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摘要：随着我国国民经济的飞速发展，国家铁路正朝着高速、重载的需求发展。在电力机车优化控制的研究中，粘着控制是现代机车需要研究的关键问题。针对电力机车粘着控制传统方法在潮湿轨面中粘着利用率低及正弦相移测相信号引起牵引转矩的波动，对电机产生不良影响等问题，本文设计了采用组合校正法及相位法相结合的粘着控制方法，应用改进后相位移粘着控制方法，仿真结果表明，新的粘着控制方法具有相位移粘着控制高粘着利用率优点，同时减小转矩波动对电机的不良影响时间，为机车粘着优化控制提供了参考。
关键词：机车；粘着特性；粘着控制
在轮轨交通运输中，机车动轮和钢轨之间的粘着力是驱动机车运行的最终动力。良好的粘着利用不仅可以有效地提高机车的加速性能，缩短制动距离，改善乘车舒适性，而且还能显著地减少机车的空转和滑行，避免轮轨严重擦伤，以延长轮轨的使用寿命。由于良好粘着利用对机车所具有的重要作用，目前我国电力机车上采用的粘着控制方法 主要有组合校正法、蠕滑速度法、粘着斜率法，其中组合校正法及粘着斜率法中的相位移法应用较多。
一、粘着特性
在现代机车控制中，粘着控制系统是机车传动控制系统的一部分。它的主要作用是在线路状况变化不一的情况下，通过对电机速度、电机转矩等信息的采集、分析和处理，结合司机给出的电机转矩指令，使机车能够以线路当前最大的粘着因数运行，从而获得最大的粘着利用率。大量的分析和试验结果表明只有在机车车轮和钢轨的接触面上出现一定的车轮相对车体的切向运动时，机车才能产生使其自身前進的粘着牵引力，并且随着这种相对运动的速度的加快，能够产生的牵引力也将逐渐增大；但是，当相对运行速度超过一定值后，机车能够产生的牵引力将不再增大而是急剧地减少。这种能够产生的牵引力和车轮相对车体的切向运行速度之间的关系称为粘着特性，而出现在轮轨接触面上的车轮相对车体的切向运动速度称为蠕滑速度。随着机车运行路况的不同，粘着特性一般是不同的。
二、改进相位移法
1、相位移法的基本原理。
相位移粘着控制方法基本原理是通过相位移的测量或者计算，间接获取粘着特性曲线的斜率，实现最佳粘着控制。设G（r）是以r 为参数的线性系统。根据线性系统理论，在幅值为A、频率为f 相位φ 的正弦信号：
如果相位移中激励信号的频率f 不变，则相位移ψ（f，r）变成仅关于变量r 的函数ψ（r），二者之间存在单值对应关系。尽管粘着特性曲线是粘着因数与蠕滑速度是非线性关系，机车的传动系统动力学模型也是一个非线性系统，但是通过局部线性化处理，在局部依然可将机车传动系统的动力学模型视为线性系统。若G（r）为机车传动的动力学模型系统，其中r 为粘着特性曲线的斜率，在机车传动动力学模型的输入量机车牵引转矩Te叠加式的正弦信号激励，利用正交相关法在机车传动动力学模型系统的输出量电机车轮线速度Vd提取相位移ψ（r）。
2、改进相位法粘着控制原理.原始相位移法粘着控制方法在整个机车运行过程中不论轨面粘着状况优劣，牵引电机的参考转矩均要叠加一定频率、幅值的正弦信号，将会使牵引电机长时间处于不良影响之下，在相位法粘着控制的基础上，应用了组合校正法粘着控制方法思路。设定机车车轮加速度阈值及蠕滑速度阈值，在轮轨粘着状态较好，机车能够在司控台的转矩指令下运行，不发生空转打滑现象即实际机车车轮加速度与蠕滑速度不超过阈值时不使用相位法粘着控制法，不向牵引电机参考转矩中叠加正弦信号，避免正弦信号对电机运行的不良影响；在轨面粘着状况变差，机车实际车轮加速度或蠕滑速度超过阈值而发生空转打滑现象时，按一定斜率迅速削减转矩至较小值，迅速有效的抑制打滑空转现象，维持1s 后，切换至相位移法粘着控制，按照相位移粘着控制原理寻找当前轨面粘着条件下最优工作点，实现当前轨面粘着有效利用；当轨面粘着状况变好，轮轨间能传递的粘着牵引力矩超过司空台的转矩指令时，重新停用相位法粘着控制，重新切换回初始控制方法。
