高速列车是中国客运铁路的主流载体,这对动车组的运行控制技术提出了更高的要求。而制动控制算法是动车组运行控制系统的核心技术,决定着列车诸多运行指标。因此,动车组的制动算法成为当下的研究热点。动车组具有复杂的分布式特点,且在制动过程中存在输入滞后作用,相邻车厢之间存在冲击作用和运行环境变化导致的未知干扰作用等,上述干扰都极大影响了列车对目标制动曲线的跟踪。为此,本文以滑模变结构控制理论和一致性理论为手段,旨在设计高跟踪精度和强鲁棒性的制动跟踪控制器。具体研究内容如下:1.针对列车制动过程中存在输入时滞和外界扰动的问题,提出了一种基于扩张扰动观测器的反演滑模控制算法。首先,构建具有输入时滞的制动系统模型,并引入非奇异线性变换将其转化为无时滞的标准型;其次,利用反演滑模技术设计制动控制器,并引入扩张扰动观测器处理非匹配不确定的扰动,提高系统的抗干扰能力。最后,为验证该算法的正确性,利用MATLAB仿真软件进行数值仿真。2.针对分布式动车组在制动的过程中,相邻列车间存在非线性和不确定性导致跟踪精度下降的问题,设计集成滑模控制的一致性算法。首先,建立了具有车间耦合和不确定性扰动的多智能体模型,然后,设计了滑模一致性制动控制器。一致性算法保证每个车厢速度的一致收敛性,利用上下界的滑模控制技术处理复合干扰项。最后,为验证该算法的正确性,利用MATLAB仿真软件进行数值仿真。3.针对动车组一致性制动控制器抗干扰能力不强,且相邻车厢间距难以控制的问题,提出一种带有滑模观测器的一致性协同制动算法。首先,设计滑模变结构观测器实时在线估计由耦合力与不确定性组成的复合干扰项并反馈至控制器;其次,提出带有人工势能场的一致性算法,实现各车厢速度对目标制动曲线的跟踪,且算法中的人工势能场函数保证相邻车间距始终保持在安全范围。最后,利用MATLAB仿真软件进行数值仿真,并基于RT-Lab半实物平台进行试验测试,共同验证算法的有效性和正确性。

随着高速列车的不断提速,其运行的安全性备受关注。良好稳定的制动系统是高速列车安全运营的重要保障。目前高速列车主要采用电制动和空气制动复合制动方式。电-空制动力合理有效分配对于列车制动系统性能的提升有着重要意义。另一方面,列车制动力的发挥主要依赖于轮轨间的黏着力。然而列车运行环境复杂多变,轮轨间的黏着状态不易检测。各车施加的制动力大小与轮轨间黏着也有着密不可分的联系。因此良好的黏着控制方法以及合理有效的制动力分配策略的研究对于高速列车的安全运行至关重要。为此本文在现有的制动力分配策略及黏着控制方法的基础上展开以下研究:针对现有高速列车在电-空制动力分配策略中没有过多考虑各车不同黏着限制,从而难以有效发挥各车可用制动力的问题,在电制动控制优先的基础上,提出一种以总的黏着利用率最大为目标函数的空气制动力优化分配算法。首先结合黏着基本理论,给出优化分配要求,从而建立空气制动力优化分配的目标函数。为提高分配算法的有效性,引入分配约束条件,并根据目标函数的特点转化为二次规划求解。并利用Matlab/Simulink软件对高速列车两种制动工况下空气制动力分配进行了仿真分析,结果表明,与传统的载重比分配方法相比,本文优化分配策略可充分利用各拖车不同的黏着限制,减小动车承担的总制动力,能有效降低制动过程中动车出现的打滑现象,从而可提高列车制动的平稳性。针对列车制动过程中制动力难以有效发挥及存在未知扰动控制器难以设计的问题,本文提出一种基于参数估计及滑模观测器的非奇异终端滑模控制算法。首先以单轮对受力模型为基础,建立含有未知黏滞摩擦系数及扰动的列车制动动力学模型。为处理列车制动运行不可避免存在的未知量,设计两个滑模观测器对未知量进行观测,并反馈到非奇异终端滑模控制器的设计中,以此提高系统的鲁棒性。通过Matlab/Simulink仿真平台,对本文设计的滑模观测器以及控制器的效果进行验证。仿真结果表明本文控制算法对时变的轨面环境有很好的适应性,与PI控制方法对比表现出较好的优越性。

