一种电力机车粘着控制方法

1.本发明属于机车牵引控制技术领域，尤其是涉及电力机车粘着控制方法。


背景技术：

2.列车运行通过轮轨间的相互作用来实现，只有在保证轮轨间的有效粘着为前提条件下，才能进一步利用牵引电机的功率。轮轨粘着特性不仅与牵引机车自身和轮轨材料有关，也与线路状况、轨面清洁度等一系列随时空变化的不确定因素相关。若机车运行过程中牵引力大于轮轨间可用粘着力，多余牵引力将加速车轮形成空转，相对滑动速度很快加大，可用粘着力则迅速降低，会造成轮轨的磨损甚至毁坏，不仅增加了铁路运营的保养维修费用，也会威胁到机车的安全运行。由于机车运行的条件千变万化，牵引中，司机操纵的改变或轨面条件的恶化，空转并不能完全避免；目前国内交直机车主要采用组合校正法进行防空转防滑控制，首先对车轮加速度进行判断，当加速度超过一定阈值时表示空转滑行现象比较严重，则快速深度削减动轮驱动转矩，即削减机车牵引力；如果车轮加速度没有超过阈值，则对蠕滑速度进行判断，当蠕滑速度超过阈值时，对驱动转矩进行较大幅度的调整，反之，判定为正常运行状况。在用的组合校正法采用2个或者是多个单项阈值条件判断是否发生空转，在未发生空转时，不能实现空转风险的综合判断；在已经发生空转时，不能实现空转程度的综合综合判断。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，针对现在已有技术的缺陷，提供一种电力机车粘着控制方法，具体有，对实时雨量和轨面干湿度进行综合判断与计算，得到粘着系数控制参数，由粘着系数控制参数和粘着系数经验计算模型共同对机车牵引力进行上限限幅控制；依据轴间速度差、蠕滑度变化率和蠕滑度判断机车轮对是否发生空转，并依照空转判断结果决定是否对上限限幅后的机车牵引力进行减载控制。
4.所述粘着系数经验计算模型是
[0005][0006]
其中，v是机车车速，μk是模型输出的计算粘着系数，a1、a2、a3、a4为计算粘着系数的经验公式参数。
[0007]
所述由粘着系数控制参数和粘着系数经验计算模型共同对机车牵引力进行上限限幅控制的方法是
[0008][0009]
其中，ξ是粘着系数控制参数，p
jμ
为轴j计算粘着重量，ξ
·
μk·
p
jμ
是轴j最大牵引力限定值，f
j1
是上限限幅控制前的轴j机车牵引力，f
j2
是上限限幅控制后的轴j机车牵引力。j的取值为1至n中的一个，n为机车的车轴数，轴1至轴n分别对机车牵引力进行上限限幅控
制。
[0010]
所述对实时雨量和轨面干湿度进行综合判断与计算，得到粘着系数控制参数ξ的方法是
[0011][0012]
其中，rm为雨量最大限值，取值范围是2mm/h～2.5mm/h；c
11
为实时雨量，c
11
的测量输出范围是0至rm；c
12
为轨面干湿度，输出范围是0至1，0表示轨面完全干燥，1表示轨面完全潮湿；b3是粘着系数雨量控制参数，取值范围是0.25≤b3≤0.4；b4是粘着系数轨面控制参数，取值范围是0.7≤b4≤0.9。
[0013]
所述依据轴间速度差、蠕滑度变化率和蠕滑度判断机车轮对是否发生空转的方法是，当轴j的空转风险值ej大于等于1时，则轴j机车轮对发生空转；空转风险值ej按照式
[0014][0015]
进行计算，其中，x
j1
为轴j轴间速度差，θ1为轴间速度差阈值；x
j2
为轴j蠕滑度变化率，θ2为蠕滑度变化率阈值；x
j3
为轴j蠕滑度，θ3为蠕滑度阈值；γ1、γ2、γ3为非线性加权指数因子，且γ1≥1、γ2≥1、γ3≥1。
[0016]
通过减小空转牵引力控制比φj来进行轴j机车牵引力减载，实现空转牵引力控制；空转牵引力控制比φj为空转牵引力控制后的轴j机车牵引力与空转牵引力控制前的轴j机车牵引力之间的比值，且有0≤φj≤1。轴1至轴n分别判断机车轮对是否发生空转，并分别实现空转牵引力控制。
[0017]
通过减小空转牵引力控制比φj来进行轴j机车牵引力减载的方法是，轴j机车牵引力减载的速率由减载斜率d
jd
控制；轴j轴间速度差x
j1
越小时减载斜率d
jd
的值越小，轴间速度差x
j1
越大时减载斜率d
jd
的值越大。轴j减载斜率d
jd
的大小由轴j的速差减载因子ej控制，按照式
[0018][0019]
计算速差减载因子ej，其中，γ0为速差减载控制因子，且1≤γ0≤2；轴1至轴n取相同的速差减载控制因子值。
[0020]
轴j的减载斜率d
jd
按照式
[0021][0022]
进行计算，其中，dh为减载斜率上限值，d
l
为减载斜率下限值；dh和d
l
的值均在0.3/s至2/s之间选择，且dh≥d
l
；轴1至轴n取相同的减载斜率上限值dh和减载斜率下限值d
l
；em为速差减载因子限值，且有
[0023]
空转牵引力控制模块实现空转牵引力控制的过程是：
[0024]
过程i，空转牵引力减小过程；从空转风险值ej大于等于1且持续增大开始，至空转风险值ej从持续增大变为开始减小时结束，轴j空转牵引力控制比φj以减载斜率d
jd
减小；过程i结束时的φj值为最低维持值φ
jl
。
[0025]
过程ii，空转牵引力最低维持值维持过程；从过程i结束开始，空转风险值ej持续减小至小于1时结束，空转牵引力控制模块控制φj等于最低维持值φ
jl
。
[0026]
过程iii，空转牵引力恢复过程；从过程ii结束开始，控制φj以恢复斜率d
ju
增大，至φj增大到等于1时结束。恢复斜率d
ju
的上升速率在0.05/s至0.5/s之间选择。
[0027]
所述实现电力机车粘着控制方法由包括粘着系数控制参数调整模型、牵引力限定自整定模块、空转牵引力控制模块、机车速度测量调整模块和雨量及轨面监测模块的电力机车粘着控制系统实现。
[0028]
粘着系数控制参数调整模型的输入是实时雨量c
11
和轨面干湿度c
12
，输出为调整粘着系数控制参数ξ。牵引力限定自整定模块的输入是轴1至轴n的机车牵引力f
11
至f
n1
，以及机车车速v、粘着系数控制参数ξ；牵引力限定自整定模块的输出是轴1至轴n的机车牵引力f
12
至f
n2
。空转牵引力控制模块的输入是轴1至轴n的机车牵引力f
12
至f
n2
，以及轴1至轴n的机车速度相关量c
21
至c
2n
，空转牵引力控制模块的输出是轴1至轴n的机车牵引力f
13
至f
n3
。雨量及轨面监测模块包括雨量测量单元和轨面图像采集识别单元；雨量测量单元测量并输出的实时雨量c
11
，轨面图像采集识别单元采集轨面的实时图像，对采集的实时轨面图像进行识别处理并输出当前的轨面干湿度c
12
。
[0029]
机车速度测量调整模块包括机车车轮旋转速度采集单元、机车雷达速度采集单元、车载卫星定位系统速度采集单元和速度调整计算单元。机车速度测量调整模块采集机车雷达速度、车载卫星定位系统速度和轴1至轴n的机车车轮旋转速度，输出送至牵引力限定自整定模块的机车车速v和送至空转牵引力控制模块的机车速度相关量c
21
至c
2n
，c
21
至c
2n
包括机车车速v、轴间速度差x
11
至x
n1
、蠕滑度变化率x
12
至x
n2
和蠕滑度x
13
至x
n3
。
[0030]
机车速度测量调整模块实现机车速度调整的方法是，周期性地采集机车车轮旋转速度vj(h)和机车雷达速度w(h)，周期时间为tv。机车速度测量调整模块周期性地采集车载卫星定位系统速度u(k)、车载卫星定位状态信息x(k)，读取同步采集时间点采集的机车雷达速度w(k)和轴1至轴n的机车车轮旋转速度v1(k)至vn(k)并进行迭代计算，周期时间为tu，k为当前迭代计算代次；tu大于tv。
[0031]
