（载运工具运用工程专业论文）铁道车辆横向半主动悬挂控制方法的研究.pdf

铁道科学研究貌硕士学位论文 y 1 0 1 2 8 2 摘要 悬换系统的减振性能直接关系残铁道车辆的乘坐舒适度。通过设计合适的悬挂 系统改善蘸遽碉车的乘坐舒逶度，是一种经济、有效的途径，对我国目翁正在进行 的列车提速具鸯重要意义。 主动懋挂和半主动悬挂具有很好的发展前景，是近年来铁道车辆领域内的研究 热点之一。本文以举节车辆为研究对象，对铁道车辆横向主动悬挂和半主动悬挂采 用天钩礁尼擦铡和 。控制两种控制方案进行了研究。 本文阐述了天钩阻尼控铡和h 。控制对车体振动豹控制原理，基于理论分析设 计铁道车辆横良主动憨挂的控制嚣。利用a d a m s 软件建立了铁道车辆的仿真模型， 采用计算机仿真的方法对鼹种控制方案送行比较和分析，总结磷了控期器各个参数 对振动控铡性能盼影响。其中，半主动悬挂的仿真采嗣了磁流交减振器的数学模型。 仿真结果表明主动悬挂能够很好地抑制车体振动，半主动悬挂对车体振动的控制效 果要差予主动悬挂，但优予被动悬接。此外，提高擦制器的振动控髑效果总是以降 低系统的鲁棒憔为代价的。由于半主动悬挂只能近似实现控制器要求的目标悬挂 力，因此振动控制效果较好的控制器对应的半主动悬挂的振动控制效果未必好。控 制器的设计须在减振性能和簧榜性能之闾进行折中考虑。 在车辆振动试验台上对横向半主动悬挂进行了试验研究，采用磁流变减振器作 为可控减振器。比较和分析了车辆横向半主动悬挂采用天钩阻尼控制和h 。控制两 种控制方案的试验结果。从试验结果来看，本文实现的半主动悬挂和疆配最优的被 动懋摭的减振性能接近，但半主动悬挂对簧上质量共振区内振动的控翻效果较好。 这表明试验的处理过程是比较合理的，试验结果基本体现蠢了半主动悬挂对于车体 振动的控制效果。 关键词：铁道车辆半主动悬挂振动控制天钩阻尼h 。控制磁、瀛变减振器 铁道科学研巍院硕士学位论文 a b s t r a e t t h er i d ec o m f o r to ft h er m l w a yv e h i c l ei s s e r i o u s l yd e p e n d e do nt h es u s p e n s i o n s y s t e m se f f i c i e n c y i m p r o v i n gr i d ec o m f o r to fh i g h s p e e dt r a i n su s i n gh i 曲一e f f i c i e n c y s u s p e n s i o n si se c o n o m i c a la n de f f e c t i v e ，w h i c hi sv e r yb e n e f i c i a lt ot h et r a i ns p e e d r a i s i n gp r o j e c ti no u rc o u n t r y a c t i v ea n ds e m i a c t i v e s u s p e n s i o n s a r ec o n s i d e r e da st h ef u t u r eo fv e h i c l e s u s p e n s i o n s t w oc o n c e p t so fs k y h o o kc o n t r o la n dh 。c o n t r o la r es t u d i e da n dt h es i n g l e r a i l w a yv e h i c l ei sr e g a r d e da sr e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r c o n t r o lp r i n c i p l e so ft h e s k y h o o ka n d 。c o n t r o la r es p e c i f i e da n dt h et w o c o n t r o l l e r si sd e s i g n e db a s e do np r i n c i p l e * a n a l y s i s c o m p u t e rs i m u l a t i o nu s i n gt h ec a r m o d e lb u i l ti na d a m ss o f t w a r ei sc o n d u c t e dt oc o m p a r ea n d i n v e s t i g a t et h et w oc o n t r o l c o n c e p t sa n dc o n t r o l l e rp a r a m e t e r s e f f e c t so nt h ec o n t r o le f f i c i e n c ya r es u m m a r i z e d b a s e do ns i m u l a t i o nr e s u l t s ，t tc a b ev a l i d a t e d b ys i m u