（载运工具运用工程专业论文）机车车辆系统中减振控制技术的研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 我国铁路已经进行了六次大提速，随着速度的提高，日益加剧的列车振 动问题已严重影响到受电弓接触网的受流质量和旅客列车运行的舒适性。 就受电弓接触网的受流问题而言，由于接触网是由接触线构成的，对这样 的弹性结构很难用一套试验设备来进行其动态性能的模拟和研究，因此大部 分弓网试验都是在现场进行的，一些室内试验要么太复杂而难以实现，要么 太简单而无法真实模拟。计算机模拟技术的快速发展使得将接触网系统的数 学模型与受电弓的实物模型结合在一起，形成一个新的混合模拟试验系统成 为可能。在这个混合模拟试验系统中，受电弓是实物( 可测试其动态特性) ， 而接触网是一个理论模型，其动态特性通过一套伺服系统来实现，这样的一 套混合模拟试验系统不仅可以模拟受电弓在实际运行条件下的性能，还可以 分析不同接触网对受电弓动态特性的影响。而列车平稳性又分为垂向平稳性 和横向平稳性两个方面，好的垂向运行平稳性相对较易实现，但横向运行平 稳性往往不佳，被动悬挂系统的局限性愈来愈明显，主动悬挂和半主动悬挂 控制是改善列车横向运行平稳性的有效方法。 针对列车受电弓接触网的动态特性和列车横向运行平稳性，本文主要 开展了以下研究工作： ( 1 ) 受电弓接触网半实物半虚拟混合模拟试验系统的研究：采用对 接触网理论模型进行实时仿真计算的方法来虚拟接触网，将该虚拟接触网 与真实受电弓通过液压伺服作动器连接在一起，组成一个虚实结合的混合 模拟试验系统，采用这样的方法来开展弓网系统的研究，为弓网系统的 动态特性研究和参数优化提供了一个崭新的研究手段。 ( 2 ) 受电弓接触网振动主动控制问题的研究：针对铁路机车受电弓系 统存在的振动问题，提出了一种基于模糊技术的旨在抑制振动的主动控制 方案。在对弓网系统特征进行分析的基础上，设计开发了以工控机为主控 器件的受电弓主动模糊控制系统，并以s s 7 型机车受电弓为对象进行了试 验研究。试验结果表明：采用主动控制技术以后，受电弓弓头接触压力波动 值大大降低，弓网系统的运行品质得到了明显改善。 ( 3 ) 在对传统的以迭代为基础的道路模拟器试验方法进行分析研究基 础上，提出一种“基于自适应滤波器”的模拟轨道不平顺的新方法：采用自适 应有限脉冲响应滤波器的多通道逆向控制方法及其白适应滤波器的实现方 法，使多通道振动台模拟试验系统的响应逼近于期望响应信号，并且给出 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 了利用此算法进行的模拟结果曲线。试验结果表明，采用这种方法控制振动 台模拟试验系统，精确地再现了期望响应信号，满足了试验系统的要求。 ( 4 ) 在对传统主动控制策略进行分析的基础上，提出了一种基于车体横 向加速度和作用力直接反馈的双环全主动控制策略，该控制方法既克服了直 接以加速度为控制目标而出现的跑偏问题，又使得控制系统具有稳定、快速 的特征。 ( 5 ) 针对车辆系统的复杂性、非线性性和时变性，从简单实用出发，提 出了基于车体质量参数在线辩识和模糊p i d 控制算法相结合的控制策略，使 得减振控制系统能够在不同运营条件下均能够获得较好的减振效果。 ( 6 ) 在应用微控制技术可实现的基础上，提出变结构阻尼的概念和实现 方法，并对变结构阻尼器的可实现域、示功图进行了分析、研究和仿真。 ( 7 ) 在半主动控制系统中引入载荷反馈回路，克服了阻尼器参数变化对 减振效果的影响。 ( 8 ) 完成了列车横向主动、半主动悬挂控制试验系统软硬件的设计和组 建工作。在牵引国家重点实验室滚动振动试验台上，对试验车进行了原车被 动悬挂试验、去掉原车阻尼的被动悬挂试验、基于各种控制策略和方法以及 各种执行机构条件下的对比试验研究。 关键词：弓网系统；主动、半主动控制；轨道不平顺；双环控制；混合模拟； 变结构阻尼器 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t s i xt i m e so fr a i s i n gs p e e do fr a i l w a y sh a sa l r e a d yb e e nc a r r i e do u ti nc h i n a b u tw i t hi n c r e a s eo fs p e e d t h ev i b r a t i o np r o b l e mo ft h et r a i nb e c o m e sm o r e s e r i o u s ，w h i c ha f f e c t st h ec u r r e n t c o l l e c t i o nq u a l i t yo fp a n t o g r a p ha n dr i d e q u a l i t yo ft h e t r a i n s i n c et h ec a t e n a r yi sc o m p o s e do fc a b l e s t h ed y n a m i c b e h a v i o ro fs u c has t r i n gs t r u c t u r ei sd i 衔c u l tt ob es i