基于觀測器的動車組粘著系數估計

吳家儀，程 翔，湯夢姣

(湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412000)

0 引言

動車組粘著的原理是：牽引電機產生驅動轉矩，通過傳動裝置推動車輪轉動；車輪的起動瞬間并不會產生滾動現象，而是以摩擦的形式向后擠壓軌道；車輪與軌道之間產生了輕微的蠕變現象，鐵軌施加給車輪的反作用力推動整車向前運動。

由粘著的原理可知，由于前進動力的根本是輪軌間的擠壓形變與反作用力，根據摩擦原理可知，車輪與鐵軌之間的摩擦力是有上限的，一旦超過這一上限，車輪將會發生打滑、空轉和車輪擦傷。動車組的車速一般為200～300 km/h，而且軌道暴露在開放環境，極快的車速加上軌道表面意外覆蓋物的影響，車輪極易發生打滑。同時，輪軌的粘著過程又是一個高度非線性的過程，粘著系數與蠕滑速度相關，蠕滑速度又與車體速度和車輪速度相關，各種耦合之間又交錯不可測問題。因此，快速準確地估計粘著系數是一項比較有挑戰性的研究。

滑模觀測器因其魯棒性好，收斂快，被廣泛應用于各種工程領域。例如汪洪波等[1]針對車輛質心偏角估計的問題，構建了二階滑模觀測器，實現了質心偏角的準確估計。鄭征等[2]針對無速度傳感器的異步電機控制中滑模觀測器的抖振問題，設計了一種利用分段函數進行切換的自適應滑模觀測器，獲得了較為準確的轉速觀測。本文研究了動車組動力學模型，結合滑模變結構理論，設計了一種快速滑模觀測器。

1 動車組粘著數學模型

如圖1所示，定義動車組輸出轉矩為Tm，車輪線速度為vd，定義車輛軸重為W，車輪與鐵軌之間的粘著力為Fμ，車體速度為vt，車速和輪速的差值為蠕滑速度vs，車輛粘著性能高低用μ來表示[3]。

圖1 粘著現象示意

車組的粘著系數和蠕滑速度的關系見式(1)：

μ(vs)=ce-avs-de-bvs

(1)

動車組牽引電機方程為：

(2)

(3)

Fμ=μ(vs)Wg

(4)

(5)

vs=vd-vt

(6)

vd=ωdr

(7)

聯立式(1)～(7)可得動車組輪對數學模型為：

(8)

根據牛頓運動定律，車體運動方程如式(9)～(10)所示：

(9)

(10)

其中，Jm為電機轉動慣量(kg·m2)；Rg為齒輪傳動比；ωm為電機角速度(rad/s)；vd為輪對速度(m/s)；ωd為輪對角速度(rad/s)；Tm為電機轉矩(N·m)；TL為負載轉矩(N·m)；Fμ為機車粘著力；r為輪對半徑(m)；W為列車軸重(kg)。M為整車重量(kg)；Fμ為牽引電機產生的總牽引力(N)；vt為機車速度(m/s)；Fd為運行阻力(N)；l、m、n為阻力系數；TL為負載轉矩Fμ為粘著力；r為輪對半徑；Rg是齒輪箱的傳動比。

2 粘著系數觀測器設計

2.1 滑模觀測器設計

在動車組數學模型中，ωm是可以測量的，負載轉矩TL是未知量，選擇其作為狀態變量，構建如下狀態空間方程[4]：

(11)

(12)

針對式(12)構造如下滑模觀測器，其中k為待設計的正常數：

(13)

(14)

上式中，v為控制項，設計積分滑模面如下：

(15)

為保障觀測器快速收斂以及時觀測粘著異常，采用指數趨近率：

(16)

設計觀測器的控制項為：

(17)

取Lyapunov方程為：

(18)

對式(26)求導可得：

(19)

證明所設計的積分滑模觀測器滿足Lyapunov穩定條件，可以用于粘著狀態檢測。

2.2 龍伯格觀測器設計

本文對比試驗采用的龍伯格觀測器設計如下：

(20)

λ2-(p1+p2)λ+p1p2=0

(21)

A-LC的特征值方程為：

λ2+L1λ-L2Jm=0

(22)

聯立(21)、(22)式可得：

(23)

進一步求解，可得負載轉矩的觀測值：

(24)

結合式(3)可得，粘著系數觀測值為：

(25)

3 仿真驗證

將本文所設計的積分滑模觀測器與龍伯格觀測器進行動態性能對比，具體是每隔5 s從A、B、C切換一種路況，車輛仿真參數如表1所示，路況參數如表2所示。

表1 仿真參數

表2 路況參數

由圖2和圖3的對比可以看出，在第5秒和第10秒這2個路況的跳變點處，龍伯格觀測器很難精確估計實際值，而滑模觀測器幾乎可以精確的追蹤跳變，實現了觀測值與實際值的精確跟蹤。

圖2 滑模觀測器仿真結果

圖3 龍伯格觀測器仿真結果

4 結語

文章提出了一種基于趨近律的動車組粘著系數滑模觀測器估計方法，在分析動車組的學模型后，研究了粘著系數的觀測方法，設計了滑模觀測器開展了仿真研究，文章所設計的滑模觀測器比傳統的全維狀態觀測器更加精確，針對粘著條件跳變的工況也能及時準確地跟蹤，適用于動車組的粘著系數估計。