第k次迭代计算时，机车速度测量调整模块判断车载卫星定位系统速度是否有效。判断为车载卫星定位系统速度有效时，当前轴1至轴n的轮/车速度调整系数pj(k)按照式
[0032][0033]
进行整定，其中，u(k)为最近一次采集的车载卫星定位系统速度，vj(k)为在u(k)同步采集时间点采集的轴j的机车车轮旋转速度，j的取值为1至n中的一个，即vj(k)为轴1至轴n的机车车轮旋转速度v1(k)至vn(k)中的一个。
[0034]
判断为车载卫星定位系统速度有效时，当前雷达速度变比系数pw(k)按照式
[0035][0036]
进行整定，其中，w(k)为在u(k)同步采集时间点采集的机车雷达速度。车载卫星定位系统速度有效时，雷达速度调整系数pw等于pw(k)。
[0037]
判断为车载卫星定位系统速度无效时，当前雷达速度变比系数由之前的雷达速度变比系数拟合计算得到，方法是，对m个点(k-1，pw(k-1))、(k-2，pw(k-2))、......、(k-m，pw(k-m))进行直线拟合得到雷达速度变比一阶拟合直线，取雷达速度变比一阶拟合直线上点(k，p
w*
(k))上的值p
w*
(k)为当前雷达速度变比系数pw(k)。pw(k-1)、pw(k-2)、......、pw(k-m)依次为机车速度测量调整模块前m次迭代计算过程中整定计算得到的m个雷达速度变比系数。令雷达速度调整系数pw等于pw(k)，雷达同步调整速度w
*
(k)按照式
[0038][0039]
进行计算；当前轴1至轴n的轮/车速度调整系数pj(k)按照式
[0040][0041]
进行整定。
[0042]
按照式
[0043][0044]
计算轴1至轴n的的轮/车速度比系数uj(k)。前述pj(k)，或者是i等于0时的pj(k-i)，为当前的轴j的轮/车速度调整系数；i等于1至m-1时的pj(k-i)，分别为机车速度测量调整模块前m-1次迭代计算时得到的轴j的轮/车速度调整系数；μv(k-i)为与pj(k-i)相对应的变比加权系数。变比加权系数满足式
[0045]
的关系；各变比加权系数取值时满足i越小则旋转速度加权系数越大的关系。m为大于等于3的整数。
[0046]
当前机车速度vc(h)按照式
[0047][0048]
进行计算，计算周期和采样周期tv相同。取机车车速v为当前机车速度vc(h)。
[0049]
按照式
[0050][0051]
计算轴j的当前蠕滑度x
j3
，计算周期和采样周期tu相同。
[0052]
轴j的蠕滑度变化率x
j2
按照式
[0053][0054]
进行计算，计算周期和采样周期tu相同。
[0055]
轴j的轴间速度差x
j1
按照
[0056]
x
j1
＝vj(h)-v0(h)
[0057]
进行计算，计算周期和采样周期tv相同。v0(h)为轴1至轴n的机车车轮旋转速度v1(h)至vn(h)中的最小值。
[0058]
车载卫星定位系统速度u(k)采样时刻之前的第τ个机车车轮旋转速度采集时刻为
u(k)同步采集时间点，τ是延滞间隔周期数，在该点采集的轴j的机车车轮旋转速度为vj(k)。同样地，车载卫星定位系统速度u(k)采样时刻之前的第τ个机车雷达速度采集时刻为u(k)同步采集时间点，机车雷达速度w(k)和机车车轮旋转速度v(k)的同步采集时间点一致。延滞间隔周期数τ是将车载卫星定位系统速度获得时刻滞后于机车车轮旋转速度和机车雷达速度的获得时刻的时间滞后值转换成为的采集周期tv倍数值。当车载卫星定位系统速度u(k)无效时，其采样时刻仍然存在，即u(k)同步采集时间点仍然存在。当满足
[0059]
的关系且最近连续的m1次判断车载卫星定位系统速度均为有效时，进行延滞间隔周期数τ的计算，m1≥10；ε为大于0的加速度变化阈值，具体来说，ε的数值可以在至的数值范围内选择，为机车的启动平均加速度。上式中，β(k)即为i等于0时的β(k-i)，为计算的最近一次机车加速度变化率；i分别等于1，2，......，m
1-1时的β(k-i)为最近的m
1-1次机车加速度变化率。
[0060]
机车加速度变化率按照式
[0061][0062]
进行计算；其中，α(k)为最近一次采集的机车加速度，α(k-1)为前一次采集的机车加速度。
[0063]
机车加速度由加速度计测量采集。或者是，机车加速度按照式
[0064][0065]
进行计算；其中，u(k-1)为采集u(k)的前一次采集的车载卫星定位系统速度。
[0066]
计算延滞间隔周期数τ的方法是，设待优化的参数为延滞间隔周期数为τ
*
和雷达速度比例系数p
w*
。延滞间隔周期数为τ
*
时，与u(k-i)相对应的同步采集时间点采集的机车车轮旋转速度为v
j*
(k-i)，与u(k-i)相对应的同步采集时间点采集的机车雷达速度为w
*
(k-i)，即与u(k)相对应的同步采集时间点采集的机车车轮旋转速度、机车雷达速度分别为v
j*
(k)、w
*
(k-i)，与u(k-1)相对应的同步采集时间点采集的机车车轮旋转速度、机车雷达速度分别为v
j*
(k-1)、w
*
(k-1)，与u(k-2)相对应的同步采集时间点采集的机车车轮旋转速度、机车雷达速度分别为v
j*
(k-2)、w
*
(k-2)，以此类推。最小值优化目标函数是
[0067][0068]
取满足最优值(即q为最小值)q的延滞间隔周期数τ
*
为延滞间隔周期数τ；τ
*
的取值范围是大于0且小于2/tv的整数，p
w*
取值范围是大于等于0.8且小于等于1.2。
[0069]
所述机车速度测量调整模块中，对采样得到的机车车轮旋转速度滤波后得到采集的机车车轮旋转速度；对采样得到的机车雷达速度滤波后得到采集的机车雷达速度；对采样得到的车载卫星定位系统速度滤波后得到采集的车载卫星定位系统速度。在采集第一次车载卫星定位系统速度之前，令
[0070][0071]
其中，i＝1，2，
……
，m-1；j＝1，2，......，n。
[0072]
本发明的有益效果是：影响粘着系数的主要因素除机车车速外，还包括钢轨表面状态及周围环境状况。遇到下雨会影响粘着系数，但如果是大雨(包括超过大雨的暴雨等)能够清洁轨面，其对粘着系数的影响比下小雨时要小。没有下雨时，轨面干湿度越潮湿，对粘着系数的影响越大。粘着系数控制参数调整模型依据输入的实时雨量和轨面干湿度，考虑其综合影响，采用给定方法直接计算得到粘着系数控制参数，再由粘着系数控制参数去整定反映机车车速影响的粘着系数经验计算模型参数，使系统能够依据实时雨量和轨面干湿度等机车实际运行时的路况数据对粘着系数进行适应性调整，且在粘着系数控制参数调整模型的共同参与调整的情况下，系统可以在以大量实验数据为基础所得到的计算粘着系数经验公式基础上，兼顾机车的实际运行路段与变化的运行路况，使机车的最大牵引力限制能够随路段路况的变化实时改变，尽量在不发生轮对空转的情况下进行机车牵引。当粘着条件变差，即使进行上限限幅的情况下，轮轴的机车牵引力(轮周切线力)仍然大于轮轨粘着力，不能避免轮对发生空转时，为尽快恢复机车的正常牵引，本发明采用非线性数学模型计算空转风险值，将传统轮对空转的多个单项阈值判断条件与单项阈值条件均不满足的情况下的加权判断条件综合为一个整体，简化了判断依据，也在单项阈值条件均不满足的情况下，将多个因素量化后进行加权计算，实现多因素的综合判断，使空转判断更为全面准确。非线性数学模型的选取，能够尽量避免单项阈值条件均不满足的情况下加权判断条件的误判可能性。同时，加权判断条件的作用大小可以通过参数来进行设置与调节，各加权项的相对作用大小也可以通过参数来进行设置与调节，使该非线性数学模型归一化的机车轮对空转判断方法能够适用于不同的机车类型与运行状况。