m u l a t e db yat e s tf a c i l i t y t h e r e f o r e ，m o s to ft h ep a n t o g r a p h c a t e n a r yt e s t sw e r ec a r r i e do u tu n d e rf i e l d c o n d i t i o n s s o m el n d o o re x p e n m e n t se i t h e rw e r et o oc o m p l e xt ob ee x e c u t e d o r w e r et o os i m p l et og i v ee x p e c t e dr e s u l t s t h er a p i dp r o g r e s si nc o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n i q u e si nr e c e n ty e a r sr e v e a l st h ep o s s i b i l i t yo fi n c o r p o r a t i n g m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec a t e n a r ys y s t e mw i t ht h ep h y s i c a lm o d e lo ft h e p a n t o g r a p hs y s t e mt of o r l nau n i f i e dh y b r i de x p e r i m e n t a ls y s t e m i nt h eh y b r i d s i m u l a t i o nt e s ts y s t e m t h ep a n t o g r a p hi sr e a la n di t sd y n a m i cb e h a v i o rc a nb e t e s t e d w h i l et h ec a t e n a r yi sat h e o r e t i c a lm o d e la n di t sd y n a m i cb e h a v i o ri s r e a l i z e db yas e r v oh y d r a u l i cs y s t e m s u c hah y b r i ds i m u l a t i o nt e s tf a c i l i t y p o s s e s s e st h ea b i l i t yo fn o to n l ys i m u l a t i n gt h er u n n i n gb e h a v i o ro fp a n t o g r a p h ， b u ta l s oa n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc a t e n a r yo np a n t o g r a p hb e h a v i o r t h er i d eq u a l i t yo ft h et r a i ni n c l u d e sv e r t i c a la n dl a t e r a ld i r e c t i o n s g o o dv e r t i c a l r i d eq u a l i t yi sr e l a t i v e l yn o td i f f i c u l tt ob ea c h i e v e d b u tt h el a t e r a lr i d eq u a l i t yi s a l w a y sn o ts a r i s f a c t o r y t h el i m i t a t i o no ft h ep a s s i v es u s p e n s i o ns y s t e mt u r n st o b em o r ea n dm o r eo b v i o u s t h eu s eo fa c t i v ea n ds e m i a c t i v es u s p e n s i o n s y s t e m si sa ne f f i c i e n tw a yt oi m p r o v et h el a t e r a lr i d eq u a l i t y r e f e r r i n gt ot h ep a n t o g r a p h c a t e n a r yd y n a m i cb e h a v i o ra n dl a t e r a l r i d e q u a l i t yo ft h et r a i n ，t h ef o l l o w i n gm a i nw o r kh a sb e e nd o n ei nt h et h e s i s ： ( 1 ) r e s e a r c ho nt h ep a n t o g r a p h c a t e n a r yh y b r i dd