高速列车是当今中国的重要经济支柱,是多数人出行的首选交通工具,其安全问题不容忽视。牵引系统控制技术是高速列车安全运行控制技术的关键。我国高铁线路长且跨越地域广,不同的环境条件会对轮轨条件产生不同的影响。若某轮对发生故障,其牵引动力损失,若不及时处理则会对牵引系统造成不利影响。而执行器由于其自身物理限制等原因出现饱和现象会导致系统控制性能降低等问题,进而影响牵引系统的安全运行。因此,寻求能保证牵引系统安全稳定运行的控制算法是本文研究的关键。本文针对高速列车轮对故障和执行器饱和会引发的列车安全问题,主要利用滑模变结构控制理论、虚拟总轴控制策略和总量协同一致控制原理设计了虚拟控制器、总量协同一致控制器和总量协同一致抗饱和控制器。主要研究内容如下:1.针对牵引动力损失会引发的列车安全问题,提出一种基于虚拟总轴的多电机牵引动力总量协同一致控制方法。首先,建立了基于虚拟总轴的多电机牵引动力总量协同一致系统框架。其次,设计了虚拟控制器和总量协同一致控制器,保证多电机系统牵引动力在受到不确定参数摄动和未知扰动情况下,仍能维持牵引动力总量协同一致。利用李雅普诺夫稳定性理论证明了该控制算法下的系统是稳定的。最后,进行了MATLAB数值仿真和RT-LAB半实物仿真实验,仿真与实验结果验证了本章所提控制方法的有效性。2.在基于虚拟总轴的多电机牵引动力总量协同一致控制框架上,考虑执行器饱和问题,构建了基于虚拟总轴的多电机牵引动力总量协同一致抗饱和控制框架。在此框架下引入非奇异终端滑模控制方法设计了虚拟控制器,保证虚拟电机输出的转矩值在有限时间内跟踪系统给定转矩值。然后设计了抗饱和补偿器对控制器输出进行补偿,并证明了该补偿器的稳定性。最后结合抗饱和补偿器设计了总量协同一致抗饱和控制器,对跟随电机进行牵引动力总量协同一致抗饱和控制,保证在执行器饱和时跟随电机的牵引动力总量与虚拟电机的输出值仍保持一致,在有限时间内实现总量协同一致抗饱和控制目标。最后的MATLAB仿真结果验证了本章所提控制方法的可行性。

中国高铁是我国走向世界的重要名片,已经逐渐成为中国人民中远距离出行的重要交通工具,这要求高速列车稳定运行的控制需要满足越来越多的性能指标。高速列车悬架控制算法是高速列车运行控制系统的重点技术。因此,高速列车的半主动悬架控制算法以其高节能性成为交通领域的研究热点。高速列车模型具有非线性、强耦合、多自由度的特点,给建模工作带来了严峻的挑战,且在运行过程中存在轨面水平不平顺和方向不平顺带来的随即扰动等,极大影响了列车的稳定运行。为此,本文结合滑模控制理论和有限时间控制理论,设计高效能、强鲁棒性和有限时间收敛的高速列车半主动悬架控制器。具体研究内容如下:1.针对根据高速列车的物理特性进行力学分析,修正了列车的弹簧系数、阻尼系数、质量系数矩阵,得到了修正后的高速列车的数学模型,使用五级线路谱来模拟列车行驶时轨道的随机不平顺输入信号,结合高速列车运行过程中所受到的随机振动,使用Simulink的仿真,搭建了高速列车17自由度横向半主动悬架系统模型。2.针对铁路轨面激振导致高速列车横向振动加重的问题,提出一项基于滑模观测器的高速列车横向半主动悬架控制算法。设计了基于滑模变结构的观测器,得到了未知干扰项的实时估计方法,进而计算未知干扰项观测值;通过设计基于滑模观测器控制算法,将未知干扰观测值作为反馈量输入到滑模控制器中,从而达到减弱振动的目的。通过仿真及实验验证,证明了所提算法的可行性和有效性。3.针对高速列车实际运行受扰上界未知的情况,设计滑模增益自适应观测器;然后,利用获得的扰动估计,借助加幂积分方法结合滑模控制器,建立一套列车在有限时间内实现对给定信号跟踪的控制算法。理论分析表明,所提算法可以保证列车在有限时间内实现安全运行。最后,通过仿真实验验证了所提加幂积分滑模控制算法的有效性。