l a t i o nr e s u l t st h a ta c t i v e s u s p e n s i o n sh a v eab e t t e re f f i c i e n c y i nc a rb o d yv i b r a t i o nc o n t r o lt h a ns e m i a c f i v e s u s p e n s i o n sa n ds e m i a c t i v es u s p e n s i o n sb e 戗e rt h a nu n a c t i v es u s p e n s i o n s i ta l s oc a nb e s e e nt h a ti m p r o v i n gc o n t r o l l e re f f i c i e n c ym u s tr e s u l ti nd e t e r i o r a t i o no f t h es y s t e mr o b u s t s e m i a c f i v es u s p e n s i o no n l yc a np r o d u c et h et a r g e ts u s p e n s i o nf o r c ed e m a n d e db yt h e c o n t r o l l e ra p p r o x i m a t e l y , s os e m i a c t i v es u s p e n s i o n su s i n gh i g h e re f f i c i e n c yc o n t r o l l e r m u s tn o th a v ea h i g h e rv i b r a t i o nc o n t r o le f f i c i e n c y c o n t r o l l e rd e s i g nm u s tc o n s i d e rt h e e f f i c i e n c ya n dr o b u s ta tt h es a m et i m e t h ee x p e r i m e n t a t i o nu s i n gr n a g n e t o - r h e o l o g i c a ld a m p e ri sc o n d u c t e do nt h ev e h i c l e v i b r a t i o ne x p e r i m e n t a t i o n - b e dt of u r t h e rs t u d yl a t e r a ls e m i a c t i v es u s p e n s i o n su s i n gt h e s k y h o o ka n dh 。c o n t r o la n dr e s u l t sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d i tc a nb es e e nf r o mt h e e x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t st h a tt h eo v e r a l lc o n t r o le f f i c i e n c yo ft h es e m i a c t i v es u s p e n s i o ni s c l o s et ot h eb e s tu n a c t i v es u s p e n s i o n ，w h i l et h es e m i a c t i v es u s p e n s i o nh a sab e t t e r e f f i c i e n c y i nt h er e s o n a n c e f r e q u e n c ys p e c t r u m r e s u l t sv a l i d a t e t h er e a s o n a b l e e x p e r i m e n t a t i o np r o c e s sa n dt h es e m i a c t i v es u s p e n s i o n sg o o df u n c t i o n k e yw o r d s ：r m l w a yv e h i c l e ，s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ，v i b r a t i o nc o n t r o l ，s k y h o o kd m n p e g h * c o n t r o l ，m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e r 铁道科学研究院学经论文 舔创性声嚷 本人郑重声明：所呈交的学位论文，楚本人在导师的指导下，独 立遴行研究工作所取得的成累。除文中已经注暖引用的内容外，本论 文不禽任 霉萁稳个夫或集体已经发表或撰写遥秘偿菇藏戏票。