y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e r n ： t h ec a t e n a r yt h e r e t i c a lm o d e li su s e dt ou n d e r t a k et h er e a lt i m es i m u l a t i o n a n d i nt h em e a nt i m e t h ev i r t u a lc a t e n a r ya n dt h ea c t u a lp a n t o g r a p ha r ec o m b i n e d t o g e t h e rt h r o u g ht h eh y d r a u l i ca c t u a t o r t h e nt h ep a n t o g r a p h c a t e n a r yd y n a m i c i n t e r a c t i o n sa n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nc a nb es t u d i e db yu s i n gt h i sh y b r i d s y s t e m ( 2 ) r e s e a r c ho na c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o lf o rp a n t o g r a p h c a t e n a r ys y s t e m ：a n a c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o lm e t h o db a s e do nf u z z yt e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r di n o r d e rt or e d u c et h el o c o m o t i v ep a n t o g r a p h a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i so ft h ep a n t o g r a p h c a t e n a r ys y s t e m af u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt o u n d e r t a k er e a lt i m ef u z z yi n f e r e n c ea n do p e r a t i o n t h ep a n t o g r a p hb e h a v i o ro f s s 7l o c o m o t i v ei st e s t e di nl a b o r a t o r y a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep a n t o g r a p h c o n t a c tf o r c ef l u c t u a t i o ni sg r e a t l yr e d u c e db yu s i n ga c t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g y 。 w h i c hc o n s i d e r a b l yi m p r o v e st h ep a n t o g r a p h c a t e n a r yo p e r a t i o nb e h a v i o r ( 3 ) o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a li t e r a t i v em e t h o df o rt r a c k i r r e g u l a r i t ys i m u l a t i o n an e wm e t h o di sp r o p o s e db a s e do nt h ea d a p t i v ef i l t e r s ： 第页西南交通大学博士研究生学位论文 b ya d o p t i n gm u l t i c h a n n e l i n v e r s ec o n t r o lw i t ha d a p t i v ef i n i t ei m p u l s er e s p o n s e f i l t e r sa n dt h er e a l i z a t i o nm e t h o df o ra d a p t i v ef i l t e r s ，t h es y s t e mr e s p o n s eo f m u l t i c h a n n e lv i b r a t i o nt e s t i n gs y s t e mc a na p p r o a c ht h ee x p e c t e ds i g n a l s a n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e