随着“一带一路”建设和国家经济发展的深入推进,我国调整了运输结构,增加了铁路运输量。重载列车作为我国铁路货运行业的重要组成部分,提高运输能力,保证列车在复杂多变环境下的整体牵引性能及安全平稳的运行,就需要研究多牵引电机总量协同控制的关键技术,即在机车多轴协调控制中,通过对多电机冗余动力的协调,保证各电机提供的牵引力总和不变。而现有的多电机总量协同控制中,未有考虑饱和约束问题（控制输入饱和、输出转矩约束等）的研究。为此,本文开展饱和约束下多电机总量协同控制技术及其实际应用的研究,具体研究内容如下:1、针对多电机总量协同控制中的输入饱和问题,从降低控制输入和补偿输入饱和两个角度,设计了一种总量协同跟踪抗饱和滑模控制算法。首先,建立了带有参数摄动和未知扰动的多永磁电机牵引模型;然后,从降低控制输入的角度,设计了滑模干扰观测器,以减小滑模切换增益;从补偿输入饱和的角度,采用辅助抗饱和系统,削弱饱和对跟踪性能的影响;随后,将观测值和辅助状态反馈给滑模控制器,设计出总量协同跟踪控制算法,以确保输出转矩之和与给定特性曲线的一致;最后,通过Matlab/Simulink数值仿真和RT-Lab半实物实验,验证了滑模干扰观测器和抗饱和控制器对多电机牵引系统中输入饱和问题的有效抑制作用。2、针对多电机总量协同有限时间控制中的输入饱和问题,结合加幂积分参数简化与抗饱和技术,设计了一种基于非奇异终端滑模的总量协同跟踪控制算法,并保证了系统的全局有限时间稳定。首先,基于d-q坐标系建立了带有参数摄动和未知扰动的多永磁同步电机（PMSM）di（28）0的矢量控制模型;然后,设计了一种有限时间辅助抗饱和系统,并将状态反馈给总量协同跟踪控制器;随后,放宽了加幂积分参数强约束的条件,给出了参数设置的依据并完成了有限时间Lyapunov稳定性证明;最后,通过Matlab/Simulink数值仿真和RT-Lab半实物实验,验证了加幂积分参数简化的有效性和有限时间抗饱和控制器对输入饱和的有效抑制。3、针对多电机总量协同控制中的输入、输出双约束问题,构建了分层式总量协同抗饱和的框架,设计了一种基于多电机总量最优协同的饱和超螺旋滑模控制策略。首先,基于x-y坐标系建立了多PMSM直接转矩控制的数学模型;然后,考虑输出转矩的总量一致和约束,以能耗最小为目标,基于KKT（Karush-Kuhn-Tucker）条件设计最优的多轴总量协同分配给定算法;随后,依据最优的分配给定,设计新型饱和超螺旋滑模跟踪控制算法,并结合障碍李雅普洛夫函数证明控制输入有界;最后,在完成稳定性分析的基础上,通过Matlab/Simulink数值仿真和RT-Lab半实物实验,验证了分层式总量最优协同抗饱和策略能有效解决双约束问题。

机车轮对作为机车重要的支撑和走行部件,长期在复杂环境下与轨道发生高速滚动接触,其踏面损伤成为影响机车运行安全性和舒适性的重要因素之一。现有的人工辅助仪器检测方式,存在检测效率低下、劳动力强度高等问题。为此,本文开展了基于深度学习的机车轮对踏面损伤图像识别研究。其具体研究内容如下:（1）针对轮对踏面损伤难以定位且可能存在多个损伤区域的问题,提出一种基于Canny-YOLOv3的踏面损伤图像检测算法,该方法主要对轮对踏面的损伤区域进行候选框提取。首先采用Canny边缘检测算法对踏面区域进行提取和分割,进一步,根据Canny算法提取的轮对踏面图像,提出采用YOLOv3目标检测算法对踏面上损伤的区域进行候选框的提取,以此实现轮对踏面损伤区域的精准定位和分割。实验结果表明,该算法可以有效地提取到踏面的多个损伤区域,并对微小损伤也有很强的检测能力。（2）针对上一节轮对踏面损伤候选框存在误选和损伤类别识别困难的问题,提出一种改进的WGAN和Dense Net的踏面图像损伤识别框架。首先对YOLOv3中框选出的目标图像建立新的损伤数据集,采用WGAN-GP网络对损伤数据集进行图像增强,以此增加图像样本的多样性;然后提出采用Dense Net网络对生成后的损伤数据集进行三分类图像识别,分为伪损伤、擦伤和剥离三种。实验表明,该框架能够生成与原损伤高度相似的图像,并最终能够很好地识别踏面损伤类型。（3）根据本文所提出的机车轮对踏面损伤图像检测和识别模型,设计了轮对踏面损伤检测原型系统。该系统采用微软.NET Winform界面设计框架进行用户界面设计,后台逻辑设计采用C#和Python语言,从而将本文中所提及的模型和算法以模块形式封装在原型系统中,通过实验与应用测试验证该系统的有效性和实用性。

