近年来,安全、高效、舒适和环保成为高速铁路的发展方向,列车对运行环境的适应性的要求也不断提高。针对高速列车运行速度高、行驶里程长及外部环境复杂等特点,列车运行控制系统对速度曲线追踪和粘着防滑的性能将直接关系到高速列车安全高效地运行。在运行环境良好时,列车通过牵引控制实现对目标速度曲线的精确跟踪；当运行环境恶劣时,粘着防滑控制成为列车安全运行的保证。因此,如何在不同的外部环境因素影响下,实现对列车安全、稳定运行成为高速列车领域的重要研究课题。本文基于扩张状态观测器,对列车运行过程中的牵引控制问题和最大粘着控制问题进行了如下研究：首先,研究基于扩张状态观测器的列车速度曲线跟踪控制问题。列车处于良好的线路条件运行时,以精确跟踪目标速度曲线为控制目标。构建单质点动力学模型。将运行过程中所受的基本阻力、坡道阻力和曲线阻力等当作“总干扰”,利用扩张状态观测器对该干扰进行估计,设计列车速度曲线跟踪的前馈控制算法。使用遗传算法优化观测器参数。仿真结果表明,在良好的线路条件和时变环境等仿真场景下,基于扩张状态观测器的列车速度曲线跟踪控制算法具有较好的跟踪效果和较高的抗干扰性。其次,研究基于扩张状态观测器的列车滑移率滑模控制问题。针对行车区域内某段轨面条件发生变化的情况,在精确跟踪目标速度曲线的同时,将滑移率参数加入模型中。建立基于滑移率与粘着系数的列车单质点动力学模型。改进扩张状态观测器中非光滑函数,结合滑模变结构控制快速响应的特点,设计列车滑移率滑模控制算法。仿真结果表明,在良好线路条件、时变环境和轨面条件变化等仿真场景下,基于扩张状态观测器的列车滑移率滑模控制能够对目标速度曲线进行较好跟踪,并可将列车滑移率有效保持在允许范围内,同时有较高的抗干扰性。最后,研究基于扩张状态观测器的粘着力最大控制问题。当列车处于风霜雨雪等恶劣的外部环境运行时,以粘着力最大作为控制目标。根据粘着系数和滑移率的关系模型,设计基于扩张状态观测器的类超螺旋控制算法。证明该算法的稳定性和边界收敛性。针对最优滑移率与模型参数均未知的情况,运用高阶扩张状态观测器对模型参数中的高阶微分量进行估计,并结合最小二乘法推导最优滑移率。仿真结果表明,所设计控制算法可使列车在轨面湿滑等恶劣环境下能够获得最大粘着力。