nb yu s i n gt h i sm e t h o d ，w h i c hi n d i c a t et h a tt h et e s t s i m u l a t i o ns y s t e mb yu s i n gt h i sm e t h o dc a na c c u r a t e l yr e p r o d u c et h ed e s i r e d r e s p o n s ea n dm e e tt h et e s td e m a n d ( 4 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a la c t i v ec o n t r o ls t r a g t e g y , an e w d u o 1 0 0 pa c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yw i t hd i r e c tf e e d b a c ko fc a r b o d yl a t e r a l a c c e l e r a t i o na n df o r c ei sp u tf o r w a r d t h i sc o n t r o lm e t h o dn o to n l yo v e r c o m e s t h ed i v e r g ep r o b l e mc a u s e db yt h ed i r e c ta c c e l e r a t i o nf e e d b a c k ，b u ta l s oe n s u r e s t h es t a b l i l i t ya n dr a p i dr e s p o n s eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ( 5 ) i nc o n s i d e r a t i o no ft h ec o m p l e x i t y ，n o n l i n e a r i t ya n dt i m ev a r y i n go ft h e v e h i c l es y s t e m a nc o n t r o ls t r a t e g yc o m b i n e dw i t ho nl i n ei d e n t i f i c a t i o no f c a r b o d yi n e r t i ap a r a m e t e r sa n df u z z y - p i da l g o r i t h mi sp u tf o r w a r d w h i c hc a l l a c h i e v et h eg o o dr e s u l t si nv i b r a t i o nr e d u c t i o nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n ( 6 ) b a s e do nt h er e a l i z a b i l i t yo fu s i n gm i c r o c o n t r o l l e rt e c h n o l o g y , t h e c o n c e p to ft h ed a m p e rw i t hv a r i a b l es t r u c t u r ea n dt h er e a l i z a t i o nm e t h o da r e p r o p o s e d t h er e a l i z a b l ef i e l da n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed a m p e ra r e s t u d i e d t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h es e m i a c t i v ed a m p e rw i t hv a r i a b l e s t r u c t u r eo b v i o u s l yh a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h et r a d i t i o n a lp a s s i v ed a m p e r ( 7 ) t h el o a dc o n t r o l l o o pi sa d d e di n t ot h es e m i a c t i v ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c h c a no v e r c o m et h ee f f e c to fd a m p e rp a r a m e t e rv a r i a t i o no nv i b r a t i o nr e d u c t i o n ( 8 ) t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h