对本文 酌研究做出重要舞献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 声明的法律结果由本人承担。 论文作者躲豢辱隅肿月好嗣 铁道稀学研究貌硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 随着列车运行速度的提高，铁道车辆车体振动加制，乘坐舒适凄下降。因此， 从振动传递的各个环节入手，着力减少高速确车车体的振动是很有必要的。一系悬 挂涉及到车辆的运行稳定性，一系悬挂越“硬”，车辆的临界速度就越高，为了使 车辆具有一定的稳定性，就应当采罔“较硬”的一系悬挂。从这个意义上说，通过 设计一系悬挂减少车体振动的空间很小。二系悬挂和车体相连，直接影响到车体豹 运动状态。酲前，设计合适的二系悬挂减少车体振动、提高车辆的乘坐舒适度是一 个研究热点h 】。 从整个车辆系统蚕，二系悬挂主要承据鼯个任务，一是支撑车体，使车体豹质 量及载荷比较均衡城传递给各个轮轴；二是衰减因线路不平顺以及车轮缺陷等原因 引起的车体振动和冲击。支撑车体要求二系悬撞足够硬，能够保证车体和转向架一 起运动；衰减车体振动则要求二系悬挂足够软，能够很好地隔离和衰减来囊予转向 架的离频振动。 传统的车辆悬挂采用被动悬挂，被动悬挂由弹性元件和阻尾元件组成，其刚度 和阻尼是在设计过程中确定下来豹，在车辆运行过穰中无法进行调节。被动悬挂具 有一定的局限性。酋先，由于被动怒接系统的参数不随线路激挽变化，使其不能同 对很好缝满足车辆运行平稳性、稳定性和曲线通过性能对于悬挂参数的要求。其次， 由予悬挂参数不能调节，就使得经过最优设计的悬挂只能对某一特定激扰条件产生 最优响疲，一旦激扰或车辆参数发生变化，减振性能就会恶优。 针对被动悬挂的局限性，早在上个擞纪5 0 年代便有学者提出了主动悬挂的概 念。1 9 5 4 年g m 公司在萁汽车悬挂的设计中首先提出了主动慧挂的思想犯j 。主动悬 挂实际二楚一个闭环控割的动力驱动系统，通过合理调节输入到减振系统的能量来 抵消来自外界的激找，从而达到减振的睡的。主动悬挂的控制器按照某种设计好的 控制方案、根据车辆状态和或线路激扰状态实时确定出应该施加给车体的目标悬挂 力，再由作动器袁接施加绘车体，实瓒对车体振动的控审4 。 铁道科学夥 究院硕士学位论文 半主动悬挂采用隰尼特牲可调的可控减振器和或刚度特憔可调的可控弹簧作 为作动器，通过实辩调节可控减振器的阻尼特性和或可控弹簧豹刚度特性，间接地 获得合理的悬挂力。半主动悬挂的概念由美阑学者k a m o p p 于上个世纪七十年代中 期提出2 】翻，其基本思想是根据线路激扰和系统状态调节悬挂的阻尼特性和或嚣4 度 特性，实现莱个性能指标最优。在实际应闵中，可控弹簧实现起来比较困难，目前 的半主动悬挂都采用可控减振器。 1 。2 采用半主动悬挂系统改善列车横向乘坐舒适度的必要性 在我国铁路连续进行了几次大提速之后，部分提速车辆出现了车辆横向平稳憔 下降，乘坐舒适度恶化的现象。出现这一现象的原因主要是车体横摇弓l 起的横向振 动。 提高铁道车辆运行平稳性和乘坐舒适度豹方法有两种。一种是提高线路质量， 一种是设计和改进车辆慧挂系统。相对于后蠢，翦蠹需要投入董额的费用，修建一 条高速铁路动辄上百亿元。此外，高速铁路的线路改造和维护费用也很高。我国铁 路线路大多为客货混跑线路，一些线路受条件限制难以改造。因此，从铁道车辆的 悬挂系统入手，提高铁遴车辆的横向乘坐舒透度是很有必要的。 被动悬挂的悬挂参数在车辆运行过程中固定不变，不能根据线路不平顺和外界 因素的状况适时进行调整，自适应性很差，只能在在一定条彳牛下有效地衰减车体的 振动，已不能满足高速列车的发展需要。从理论上说，主动悬挂能够实时地将菜种 指标下最优的悬挂力施加给车体，其减振性能琵“最优”的。俘是主动悬接的稳定 性和可靠性难以保证，擦制作用的实现需要消耗大豢的能源；此外，成本过离也是 限制主动悬挂_ 泣用到高速列车上的熏要因素。半主动悬挂力的方囱取决于悬挂两端 的相对速度和或相对位移，大小依赖于可控减振器和或可控弹簧的参数可调范围， 从理论上说不能实时地产生“最优”的悬接力，减振效果不如主动悬挂好。但与主 动悬挂相比，半主动悬挂买有很多优点1 4 ：结构简单，成本低，能耗小，更重要的 是在控制系统失效的寸盘况下半主动悬挂能够自然转换为被动悬挂，确保列车的运行 安全。半主动悬挂的减振效果要明显好于被动悬挂，能够满足商这列车的发展需求。 设计半主动悬挂的关键环节之一是控翩方法的确定。开展铁道车辆横向半主动 铁道秘学研究院硕士学位论文 悬接控制方法的研究势在必行。 1 。3 铁道车辆主动，半主动悬挂的控制策略( c o n t r o ls t r a t e g y ) 在铁道车辆主动半主动憋挂的研究领域内，对控制方法的磺究大都集中在控制 策略上。原因楚控制策略在很大程度上决定着控制性能和控制方法的可实现性【” 4 1 。 近年来，国内外很多研究人员都在致力予将控制领域内的各种控制策略应用予铁道 车辆主动半主动悬挂系统。以下对这些控制策略进行简单的介绍。 总的来说，可以将各种控铡策略分为两大类：基于被控系统模型的控制策略和 不需要建立被控系统模型的控制策略。 1 3 。