附图说明
[0073]
图1为电力机车粘着控制系统结构示意图；
[0074]
图2为计算调整粘着系数控制参数大小的方法流程图；
[0075]
图3为机车轮对发生空转时，空转牵引力控制模块的轴1空转牵引力控制示意图；
[0076]
图4为轴1速差减载因子e1与x
11
/θ1的关系示意图；
[0077]
图5为机车速度测量调整模块结构示意图；
[0078]
图6为机车速度调整方法流程图；
[0079]
图7为雷达速度变比系数一阶拟合直线实施例示意图；
[0080]
图8为轮/车速度比系数一阶拟合直线实施例示意图；
[0081]
图9为计算延滞间隔周期数的流程图；
[0082]
图10为车载卫星定位系统速度采集延滞、机车加速度、机车加速度变化率示意图；
[0083]
图11为车载卫星定位系统速度的机车车轮旋转速度与机车雷达速度同步采集时间点示意图。
具体实施方式
[0084]
以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0085]
电力机车为能够进行n轴轴控式牵引的电力机车。图1为实现电力机车粘着控制方法的电力机车粘着控制系统结构示意图，包括粘着系数控制参数调整模型10、牵引力限定自整定模块11、空转牵引力控制模块12、机车速度测量调整模块13和雨量及轨面监测模块14。粘着系数经验计算模型是
[0086][0087]
式(1)中，v是机车车速，μk是计算粘着系数，a1、a2、a3、a4为计算粘着系数的经验公式参数，国产各轴控型电力机车hxd1c、hxd1d、hxd2、hxd3、ss4等，分别取a1＝0.24、a2＝12、a3＝100、a4＝8。机车车速v的单位是km/h。
[0088]
牵引力限定自整定模块的输入是f
11
至f
n1
，以及机车车速v、粘着系数控制参数ξ；牵引力限定自整定模块的输出是f
12
至f
n2
。牵引力限定自整定模块依据粘着系数控制参数和粘着系数经验计算模型共同对机车牵引力进行上限限幅控制的方法是
[0089][0090]
式(2)中，j为1至n之一；p
jμ
为轴j的计算粘着重量，即轴j的轮荷重，对于确定的机车型号其轴的轮荷重为确定值；ξ为粘着系数控制参数调整模型输出的粘着系数控制参数；f
j1
即f
11
至f
n1
之一，是牵引力限定自整定模块输入的，轴j的机车牵引力，即轴控式牵引系统进行多轴轴间协调后所分配至轴j的机车牵引力；f
j2
即f
12
至f
n2
之一，是牵引力限定自整定模块输出的轴j机车牵引力。p
jμ
和各机车牵引力f
j1
、f
j2
、f
j3
的单位是kn；在需要时，各机车牵引力也可以转换为转矩。轴1至轴n分别按照式(2)进行机车牵引力的上限限幅控制。
[0091]
图1的实施例中，雨量及轨面监测模块包括雨量测量单元和轨面图像采集识别单元。c
11
为雨量测量单元测量并输出的实时雨量，单位是mm/24h，或者是mm/h。雨量最大限值rm的取值范围是48mm/24h～60mm/24h，或者是2mm/h～2.5mm/h，例如取rm为2.2mm/h。雨量阈值c0的取值范围是2.4mm/24h～4.8mm/24h，或者是0.1mm/h～0.2mm/h，是一个可以测量出的较小值，例如，取c0为0.1mm/h。雨量测量单元可以采用红外散射式雨量测量、图像视觉雨量测量、静电时雨量测量等某一种方式进行雨量测量，或者是将其中的2种或2种以上方式结合进行测量，以提高测量精度。当实时雨量大于雨量最大限值rm时，取实时雨量c
11
＝rm。雨量测量单元测量实时雨量并输出为本领域的常规技术。
[0092]
轨面图像采集识别单元采集轨面的实时图像，对采集的实时轨面图像进行识别处理并输出当前的轨面干湿度c
12
，c
12
的范围是0％至100％，或者是0至1。0％，或者是0表示轨面完全干燥，100％，或者是1表示轨面完全潮湿。轨面图像采集识别单元采集实时轨面图像并进行识别处理，输出当前的轨道干湿度为图像处理的常规技术。
[0093]
图2为粘着系数控制参数调整模型依据机车行驶时的实时雨量c
11
和轨面干湿度c
12
来确定轮轨粘着系数控制参数ξ的方法流程图，具体有：
[0094]
第一，依据实时雨量c
11
计算第一粘着系数控制参数值ξ1，
[0095][0096]
第二，依据轨面干湿度c
12
计算第二粘着系数控制参数值ξ2，
[0097]
ξ2＝1+c
12
(b
2-1)(4)
[0098]
第三，根据实时雨量c
11
的大小确定粘着系数控制参数ξ，
[0099][0100]
式(3)和式(4)中，b1是粘着系数控制参数下限阈值，b1取值范围是0.2至0.35，例如，b1取0.3。b2是粘着系数控制参数中间阈值，b2取值范围是0.7至0.85，例如，b2取0.8。雨大时，由实时雨量控制粘着系数控制参数ξ的取值；雨小时，由轨面干湿度控制粘着系数控制参数ξ的取值。
[0101]
依据机车行驶时的实时雨量c
11
和轨面干湿度c
12
来确定轮轨粘着系数控制参数ξ也可以按照式
[0102][0103]
来进行计算。其中，b3是粘着系数雨量控制参数，取值范围是0.25≤b3≤0.4，例如，b3取0.35；b4是粘着系数轨面控制参数，取值范围是0.7≤b4≤0.9，例如，b4取0.8。由实时雨量大小和轨面干湿度同时控制粘着系数控制参数ξ的取值，b3取值小，雨量大小对粘着系数控制参数ξ取值影响大。
[0104]
轴1至轴n的轮轨粘着系数控制参数ξ相同。
[0105]
空转牵引力控制模块，即机车轮对空转牵引力控制装置的输入是轴1至轴n的机车牵引力f
12
至f
n2
，以及c
21
至c
2n
；输出是轴1至轴n的，经过空转判断并进行减载控制后的机车牵引力f
13
至f
n3
。空转牵引力控制模块采用建立的非线性数学模型来计算空转风险值，轴j的空转风险值ej按照式
[0106][0107]
进行计算。式(7)中，x
j1
为轴j的轴间速度差，θ1为轴间速度差阈值；x
j2
为轴j的蠕滑度变化率，θ2为蠕滑度变化率阈值；γ1、γ2为非线性加权指数因子，且γ1≥1、γ2≥1。轴间速度差x
j1
、蠕滑度变化率x
j2
均为非负值。轴j机车轮对的空转判断条件是，当ej≥1时则判断轴j的机车轮对发生了空转。结合式(7)和空转判断条件，分解得到的空转判断逻辑是：有3种情况(或者是满足3个条件之一)可以判断为轴j机车轮对发生了空转，分别是，
①
当轴间速度差x
j1
大于等于阈值θ1时；
②
或者是，当蠕滑度变化率x
j2
大于等于阈值θ2时；
③
或者是，当轴间速度差x
j1
小于阈值θ1且蠕滑度变化率x
j2
小于阈值θ2且空转风险值ej大于等于1时。前面的2个条件
①②
是单项阈值条件，即单项满足x
j1
≥θ1时，或者是单项满足x
j2
≥θ2时，均满足ej大于等于1，即满足空转判断的条件。条件
③
是在单项阈值条件均不满足的情况下的加权判断条件。γ1、γ2两者的值越大，则单项超阈值判断所占因素越大，条件
③
加权判断的作用越小；当γ1、γ2两者均足够大时，空转判断逻辑的主体是单项阈值条件
①②
，条件
③
的作用很小，或者是几乎不起作用；例如γ1、γ2均等于100时，即使是x
j1
/θ1、x
j2
/θ2均等于0.99，空转风险值ej仅有0.555，ej也小于1，无法满足空转判断条件，加权判断几乎不起作用。当γ1、γ2两者均取值越小时，条件
③
加权作用的体现越大，例如，γ1、γ2均为1时，若x
j1
/θ1、x
j2