et e s ts y s t e mf o rt h et r a i nl a t e r a la c t i v e a n ds e m i a c t i v es u s p e n s i o n sa r ed e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d b vu t i l i z i n gt h er o l l e r t e s tr i gi nt h et r a c t i o np o w e rs t a t ek e yl a b o r a t o r yo fs o u t h w e s tj i a o t o n g u n i v e r s i t y , t h ec o m p a r i s o nt e s t sf o rat e s tv e h i c l eu n d e rd i f f e r e n tt e s tc a s e so f p a s s i v es u s p e n s i o n ，a c t i v ea n ds e m i a c t i v es u s p e n s i o n sw i t hd i f f e r e n tc o n t r o l s t r a t e g i e sa r eu n d e r t a k e n k e yw o r d s ：p a n t o g r a p h c a t e n a r ys y s t e m ；h y b r i ds i m u l a t i o n ；a c t i v ea n d s e m i a c t i v ec o n t r o l ；t r a c ki r r e g u l a r i t y ；d u o l o o pc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ； d a m p e r w i t hv a r i a b l es t r u c t u r e 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 它个人或集体己经发表或撰写的研究成果。对本文做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本文完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 采用对接触网理论模型进行实时仿真计算的方法来虚拟接触网，将该 虚拟接触网与真实受电弓通过液压伺服作动器连接在一起，建立了一个虚 实结合的混合模拟试验系统，并采用这种混合模拟方法开展了受电弓接触 网系统的试验研究，同时针对铁路机车受电弓系统存在的振动问题，提出了 一种基于模糊技术的旨在抑制振动的主动控制方案，在对接触网受电弓系 统特征进行分析的基础上，设计开发了以工控机为主控器件的受电弓主动 模糊控制系统，并以s s 7 型机车受电弓为对象进行了试验。 ( 2 ) 在对传统的以迭代为基础的道路模拟器试验方法进行分析研究基础上， 提出一种“基于自适应滤波器的模拟轨道不平顺的新方法：采用自适应有 限脉冲响应滤波器的逆向控制方法及其自适应滤波器的实现方法，使振动 台模拟试验系统的响应逼近于期望响应信号，并且给出了利用此算法进行 的部分仿真结果和试验。 ( 3 ) 在对传统主动控制策略进行分析的基础上，提出了一种基于车体横向 加速度和作用力直接反馈的双环全主动控制策略，该控制策略既克服了直接 以加速度为控制目标而出现的跑偏问题，又使得控制系统具有稳定、快速的 特征；在应用微控制技术可实现的基础上，提出变结构阻尼的概念和实现方 法，并对变结构阻尼器的可实现域、示功图进行了分析和研究；在半主动控 制系统中引入载荷反馈回路，克服了阻尼器参数变化对减振效果的影响。 学位论文作者：吴学杰 日期：2 0 0 8 年4 月2 8 日 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密卣，适用本授权书。 学位论文作者签名：墨乒爹 指剥币躲 够i e tg q ：办昭年，口月，巾日期：沙孑年，。月，r 日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 弓网系统及受电弓振动主动控制研究现状 1 1 1接触网和受电弓发展现状 高速列车是通过受电弓从接触网获取电能，驱动牵引电机运行的。受电 弓与接触网可靠的接触是保证高速受流的重要条件。受电弓弓头的滑板与接 触线接触，相对滑动，从接触网上取下电流，输送给动车，这一过程称之为 受流。在受流过程中，接触网和受电弓在机械和电气上密切相关，只要其中 之一出现问题，都会破坏正常的受流特性。受电弓和接触网一旦发生事故， 将会带来十分严重的后果，直接造成很大的经济损失。为此，高速电气化铁 路必需解决好接触网与受电弓高速受流这一关键问题。 我国电气化铁路正处于高速发展的过程中，研制高速接触网、高速受电 弓则是满足我国高速电气化铁路发展的关键技术问题，也是急待解决的问 题。国外的一些国家高速电气化铁道的建设发展很快。