长大货物列车电控空气制动系统及防滑器的智能控制研究
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摘要
客货列车提速和货物列车重载是我国铁路运输的主要发展方向。提速和重载从根本上
说，是对列车制动系统性能的考核。实质上，列车制动系统是客货列车最高等级的安全保
障系统。在任何恶劣环境下，列车发生任何故障时，列车制动系统都必须保证列车在规定的
制动距离内停车。但是提速以来货物列车脱轨、断钩事故仍屡屡发生。其中不少事故是在
列车制动工况下发生的，因此提高货物列车的制动性能，特别是长大重载货物列车制动性
能己是迫在眉睫的当务之急，在国际上也是各国铁路竟相研究的热点。另一方面，旅客列
车快速化、高速化进程中制动系统的发展仍是三大关键技术之一，而其中最为关键的问题，
也是世界各国还在集中研究的问题是进一步改进电子防滑器性能，以便在制动过程中尽可
能充分地利用最佳粘着。
本文选择长大货物列车电控空气制动系统和旅客列车电子防滑器作为研究对象。长大
货物列车电控空气制动系统是国际铁路正在开展研究的学科渗透性较强的一项系统工程，
它涉及通信信号、电子、微机控制、机械等学科领域的知识。制动系统的核心是制动力的
控制，因此本文在对长大货物列车电控空气制动系统进行系统研究的同时，主要集中研究
了车辆控制单元的核心部分，包括制动力分配、制动指令的定义及制动缸压力的控制。电
控空气制动系统的研究思路是：电控空气制动系统的总体设计、针对制动系统的特点建立
车辆制动缸压力控制模型及控制系统的软件实现、电控空气制动系统制动操纵性能试验分
析、电控空气制动系统在制动工况下的一维纵向动力学分析及列车安全性能分析。电子防
滑器是旅客列车制动系统中一项较为复杂的子系统，它涉及轮轨间粘着理论、数据采集、
微机控制和控制理论等多方面的知识，充分体现了各学科领域知识的交叉和渗透。本文主
要研究防滑器的核心课题，即研究防滑器控制系统。本文沿着制动过程粘着分析、控制模
型的建立及系统设计、控制系统试验及性能分析的脉络进行了深入细致的研究。
本文的研究分两部分展开。第一部分是客车防滑器智能控制系统的研究。智能控制在
客车防滑器上的应用研究在我国尚属首次。首先，研究制动过程中轮轨间的粘着分析，指
出轴速度曲线的拐点即是粘着最佳位置。拐点是曲线的二阶导数，它的物理意义和冲动不
谋而合，为此本文的防滑器控制模型中引入冲动物理量。大量研究表明影响粘着最直接的
参数是滑移率，因此本文摒弃了速度差参数。本文根据滑移率、加减速度和冲动三个物理
量建立了防滑器模糊神经网络控制模型，并借助Visual c++5.0开发了相应的控制和仿真
软件，并通过现车的部分速度试验数据进行了控制模型的验证，结果表明该控制模型能够
依据滑移率、加减速度和冲动正确判断车轮的运行状况。最后防滑器控制模型通过室内车
辆制动模拟试验台进行了较为全面的试验，试验结果表明本文建立的防滑器控制模型确能
根据轮轨间粘着的变化进行制动缸压力的调节。本文研究为智能型防滑器的应用研究作了
前沿性的探索工作，为智能型防滑器在未来高速列车、快速列车的应用奠定了坚实的基础。
第二部分主要研究长大货物列车电控空气制动系统的系统设计及实现。首先，本文研
究长大货物列车电控空气制动系统的特征并设计了相应的模拟试验台。电控空气制动系统
的设计充分考虑了传统货物列车自动空气制动系统的特点和长大货物列车的操纵要求。针
对电控空气制动系统中车辆控制单元中的核心控制部分，本文通过车辆制动率、车辆载重
和基础制动装置的参数进行制动缸目标压力的确定，突破了自动空气制动系统中制动力的
分配方式，并运用模糊控制理论设计并实现了制动力控制的模糊控制器，以求精确达到本
车制动缸所需的目标压力并在 Vsual＋＋5刀软件平台上开发了相应的控制和仿真软件。
在此基础上，本文利用自行设计的电控空气制动模拟试验台进行了详尽的制动操纵试验，
试验结果表明：电控空气制动系统简化了列车操纵，司机可以根据列车运行要求任意调节
制动力。最后，根据试验结果运用自行编制程序进行制动工况下电控空气制动系统的一维
纵向动力学分析，并和我国 口 型制动机进行了纵向动力学比较，指出电控空气制动系统
在缩短制动距离和减小车钩力上较传统的货车制动机性能忧越，尤其是大大减小了车辆间
的冲动。在求解列车中各车辆间纵向力的基础上，借助ADAMS／Rail软件建立车辆多刚体
系统动力学模型，分析了电控空气制动在制动工况下列车制动动力安全参数的仿真分析，
并与 120型制动机进行分析比较，进一步验证了电控空气制动系统在保证长大货物列车的
安全运行上具有明显的优势，它在脱轨系数、轮轨横向力、垂向力、车钩垂向位移等安全
参数上具有传统自动空气制动系统无可比拟的优越性。长大货物列车电控空气制动系统的
研究为我国新型货物列车制动系统的研究填补了空白，是我国未来重载货物列车制动系统
的发展方向。
Raising speed of freight and passenger train and heavy haul of freight train is the main
developing direction of our railway transportation. The performance of braking system is
fundamental to the safety of transportation. Raising speed and heavy haul are the challenges to the
train braking system. In the essential, the brake system of train is the highest degree system of
guaranteeing safety. Under any serious condition and any train failure, the train braking system
must make the train safely stop at the stopping distance that is decided by the railway
transportation department. The derailment accidents and breaking couplers, many of which
happened during braking, are not unusual since the speed of freight train is raised. Improving the
braking performance of freight train, especially of the long heavy haul freight train is more and