1 基于被控系统模型的控制策略 1 3 1 1 线性最优擦制 线性最优控制可分为两类1 5 】：线性二次最优调节器( l q r ) 和线性二次高新型 最优控制( l q g ) 。l q r 和l q g 都将被控对象视为确定 生系统，采用被控对象的状 态响应和控制输入的加权二次型为性能指标，从容许控制u ( o = x x 中求得最优控制 u ( t ) = k x ，使得性能指标达到鼗优。不同的是l q g 考虑了确定性系统模型下的环 境不确定潮素，即考虑了被控对象中的系统噪声和测量噪声，但同时假定各个干扰 功率谱是确定的。 由于线性最优控制采用系统的精确数学模型，丽铁道车辆在运行过程中存在着 很多的不确定性( 翔乘客数量的交化) 。因此，虽然大量的仿真结果表明线性最优 控制对车体的振动具有很好的控制效果，但跫在实际应用中并不会达到预期的控制 效粜。此外，线性最饶控制一般需要获知系统的务个状态信息，对于铁邀车辆悬挂 系统来说，准确实时地测擞大量的位移、速度等状态信号是很难的。 1 3 1 2 鲁棒控制 鲁棒控制包括线性鲁捧控制和非线性鲁棒控制，两种典型的线性鲁棒控制策略 是h 。控制和方法圈f 7 】。对予h 。控制，第二章中将有更详细的介绍。 铁道科学研究院硕圭学位论文 如果系统中存在能够弓l 起系统结构或参数交化的不确定性，那么被控对象实际 上并不是一个单一闲定不变的系统【6 】。在数学上可以认为不确定性取自于禁一集合， 从丽被控对象可以描述为个系统集( 0 ，) 。这里，o 是模型的精确已知部 分，称为标称系统：表示不确定性因素所构成的可描述集。簧棒控制就是根据 给定的标称系统o 和不确定性集合的菜一描述设计一个控制器c ，使得系统 集( e o ，) 内所有的系统和控制器c 构戒的闭环系统都能满足一定的性能要 求。 鲁棒控制考虑了系统的不确定性，得到的控制器具有很强的镑棒性，既能处理 对象其有不确定性时的鲁棒控制闯题，又能在干扰功率谱不确定的情况下实现满意 的控制性能。此外，虽然在设计过程中考虑了系统的不确定性，但鲁棒擦翻器具有 确定的结构和参数，可以避免大量豹在线计算。铁道车辆悬挂系统是一个复杂的系 统，含有很多非线性因素，很多参数( 如车体熏景等) 都不是确定不变的，因此， 铁道车辆主动戆拄采用餐棒控制怒比较合适的。 1 3 1 。3自适应控割 自适应控制包括模型参考睡适应擦制和自校正控制强i 。 模型参考臼适应系统中设有一个参考模型，参考模型和实际被控对象其衣相同 的输入，参考模型代表了控制器的控制匿标，其输出响应蠢接表示了被控对象应当 怎样理想地响应输入信号。自适应机构根据参考模型的输出响应与实际测出的被控 对象的输如信号之间的差别实时地调熬控制器的参数或和结构。从丽达到预期的控 制效采。 自校正控制系统具有一令被控对象数学模型的在线辨识环节，即具有一个对象 参数的递摊傣计器。自透应机构根据被控对象的估计参数实时地调整控制器的参数 或和结构。自校正控铡系统的控制建模和控制器的设计都是自动进行的，每个控制 周期内都要更新一次。自适应控制的核心是调整控制器参数或和结构所遵从的规 律，即自适应律。 自适应控制楚一种能够实眩调熬控劁器的参数或秘结构的控制策略，因而控制 效果较好。但是蠡适应控制系统需要大量的在线计算，对控制系统硬件的要求比较 赢，难以很耍孑鲍保证实时性和收敛性。对于铁道车辆惫接系统来说，建立一个合理 4 铁道秘学研究院硕士学位论文 的参考模型是非常困难豹，般比较适合采用自校正控制。 1 3 1 4 预测控制 预测控制也称为模型预测控制( m p c ) ，是近年来发展起来的一类新型计算枧 控制算法【9 】。预测控制根攥被控对象和激扰的历史信息判断将来豹输入和输出，以 优化牵 偿函数或性能函数为饯化目标计算出控制量。预测控制的优化过程不是一次 离线完成的，面是在有限的移动时间润隔内反复在线进行的。移动的时润间隔称为 鸯鼹时域，这是与传统的最优控制最大豹嚣别，传统的最优控制是用一个性能函数 来刿版全局最优化。立援果模型和过程匹配错误，或者是由于系统豹不确定因素引超 的控制性能润题，预测控制可以补偿误差或根据在线辨识校正模型参数。对于动态 特性变化和存在不确定性因素豹复杂系统无需在全局范围内判断最优化性能，因此 预测控制很适用于这样的复杂系统。 虽然预测控制系统能控制各种复杂过程，假设计这样一个控制系统非常复杂， 要有丰富的经验，这也是预测控铡不能预期那样广泛得到应用的主要原因。此外， 预测控制对测纛精度的要求相当离，应用予铁道车辆悬挂系统时，需要精确地得到 车辆的运行速度，由此带来成本和可靠性等方疆的闲题，蟊前仍处于探索阶段。 1 3 。2 不需要建立悬挂系统数学模型的控制策略 1 3 2 1 天钩( s k y h o o k ) 阻尼控制 天钩阻尼控制实际上是专门针对予振动控制的一种控制策略。1 9 7 3 年，荚豳 加州大学戴维斯分校的k a m o p p 教授为解决优化后的被动悬挂参数不能适应外器 激扰变化的影响，寻求新的隔振方式，根据被动悬挂的特点及线性最优控制的思想 提出了天钩阻尼控制理论o o 。 天钩阻尼控铡假设在车体和谈憔系之阔安装有一个减摄器，这个减振嚣旎加给 车体的阻尼力为：f s = 一c s 岩，其中c s 为天钩阻尼的隰尼系数，岩为车体的绝对 速度。