多电机共同提供牵引动力是重载机车、高速动车等电力机车通常采用的牵引驱动方式。机车运行过程中的空转/滑行或牵引设备故障等问题,常使某台牵引电机难以输出所需的牵引动力,这就需要协调其它牵引电机的转矩输出,才能满足机车运行所需的牵引动力总量。为此,本文分别针对轴重转移、部分牵引系统故障等问题,着重开展总量一致的多电机协调控制方法研究,以提升机车整体运行性能。具体研究内容如下:（1）针对机车轴重转移导致的各电机牵引力分配不均的问题,提出考虑轴重转移的机车牵引力优化分配方法。该法基于机车动力学分析,建立了轴重转移模型,构造了以总轴重转移量最小为目标的优化牵引力优化模型,并利用遗传算法进行求解。（2）分别以永磁无刷直流电机、永磁交流电机为研究对象,搭建总量一致的多电机系统协调控制框架,提出基于转矩波动总量最小的多电机协调分配方法,从整体上确保多电机牵引转矩总量基本一致。并针对两种类型的牵引电机,分别构造了基于滑模跟踪控制的直流电机控制方法、基于滑模变结构的交流电机控制方法,以提高电机转矩的跟踪能力和动态响应速度。最后利用实验数据对所提方法进行验证,结果表明:所提方法可使轴重转移条件下的总转移量减少2.3%;不同类型电机的两种常见系统故障仿真中,电机牵引总量跟踪时间均不大于0.5 s,最大波动误差均小于5%。从而表明所提方法无论在总量跟踪方面,还是单电机动态跟踪性能方面,均表现出了良好的性能。

随着列车运行速度不断提高,容易造成车轮滑行甚至空转,这严重影响了高速列车运行的安全性。因此,研究一种含有蠕滑状态约束的最优黏着防滑控制策略具有重要意义。在列车防滑控制算法的设计上,与之密切相关的包括以下几个重要方面:首先要解决的是机车车体速度难以准确实时测量的问题,并且蠕滑率（或蠕滑速度）控制对其依赖很大;然后是针对列车防滑控制器的设计问题,要尽可能地避免列车运行中不确定的黏着条件对防滑控制的影响,保证列车安全、稳定地运行;同时针对于如何设计期望跟踪目标的搜索算法的问题也急需解决,即实现列车的实际黏着工作点渐近跟踪期望黏着工作点。本文为了解决上述问题,主要进行了以下三方面的工作:（1）针对高速列车车体速度难以测量的问题,提出了一种基于EKF（扩展卡尔曼滤波）算法,以轮轨动力学及机车黏着模型为基础,利用EKF对机车的轮对速度和车体速度进行近似估计;（2）针对高速列车运行中出现的防滑及稳定性问题,设计了一种列车的全局防滑控制策略。通过设计一种混合控制器的切换实现列车的全局防滑控制,并且在控制器的设计中引入非对称障碍Lyapunov函数,保障列车在可行黏着区域的稳定性;（3）针对期望跟踪目标的获取问题,设计了一种变步长搜索算法,并且采用了一种滑模观测器对轮轨间的黏着状态作近似估计,用于搜索列车当前路况下的期望蠕滑速度,进而实现预期的防滑控制目标。理论分析及仿真实验都验证了算法的稳定性和有效性,实现了预期的控制目标。此外,总结了本文的主要研究内容、不足之处以及下一步研究计划。