/θ2均等于0.59，则ej等于1.01，已经满足空转判断条件；γ1、γ2均为1时，若x
j1
/θ1等于0.8，x
j2
/θ2等于0.33，则ej等于1.004，已经满足空转判断条件；γ1、γ2均为2时，若x
j1
/
θ1等于0.8，则x
j2
/θ2等于0.72时，ej等于0.986，不满足空转判断条件；γ1、γ2均为2时，若x
j1
/θ1等于0.8，则x
j2
/θ2需要等于0.73时，ej等于1.002，才满足空转判断条件。非线性加权指数因子γ1、γ2的相对大小用于确定加权项之间相对作用的大小，不影响各单项超阈值的判断条件；γ1、γ2中某一项的值越大，则相应判断项的加权作用越小；反之，γ1、γ2中某一项的值越小，则相应判断项的加权作用越大；例如，γ1小，γ2大，则在条件
③
的空转风险值ej计算中，x
j1
/θ1这1项在加权计算中所起的作用比项x
j2
/θ2大，但单项阈值条件
①②
的作用不变，只要
①②
任何一项达到或者超阈值，仍然满足空转判断条件。
[0108]
轴j的空转风险值ej或者是按照式
[0109][0110]
进行计算。式(8)中，x
j1
为轴间速度差，θ1为轴间速度差阈值；x
j2
为蠕滑度变化率，θ2为蠕滑度变化率阈值；x
j3
为蠕滑度，θ3为蠕滑度阈值；γ1、γ2、γ3为非线性加权指数因子，且γ1≥1、γ2≥1、γ3≥1。轴间速度差x
j1
、蠕滑度变化率x
j2
、蠕滑度x
j3
均为非负值。轴j机车轮对的空转判断条件是，当ej≥1时则判断轴j的机车轮对发生了空转。结合式(8)和空转判断条件，分解得到的空转判断逻辑是：有4种情况(或者是满足4个条件之一)可以判断为轴j机车轮对发生了空转，分别是，
①
当轴间速度差x
j1
大于等于阈值θ1时；
②
或者是，当蠕滑度变化率x
j2
大于等于阈值θ2时；
③
或者是，当蠕滑度x
j3
大于等于阈值θ3时；
④
或者是，当轴间速度差x
j1
小于阈值θ1且蠕滑度变化率x
j2
小于阈值θ2且蠕滑度x
j3
小于阈值θ3且空转风险值ej大于等于1时。前面的3个条件
①②③
是单项阈值条件，即单项满足x
j1
≥θ1时，或者是单项满足x
j2
≥θ2时，或者是单项满足x
j3
≥θ3时，均满足ej大于等于1，即满足空转判断的条件。条件
④
是在单项阈值条件均不满足的情况下的加权判断条件；γ1、γ2、γ3三者的值越大，则单项超阈值判断所占因素越大，加权判断的作用越小；当；γ1、γ2、γ3三者足够大时，空转判断逻辑的主体是单项阈值条件
①②③
，条件
④
的作用很小，或者是几乎不起作用；例如γ1、γ2、γ3均等于100时，即使是x
j1
/θ1、x
j2
/θ2、x
j3
/θ3均等于0.99，空转风险值ej仅有0.833，ej也小于1，无法满足空转判断条件，加权判断几乎不起作用。当γ1、γ2、γ3三者取值较小时，条件
④
加权作用的体现越大，例如，γ1、γ2、γ3均为1时，若x
j1
/θ1、x
j2
/θ2均等于0.59，x
j3
/θ3等于0时ej也等于1.01，可满足空转判断条件；γ1、γ2、γ3均为2时，若x
j1
/θ1等于0.8，x
j2
/θ2等于0，则x
j3
/θ3需要等于0.73时，ej等于1.002，才满足空转判断条件；γ1、γ2、γ3均为2时，若x
j1
/θ1等于0.7，x
j2
/θ2等于0.7，则x
j3
/θ3等于0.54时，ej等于0.996，不满足空转判断条件；γ1、γ2、γ3均为2时，若x
j1
/θ1等于0.7，x
j2
/θ2等于0.7，则x
j3
/θ3等于0.55时，ej等于1.006，才满足空转判断条件。非线性加权指数因子γ1、γ2、γ3之间的相对大小用于确定加权项之间相对作用的大小，不影响各单项超阈值的判断条件；γ1、γ2、γ3中某一项的值越大，则相应判断项的加权作用越小；反之，γ1、γ2、γ3中某一项的值越小，则相应判断项的加权作用越大。例如，γ1小，γ2、γ3大，则在条件
④
的空转风险值ej计算中，x
j1
/θ1这1项在加权计算中所起的作用比项x
j2
/θ2、x
j3
/θ3均大，但单项阈值条件
①②③
的作用不变，只要
①②③
任何一项达到或者超阈值，仍然满足空转判断条件。
[0111]
前述θ1的取值范围是0.05m/s～0.4m/s之间；θ2的取值范围是0.0001/s～0.005/s之间；θ3的取值范围是0.005～0.05之间。轴1至轴n的阈值θ1相同，轴1至轴n的阈值θ2相同，轴1至轴n的阈值θ3相同。x
j1
、x
j2
、x
j3
的单位分别与θ1、θ2、θ3的单位相同。j的取值为1至n之
一，机车的轴1至轴n分别按照式(7)计算空转风险值并单独判断；或者是，轴1至轴n分别按照式(8)计算空转风险值并单独判断。
[0112]
电力机车轮对空转牵引力控制装置判断轴j机车轮对发生空转后，通过减小空转牵引力控制比φj来进行轴j机车牵引力减载，实现空转牵引力控制。图3为机车轮对发生空转时，空转牵引力控制模块的轴1空转牵引力控制示意图，φ1为轴1的空转牵引力控制比，d
1d
为轴1的减载斜率，d
1u
为轴1的恢复斜率。空转牵引力控制比φj为空转牵引力控制模块输出的轴j机车牵引力f
j3
与输入的轴j机车牵引力f
j2
之间的比值，满足
[0113]fj3
＝φj·fj2
0≤φj≤1(9)
[0114]
的关系。图3中的t1之前，空转风险值e1小于1，轴1的机车轮对未发生空转，空转牵引力控制比φ1等于1，空转牵引力控制模块没有对轴1实行空转牵引力控制。j的取值为1至n之一，空转牵引力控制模块中，轴1至轴n分别按照式(9)进行计算，轴j空转牵引力控制过程是：
[0115]
过程i，空转牵引力减小过程；从空转风险值ej大于等于1且持续增大开始，至空转风险值ej从持续增大变为开始减小时结束，轴j空转牵引力控制比φj以轴j的减载斜率d
jd
减小；过程i结束时的φj值为最低维持值φ
jl
。图3例中，过程i从t1时刻开始，至t2时刻结束；空转牵引力控制模块控制φ1以减载斜率d
1d
开始减小，过程i结束时的φ1值为最低维持值φ1l。轴j的最低维持值φ
jl
不小于0。
[0116]
过程ii，空转牵引力最低维持值维持过程；从过程i结束开始，空转风险值ej持续减小至小于1时结束，空转牵引力控制模块控制φj等于最低维持值φ
jl
。图3中，过程ii从t2时刻开始，至t3时刻结束。
[0117]
过程iii，空转牵引力恢复过程；从过程ii结束开始，至φj增大到等于1时结束，空转牵引力控制模块控制φj以恢复斜率d
ju
开始增大。图3中，过程iii从t3时刻开始，至t4时刻结束。
[0118]
当空转风险值ej从小于1增大到大于等于1时，满足从空转风险值ej大于等于1且持续增大的条件。当轴j的φj等于1，且其空转风险值ej持续小于1时，空转牵引力控制模块没有对轴j实行空转牵引力控制。
[0119]
轴j机车牵引力减载的速率由减载斜率d
jd
控制；轴间速度差x
j1
越小时减载斜率d
jd
的值越小，轴间速度差x
j1
越大时减载斜率d
jd
的值越大。具体有，轴j的减载斜率d
jd
的大小由轴j的速差减载因子ej控制，按照式
[0120][0121]
计算速差减载因子ej，其中，γ0为速差减载控制因子，且1≤γ0≤2；轴1至轴n取相同的速差减载控制因子值。图4为γ0等于1时的轴1速差减载因子e1与x
11
/θ1的关系示意图，em为速差减载因子限值，即x
11
/θ1趋向∞时的速差减载因子值，式(7)、式(8)、式(10)中的atan()为反正切函数，故有轴1至轴n的速差减载因子限值em相等。