3.电力机车动力学模型。
建立机车动力学模型，应用改进后相位移法粘着控制方法，验证粘着控制方法的有效性。分别对机车及轮对进行动力学分析，获得机车动力学模型。
三、仿真与结果分析
在建立的机车动力学模型上，运用相位移法粘着控制及改进后的相位移法粘着控制方法进行计算机仿真，验证两种方法粘着控制效果。仿真的环境设置为机车牵引转矩由0 从粘着状况好的干燥轨面路况启动，在两秒时间到达到司空台转矩指令值6200N·m。在仿真25s 时轨面由粘着状况好的干燥轨面切换到粘着状况不佳的潮湿轨面路况。在仿真40s 处，轨面重新切换至粘着状况较好的干燥轨面。
图（a）根据相位法粘着控制原理，将通过直接测得间接反映轨面粘着特性曲线斜率的相位移φ 指定值φa做差通过PI 控制器控制，在25s 处轨面由干燥变为潮湿，相位移粘着控制能够有效削减转矩，在25s-40s 时间内，转矩稳定。在40s 后轨面由潮湿切换至干燥，牵引转矩逐渐恢复。但是由于叠加正弦信号的作用，牵引转矩在启动、轨面变化整个过程中都在波动，这将对电机产生不良影响。
图（b）改进相位移粘着控制方法，在40s 时，轨面粘着状况潮湿变为干燥，牵引转矩恢复到司控台的6220N·M，同时停止相位法粘着控制。改进后缩短了牵引转矩中叠加正弦信号时间，减小了传统相位移粘着控制对电机的不良影响。同时，在轨面变化过程中，改进后相位法粘着控制转矩调整速度更快。可见，在两种粘着控制方法下，机车车轮线速度Vd与机车速度Vt较为稳定差值，即使在25s 后轨面有干燥变为潮湿，轨面粘着状况变差，依然有效的仿真车轮空转。证明改进后粘着控制方法的有效性。
除了上述方法外，还有神经网络、GPS 检测法、电流控制法等粘着控制方法。神经网络[2]于粘着控制的应用：设定轮周速度、车体速度及其加速度为神经网络输入层的神经元，而粘着系数为输出层神经元，通过输入层的调整改变粘着系数的大小，由此达到控制的目的。GPS 检测法[3]是用GPS 定位系统来检测机车速度，但是由于GPS 技术存在被部分国家垄断控制的可能，而且在一些深山区信号微弱，使用较少。由于不同的牵引电机转速不一致，其相应的电流也随之不同。电流控制法利用这一特点，用检测电动机的电流来代替常规的速度传感器。这种方法在探测微小蠕滑方面比常规的使用速度传感器探测的方法要好，而且可以补偿由车轮直径和发电机性能所引起的差别。
在相位移法电力机车粘着控制方法的基础上对其进行改进，利用电力机车常用的组合校正法粘着控制，实现两种方法的切换，有效的减小相位法转矩叠加正弦信号对电机的不良影响，同时提高了转矩调节的快速性能、充分利用了轮轨粘着条件，提高了机车牵引力的利用率，通过仿真验证了方法的有效性。目前，我国机车粘着利用还处在很低的水平，有关粘着研究的空间很大，因此粘着控制依旧有着广泛的发展空间。今后的研究重点，将放在对粘着控制前沿方法的研究上，例如模糊控制和神经网络等在粘着中的应用。
参考文献：
[1]李江红，彭辉水. 机车粘着控制的基本原理和方法[J].机车电传动，2012，（6）：4 .
[2]陈国华，胡照文.建立在粘着特性曲线斜率基础上的优化三相交流机车粘着利用的控制[J]. 电力牵引快报，2013，（12）：18
[3] 鲍维千.关于机车粘着的一些概念及提高机车粘着性能的措施[J]. 内燃机车，2013，（1）：8 - 13.
