[发明专利]一种基于非对称Barrier Lyapunov函数高速列车粘着防滑控制方法

说明书

本发明公开了一种基于非对称Barrier Lyapunov函数高速列车粘着防滑控制方法，首先设计混合控制器并在控制器的设计中引入非对称Barrier Lyapunov函数；然后设计变步长搜索算法，并且采用滑模观测器对轮轨间的粘着状态作近似估计；混合控制器包括非对称Barrier Lyapunov函数控制器和滑模控制器；对期望跟踪目标的搜索包括采用滑模观测器对粘着力矩、粘着系数及其导数的观测和变步长期望值搜索策略的设计；其中变步长期望值搜索策略仅依靠高速列车运行中自身状态来设定目标区域约束条件和设计搜索步长；本发明不仅能够避免高速列车在行驶过程中可能发生的车轮滑行现象，并且若列车车轮蠕滑速度的初始状态不位于粘着区域内也能实现轮轨的再粘着控制，实现全局稳定的蠕滑速度跟踪防滑控制。

技术领域

本发明属于高速列车防滑控制领域，具体涉及一种基于非对称Barrier Lyapunov函数高速列车粘着防滑控制方法。

背景技术

随着列车运行速度不断提高，会相应地降低轮轨间的粘着特性，列车在运行中出现滑行的机率就会增大甚至会出现空转现象。高速列车在运行中一旦出现此类现象，对列车的牵引与制动性能将造成影响，严重危害运行安全。

目前在列车防滑控制系统的设计上，与之密切相关的包括两个重要方面：一是列车防滑控制器的设计，要尽可能地避免列车运行中不确定的粘着条件对防滑控制的影响，保证列车安全、稳定地运行；二是对于控制过程中期望目标的跟踪，即实现列车的实际粘着工作点渐近跟踪期望粘着工作点。在防滑控制系统方面，大多数方法是以蠕滑速度或蠕滑率作为跟踪控制的目标。而近年来，人们开始关注并研究一种带有边界形式的BarrierLyapunov函数(BLF)，它可以将某些系统的状态值控制在所设计的约束边界内。利用这种特殊的性质可以解决飞机的防滑刹车系统和高速列车防滑控制器的设计问题，保障控制系统的稳定性。然而，利用BLF设计控制器会使约束区域(可行粘着区)过小，限制其在工程中的应用。在期望目标跟踪控制方面，轨面粘着特性的获取至关重要，但列车实际运行的粘着特性又极难获取，只能通过观测器间接估计。

发明内容

本发明提供了一种高速列车的全局粘着防滑控制策略。首先，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 BarrierLyapunov函数(ABLF)，保障列车在可行粘着区域的稳定性；然后，对于期望跟踪目标的搜索，我们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粘着状态作近似估计，用于搜索列车当前路况下的最佳蠕滑速度。

本发明提供了一种基于非对称Barrier Lyapunov函数高速列车粘着防滑控制方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于非对称Barrier Lyapunov函数高速列车粘着防滑控制方法，包括以下步骤：

步骤1：以列车车体速度及车轮角速度为变量，建立高速列车数学模型：

式中：M为车体及乘客总质量；v为列车车速；Fa为轮轨粘着力；Fr为列车所受阻力；J为车轮的转动惯量；w为车轮角速度；Tm控制力矩；r为车轮半径； R_g为齿轮箱的传动比。

选用蠕滑速度变量w_s，定义为：

F_a可表示为：F_a＝u(w_s)Mg

粘着力矩T_L为：T_L＝F_ar；

u(w_s)为粘着系数，它的经验公式为：

其中a，b，c，d的设计取决于轨面条件；