[0122]
轴j的减载斜率d
jd
按照式
[0123][0124]
进行计算，其中，dh为减载斜率上限值，d
l
为减载斜率下限值，dh和d
l
的值均在0.3/
s至2/s之间选择，且dh≥d
l
，例如，选择dh＝0.9，d
l
＝0.4；当选择dh＝d
l
时，则减载斜率d1＝d
l
，不随速差减载因子ej的变化而变化。轴1至轴n取相同的减载斜率上限值dh和减载斜率下限值d
l
。
[0125]
减载斜率d
jd
的值表示的是控制φj减小的速率。例如，减载斜率d
1d
的下降速率选择为0.5/s时，则1s时间将φ1降低50％，可以是1s时间从100％降低至50％，或者是1s时间φ1从80％降低至30％，等等。恢复斜率d
ju
的上升速率在0.05/s至0.5/s之间选择，例如，恢复斜率d
1u
的上升速率选择为0.2/s时，则1s时间将φ1增加20％，可以是1s时间φ1从40％增加至60％，或者是1s时间从50％增加至70％，等等。建议轴1至轴n取相同的恢复斜率。
[0126]
式(7)中的2项，式(8)中的3项，以及式(10)中，其每一项均包括如
[0127][0128]
所示形式的函数项，其中，ρ分别为x
j1
/θ1、x
j2
/θ2、x
j3
/θ3，该形式函数基本形状如图4所示，在没有超过阈值，即0≤ρ＜1时，随着ρ的增大，曲线斜率增大，即相关值离相应的阈值越近，其值变化对函数项的影响越大，例如，以x
j1
与θ1比较为例，x
j1
离θ1越近，则x
j1
的较小变化，也能够引起e0较大的变化。函数的该特性放大了阈值附近待判断值(即x
j1
、x
j2
、x
j3
)变化的作用，在阈值附近更为灵敏；反过来，当待判断值远离阈值时，降低了灵敏度，以尽量避免单项阈值条件均不满足的情况下加权判断条件的误判可能。式(7)、式(8)中，γ1、γ2、γ3的值越大，则0≤ρ＜1时曲线斜率变化的情况越大，在阈值附近则更为灵敏，远离阈值更不灵敏。
[0129]
式(12)中，ρ≥1时，随着ρ的增大，曲线斜率减小，且ρ趋向∞时e0＝3，即相关值超过相应的阈值越多，其值变化对函数项的影响越小，最终趋向一个极限值。式(10)函数整体来说，在ρ≥0时，x
j1
离θ1越近，x
j1
变化引起ej变化的灵敏度越高；x
j1
离θ1越近，x
j1
变化引起ej变化的灵敏度越低；因此，减载斜率d
jd
也是x
j1
离θ1越近时，x
j1
变化对减载斜率d
jd
的变化影响越大，且ρ趋向∞时ej有极限值，理论上即使x
j1
超越θ1极多，减载斜率d
jd
的减小也为有限值。
[0130]
计算空转风险值的非线性数学模型式(7)、式(8)中均有轴间速度差和蠕滑度变化率项。蠕滑度变化率是蠕滑度变化的速度，其值越大，即蠕滑度增大的速度越快，则发生空转的风险越高。多轴机车发生轮对空转时，通常有先后，某轴的轴间速度差大，则表明该轴已经发生了空转，或者是空转的风险高，轴间速度差的大小直接反映机车轮对发生空转的危险程度，或者是已经空转的程度。式(8)中还有蠕滑度项，蠕滑度是机车轮对速度与机车车速之间的相对差距，其值的大小也反映机车轮对离发生空转还差多少程度，或者是已经空转的程度，但蠕滑度是与机车速度有关的相对值，在低速时的作用比高速时大；轴间速度差是绝对值，在高速时作用更大。计算空转风险值时可以根据需要来选择式(7)，或者是式(8)；选择式(8)时，因为轴间速度差、蠕滑度的作用有趋同性，确定γ1、γ3大小时应该予以考虑。
[0131]
计算空转风险值的非线性数学模型，即式(7)，或者是式(8)，以及相应的空转判断条件，将传统的多个轮对空转单项阈值判断条件与单项阈值条件均不满足的情况下的加权判断条件综合为一个整体，简化了判断依据，也在单项阈值条件均不满足的情况下，将多个因素量化后进行加权计算，实现多因素的综合判断，使空转判断更为全面准确。非线性数学
模型的选取，能够尽量避免单项阈值条件均不满足的情况下加权判断条件的误判可能性。同时，加权判断条件的作用大小可以通过参数来进行设置与调节，各加权项的相对作用大小也可以通过参数来进行设置与调节，使该非线性数学模型归一化的机车轮对空转判断方法能够适用于不同的机车类型与运行状况。
[0132]
目前国内常用的组合校正法中，无论空转程度如何，力矩的卸载策略都固定不变，没有考虑卸载过程中的轮轨粘着状态；一是卸载深度不够，空转未得到完全抑制；二是卸载深度过大，造成机车牵引力损失；三是只有当加速度或者蠕滑率小于设定的阈值时才会停止卸载，容易导致卸载深度过大的后果。本发明的空转牵引力控制模块依据实现多因素的综合判断的空转风险值来进行空转牵引力控制，机车牵引力减载程度与减载过程均由反映轮轨粘着状态的空转风险值来控制，能够尽量避免卸载深度不够，空转未得到完全抑制，或者是卸载深度过大，造成机车牵引力损失的情况；在空转风险值由增大变化为减小时即停止卸载，可以较好地避免卸载深度过大的后果。空转风险值的非线性特性，能够使风险偏大的判断项起到相对更明显的控制作用。当判断某轴轮对发生空转后，该轴牵引力减载的速率由本轴的轴间速度差大小进行非线性控制，当该轴的轴间速度差大时，减载速率大，能够使先于其他轴发生空转的轴轮对快于其他轴进行减载；轴间速度差非线性控制牵引力减载速率，使在轴间速度差阈值附近的控制灵敏度高，能够提高空转较严重轴轮对的控制效果，从而提高整体空转控制效果。依据轴间速度差控制牵引力减载速率的非线性影响因素大小能够通过设置的参数进行改变，以适应不同场合，达到最佳效果。
[0133]
图5为实现机车速度调整方法的机车速度测量调整模块结构，或者说是机车速度测量调整装置结构示意图。机车车轮旋转速度采集单元101周期性地采集机车车轮旋转速度vj(h)，即轴1至轴n的机车车轮旋转速度v1(h)至vn(h)，采集周期时间为tv；机车车轮旋转速度采集单元101输出采集的轴1至轴n的机车车轮旋转速度vj(h)，即v1(h)至vn(h)(含v1(k)至vn(k))至速度调整计算单元104，n为机车的轴数，例如，8轴机车，则n等于8；6轴机车，则n等于6。机车雷达速度采集单元103周期性地采集机车雷达速度w(h)，采集周期时间为tv；机车雷达速度采集单元103输出采集的机车雷达速度w(h)(含w(k))至速度调整计算单元104；车载卫星定位系统速度采集单元102周期性地采集并输出的车载卫星定位系统速度u(k)、定位状态信息x(k)至速度调整计算单元104；速度调整计算单元104依据输入信息对轮/车速度比调整模型参数和机车雷达速度调整模型参数进行整定推算，并输出机车车速、蠕滑度、蠕滑度变化率、轴间速度差。具体来说，速度调整计算单元104中的组合开关sw1由端子5输入的定位状态信息x(k)控制；当依据x(k)判断为车载卫星定位系统速度有效时，控制组合开关sw1的端子1与端子2、端子3连接，由车载卫星定位系统速度u(k)去整定轮/车速度比调整模型和机车雷达速度调整模型的参数；端子4悬空，机车雷达速度调整模型输出的雷达同步调整速度w
*
(k)此时未使用，即w
*
(k)此时不起作用。当依据x(k)判断为车载卫星定位系统速度无效时，控制sw1的端子4与端子2连接，机车雷达速度调整模型按照给定方法递推机车雷达速度调整模型的参数，机车雷达速度调整模型对机车雷达速度值w(h)中同步采集时间点的机车雷达速度值w(k)进行调整得到雷达同步调整速度w
*
(k)，由雷达同步调整速度w
*