1 9 6 4 年1 0 月，日本 东海道新干线首先实现最高客运速度2 1 0 k m h ：1 9 9 3 年3 月，在东海道新干 线上应用3 0 0 系电动车组已将运营速度提高到了2 7 0 k m h 。1 9 9 1 年6 月，德 国i c e 高速线建成通车，最高运营速度为2 5 0 k m h ；1 9 8 8 年5 月1 日，r e 2 5 0 加强型接触网在维尔茨堡一富尔达区段，i c e 试验速度达到了4 0 6 9 k m h 。法 国自1 9 8 4 年开通巴黎一里昂的高速线路以来，行车速度已经提高到3 0 0 k m h ： 1 9 9 0 年5 月1 8 日，法国在大西洋线西南段，t g v 电动车组的试验速度达到 了5 1 3 3 k m h ，在2 0 0 7 年创造了5 7 3 k m h 试验速度的世界纪录。 为了改变我国在弓网受流领域研究的落后状况，国家科学技术委员会于 1 9 9 5 年设立了“九五国家科技攻关计划高速铁路接触网、受电弓性能 参数的研究专题，进行这方面的深入研究。目的是改变我国在弓网受流领 域研究的落后状况，为我国高速铁路的建设奠定基础旧1 。 我国高速接触网的现状为：从1 9 9 5 年开始，我国既有线的提速工作提 到了议事日程并作为工作重点，当时广州到深圳计划开行1 6 0 k m h 电气化运 营铁路( 现改为2 0 0 k m h ) 。为此1 9 9 6 年s s 8 型电力机车在铁道部科学研究 院环行铁道试验基地( 以下简称“环行铁道”) 进行运行试验，我国于1 9 9 5 年在环行铁道对大环进行接触网改造，当时将运行速度定为1 8 0 k m h 。1 9 9 7 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 年1 月5 日在环行铁道高速试验中，创造了我国铁路的最高试验速度 2 1 2 6 k m h 的纪录。受环行铁道的外轨超高和s s 8 型电力机车运行速度的限 制，接触网没有做2 5 0 k m h 的速度试验。接触网测点的测量数据显示，列 车运行速度为1 7 9 k m h 时，接触线跨中动态抬高的最大值为7 2 4 m m ( 未经平 均的最大值) ，定位点动态抬高的最大值为5 2 8 m m ( 未经平均的最大值) 。根 据测量数据表明，接触网工作状态良好比1 。 我国受电弓的现状：从我国目前的现状来看，常用的国产受电弓如t s g l 型和t s g 3 型受电弓与国外同类产品( 日本、法国、德国等) 相比，存在很大 差距，其受流性能来看，只能满足列车速度l o o k m h 以下的要求，其中t s g 3 型受电弓的性能优于t s g l 型。我国目前尚无高速受电弓的生产厂家，高速 列车的受电弓还有赖于进口。由于日本、法国、德国等国家的受电弓一接触 网系统的类型各不相同，各国的实际情况也不相同，如何使引进的受电弓与 我国的接触网相匹配，是一个非常实际和非常重要的研究课题。我国也应结 合本国国情加快研制和生产高速受电弓的步伐比1 。 国外高速接触网悬挂的结构型式及性能参数：国外在研究接触网和受电 弓系统的最佳匹配方面作了大量的研究工作，成绩显著。以日本、法国、德 国为代表的国家的高速接触网一受电弓系统在运行速度2 0 0 k m h 3 0 0 k m h 时仍具有良好的受流性能，其许多作法可供我国参考。以下介绍几个有代表 性的发展高速铁路的国家的接触网概况。 国外高速受电弓简介：国际上研究高速受电弓，主要代表国家是日本、 图卜1日本p s 2 0 0 a 型受电弓和日本p s 2 0 1 型受电弓 德国和法国。从目前来看，各国所开展的受电弓的研究各有侧重，这与该国 的实际情况有关。从发展的阶段来看，国外第一代高速受电弓的典型特征是 弹簧升弓，气动降弓，弹簧储能调节工作方式，其典型代表有日本p s 2 0 4 、 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 德国$ 5 s 8 7 、法国a m d e ；第二代高速受电弓的典型特征是气动升弓，气动降 弓，气动闭环自调节工作方式，其典型代表有德国的d s a - 3 5 0 s 、法国的g p u ； 第三代高速受电弓的典型特征是气动升弓，气动降弓，智能型自调节工作方 式，其典型代表有法国的c x 2 5 。 图1 - 2 法国a b i d e 型受电弓和德国d s a 一3 5 0 s 型受电弓 我国高速铁路采用电力牵引已是定势，解决时速为2 5 0 k m h 及以上的接 触网和牵引受电弓及其相关的系统特性则是关键课题，由我们自行设计并悬 挂于环行铁道的新型的接触网，已经经受了我国目前最高速度( 2 1 2 6 k m h ) 的运行试验考验。根据各种检测数据显示，其运行状态良好，这表明在此领 域内我们已具有为我国的高速铁路服务的实力。接触网和受电弓系统的特 性，取决于接触网结构参数和受电弓的类型。在今后电气化铁路的新线建设 中应对接触网一受电弓系统进行理论分析和计算，并在分析系统各种参数影 响的基础上，设计并提出适用于我国高速铁路的接触网一受电弓系统的结构 型式，以及应满足的特性参数。受电弓与接触网可靠地接触是保证高速受流 的重要条件。研究受电弓的空气动力性能和动力学特性，研究滑板与接触导 线间接触压力的变化规律，提高受电弓的追随特性，减小振动离线和电烧损 程度，是提高受流质量的有效途径，也是设计者需要认真对待的。