more important and urgent. This subject is also the state of the art in the world. At the same time,
in the process of raising speed and marching into the high speed of passenger train, the
development of braking system is still the one of the three key technologies. The most essential
technology, which is also under the research in the world, is to improve the performance of anti-
skid system so that the optimal adhesion can be utilized to shorten the braking distance as far as
possible.
The Electronically Controlled Pneumatic (ECP) braking system for long heavy haul freight
train and the anti-skid system for passenger train are the topics of this thesis. The ECP braking
system for long heavy haul freight train is under the research in the North America. ECP is the
systematic project that includes the fields of communication, electronics, computer control and
machine. The research of ECP system design and the control portion of Car Control Device (CCD)
are the heart of this thesis. The research route is to design the ECP system and build the model of
intelligent control of CCD, test ECP system and analyze one dimensional longitudinal dynamics of
train and the safety parameters of train brake dynamics. As far as the anti-skid system is
concerned, it is the main sub-system of passenger train braking system. It concerns adhesion
theory between wheel and rail, data-acquisition, electronic control unit. This thesis is mainly
concentrated with the heart of the anti-skid system that is the control system. The research process
is followed with analyzing wheel-rail's adhesion during braking, designing the fuzzy neutral
network control system, testing control system and analyzing the performance under braking.
The thesis can be divided into two separate paFts. The first is the research of the anti-skid
control system of passenger train. Firstly, the wheel-rail's adhesion during braking is researched,
and the optirnal adhesion is proved to be existed at the inflexion point of speed. The inflexion is
the second differential of the speed curve and the meaning is the same to the jerk, so the jerk is
introduced into the control model of anti-skid system. The speed difference is replaced by the s1ip
ratio, because plenty tests show that the slip ratio is closely related to the adhesion. Secondly, The
fuZZy neutral netWork control model of anti-skid, which is realized using Visual C++ 5.0, is built
using three parameters, namely the slip ratio, the acceleration and deceleration and the jerk.
Finally, the indoor tests are used to analyze the performance of the control model, the result is that
the anti-skid control model can indeed follow with the optimal adhesion of wheel and rail and
modulate the air pressure of the brake cylinder finely. This research work is most advanced and is
paving the way for the intelligent anti-skid system to be used in the high-speed train in the future.