高载荷、大轴重重载电力机车的最优粘着利用及如何实现防空转控制已成为现今机车牵引控制领域的研究热点。所谓最优粘着利用及防空转控制,是指在一定的外界环境条件下,通过控制牵引电机运动状态,进而影响机车轮轨间的粘着状态,使机车尽可能发挥出当前轨面所能允许的最大牵引力,同时避免车轮发生空转的控制方法。本文以重载电力机车作为研究对象,针对轮轨粘着系数精确观测、不确定轨面最优粘着点极值搜索算法、机车最优粘着防空转控制策略三个主要问题展开研究。主要工作如下:针对重载电力机车在运行过程中,轮轨粘着系数难以获取的问题,本文提出一种基于非奇异终端滑模观测器的轮轨粘着系数观测算法。通过对牵引电机负载转矩与机车粘着力矩之间的相互作用力矩进行分析,构建非奇异终端滑模观测器对牵引电机负载转矩进行观测,再进一步利用负载转矩观测值来估算粘着系数,有效降低一般观测器对外界参数变化的敏感性,提高轮轨粘着系数的观测精度。针对重载电力机车在复杂工况轨面运行时,轨面最优粘着点难以获取的问题,本文提出一种基于滑模极值搜索理论的轨面最优粘着点搜索算法。所提出的不确定轨面最优粘着点滑模极值搜索算法通过将粘着系数观测值作为极值搜索算法的输入信号,然后设计一系列滑模面确保机车蠕滑速度收敛至最优粘着点附近。当滑模收敛条件不再满足时,利用振荡积分环节提高搜索精度,减小误差。针对重载电力机车处于最优粘着牵引工况下,机车车轮可能发生空转的问题,本文提出一种基于非对称障碍李雅普洛夫函数的机车防空转控制算法。通过提取机车蠕滑速度为状态变量,运用非对称障碍李雅普洛夫函数特有的不对称约束边界,在稳定区和空转区的障碍边界分别进行独立设计,确保机车粘着状态被约束在一个可靠的高粘着区域,同时满足机车的高粘着利用率和防空转控制目标。最后基于Matlab/Simulink仿真环境构建机车最优粘着利用及防空转控制模型,对所提出的控制策略进行仿真验证。并利用RT-Lab半实物实验平台进行半实物实验,进一步验证所提出的控制策略的有效性。

重载机车是国家战略确定的重点发展产品之一,提升轮轨黏着利用率是提高机车牵引性能的主要途径。然而运行条件的复杂性和多样性,重载机车的牵引功率要完全发挥出来主要取决于轮轨间的黏着力,所以要保证机车稳定运行的前提下,要使得牵引系统产生最大的牵引力。实验表明,机车的实际黏着系数与机车蠕滑率成一定的函数关系,而黏着系数能反映出黏着力的变化,运用极值搜索算法,实时搜索出最优蠕滑率,通过控制机车的驱动转矩,使得机车运行在黏着系数-蠕滑率曲线的峰值点,由此,提高了机车黏着利用率,从而提高了机车的最大黏着利用牵引力。目前,现代黏着控制方法实现实时搜索最优黏着峰值点,通过机车驱动转矩的实时控制,使得机车工作在最优黏着点附近,这类控制方法也有效防止了机车空转,提高机车牵引力,是具有很大的工程实际意义的。本文的主要研究如下:针对重载机车轮对空转和有效发挥机车牵引力的问题,提出了一种基于最优蠕滑率的积分滑模控制防空转方法。首先,建立单轴重载机车动力学模型,利用滑模观测器对重载机车实时黏着系数进行观测;再采用滑模搜索算法对最优蠕滑率最优区域进行监控搜索,以及结合PID控制进行控制削弱滑模极值搜索中的振荡问题;最后,设计了一种新型趋近率的滑模控制器,使不同轨面上运行的机车的蠕滑率都处于最优值,可以最大限度地利用机车轮轨之间的黏着力。并且通过simulink仿真也验证了此控制方法的可行性和有效性。针对滑模极值搜索算法中的抖振问题,提出了一种基于单参数扰动极值搜索方法。首先,将数学理论用于证明此种搜索方法的稳定性;其次,通过分析轮轨面黏着特性,机车在不同轨面时,进行实时搜索最优黏着系数;最后,通过设计一种非奇异终端滑模控制器,证明其存在着很好的鲁棒性、快速收敛性等优点;同时,将此控制器与传统滑模控制器进行对比仿真实验,验证了此种方法能够有效地削弱了牵引系统中的抖振问题。同时,也减少了滑模极值搜索算法的缺点,提高系统控制效果。