(k)去整定轮/车速度比调整模型的参数；端子1、端子3悬空，即此时车载卫星定位系统速度u(k)未使用(或者是无效)，机车雷达速度调整模型的参数不由外部信号进行整定。轮/车速度比调整模型依据输入的机车车轮旋转速度v1(h)至vn(h)、机车雷达速度w(k)进行
调整计算，输出送至牵引力限定自整定模块的机车车速v和送至空转牵引力控制模块的机车速度相关量c
2j
，即c
21
至c
2n
；其中当空转风险值按照式(7)进行计算时，机车速度相关量c
2j
包括轴间速度差x
j1
、蠕滑度变化率x
j2
；当空转风险值按照式(8)进行计算时，机车速度相关量c
2j
包括轴间速度差x
j1
、蠕滑度变化率x
j2
、蠕滑度x
j3
；轴间速度差x
j1
包括x
11
至x
n1
，蠕滑度变化率x
j2
包括x
12
至x
n2
，蠕滑度x
j3
包括x
13
至x
n3
。图5中的组合开关sw1是一个示意开关，其含义是依据x(k)来控制信号流的走向，在数字控制中通常采用程序分支的方法来实现。
[0134]
机车速度测量调整装置实施例中，机车车轮旋转速度采集单元的采集周期tv为32ms，车载卫星定位系统速度采集单元的采集周期tu为1s，m等于4。在输出机车车轮旋转速度v1(h)至vn(h)和机车雷达速度w(h)时，相应的速度采集单元在速度采样和数据处理环节已经根据具体情况进行了相应的滤波处理；例如，机车车轮旋转速度若采用脉冲转速传感器(编码器)进行采样，则相应滤除脉冲边沿的抖动干扰和脉冲传输过程中的高频干扰；若机车车轮旋转速度、机车雷达速度直接输出模拟量或者数字量，可以则单独或者结合采用低通滤波、平滑滤波、卡尔曼滤波，以及其他滤波手段，滤除高频干扰、随机干扰、白噪声干扰等。车载卫星定位系统速度采集单元中包括全球导航卫星系统gnss中的一个或者多个接收终端，例如，gps系统接收终端、北斗卫星导航系统接收终端、伽利略卫星导航系统接收终端、glonass系统接收终端中的一个或者是多个，还包括相应的接收处理模块；接收处理模块接收一个或者是多个接收终端的正在使用解算位置的卫星数量、地面速率(车载卫星定位系统速度)、定位状态是否有效等信息；或者还包括接收一个或者是多个接收终端的经度、纬度、utc时间、海拔高度等信息，并据此推算车载卫星定位系统速度。机车车轮旋转速度采集单元、机车雷达速度采集单元和车载卫星定位系统速度采集单元中所采取的技术手段为本领域的常规技术手段。
[0135]
图6为机车速度测量调整模块整定推算轮/车速度比调整模型参数、机车雷达速度调整模型参数并计算轮/车速度比系数、各机车速度相关量的机车速度调整方法的流程图，其迭代计算的周期与车载卫星定位系统速度采集单元的采集周期相同，每一次迭代计算时的具体步骤是：
[0136]
步骤1，读取第k次迭代计算时(相当于ktu采样时刻)的车载卫星定位系统数据，包括车载卫星定位系统速度u(k)、定位状态信息x(k)；
[0137]
步骤2，读取车载卫星定位系统速度u(k)同步采集时间点采集的轴1至轴n的机车车轮旋转速度vj(k)和机车雷达速度w(k)，vj(k)即轴1至轴n的机车车轮旋转速度v1(k)至vn(k)；
[0138]
步骤3，判断车载卫星定位系统速度是否有效；判断为车载卫星定位系统速度有效时，转到步骤4；判断为车载卫星定位系统速度无效时，转到步骤5；
[0139]
步骤4，根据u(k)整定轮/车速度比调整模型参数和机车雷达速度调整模型参数，即按照式
[0140][0141]
整定当前雷达速度变比系数pw(k)和当前轴1至轴n的轮/车速度调整系数pj(k)；令
雷达速度调整系数pw等于pw(k)，转到步骤6；
[0142]
步骤5，推算调整机车雷达速度模型参数，即对m个点(k-1，pw(k-1))、(k-2，pw(k-2、
…
、k-m,pwk-m进行直线拟合得到雷达速度变比一阶拟合直线，取雷达速度变比一阶拟合直线上点(k，p
w*
(k))上的值p
w*
(k)为当前雷达速度变比系数pw(k)。令雷达速度调整系数pw等于pw(k)，按照式
[0143][0144]
计算雷达同步调整速度w
*
(k)；根据w
*
(k)整定轮/车速度比调整模型参数，即按照式
[0145][0146]
整定当前轴1至轴n的轮/车速度调整系数pj(k)；转到步骤6；
[0147]
步骤6，计算调整轮/车速度比系数uj(k)，计算各机车速度相关量。计算调整轮/车速度比系数uj(k)共有2个实施例；计算轮/车速度比系数uj(k)的实施例1，按照式
[0148][0149]
计算当前轴1至轴n的轮/车速度比系数uj(k)。计算调整轮/车速度比系数uj(k)实施例2，对轴j的m个点(k，pj(k))、(k-1，pj(k-1))、
…
、(k-m+1，pj(k-m+1)）进行直线拟合得到轴j轮/车速度比系数一阶拟合直线，取轴j轮/车速度调整系数一阶拟合直线上点(k，uj(k))的值uj(k)为轴j的轮/车速度比系数uj(k)；轴1至轴n分别拟合完成。
[0150]
实施例m等于4，图7为雷达速度变比系数一阶拟合直线实施例示意图。图7中，从左至右的4个“+”点分别为点(k-4，pw(k-4))、(k-3，pw(k-3))、(k-2，pw(k-2))、(k-1，pw(k-1，雷达速度变比系数一阶拟合直线上的点“o”为点k,pw*k。图8为j等于1时，轴1的轮/车速度比系数一阶拟合直线实施例示意图。图8中，从左至右的4个“+”点分别为点(k-3，p1(k-3))、(k-2，p1(k-2))、(k-1，p1(k-1))、(k，p1(k))，轮/车速度比系数一阶拟合直线上的点“o”为点(k，u1(k))。图7、图8为示意图，4个“+”点的系数值不是实际数据，为展示清楚，误差特意标识较大，且一阶拟合直线的斜率也特意标识较大。
[0151]
定位状态信息x(k)中包括有定位状态是有效定位，还是无效定位的信息，以及正在使用解算位置的卫星数量信息。机车速度调整方法的步骤3中，判断车载卫星定位系统速度是否有效的方法是，当定位状态信息x(k)中的定位状态为有效定位时，车载卫星定位系统速度为有效，否则，车载卫星定位系统速度为无效。判断车载卫星定位系统速度是否有效的方法或者是，当定位状态信息x(k)和x(k-1)中的定位状态均为有效定位时，车载卫星定位系统速度为有效，否则，车载卫星定位系统速度为无效。判断车载卫星定位系统速度是否有效的方法或者是，当定位状态信息x(k)中的定位状态为有效定位，且定位状态信息x(k)中正在使用解算位置的卫星数量大于等于δ个时，车载卫星定位系统速度为有效，否则，车载卫星定位系统速度为无效。判断车载卫星定位系统速度是否有效的方法或者是，当定位状态信息x(k)和x(k-1)中的定位状态均为有效定位，且定位状态信息x(k)和x(k-1)中的正在使用解算位置的卫星数量均大于等于δ个时，车载卫星定位系统速度为有效，否则，车载
卫星定位系统速度为无效。x(k-1)是前一次迭代计算时，即k-1时刻的读取的车载卫星定位系统数据。实施例中，车载卫星定位系统速度采集单元中包括的是gps系统接收终端和相应的接收处理模块。当判断车载卫星定位系统速度是否有效的方法采用前述4种方法中的后面2种，需要定位状态信息x(k)中正在使用解算位置的卫星数量时，要求δ取值大于等于4，优选值为5。
[0152]
步骤4-6中的pj(k)，或者是i等于0时的pj(k-i)，为当前的轴j的轮/车速度调整系数，例如，p1(k)为轴1的当前的轮/车速度调整系数。i分别等于1、2、
…
、m-1时的pj(k-1)、pj(k-2)、
…
、pj(k-m+1)，分别为前m-1次迭代计算时得到的轴j的轮/车速度调整系数。步骤4-5中的pw(k)，或者是i等于0时的pw(k-i)，为当前的雷达速度变比系数。i分别等于1、2、