[4]，徐立恩.建立在粘着特性曲线斜率基础上的优化三相交流机车粘着利用的控制[J]. 电力牵引快报，2012，（12）.
[5]廖双晴. 基于虚拟样机技术的机车粘着控制仿真平台的研究[D]. 西南交通大学，2013.
关键词：机车；粘着特性；粘着控制
在轮轨交通运输中，机车动轮和钢轨之间的粘着力是驱动机车运行的最终动力。良好的粘着利用不仅可以有效地提高机车的加速性能，缩短制动距离，改善乘车舒适性，而且还能显著地减少机车的空转和滑行，避免轮轨严重擦伤，以延长轮轨的使用寿命。由于良好粘着利用对机车所具有的重要作用，目前我国电力机车上采用的粘着控制方法 主要有组合校正法、蠕滑速度法、粘着斜率法，其中组合校正法及粘着斜率法中的相位移法应用较多。
一、粘着特性
在现代机车控制中，粘着控制系统是机车传动控制系统的一部分。它的主要作用是在线路状况变化不一的情况下，通过对电机速度、电机转矩等信息的采集、分析和处理，结合司机给出的电机转矩指令，使机车能够以线路当前最大的粘着因数运行，从而获得最大的粘着利用率。大量的分析和试验结果表明只有在机车车轮和钢轨的接触面上出现一定的车轮相对车体的切向运动时，机车才能产生使其自身前進的粘着牵引力，并且随着这种相对运动的速度的加快，能够产生的牵引力也将逐渐增大；但是，当相对运行速度超过一定值后，机车能够产生的牵引力将不再增大而是急剧地减少。这种能够产生的牵引力和车轮相对车体的切向运行速度之间的关系称为粘着特性，而出现在轮轨接触面上的车轮相对车体的切向运动速度称为蠕滑速度。随着机车运行路况的不同，粘着特性一般是不同的。
二、改进相位移法
1、相位移法的基本原理。
相位移粘着控制方法基本原理是通过相位移的测量或者计算，间接获取粘着特性曲线的斜率，实现最佳粘着控制。设G（r）是以r 为参数的线性系统。根据线性系统理论，在幅值为A、频率为f 相位φ 的正弦信号：
如果相位移中激励信号的频率f 不变，则相位移ψ（f，r）变成仅关于变量r 的函数ψ（r），二者之间存在单值对应关系。尽管粘着特性曲线是粘着因数与蠕滑速度是非线性关系，机车的传动系统动力学模型也是一个非线性系统，但是通过局部线性化处理，在局部依然可将机车传动系统的动力学模型视为线性系统。若G（r）为机车传动的动力学模型系统，其中r 为粘着特性曲线的斜率，在机车传动动力学模型的输入量机车牵引转矩Te叠加式的正弦信号激励，利用正交相关法在机车传动动力学模型系统的输出量电机车轮线速度Vd提取相位移ψ（r）。
2、改进相位法粘着控制原理.原始相位移法粘着控制方法在整个机车运行过程中不论轨面粘着状况优劣，牵引电机的参考转矩均要叠加一定频率、幅值的正弦信号，将会使牵引电机长时间处于不良影响之下，在相位法粘着控制的基础上，应用了组合校正法粘着控制方法思路。设定机车车轮加速度阈值及蠕滑速度阈值，在轮轨粘着状态较好，机车能够在司控台的转矩指令下运行，不发生空转打滑现象即实际机车车轮加速度与蠕滑速度不超过阈值时不使用相位法粘着控制法，不向牵引电机参考转矩中叠加正弦信号，避免正弦信号对电机运行的不良影响；在轨面粘着状况变差，机车实际车轮加速度或蠕滑速度超过阈值而发生空转打滑现象时，按一定斜率迅速削减转矩至较小值，迅速有效的抑制打滑空转现象，维持1s 后，切换至相位移法粘着控制，按照相位移粘着控制原理寻找当前轨面粘着条件下最优工作点，实现当前轨面粘着有效利用；当轨面粘着状况变好，轮轨间能传递的粘着牵引力矩超过司空台的转矩指令时，重新停用相位法粘着控制，重新切换回初始控制方法。
3.电力机车动力学模型。