实际上，由于车辆处在运动状态中，在车体和惯性系之间安装减振器是不可 能的。在实际应用中，力b 只能卣车辆悬挂施加至l 车体上。天钩阻尼控制的思想就 铁道科学研究院硕士学位论文 是设法使车辆悬挂系统施麴蜀车体上的悬挂力等于或接近于天钩阻尼力风。 天钩阻尼控制原理简单、针对性强、减振效果好。其缺陷是仅以车体的绝对速 度为依据确定憨挂力，不考虑转淘絮的状态，因此对转向架的稳定性不利。此外， 采用天钩阻尼控制的半主动悬薤容易出现高频颤振( c h a t t e r ) 现象。关于天钩阻尼 控制，第二章还有更为详细的介绍。 1 3 2 2 模糊控制 模糊控制系统和常规计算枫控制系统的结构形式是耱问的，即包括控涮器、输 入输嵩接嗣、执行机构、被控对象和测量装置等玉个部分f h 】。不同豹是模糊控制系 统中的控制器是模糊控制器，模糊控刮器包含三个部分：模糊器、模糊运算器和解 模糊器。模糊器将测量装置得到的测曩值转化为模糊景，然后由摸糊运算器利用模 糊控制规则对模糊量进行处理而得到模糊控制量，解模糊器对模糊控制量进行解模 糊，将最终褥到的确定控制薰送翻执行机构执行。 与一般的控制系统一样，模獭控制系统设计豹核心是设计模糊控制器，包括选 取模糊规则、确定模糊化和解模溯的方法、设定模糊控制器参数和编写模糊控制算 法程序。 模糊控制不需要建立被控系统的数学模型，这一点尤其适用于像铁道车辆这样 较为复杂、难以建立准确模囊豹系统。但在确定模糊控制规则对，需要界定系统的 输入，一些突发性激扰往往会超出输入界定范阐，所以这样的突发性激扰往往会恶 化模糊控制系统的性能。例如采用模糊控制的铁遂车辆主动半主动悬挂在车辆通过 道岔孵性能就可能恶化。 1 3 2 3 神经网络控制f 惶1 构成神经网络的蒸本纂元是神经元，神经元实质上是一种信息处理单元。綦于 控制的观点，神经元的模型结构可以描述为输入处理环节、状态处理环节、输出缝 理环节和学习环节等四个部分。 在众多的神经网终结构中，多层前馈神经溺络( m f n n ) 是目前应用最广泛也 是最成熟的一种网络结构。一个多层前馈网络e b 输入层、输出瑟和至少一个隐层缀 6 铁道科学夥f 究院硕士学位论文 成，各层包含一个或多个享申经元，栩邻两层神经元之闰逶遭可调权值相连接，且备 孝申经元之间没有反馈。信息由辕入层依次向隐层传递，直至输出层。每个神经元以 加权和的形式综合它的全部或部分输入，并根据非线性激活函数产生相应的输融。 在m f n n 中，网络权值的调整是通过著名的误差反向传播( b p ) 学习算法柬 进行的。因此m f n n 网络又称为b p 网络。b p 算法包含正淘传播和反向传播两个 过程。在正向传播过程中，样本从输入层经过隐层单元层层处理，各层神经元的输 出仅对下一层毒中经元的状态产生影响，赢至输出瑟。若网络输出与其期望输出之间 存在偏差，则进入反自传播过程。反向传播时，误差信号由原委向传播途径反向网 传，并按误差函数的负梯度方向对各层神经元豹权系数进行修正，最终使期望的误 差函数趋向最小。因此，b p 算法是一幂申以梯度法为基础的搜索算法。 神经网络控制利用神经网络作为控制器和或辨识器实现对被控对象的控制 乍 用。神经网络具存无限逼j 压任何非线性关系的能力，能够学习和适应不确定系统的 动态特性，从这一点来说，采用神经网络作为控制器或辨识器对于较为复杂的控制 系统无疑是合适的。 弱前，神经网络控制的研究大多仍停留在数学仿真和试验室研究阶段，极少用 于实际车辆系统的控制。这是因为神经网络算法比较复杂，收敛速度无法很好地保 证，实时性不好。 1 4 铁道车辆主动，半主动悬挂的应用和研究现状 1 4 1 铁道车辆主动，半悬挂的应用现状 洼 于成本问题和无法保证故障时的安全独，直难以实现列车主动悬撩系统在 运营车辆上装车。赢到2 0 0 2 年，东日本旅客铁道株式会社在其e 2 系新干线车辆上 安装了利用气压作动器和辩。控制的主动悬挂装爨i l ”。 臼本e 2 新于线列车郝分车辆上安装的横向全主动悬挂系统由以下几个部分组 成：安装在车体和转向架之间传统二系横向减振器的位置上的空气舔力式l 乍动器及 其配套部件；车体上的加速度传感器；根据加速度信号处理风压伺服溪控制信号的 控制元件；减振器和其它被动悬挂部馋。 这套系统考虑了车体的横移、摇头和测滚运动，采用h 。控制。由于起初确定 铁道辩学研究院硕士学位论文 的加权函数侧熏予改善车辆在线路敞开地段运行王况下的努适度，在运行试验中发 现安装该横向主动悬挂系统的车辆在线貉敞开地段的乘坐舒适度比普通车辆的乘 坐舒适度赢5 9 d b ，但在隧道内只能提窝2 d b 左右。在重新确定加毅函数后，发 现在隧道内该系统也能够将车辆的乘坐舒适度提赢5 d b 左右。这充分说明在铁道车 辆悬接的h 。控制器设计过程中，合理地选取力日权溺数怒很重要的。 日本在其耨干线列车上广泛安装了横囱半主动悬挂系统【4 】【1 5 】。强本予1 9 9 6 年 对装有这套横向半主动悬挂系统的车辆进行了一系歹i 试验，随后在其新于线列车上 装车投入了使魇。试验表明装有该半主动悬挂系统的车辆的横向乘搬舒适度要比一 般车辆的舒适度高2 5 d b 友右。 日本新干线列车上安装的横向半主动悬挂系统采用天钩阻尼控制【州。