The second part is the research of ECP braking system of long heavy haul freight train. At
first, the braking system of freight train is devised and the test device is also built. The aim
pressure of brake cylinder is calculated using br
说，是对列车制动系统性能的考核。实质上，列车制动系统是客货列车最高等级的安全保
障系统。在任何恶劣环境下，列车发生任何故障时，列车制动系统都必须保证列车在规定的
制动距离内停车。但是提速以来货物列车脱轨、断钩事故仍屡屡发生。其中不少事故是在
列车制动工况下发生的，因此提高货物列车的制动性能，特别是长大重载货物列车制动性
能己是迫在眉睫的当务之急，在国际上也是各国铁路竟相研究的热点。另一方面，旅客列
车快速化、高速化进程中制动系统的发展仍是三大关键技术之一，而其中最为关键的问题，
也是世界各国还在集中研究的问题是进一步改进电子防滑器性能，以便在制动过程中尽可
能充分地利用最佳粘着。
本文选择长大货物列车电控空气制动系统和旅客列车电子防滑器作为研究对象。长大
货物列车电控空气制动系统是国际铁路正在开展研究的学科渗透性较强的一项系统工程，
它涉及通信信号、电子、微机控制、机械等学科领域的知识。制动系统的核心是制动力的
控制，因此本文在对长大货物列车电控空气制动系统进行系统研究的同时，主要集中研究
了车辆控制单元的核心部分，包括制动力分配、制动指令的定义及制动缸压力的控制。电
控空气制动系统的研究思路是：电控空气制动系统的总体设计、针对制动系统的特点建立
车辆制动缸压力控制模型及控制系统的软件实现、电控空气制动系统制动操纵性能试验分
析、电控空气制动系统在制动工况下的一维纵向动力学分析及列车安全性能分析。电子防
滑器是旅客列车制动系统中一项较为复杂的子系统，它涉及轮轨间粘着理论、数据采集、
微机控制和控制理论等多方面的知识，充分体现了各学科领域知识的交叉和渗透。本文主
要研究防滑器的核心课题，即研究防滑器控制系统。本文沿着制动过程粘着分析、控制模
型的建立及系统设计、控制系统试验及性能分析的脉络进行了深入细致的研究。
本文的研究分两部分展开。第一部分是客车防滑器智能控制系统的研究。智能控制在
客车防滑器上的应用研究在我国尚属首次。首先，研究制动过程中轮轨间的粘着分析，指
出轴速度曲线的拐点即是粘着最佳位置。拐点是曲线的二阶导数，它的物理意义和冲动不
谋而合，为此本文的防滑器控制模型中引入冲动物理量。大量研究表明影响粘着最直接的
参数是滑移率，因此本文摒弃了速度差参数。本文根据滑移率、加减速度和冲动三个物理
量建立了防滑器模糊神经网络控制模型，并借助Visual c++5.0开发了相应的控制和仿真
软件，并通过现车的部分速度试验数据进行了控制模型的验证，结果表明该控制模型能够
依据滑移率、加减速度和冲动正确判断车轮的运行状况。最后防滑器控制模型通过室内车
辆制动模拟试验台进行了较为全面的试验，试验结果表明本文建立的防滑器控制模型确能
根据轮轨间粘着的变化进行制动缸压力的调节。本文研究为智能型防滑器的应用研究作了
前沿性的探索工作，为智能型防滑器在未来高速列车、快速列车的应用奠定了坚实的基础。
第二部分主要研究长大货物列车电控空气制动系统的系统设计及实现。首先，本文研
究长大货物列车电控空气制动系统的特征并设计了相应的模拟试验台。电控空气制动系统
的设计充分考虑了传统货物列车自动空气制动系统的特点和长大货物列车的操纵要求。针
对电控空气制动系统中车辆控制单元中的核心控制部分，本文通过车辆制动率、车辆载重
和基础制动装置的参数进行制动缸目标压力的确定，突破了自动空气制动系统中制动力的
分配方式，并运用模糊控制理论设计并实现了制动力控制的模糊控制器，以求精确达到本
车制动缸所需的目标压力并在 Vsual＋＋5刀软件平台上开发了相应的控制和仿真软件。
在此基础上，本文利用自行设计的电控空气制动模拟试验台进行了详尽的制动操纵试验，
试验结果表明：电控空气制动系统简化了列车操纵，司机可以根据列车运行要求任意调节
制动力。最后，根据试验结果运用自行编制程序进行制动工况下电控空气制动系统的一维
纵向动力学分析，并和我国 口 型制动机进行了纵向动力学比较，指出电控空气制动系统
在缩短制动距离和减小车钩力上较传统的货车制动机性能忧越，尤其是大大减小了车辆间
的冲动。在求解列车中各车辆间纵向力的基础上，借助ADAMS／Rail软件建立车辆多刚体
系统动力学模型，分析了电控空气制动在制动工况下列车制动动力安全参数的仿真分析，
并与 120型制动机进行分析比较，进一步验证了电控空气制动系统在保证长大货物列车的
安全运行上具有明显的优势，它在脱轨系数、轮轨横向力、垂向力、车钩垂向位移等安全
参数上具有传统自动空气制动系统无可比拟的优越性。长大货物列车电控空气制动系统的
研究为我国新型货物列车制动系统的研究填补了空白，是我国未来重载货物列车制动系统
的发展方向。
Raising speed of freight and passenger train and heavy haul of freight train is the main
developing direction of our railway transportation. The performance of braking system is
fundamental to the safety of transportation. Raising speed and heavy haul are the challenges to the
train braking system. In the essential, the brake system of train is the highest degree system of
guaranteeing safety. Under any serious condition and any train failure, the train braking system
must make the train safely stop at the stopping distance that is decided by the railway
transportation department. The derailment accidents and breaking couplers, many of which
happened during braking, are not unusual since the speed of freight train is raised. Improving the
braking performance of freight train, especially of the long heavy haul freight train is more and
more important and urgent. This subject is also the state of the art in the world. At the same time,