…
、4时的pw(k-1)、pw(k-2)、
…
、pw(k-m)，分别为前m次迭代计算时得到的雷达速度变比系数。步骤6中，uj(k)为轴j的轮/车速度比系数，例如，u2(k)为轴2的轮/车速度比系数。
[0153]
步骤6计算轮/车速度比系数uv(k)的实施例1中，μv(k)、μv(k-1)、
…
、μv(k-m+1)为与pj(k)、pj(k-1)、
…
、pj(k-m+1)相对应的变比加权系数，满足式
[0154][0155]
的关系。从大到小分别对μv(k)、μv(k-1)、
…
、μv(k-m+1)进行取值，例如，m等于4，μv(k)、μv(k-1)、μv(k-2)、μv(k-2)分别等于0.4、0.3、0.2、0.1，或者是分别等于0.55、0.27、0.13、0.05，等等。j的不同取值，不影响变比加权系数的大小。
[0156]
步骤6中，各机车速度相关量包括机车车速v，轴1至轴n的蠕滑度x
j3
、蠕滑度变化率x
j2
、轴间速度差x
j1
。当前机车速度vc(h)按照式
[0157][0158]
进行计算，计算周期和采样周期tv相同。vj(h)、vj(k)、w(h)、w(k)、u(k)、w
*
(k)、vc(h)的单位是m/s；tv、tu的单位是s。取机车车速v为当前机车速度vc(h)，机车车速v的单位是km/h，将单位m/s转换为km/h后，机车车速v的值等于vc(h)值的3.6倍。
[0159]
uj(k)反映的是轴j的机车轮对速度与机车车速之间的比值，故轴j的蠕滑度x
j3
可以按照式
[0160][0161]
进行计算，计算周期和采样周期tu相同。或者是，按照式
[0162][0163]
计算轴j的当前蠕滑度x
j3
(h)，计算周期和采样周期tv相同，取蠕滑度x
j3
等于当前蠕滑度x
j3
(h)。
[0164]
轴j的蠕滑度变化率x
j2
按照式
[0165][0166]
进行计算，计算周期和采样周期tu相同。uj(k-1)为前一次按照机车速度调整方法迭代计算所得到的轴j的轮/车速度比系数。或者是，按照式
[0167][0168]
计算轴j的当前蠕滑度变化率x
j2
，计算周期和采样周期tv相同。x
j3
(h-1)为前一次以采样周期tv计算取蠕滑度时得到的轴j的当前蠕滑度。
[0169]
速度调整计算单元中轮/车速度比调整模型接收到轴1至轴n的机车车轮旋转速度v1(h)至vn(h)后，对vj(h的n个值进行比较，即对v1(h)至vn(h)的n个值进行比较，取其中的最小值为机车车轮旋转速度最小值v0(h)，轴j的轴间速度差x
j1
按照
[0170]
x
j1
＝vj(h)-v0(h)(23)
[0171]
进行计算，计算周期和采样周期tv相同。由定义可知，机车车轮旋转速度最小值v0(h)所在轴的轴间速度差等于0。
[0172]
采用式(19)计算蠕滑度x
j3
时，建议同时使用式(21)计算蠕滑度变化率x
j2
；采用式(20)计算蠕滑度x
j3
时，建议同时使用式(22)计算蠕滑度变化率x
j2
。机车速度调整方法各步骤中j的取值为1至n，例如，vj(k)为机车车轮旋转速度v1(k)至vn(k)；轴1至轴n的轮/车速度调整系数pj(k)、轮/车速度比系数uj(k)，以及x
j1
、x
j2
、x
j3
均分别进行计算(整定)或拟合。
[0173]
图9为机车速度测量调整装置实施例计算延滞间隔周期数方法的流程图，其计算的周期与车载卫星定位系统速度采集单元的采集周期相同，可以在机车速度调整方法迭代计算之前或者是之后进行计算，具体方法是：
[0174]
步骤
①
，获取当前时刻，即k时刻(即ktu采样时刻)的机车加速度变化率β(k)；
[0175]
步骤
②
，判断是否满足计算延滞间隔周期数的条件，满足式
[0176]
的关系且最近连续的m1次判断车载卫星定位系统速度均为有效时转到步骤
③
，否则退出；m1大于等于10。加速度变化阈值ε根据机车的加速能力，可以结合实验进行选择。ε的数值可以在至的数值范围内选择，为机车启动平均加速度。实施例中，tu为1s，m1等于20，机车的0-200m平均加速度通常可以达到0.4m/s2，则此时ε的数值可以在0.4至2.4的范围内选择，例如，可以取ε为1.2。式(22)中，i等于0时的β(k-i)，为当前时刻的机车加速度变化率β(k)；i等于1时的β(k-i)，为前面一次计算延滞间隔周期数(即迭代计算轮/车速度比系数)时获取的机车加速度变化率；以此类推，i等于1至m
1-1时的β(k-i)，分别为前m
1-1次计算延滞间隔周期数时获取的机车加速度变化率。最近连续的m1次判断车载卫星定位系统速度均为有效，指的是按照图6机车速度调整方法迭代计算中，最近连续的m1次迭代计算，步骤3均判断为车载卫星定位系统速度有效。
[0177]
步骤
③
，获取延滞间隔周期数τ，方法是，设待优化的参数为延滞间隔周期数为τ
*
和雷达速度比例系数p
w*
；τ
*
的取值在使延滞间隔时间不大于2s的范围内选择，即大于0，小于2/tv的整数；实施例中，tv等于32ms，即0.032s；2/tv等于62.5，故τ
*
的取值范围是大于0，小于等于62。p
w*
的取值范围是大于等于0.8且小于等于1.2，待优化的参数p
w*
只用在该优化过程中。延滞间隔周期数为τ
*
时，与u(k-i)相对应的同步采集时间点采集的机车雷达速度为w
*
(k-i)，同步采集时间点采集的各轴的机车车轮旋转速度vj(k-i)，最小值优化目标函数是
[0178][0179]
优化可以采用遗传算法，粒子群算法，等等各种优化算法，取满足最优值(最小值)q的延滞间隔周期数τ
*
为延滞间隔周期数τ。
[0180]
步骤
①
中，获取ktu采样时刻机车加速度变化率β(k)的方法是，按照式
[0181][0182]
进行计算，其中，α(k)为当前采集的机车加速度，α(k-1)为上一次采集的机车加速度。实施例中，当前采集的机车加速度α(k)按照式
[0183][0184]
进行计算，其中，u(k)为当前采集的车载卫星定位系统速度，u(k-1)为上一次采集的车载卫星定位系统速度。机车加速度α(k)也可以采用加速度计进行测量采集。α(k)的单位是m/s2；β(k)的单位是m/s3。
[0185]
图10为车载卫星定位系统速度采集延滞、机车加速度、机车加速度变化率示意图，其中，v1(t)为将v1(h)连续化后的轴1的机车车轮旋转速度，w(t)为将w(h)连续化后的机车雷达速度，u(t)为将u(k)连续化后的车载卫星定位系统速度；t
τ
为车载卫星定位系统速度采集时刻滞后于机车车轮旋转速度采集时刻的滞后时间；点k-7至k为车载卫星定位系统速度的各采样时刻(k-7)tu至ktu；α(k)、β(j)分别为机车加速度、机车加速度变化率。
[0186]
图11为车载卫星定位系统速度的机车雷达速度同步采集时间点示意图，其中，u(k)所在的采样时刻(即ktu)为机车速度测量调整装置实现机车速度调整方法进行迭代计算的当前时刻，w(h-τ)、w(h-τ+1)、......、w(h-3)、w(h-2)、w(h-1)、w(h)等所在的采样时刻为机车雷达速度的各采样时刻，例如，w(h)所在的时刻为其采样时刻htv。因受电离层延迟等影响，针对同一时刻机车速度(含车载卫星定位系统速度和机车雷达速度)、各轴机车车轮旋转速度的采集，车载卫星定位系统速度获得时刻滞后于机车车轮旋转速度及机车雷达速度的获得时刻，时间滞后值为t
τ