建立机车动力学模型，应用改进后相位移法粘着控制方法，验证粘着控制方法的有效性。分别对机车及轮对进行动力学分析，获得机车动力学模型。
三、仿真与结果分析
在建立的机车动力学模型上，运用相位移法粘着控制及改进后的相位移法粘着控制方法进行计算机仿真，验证两种方法粘着控制效果。仿真的环境设置为机车牵引转矩由0 从粘着状况好的干燥轨面路况启动，在两秒时间到达到司空台转矩指令值6200N·m。在仿真25s 时轨面由粘着状况好的干燥轨面切换到粘着状况不佳的潮湿轨面路况。在仿真40s 处，轨面重新切换至粘着状况较好的干燥轨面。
图（a）根据相位法粘着控制原理，将通过直接测得间接反映轨面粘着特性曲线斜率的相位移φ 指定值φa做差通过PI 控制器控制，在25s 处轨面由干燥变为潮湿，相位移粘着控制能够有效削减转矩，在25s-40s 时间内，转矩稳定。在40s 后轨面由潮湿切换至干燥，牵引转矩逐渐恢复。但是由于叠加正弦信号的作用，牵引转矩在启动、轨面变化整个过程中都在波动，这将对电机产生不良影响。
图（b）改进相位移粘着控制方法，在40s 时，轨面粘着状况潮湿变为干燥，牵引转矩恢复到司控台的6220N·M，同时停止相位法粘着控制。改进后缩短了牵引转矩中叠加正弦信号时间，减小了传统相位移粘着控制对电机的不良影响。同时，在轨面变化过程中，改进后相位法粘着控制转矩调整速度更快。可见，在两种粘着控制方法下，机车车轮线速度Vd与机车速度Vt较为稳定差值，即使在25s 后轨面有干燥变为潮湿，轨面粘着状况变差，依然有效的仿真车轮空转。证明改进后粘着控制方法的有效性。
除了上述方法外，还有神经网络、GPS 检测法、电流控制法等粘着控制方法。神经网络[2]于粘着控制的应用：设定轮周速度、车体速度及其加速度为神经网络输入层的神经元，而粘着系数为输出层神经元，通过输入层的调整改变粘着系数的大小，由此达到控制的目的。GPS 检测法[3]是用GPS 定位系统来检测机车速度，但是由于GPS 技术存在被部分国家垄断控制的可能，而且在一些深山区信号微弱，使用较少。由于不同的牵引电机转速不一致，其相应的电流也随之不同。电流控制法利用这一特点，用检测电动机的电流来代替常规的速度传感器。这种方法在探测微小蠕滑方面比常规的使用速度传感器探测的方法要好，而且可以补偿由车轮直径和发电机性能所引起的差别。
在相位移法电力机车粘着控制方法的基础上对其进行改进，利用电力机车常用的组合校正法粘着控制，实现两种方法的切换，有效的减小相位法转矩叠加正弦信号对电机的不良影响，同时提高了转矩调节的快速性能、充分利用了轮轨粘着条件，提高了机车牵引力的利用率，通过仿真验证了方法的有效性。目前，我国机车粘着利用还处在很低的水平，有关粘着研究的空间很大，因此粘着控制依旧有着广泛的发展空间。今后的研究重点，将放在对粘着控制前沿方法的研究上，例如模糊控制和神经网络等在粘着中的应用。
参考文献：
[1]李江红，彭辉水. 机车粘着控制的基本原理和方法[J].机车电传动，2012，（6）：4 .
[2]陈国华，胡照文.建立在粘着特性曲线斜率基础上的优化三相交流机车粘着利用的控制[J]. 电力牵引快报，2013，（12）：18
[3] 鲍维千.关于机车粘着的一些概念及提高机车粘着性能的措施[J]. 内燃机车，2013，（1）：8 - 13.
[4]，徐立恩.建立在粘着特性曲线斜率基础上的优化三相交流机车粘着利用的控制[J]. 电力牵引快报，2012，（12）.
[5]廖双晴. 基于虚拟样机技术的机车粘着控制仿真平台的研究[D]. 西南交通大学，2013.