in the process of raising speed and marching into the high speed of passenger train, the
development of braking system is still the one of the three key technologies. The most essential
technology, which is also under the research in the world, is to improve the performance of anti-
skid system so that the optimal adhesion can be utilized to shorten the braking distance as far as
possible.
The Electronically Controlled Pneumatic (ECP) braking system for long heavy haul freight
train and the anti-skid system for passenger train are the topics of this thesis. The ECP braking
system for long heavy haul freight train is under the research in the North America. ECP is the
systematic project that includes the fields of communication, electronics, computer control and
machine. The research of ECP system design and the control portion of Car Control Device (CCD)
are the heart of this thesis. The research route is to design the ECP system and build the model of
intelligent control of CCD, test ECP system and analyze one dimensional longitudinal dynamics of
train and the safety parameters of train brake dynamics. As far as the anti-skid system is
concerned, it is the main sub-system of passenger train braking system. It concerns adhesion
theory between wheel and rail, data-acquisition, electronic control unit. This thesis is mainly
concentrated with the heart of the anti-skid system that is the control system. The research process
is followed with analyzing wheel-rail's adhesion during braking, designing the fuzzy neutral
network control system, testing control system and analyzing the performance under braking.
The thesis can be divided into two separate paFts. The first is the research of the anti-skid
control system of passenger train. Firstly, the wheel-rail's adhesion during braking is researched,
and the optirnal adhesion is proved to be existed at the inflexion point of speed. The inflexion is
the second differential of the speed curve and the meaning is the same to the jerk, so the jerk is
introduced into the control model of anti-skid system. The speed difference is replaced by the s1ip
ratio, because plenty tests show that the slip ratio is closely related to the adhesion. Secondly, The
fuZZy neutral netWork control model of anti-skid, which is realized using Visual C++ 5.0, is built
using three parameters, namely the slip ratio, the acceleration and deceleration and the jerk.
Finally, the indoor tests are used to analyze the performance of the control model, the result is that
the anti-skid control model can indeed follow with the optimal adhesion of wheel and rail and
modulate the air pressure of the brake cylinder finely. This research work is most advanced and is
paving the way for the intelligent anti-skid system to be used in the high-speed train in the future.
The second part is the research of ECP braking system of long heavy haul freight train. At
first, the braking system of freight train is devised and the test device is also built. The aim
pressure of brake cylinder is calculated using br
引文
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