；延滞间隔周期数τ为相对于机车车轮旋转速度采集周期tv的周期数，即延滞间隔周期数τ是将车载卫星定位系统速度获得时刻滞后于机车车轮旋转速度和机车雷达速度的获得时刻的时间滞后值转换成为的采集周期tv倍数值。图11中，w(h-τ)所在的采样时刻(h-τ)tv为定义的车载卫星定位系统速度u(k)同步采集时间点，该点采集的机车雷达速度w(h-τ)为w(k)；具体来说，车载卫星定位系统速度u(k)采样时刻之前的第τ个机车雷达速度采集时刻，也就是机车车轮旋转速度采集时刻为u(k)同步采集时间点。机车雷达速度的采集与机车车轮旋转速度的采集周期与时刻均相同，且两者之间的相
互延迟可以忽略不计，因此，机车雷达速度w(h-τ)、w(h-τ+1)、......、w(h-3)、w(h-2)、w(h-1)、w(h)的采样时刻分别与各轴的机车车轮旋转速度vj(h-τ)、vj(h-τ+1)、......、vj(h-3)、vj(h-2)、vj(h-1)、vj(h)的采样时刻相同，vj(h-τ)所在的采样时刻(h-τ)tv同样为w(h-τ)的采样时刻，该点采集的机车车轮旋转速度vj(h-τ)为vj(k)。
[0187]
同样地，以图11为例，在进行延滞间隔周期数τ的优化计算时，若τ
*
等于1，则w(h-1)所在的采样点为其相对应的同步采集时间点，其v
j*
(k)等于vj(h-1)，w
*
(k)等于w(h-1)；若τ
*
等于2，则vj(h-2)所在的采样点为其相对应的同步采集时间点，其v
j*
(k)等于vj(h-2)，w
*
(k)等于w(h-2)；依此类推。要注意的是，例如τ
*
等于1，v
j*
(k)等于vj(h-1)，而v
j*
(k-1)并不是vj(h-2)；实施例中，车载卫星定位系统速度采样一次，机车车轮旋转速度平均采样31.25次，因此，若τ
*
等于1，v
j*
(k)等于vj(h-1)，则v
j*
(k-1)可能是vj(h-32)，或者是vj(h-33)。
[0188]
由于蠕滑，特别是轮对空转的存在，机车轮对速度与实际的机车车速之间并不一致，且在判断是否发生轮对空转，计算蠕滑率、蠕滑度等数据的时候，需要分别单独测量机车轮对速度与机车车速，不能使用机车轮对速度来代替机车车速。机车车速常用雷达测速、卫星定位测速方法。卫星定位测速是通过卫星定位实时跟踪机车的运行速度与位置等信息，再通过卫星传输给机车控制端进行处理，最终得到机车车速；卫星定位测速可以克服机车轮对空转、打滑所造成的误差，但卫星定位能力受天气与地形影响大，不能100％时段实现速度测量；存在数据传输延迟且因距离、电离层情况的变化使传输延迟时间不固定，影响速度测量的实时性。雷达测速装置一般安装在机车车底，雷达天线以与地面成一定夹角的方向发射雷达波，当机车与地面有相对运动时，接收到的雷达波会产生频移，依据对雷达波长、频移量、夹角雷达安装高度等数据进行解算，即可得到机车车速；但夹角雷达安装高度等数据可能产生时移波动，且机车路面情况并不一致，雷达安装高度也可能随路面情况发生变化，从而给雷达测速的精度带来影响。前述实现机车速度调整方法的机车速度测量调整装置中，在卫星定位测速有效时，由卫星定位测速数据整定推算轮/车速度比调整模型参数、机车雷达速度调整模型参数；在卫星定位测速无效时，由之前被整定得到的机车雷达速度调整模型参数依据给定表达式，或者是采用一阶拟合直线的方法推算新的机车雷达速度调整模型参数，由调整后的雷达速度调整模型参数去整定推算轮/车速度比调整模型参数，然后依据轮/车速度比调整模型推算得到机车车速和各轴蠕滑度变化率、蠕滑度、轴间速度差等各机车速度相关量。该方法结合了卫星定位测速精度高，雷达测速实时性好且能够长时段正常工作的优点，提高了测量各机车速度相关量的准确性与可靠性。机车速度调整方法还采用判断机车是否处于变速运动状态，若处于变速运动状态，则采集机车机车变速运动后的雷达测速、卫星定位测速、机车轮对测速得到的信息进行卫星定位数据传输时间，即延滞间隔周期数的优化计算，以得到准确的实时卫星定位数据传输延迟时间(即延滞间隔周期数)，进一步保证了前述机车速度调整方法推算相关速度数据的准确性与可靠性。

技术特征：
1.一种电力机车粘着控制方法，其特征在于，对实时雨量和轨面干湿度进行综合判断与计算，得到粘着系数控制参数，由粘着系数控制参数和粘着系数经验计算模型共同对机车牵引力进行上限限幅控制；依据轴间速度差、蠕滑度变化率和蠕滑度判断机车轮对是否发生空转，并依照空转判断结果决定是否对上限限幅后的机车牵引力进行减载控制；所述粘着系数经验计算模型是其中，v是机车车速，μ
k
是模型输出的计算粘着系数，a1、a2、a3、a4、a5为计算粘着系数的经验公式参数；所述由粘着系数控制参数和粘着系数经验计算模型共同对机车牵引力进行上限限幅控制的方法是其中，ξ是粘着系数控制参数，p
jμ
为轴j计算粘着重量，ξ
·
μ
k
·
p
jμ
是轴j最大牵引力限定值，f
j1
是上限限幅控制前的轴j机车牵引力，f
j2
是上限限幅控制后的轴j机车牵引力；粘着系数控制参数ξ的计算方法是，其中，c
11
为实时雨量，r
m
为雨量最大限值，c
11
的测量输出范围是0至r
m
；c
12
为轨面干湿度，其测量输出范围是0至1；c0为雨量阈值；b3是粘着系数雨量控制参数，取值范围是0.25≤b3≤0.4；b4是粘着系数轨面控制参数，取值范围是0.7≤b4≤0.9。2.如权利要求1所述的电力机车粘着控制方法，其特征在于，所述依据轴间速度差、蠕滑度变化率和蠕滑度判断机车轮对是否发生空转的方法是，当轴j的空转风险值e
j
大于等于1时，则轴j机车轮对发生空转；空转风险值e
j
按照式进行计算，其中，x
j1
为轴间速度差，θ1为轴间速度差阈值；x
j2
为蠕滑度变化率，θ2为蠕滑度变化率阈值；x
j3
为蠕滑度，θ3为蠕滑度阈值；γ1、γ2、γ3为非线性加权指数因子，且γ1≥1、γ2≥1、γ3≥1。3.如权利要求2所述的电力机车粘着控制方法，其特征在于，通过减小空转牵引力控制比φ
j
来进行轴j机车牵引力减载，实现空转牵引力控制；空转牵引力控制比φ
j
为空转牵引力控制后的轴j机车牵引力与空转牵引力控制前的轴j机车牵引力之间的比值，且有0≤φ
j
≤1；通过减小空转牵引力控制比φ
j
来进行轴j机车牵引力减载的方法是，轴j机车牵引力减载的速率由减载斜率d
jd
控制；轴间速度差x
j1
越小时减载斜率d
jd
的值越小，轴间速度差x
j1
越大时减载斜率d
jd
的值越大；轴j减载斜率d
jd
的大小由轴j速差减载因子e
j
控制，按照式
计算速差减载因子e
j
，其中，γ0为速差减载控制因子，且1≤γ0≤2；轴j的减载斜率d
jd
按照式进行计算，其中，d
h
为减载斜率上限值，d
l
为减载斜率下限值；e
m
为速差减载因子限值，且有

技术总结
一种电力机车粘着控制方法，依据输入的实时雨量和轨面干湿度，考虑其综合影响，采用给定方法直接计算得到粘着系数控制参数，同时在以大量实验数据为基础所得到的计算粘着系数经验公式基础上，兼顾机车的实际运行路段与变化的运行路况，使机车的最大牵引力限制能够随路段路况的变化实时改变，尽量在不发生轮对空转的情况下进行机车牵引。当不能避免轮对发生空转时，将多个影响轮对空转因素量化后进行加权计算，实现多因素的综合判断，使轮对空转判断更为全面准确。断更为全面准确。断更为全面准确。


技术研发人员：陈刚 邓琪 范振宇 凌云 邓彬 周维龙 汤彩珍
受保护的技术使用者：湖南工业大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/6/28