车体的横 向绝对速度由安装在车体上的加遮度传感器测褥的横向加速度信号积分获得。当车 辆通过硅籍线时，由于加速度传感器测得的车体横向加速度中含有超离心加速度成 分，如按其原值进行积分，则获得的车体横向速度就会过大，影响控制效果。解决 这一阅题的方法是先对加速度信号进幸亏：低通滤波，去掉不必饕的高频成分，然后经 高通滤波后再进行积分。可控减振器采用高速开关阀式组合可调节流孔液孤减振 器，控制器根据车体的横囱速度和减振器两端的相对速度选择优化阂门组合，得到 合适的阻尼力。 此外，s i e m e n s 公司开发的s f 6 0 0 走行装置，二系横向悬挂采用了半主动悬挂 系统。德圜i c t - v t 6 0 5 也采用了一套垂淘半主动悬挂系统q 。 1 4 2 铁暹车辆主动，半主动悬挂的磷究现状 对铁道车辆主动悬挂的研究很早以前就已经开始。1 9 8 4 年，日本对采用p i d 控 制的气压式主动悬挂装置进行了装车运行试验。据报告，共振区内的车体振动加速 度减小了约二分之一。英国国铁也对电磁方式等主动悬挂进行了研究。法国也进行 了相关研究，拟将主动悬撞装置应闵翻t g v 列车上，使车辆在运行速度为3 5 0 k m h 时的乘坐舒适度能够控制在运行速度为3 0 0 k m h 时的水平。然而由于成本闯题和无 法保证安全憔等因素，这些研究未能实现在运营车辆上装车l l j 。 d a i m l e r c h r y s l e r a g 公司和b o m b a r d i e r t r a n s p o r t a t i o n 公司最近研制了一套横向 主动悬挂系统，该系统已经在慕尼黑通过了滚动试验台样车试验，试验结采证明该 铁道乖喜学研究貌硕士学位论文 系统满足作动器能耗低、行程小、减振效采明显等要求【 】。系统采用液气压联动式 ( h y d r o p n e u m a t i c ) 作动器，这耱作动器的一端是一个气压腔，能够起到类似予空 气弹簧的l 乍用，使作动器兼有被动弹簧的刚度和阻尼特性，作动器输出力由油压伺 服阑控制。 控制器的设计采用传统的传递函数综合法。需要对车辆系统动力学方程避行简 化，以褥到适合予控制器设计的简化模型，将得到的简化模型和原模型进行仿真比 较，确定了简化模型的有效性。利用缳化模型和相关控制理论确定了控制器的阶数， 然后根据减少车体横向振动鞠相关性能的要求( 作动器冲程、限界等) 确定控制器 传递豳数的各个系数。控铡器需要测量弱下面的信息：车体重心处豹横向惯性加速 度和摇头擞速度，车体相对于两个转向架的横向位移以及两个转向架的相对摇头角 和侧滚角。其中蠢整量( 如车体重心处的横向加速度) 并不能直接测量到，需要通 过测量其它量闻接得到。此外，还需要在作动器上安装液压传感器，以增强对作动 器的控制，避免控制失效。 傻得关注的是以上所介绍的横向主动悬撞系统楚作为“主动转向粲”项曩的一 郝分研究开发的，“主动转掏架”研究项目由d a i m l e r c h r y s l e r a g 公司和b o m b a r d i e r t r a n s p o r t a t i o n 公司合作完成，旨在研制出代表转向架发展趋势的机械电子式 ( m e c h a t r o n i c ) 转向絮，这种凝型转向架具有一系、二系主动悬挂系统和倾摆系统， 并具京故障检测和诊断功能。孛凡械电子式转向架包括讥械、电子、控制三个部分， 这三个部分的设计并不是逐一独立进行的，丽是在设计开发初期就充分考虑到三者 之间的相互作用和影响，从黎体上同步研究开发，这种设计理念能够最大限度地发 挥各个部件的作用。 话南交大的张开林等对采用l q g 控制的铁道车辆横向主动悬挂系统进行了试 验研究f 1 8 】。试验采用1 ：8 的半车模型，线路激抗为简单的正弦激扰，试验结果表 明车体的横向共振振幅相对于被动悬挂能够减少8 0 。控制器假设车体的状态信号 均可以测量，对转向架的状态则采用卡尔曼滤波进行估计获得。卣于试验采用正弦 激振，没有对被动愁接的阻尼进行优化薮配，因此试验结果并不能立日实反映主动悬 挂的减振效果。 文献 1 9 1 研究了采用预见控制的铁道车辆垂向主动悬挂，计算机仿真结果表明 垂向主动悬挂采用预见控制能够分别将车体垂翔振动加速度和转向架垂向振动加 9 铁遂科学研究院硕学位论文 速度的幅值减少6 0 黍13 0 。 文献【2 0 】对铁遂车辆横向主动悬接采用随机最优控制进行了仿真研究，采用简 单的两自由度车辆模型。控镑器设计的鹾标是尽可能地同时减小车体最大横向加速 度、二系悬挂的最大静挠度和主动悬撩力，为此，选用车体最大横向加速度、二系 悬挂的最大静挠度、变动悬挂力三个量的鸯目权平方和作为目标优化函数。仿真计算 的结果表明，通过调整优亿鹾标函数中各个项的加权系数，可以侧重予提高车辆的 某项性能。其中减小车体最大横向振动加速度和减小二系悬挂的最大静挠度是相互 矛盾的。 德国的两门子公司研制了一套用于摆式硼车上的半主动悬挂系统，该系统采阕 天钩阻尼控制，包含横向半主动悬挂系统和垂向半主动悬挂系统【2 i 】。每个可控减振 器上都安装了位移传感器，控制器对位移传感器测出豹位移信号进行微分运算，得 到相对速度信号。在车体上靠近每个可控减振器的地方安装了加速度传感器，车体 相应的绝对速度信号由对各加速度传感器测得的加速度信号进行积分获得。