讨论接触 网一受电弓系统的结构及与各参数间的配置是否合理，从而改进接触网一受 电弓系统的受流性能，以保障动车的取流质量。接触网一受电弓系统又是机 械和电气耦合系统，在研究、分析和计算上还要综合考虑其相互影响心1 。 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 1 1 2 接触网受电弓混合模拟仿真系统的提出 弓网关系的研究已引起了国内外学者的普遍关注。研究的方法有现场试 验、计算机模拟、半实物半虚拟( 受电弓为实物，接触网通过计算机仿真得 到) 试验等。现场试验对测量方法、数据处理等的要求极高，只有德国等少 数国家能够直接测量受电弓与接触网间的接触力。计算机模拟中，受电弓模 型采用归算质量模型或由刚性杆件组成的非线性模型，而实际受电弓存在许 多间隙、铰接点和摩擦副等，对于受电弓与接触网耦合处理问题至今没有统 一的说法。张卫华等采用弹簧连接。，能够反映受电弓与接触网离线问题， 但弹簧刚度的确定成了关键问题：吴天行等采用受电弓与接触网在接触处位 移相等来处理h 1 ，避免了弹簧刚度的选取，却没有考虑受电弓与接触网离线 问题，不能反映拉弧现象；半实物半虚拟试验方法，利用实际受电弓与虚拟 接触网构成耦合试验系统，既能避免弓网间弹簧刚度的选取，又能反映弓网 间的离线旧9 1 。 高速动车组除了要具有高速运行品质以外，还需要有一个匹配优良的受 电弓接触网系统。对弓网系统研究的传统方法是分别对接触网和受电弓建 立数学模型，但数学模型大都是从理论上进行推导并简化后建立的，其模型 参数是否正确也不得而知。另一种方法是通过线路试验来进行，其缺点是试 验周期长、成本高，且很难对受电弓进行部件优化试验。为了对弓网系统进 行有效的研究和测试，有必要建立一套完整的受电弓接触网试验系统。由 于接触网不能用一简单而又确切的实物模型来代替，但随着计算机和电液伺 服系统的发展，一种混合模拟的动态试验方法开始应用于机车车辆的研究之 中。采用混合模拟的动态试验方法，除了试验装备简单以外，最大的优点是 使一些不太可能用实物模拟的试验成为可能。本文正是针对这种半实物半虚 拟的混合模拟技术来开展研究，以期找出一条进行弓网系统研究的新途径。 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 1 1 3 受电弓振动抑制主动控制问题的提出 接触网一受电弓系统是供给列车电能的主要受流方法之一，因此接触网一 受电弓系统运行品质的好坏直接影响到列车的运行性能。在列车运行过程 中，接触网和受电弓弓头之间的接触力描述了弓网系统的运动过程，成为表 征弓网系统动力学状况的重要准则。由于接触网为悬索结构，因此常规被动 式的接触网和受电弓所形成动态系统在受到线路不平顺激扰、风及列车运行 速度的影响时，无法对弓网之间的振动进行有效的抑制，弓网接触压力波动 很大。当接触压力过大时，接触线和受电弓弓头滑板磨损严重；而接触压力 过小时，接触电阻增大，影响受流，特别是当振动加剧，接触压力为零，接 触线和弓头滑板处于离线状态时，在高电压状态下，产生拉弧现象，对接触 线和滑板造成烧伤和焊珠，严重影响受流质量。在列车运行速度大幅度提高 的情况下，这种现象更为严重。如何通过主动控制技术对弓网系统的振动进 行有效的抑制，使得弓网接触压力保持在理想接触压力( 7 0 n ) 附近，提高受 流质量、减小设备磨损、确保列车安全运行成为十分迫切的研究课题之一。 国外在发展高速铁路的过程中早已开展了弓网振动主动控制技术的研究，而 国内在这方面的研究刚刚起步，本文结合两个基金项目，开展了这方面的研 究工作，为我国主动控制式的高速受电弓的研制奠定了一定的基础叫4 | 。 1 2 机车车辆悬挂系统主动半主动控制研究现状 1 2 1悬挂系统系统的分类及特点 悬架系统是提高车辆平顺性( 乘座舒适性) 和安全性、减少车辆动载荷 引起零部件损坏的关键5 。1 6 1 ，但基于经典隔振理论的传统悬架无法同时兼顾 这三方面的要求。自7 0 年代以来，工业发达国家开始研究基于振动主动控 制的主动半主动悬架系统。引入主动控制技术后的悬架是一类复杂的非线 性机、电、液动力系统，其研究进展和开发应用与机械动力学、流体传动与 控制、测控技术、计算机技术、电子技术、材料科学等多个学科的发展紧密 相关。近十年来，这些学科的发展为悬架系统从被动隔振走向振动主动控制 奠定了基础。尤其是信息科学中对模糊理论、人工神经网络、进化计算的研 究，在理论上取得引人瞩目进展的同时已开始得以应用，其中包括车辆的减 振和牵引。因此，车辆悬架振动控制系统的研究不仅在理论上和方法上取得 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 式为3 ： c ：| c o 砉：x i ( x i _ ) o( 1 - 1 ) 【0 若_ ( _ 一而) 0专增强阻尼 0 _ 增强阻尼 ， c ：卜秘耻o ( 1 4 ) c = i j 【0 耘x 。 0 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 制。通过六次大提速表明：我国列车垂向平稳性基本能满足提速要求。然而， 横向振动恶化导致平稳性能不佳。对提速列车和高速列车的横向悬挂系统提 出了更高的要求。