变步长算法自动停止工作，此时轮轨
间粘着力达到了该轨面条件下所能提供的最大值，实现最大化粘着利用。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保
护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。