实车试 验表明在运行速度为1 5 0 k m h 时，和垂翔被动憨接系统相比，该系统中的垂向半主 动愁挂能够将车体共振点处的幅值降低8 5 。 日本基于一种内嚣可变阻尼油压减振器空气弹簧研制出了一套搠车垂向半主 动懋挂系统，该系统采用天钩阻尾控制，现已完成实车运行试验 2 1 1 。内置可变阻尼 浊压减振器空气弹簧内部装有一个节流孔可调的油压减振器，主要面向于列车薰向 半主动悬挂方面的应用，鹾前已审请专利。 日本国内有人目前在研制一种能源再生半主动悬挂系统，泼系统能够将可控减 振嚣吸收的能量转化为电能储存超来，然后反过来再利闵这些电能实现对可控减振 器的控制f 2 引。 针对天钩阻尼控制不能有效蜷衰减车体振动加速度豹缺点，谶南交大研制了基 于加速度反馈的鑫校正横向半主动悬挂系统f 洲。控制器中包含一个参数估计环节， 对车体艨量进行在线辨谈，撮据车体质黧的变化确定崮最优的加速度反馈系数，确 定出理想的目标力蘧。减振器分别采羽了可调节繁流孔大小的快速调节减振器和磁 流变减振器，近似实现隧标力值。减振器活塞相对予缸体的运动速度由加速度信号 积分德到。在机车车辆振动试验台上的试验结柒表明，采用这套横向半主动悬挂系 统，能够将车辆的横向乘坐舒适度指标改善1 0 1 8 。 1 0 铁道科学研究貌硕士学位论文 中南大学的熊永刚等人对采用天钩阻尼控制豹机车车辆横向半主动懋挂系统 进行了研究f 2 鄂，开发出了套电子控割系统，该系统的处理器选用8 9 c 5 2 单片机， 整个系统由采样滤波、运算处理、功率放大、可调节流孔减强器等几个部分组成。 初步的试验结果表明该系统能够提离车辆豹平稳性指标，可靠性较高。 文献【2 6 】对高速列车横向半主动悬挂采用神经网络自适应控制进行了详纲的计 算机仿真研究，认为神经网络自适应控制对可控减振器工作带宽的要求较低，实用 性较强。 总体上说，豳内对于铁道车辆主动半主动悬挂的研究大都限于理论研究和计算 机仿真研究，所采用的车辆模型一般为较为筒单的线性模型。本文拟从实用往方露 入手，对铁道车辆横淘半主动悬挂采用天钩阻尼控制和h 。控制两神控制方案进行 深入研究，研究分为计算机仿真和试验磅究两个层次，仿真模型采用较为复杂的 a d a m s r a i l 车辆模型，试验研究蘑力于开发出一种基于d s p 的半主动悬拣控制系 统。 1 5 车辆悬挂系统减振性能的评判标准搿】【2 8 l 1 5 1 加速度均方根值( r m s 僮) 假设加速度信号为a ( o ，刘在时刻t i 和t 2 z f 司的时段内加遽度的均方根值为： 铲壶厄丽。 ， 车体振动加速度的均方根值在一定程度上代表了车辆的乘坐舒适度。 1 5 2 s p e r l i n g 舒适度援标 s p e r l i n g 舒适度指标既是由s p e r l i n g 在1 9 7 7 年的一份研究报告中提出来的， 用以衡量车辆的舒适程度。 糟2 的原始表达式为： = 0 8 9 6 ( a 3 厂) f ( 删“” ( 1 2 ) 式中：a 为加速度峰值( c m s 2 ) ；为振动频率( h z ) ；黝为取决于频率的系数，对 铁道科学研究貌硕士学位论文 应于藤向振动和横向振动取不问的傣，表示了人对不同频率范围内振动的敏感度。 采用电子仪器i 柬测量乘坐舒适度时，舒适度攒标的计算公式可以改为： w z = ( 拭3 曰3 ) 1 舯( 1 3 1 式中，b 为加速度的频率加权系数，定义如下： 横向振动 轴，= 0 7 3 7 t 丽苏喾卷挚宝毛研】i ，2 4 ， 垂向振动 妣d = 0 5 8 8 t 丽菥警篙笋研】l ，2 旺s ， 因为振动谱不是离散的，黼是频窭的连续函数。溯此总的阮可以通过给定频 域内的积分求得，即： = ( 2 a 3 ( ) 曰3 。 ( 1 6 ) 式中， 和五分别为给定频率范豳的下界和上界。 由上灏的计算过程计算得到的s p e r l i n g 舒适度指标耽代表了乘客的舒适程度， 表1 1 给出了二者的对应关系。 表1 1 车辆乘坐舒适度衡量指标 s p e r l i n g 指标觋 乘客的感受 l 稍有觉察 2明鼹觉察 2 5 缀明显但不难受 3 强烈，不正常，餐仍能承受 3 2 5很不正常 3 5 极不j i 三常，不舒服，寰称不能承受 4 极不好服，宣称宥窖 1 2 铁递科学研究院硕学位论文 1 。6 论文的研究内容和基本框架 1 6 1 研究内容 答于国内夕 在铁道车辆半主动悬挂捺锈方法的研究状况，以及可以利同的工具 和实现的可能性，本文羲熏研究赢速列车横向半主动悬接的天钩阻尼控制方法和h 。控制方法。 本论文以计算机仿真研究和试验磷究为主，研究和比较铁道车辆横向主动和半 主动悬挂采用天钩阻尼控制和h 。控制的振动投铡效果。研究主要集申在以下，l 个 方面： - 根据h 。控制的需要，建立铁道车辆横囱主动悬疆的控制模型，綦予该模型， 乖j 用m a t l a b 设计铁道车辆横自主动悬挂的h 。控制器； 一采用试验数据拟合的方法建立研究中采用的磁流变减振器的控制模型，整 个仿真研究和试验研究都基于该模型； _ 利用a d a m s 仿真软件，建立设计速度为3 0 0 k m h 的铁道车辆模型； _ 在m a t l a b 环境下，利用a d a m s 建立的车辆模型进行铁道车辆主动和 半主动悬挂控制方案的仿真研究。