列车横向主动悬挂控制技术，已成为改善横向平稳性的有 力方法。 对全主动悬挂与半主动悬挂系统的分析表明，半主动悬挂旨在接近被动 悬挂系统的造价和复杂程度，提供接近全主动悬挂控制的性能，而且能保证 半主动控制装置故障时能稳定行驶。结合我国铁路的现状，采用半主动悬挂 控制系统是我国目前高速列车悬挂系统的最佳方法。全主动悬挂控制通常为 线性系统，作动器能提供所需的横向力。因此，对主动控制算法研究时，通 常采用全主动控制进行仿真或实验室研究，为半主动控制算法积累一些经 验。 1 2 2 主动半主动悬挂控制策略的研究 主动悬架控制具有更好的平顺性，但结构复杂、质量大，且要消耗的能 量相当大。主动悬架中不再有传统意义上的“弹簧刚度 和“阻尼特性”， 悬架中的弹簧和减振器全部或者至少部分被执行元件所取代。系统还包括各 x l x o 图1 - 3主动悬架动力学模型 种必要的传感器、信号处理器和控制单元。控制单元根据检测到的各种信号 判断车辆的当前状态，并根据事先设定的控制策略决定执行元件该输出多大 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 的力。系统内部靠力闭环控制保证执行元件输出的力满足指令的要求。图卜3 为一种主动悬架动力学模型图。目前应用较为广泛的阻尼力可调整的悬架是 种半主动悬架。该半主动悬架与主动悬架的区别在于用可控阻尼的减振器 取代了执行元件。可控阻尼减振器所起作用与主动悬架中执行元件的作用类 似，都是通过系统内的力闭环控制实现控制单元提出的力要求。所不同的是 执行元件要做功，而减振器则是通过调节阻尼力控制耗散掉的能量的多少， 几乎不消耗车辆的能量。显然，在半主动悬架中，必须并联入弹簧以支持悬 挂质量。研究表明，在大多数实际使用情况下半主动悬架几乎可以达到和主 动悬架一样的性能旧3 1 1 。 1 2 2 1 最优控制 有关主动悬架的最优控制问题的研究较多，早期的方法是对系统中的某 些性能指标处以惩罚，比如，对一个1 4 车体模型，可提出一个评价函数 为： p i = e ( 彳+ 霹+ r x 2 9 ) ( 1 - 5 ) 这里，x ，为车体加速度，反应乘坐舒适性；而为车轮轮胎相对于平衡 点的变形，反应车轮着地性能( 从而间接地反应车辆的操作稳定性) ；x 3 为悬 架行程相对于平衡状态的变化，该值的大小表示了所需要的悬架行程空间。 ，；和乃为加权系数，例如，如果希望悬架变形小，应该取大的值。可见， 对上式进行最优化设计而得到的悬架控制力，将在保证操作稳定性和悬架行 程限制的条件下获得最优的乘坐舒适性。有关这类研究扩展到了半车模型和 整车模型，取得一些理论上的研究结果。近年来应用的较多的是基于线性二 次型问题的最优调节器控制，该问题的描述： 寻找一个最优控制信号，使得评价函数： 一一 ， j = i ix 。( t ) q x ( f ) + m 。r u ( t ) 陋 ( 1 6 ) l - 一 0 取极小值，其中x ，分别是状态量和控制量，g 眉为加权系数( 矩阵) 。从 控制理论来看，式( 卜6 ) 所示的最优控制意味着，当受到外界干扰时，系统 将力图在某种性能指标最优( 取决于职月的选择) 的前提下尽快地恢复到稳 定状态。日本的松下、永井等人应用这种方法为铁路车辆的气动主动悬架设 计过一些最优控制器，取得了一些好的实验效果，作者也应用上述方法为日 本丰田的油气压主动悬架装置( 高速开关阀控制) 设计了一个带状态观测器 第1 0 页西南交通大学博士研究生学位论文 的最优调节器，实验说明其控制性能高于天棚阻尼器控制。 采用最优调节器控制的主要问题在于要求系统有较准确和稳定的数学 模型，其系统的复杂性( 如传感器数量) 等将随数学模型阶数的增加而增加。 主动悬架最优控制的目标是使车辆获得较高的平顺性和操纵稳定性，反 映在物理量上就是要尽可能的降低车身振动加速度、轮胎动变形及轮胎动载 荷，限制悬架动挠度的变化范围，减少悬架撞击限位块。不能消耗太多能量， 反馈控制力不能太大。对于一个实际的主动悬架系统来说，真正的研究应考 虑控制装置和作动器的动态模型，并将它们引入主动悬架的动力学系统中。 这样，实际系统的动力学模型的阶次将增加1 ：至l j 2 阶，状态变量也变为5 n 6 个，但实现最优控制的原理与求解方法是一样的。心。3 8 | 。 1 2 2 2 预见控制 在天棚阻尼器控制和最优控制设计中都未对路面的状态给与考虑，事实 上，这些设计是基于路面干扰为白噪声的这样一个假设。即使是最优，也只 是平均意义的最优，对每个单个的样本函数并不一定最优。此外，由于实际 车上主动悬架系统中的能源和元件响应速度的限制，系统很难对应于反馈信 号产生及时和足够大的控制力，从而限制系统减振效果。所谓预见控制，是 系统通过某些方法对车辆前方的路面状况进行检测，并根据这个情况决定相 应的控制力，由于能针对具体实际路面情况，并且有较充分的时间做决策和 调整，因此系统可望获得好的控制效果。 预见控制的实质是将前方路面的状态作为预见变量进行前馈，不少学者 们构造过一些算法，取得过一些结果，采用预见控制方式时，在谐波状路面 干扰和阶梯状路面干扰下，系统都具有比最优控制方式下更好的减振性能， 尤其在阶梯状路面干扰( 突加干扰) 下特别显著，说明预见控制方式的确能弥 补系统响应速度不足而提高控制效果，是一种有前途的控制方式。在实际中 实施预见控制的一个关键问题在于预见信息的获得。日本