高载荷、大轴重重载电力机车的最优粘着利用及如何实现防空转控制已成为现今机车牵引控制领域的研究热点。所谓最优粘着利用及防空转控制,是指在一定的外界环境条件下,通过控制牵引电机运动状态,进而影响机车轮轨间的粘着状态,使机车尽可能发挥出当前轨面所能允许的最大牵引力,同时避免车轮发生空转的控制方法。本文以重载电力机车作为研究对象,针对轮轨粘着系数精确观测、不确定轨面最优粘着点极值搜索算法、机车最优粘着防空转控制策略三个主要问题展开研究。主要工作如下:针对重载电力机车在运行过程中,轮轨粘着系数难以获取的问题,本文提出一种基于非奇异终端滑模观测器的轮轨粘着系数观测算法。通过对牵引电机负载转矩与机车粘着力矩之间的相互作用力矩进行分析,构建非奇异终端滑模观测器对牵引电机负载转矩进行观测,再进一步利用负载转矩观测值来估算粘着系数,有效降低一般观测器对外界参数变化的敏感性,提高轮轨粘着系数的观测精度。针对重载电力机车在复杂工况轨面运行时,轨面最优粘着点难以获取的问题,本文提出一种基于滑模极值搜索理论的轨面最优粘着点搜索算法。所提出的不确定轨面最优粘着点滑模极值搜索算法通过将粘着系数观测值作为极值搜索算法的输入信号,然后设计一系列滑模面确保机车蠕滑速度收敛至最优粘着点附近。当滑模收敛条件不再满足时,利用振荡积分环节提高搜索精度,减小误差。针对重载电力机车处于最优粘着牵引工况下,机车车轮可能发生空转的问题,本文提出一种基于非对称障碍李雅普洛夫函数的机车防空转控制算法。通过提取机车蠕滑速度为状态变量,运用非对称障碍李雅普洛夫函数特有的不对称约束边界,在稳定区和空转区的障碍边界分别进行独立设计,确保机车粘着状态被约束在一个可靠的高粘着区域,同时满足机车的高粘着利用率和防空转控制目标。最后基于Matlab/Simulink仿真环境构建机车最优粘着利用及防空转控制模型,对所提出的控制策略进行仿真验证。并利用RT-Lab半实物实验平台进行半实物实验,进一步验证所提出的控制策略的有效性。