CRH380A防滑模型搭建及仿真

郑忆陵，梁 轲，苏 超

（南京铁道职业技术学院机车车辆学院1、2 学生 3 工程师 江苏 南京 210031）

1 绪论

动车组运行速度快，所需的制动力大，而轮轨间的黏着系数又随着列车速度的提高而降低，所以，动车组在实施制动的过程中极易达到黏着的上限。为了有效利用轮轨间的黏着，防止车轮发生滑行，防滑系统是必不可少的。

防滑控制一直是动车组的核心技术，由于车辆滑行具有较大的危险性，因此防滑研究一般都是基于理论计算和分析。本文根据CRH380A 动车组制动系统的特性，基于Matlab/Simulink平台，搭建整个防滑系统的仿真模型。在该模型中可以进行防滑控制逻辑的验证及分析，方便防滑控制方式的深入研究。这样可以极大地降低安全风险和成本风险。

2 防滑系统模型的搭建

根据CRH380A防滑系统的构成，整个仿真模型分为5 个模块，即参考速度计算模型、滑行判定模型、气动模型、车辆模型、轴速度计算模型。仿真模型的基本拓扑如图1所示。

图1 防滑系统仿真模型框图

参考速度模型用于根据车辆各轴速度计算出参考速度，然后将参考速度输出至滑行判定模型；滑行判定模型根据列车参考速度和各轴速度，判定单轴是否发生滑行，并将该判定结果输出至各轴的气动模型；气动模型会根据各轴的滑行情况等参数，计算出该轴制动系统应该输出的BC压力，并将该值反馈给各轴的轴速度计算模型；轴速度计算模型会根据该轴的BC压力计算出该轴减速度，再根据上一时刻该轴的速度，计算出该轴的轴速度，输出至参考速度计算模型。这样整个系统就可以根据预设的轨面条件以及制动级位，实现循环的仿真计算。下面将对单个模型的搭建进行详细的介绍。

2.1 参考速度计算模型 该模型主要用于计算列车的参考速度，输入为4 个轴的速度以及列车的制动级位，输出为列车参考速度。simulate_speed模块用于计算模拟参考速度，采用M语言编写。整个逻辑参照CRH380A 参考速度计算逻辑。参考速度计算模型如图2所示。

图2 参考速度计算模型

2.2 滑行判定模型 该模块用于根据输入的各信息，判定车辆各轴是否产生滑行。输入为4 个轴速度、列车参考速度，输出为1轴到4轴的HV和RV动作指令。该模块为防滑控制的核心模型，其内部结构如图3所示。

图3 滑行判定模型

Slide_judgement 模块用于进行单轴防滑控制，根据参考速度和当前轴速度，控制HV和RV的信号输出，其内部结构如图4所示。

图4中左侧两个模块分别为速度差和减速度判定模式的模型。由于A、B、C点和HV、RV的状态是组合成相互对应的关系，而因为HV、RV可能的组合状态却只有3种，因此设置3个中间变量X、Y、Z，因此，用于代表这3种组合状态，最后输出至HV和RV的状态。

整个控制逻辑同CRH380A保持一致。

图 4 Slide_judgement模块内部结构

2.3 气动模型 气动模型用于实现制动力计算以及空气制动输出的仿真。输入为制动指令、车辆参考速度、HV、RV，输出为BC压力。

2.3.1 气动模型内部计算流程 该模型会根据制动力计算的整个过程，计算出所需的BC 压力，同时还需要判定当前情况下HV和RV的动作情况，如果该轴出现防滑排气，则需要根据排气时间计算排气量，从而得到最终的BC 压力并输出。气动模型内部计算流程见图5。

图5 气动模型内部计算流程

2.3.2 气动模型模块功能 启动模型示意见图6。图6中brake_caculate模块用于进行常规的制动力计算，根据列车参考速度和制动级位计算出此时该轴需施加的BC压力。

pressure_caculate 模块用于根据该轴HV、RV 信号，对BC压力进行相应的修正，得到符合实际的BC压力并输出。

由于排气时间与排气量的关系受各相关因素的影响较大，较为复杂，本模型中按照试验数据测量的单次排气20%的当前压力来进行计算，而在每次排气过程中，气压近似为线性下降。

另外，由于电气指令输出至最终的空气压力输出存在一定的延时，因此在BC压力的输出端设置一个传输延时模块。

图6 气动模型

2.4 车辆模型 车辆模型可以根据单轴的BC 压力，计算出单轴减速度。针对每一个轮对，以BC 压力作为输入，可以计算出本轴的制动力。此时需要注意，理论的制动力计算完成后，需要与黏着极限进行比较，判定单轴是否超黏着，如果超黏着，则判定此轴滑行，此时该轴制动力按照最大黏着制动力来计算，如果未超黏着，则按照该轴计算的制动力来计算。

4 个轴的制动力计算完成后，就可以得到车辆受到的总的制动力以及车辆的减速度。

对于非滑行轴，车辆的减速度就是单轴的减速度，而对于滑行轴，需要根据该轴受到的制动力计算出该轴的减速度。车辆仿真模型如图7所示。

图7 车辆仿真模型

2.5 轴速度计算模型 轴速度计算模型则根据当前轴速度以及减速度，按照采用周期时间为计算时间（仿真时默认为10ms），计算出下一刻的轴速度，具体模型可参见图8。

图8 轴速度计算模型

3 仿真模型的验证

基于上述仿真模型，可进行如下仿真验证。

图9为模拟1轴滑行仿真图。在正常情况下，设置列车初始速度为90 km/h，制动级位设置为快速，1轴黏着限制为0.5，其他轴黏着限制为1.5，模拟1 轴滑行，仿真结果如图10所示，图中曲线分别为BC压力、速度、HV和RV。从图中可以看出，BC压力经过6 次阶梯下降，RV 动作6 次，经过6 次排气，将制动缸中压缩空气排空，每次排气量大概为20%，与理论计算一致。

图9 模拟1轴滑行仿真图

4 结束语

通过搭建仿真模型并在此基础上，设置相关参数，进行防滑验证，证明此模型可以较为准确的模拟防滑阀控制的制动缸排气过程，而对于防滑控制的逻辑，则可以根据需要进行相应的调整，从而对防滑控制逻辑进行改进和优化。