仿真比较经优化的被动悬挂、天钩阻尼 主动半主动悬挂和h 。主动半主动悬挂豹振动控制效果。分孝斤控制器参数 对于悬接系统性能豹影噍。 在车辆振动试验台上对横向半主动懋挂进行试验研究，采用d s p 芯片作为 处理器，完成控制器软硬件设计，研究天钩阻尼半主动悬挂和h 。半主动悬 挂的振动控制效聚。 1 6 2 论文框架 第一章绪论，介绍一些涉及到车辆悬挂系绞的基本概念和研究现状，对各种 控制策略做了较为详细的综述。 第二章控制方法的研究，详细介缨了天钩阻尼控制和h 。控制的控制原理，根 据h 。控制的需要，建立了铁道车辆横向主动怒接的控制模型，基于该模型设计铁 道车辆横囱主动悬挂的醚。控制器，建立了研究采用的磁流变减振器的模型，给出 铁道科学研究貌颈士学位论文 了采用磁流变减振器的半主动悬挂实现方案。 第三章计算机仿真研究，采用计算机仿真计算豹方法研究了铁道车辆主动半 主动悬挂采用天钩阻尼控制和 。控制的振动控制效采，给出了仿真计算结果，并 对结果进行了详细的比较和分析。 第四奉试验研究，采用试验的方法在车辆振动试验台上对车辆半主动悬挂进 行了研究，对试验研究的结架进行了分析和说明。 第五章结论及展望。 1 4 铁道秘学轿究院颈学位论文 2 控制方法的研究 车剿半主蘑基接系绫是耱饕线瞧系绞，鲞接基予半主韵懋建瓣禳整设诗按潮 器魄较隧难。目前普遍采蠲驰方法楚綦予主动悬挂酶摸臻设计控制器，通过实醣调 节可控减振器的阻凰特性尽可能产生按泼于控制器输出的目榕悬挂力的阻尼力，溉 似实现主动悬挂的振动控制效果【1 1 1 ”。 本章麸理论上对天镑隧趸控截鞫h 。控制避行了分辑耱磷究，探讨了嚣穗控制 方鬃的特点。建立了铁道车辆横蠢主动恐撩系统的撩魏模黧，麓予该模登设诗车辆 横向主动悬捷的h 。控制器，分析了设计羊 。控制器的过穗中各个参数豹选择对 差。 控制器性能豹影响。激后绘出了基予磁溅嶷减振嚣的横向半主幼悬撞控制方案。 2 ， 天铸疆怒撩键 天钩阻尼控制由予英原理简单、能够彻底遗消除共振观藏，从上世纪7 0 年代 一经提出就褥到了研究人员的广泛认可。弱前该理论已发麟褥相当成熟，已有成功 巍爝予实际铁道车辆的先铡f 1 5 】。 i 嘻奉t v i 率韩 转蹴浆 ( a ) 被动悬挂蓉躐 紫链菜 笨钵 转村桨 ) 天钩隧烈爨挂墓蛲( c ) 最锄隧屁变动悬挂系筑 黧2 车霸，秣接系统撰型 辫2 。l 为被动懋藏、天镑黼尾基藏j 帮天镑融尼主动爨挂三葶孛慧接系统戆络褐示意 闰，其中假定天钩隰照和被动阻尼的烈属值相等。 闺2 1 ( a ) 所示的坡渤悬攮系统的运渤方程式为 鳟鲤磐艘生百 梆甜、：，竺。孤徽孵体和转向絮的鼢挑分羯为悬挂系 式中，跏为车体质量，_ ；c 帮粕分鄹为车体嗣转同聚8 。阻1 ” 绕的弹簧刚竺4 1 曼三姜数：作为系统输出，被动悬挂系统豹传递涵数为 将蜘视为系统输入，x 作为系统输出被蕊憝拄尔现”。 f 2 2 ) 瓦( s ) =鬲s 2 + c s 十蟊 南式( 2 2 ) 霹知对于被动悬挂 由转藏梁位移列车体位移的振动传递率( 振幅港 大倍数) i ；巧一了面厂 ( 2 3 ) 护磊刮高 ” 拂删鲫删嘶籼= 赤燃瓣驹涮靴 瞰而。啪丫挂系统在阻澎比。取不嗣倦时转i 赶絮位移到车钵位 剁弑黑篓慧篙芝筹引”1 移的振动传递率与獗率比r 的关系龋线如匿2 2 j j l 不。 。赶蹬2 纛篡篙= 箍舢蝴位移 出图2 + 2 可知，在r = o 压范露内 被动愁糕” 1 6 铁遂科学研究院硕士学位论文 到车体位移的振动传递率就越小，丽， 2 时情况用正好耱反。因此对于车辆被动 悬挂系统来说，对车体低频振动和高频振动的衰减总是相互矛鹰的，并不存在一个 绝对最优的阻尼值。在设计铁遂车辆被动悬挂装霞时，设计人员霈要通过对车辆运 行线路的状况和车辆运行速度的大小确定出线路激扰的频率范围，然后根据确定出 的频率范围选择一个稠怼理想的阻尼鲣作为选取被动悬捷减振器型号的依据。但这 种所谓的“理怒”有很大的局限性，当车速或线路状况发生变化时，车辆的乘坐舒 适度会下降。 图2 1 国) 所示的天钩阻尼悬挂系统的运动方程式为 n f f + 矗+ 舡= _ i b ( 2 4 ) 以粕作为系统输入，x 作为系统输出，天钩阻尼悬拣系统的传递函数为 ( s ) = i 而k ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可知对于天钩阻尼慧挂，由转向架位移到车体位移的振动传递率( 振 幅增大倍数) =厂万一厂r y ( j i 一m o ) 2 ) 2 + c 2 ( 0 2v ( 1 一r 2 ) 2 + 4 d 2 r 2 一l 一 ( 2 6 ) 图2 3 为天钩礁尼悬撞系统在阻尼l t d i 汉不同值时转向絮位移到车体位移的振动 传递率与频率e b 的关系曲线鞫。 瓣 捌 逛 露 蛾 d = 0 2 d = 0 5 f td = 1 0 d0 l l f t t t l i j ， l l l ， l ， l 、 一一一、 i 奠 k ：= ：遵 凝搴沈 圈2 3 天钩阻怒悬挂振动传递率和频率比的关系 铁道穰学研究院