（检测技术与自动化装置专业论文）基于神经网络的车辆横向半主动悬挂控制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 在高速列车运行过程中，列车的横向平稳性能对列车运行的安全性和旅客 的乘坐舒适度影响很大，如何提高列车运行中的横向平稳性能是目前亟待解决 的问题。列车车辆的横向悬挂系统分为主动悬挂和被动悬挂两种形式，其中半 主动悬挂是主动悬挂的一种特殊形式。被动悬挂系统的参数在车辆运行中无法 进行调节，因而不能适应车辆运行中对横向平稳性能的要求；主动悬挂系统的 参数在车辆运行中可以进行实时调节，但主动悬挂系统结构复杂而且造价成本 高，难以在实际中应用；半主动悬挂系统具有结构简单、造价成本低和失效导 向安全性好等特点，是改善列车运行平稳性的有效方法。本文将神经网络预测 控制应用于半主动悬挂系统中，来改善车辆运行平稳性，主要做了以下研究： 研究了车辆横向半主动悬挂的多种不同自由度的动力学模型的优缺点，选 取了能够较好地表现车辆运行状态的十七自由度动力学模型作为被控对象模 型，并运用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了其仿真模型。 研究了轨道线路不平顺激扰的数值模拟方法，并模拟出了具有较高精度的 德国高速低干扰线路谱。 通过对采用无摇枕转向架的某高速客车横向半主动悬挂模型的仿真实验， 研究了神经网络预测控制改善车辆运行平稳性的有效性。仿真结果表明，与被 动悬挂相比，运用天棚阻尼控制原理，车体横向加速度的均方根值降低4 0 左 右，加速度峰值降低3 0 一4 0 ，横向平稳性指标降低14 左右。 通过对不同速度下的车辆横向半主动悬挂模型的仿真实验，研究了神经网 络预测控制方法的鲁棒性。仿真结果表明，随着车辆运行速度的提高，被动悬 挂和半主动悬挂的平稳性指标都有所增大，但是控制后的车辆运行平稳性指标 依然能比被动悬挂的车辆运行平稳性降低1 4 15 。这表明神经网络预测控 制方法的鲁棒性是较强的。 关键词：半主动悬挂；轨道不平顺；b p 神经网络；预测控制 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a bs t r a c t i nt h eh i g hs p e e dt r a i n ，t h et r a i nl a t e r a lr i d eq u a l i t y g r e a t l ya f f e c t st h es a f e t yo ft h et r a i n o p e r a t i o na n d t h ep a s s e n g e r sr i d ec o m f o r t ，a n dh o wt oi m p r o v et h et r a i nl a t e r a lr i d eq u a l i t yi s as e r i o u sp r o b l e m t h et r a i nv e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e mi sd i v i d e di n t oa c t i v es u s p e n s i o n s y s t e ma n dp a s s i v es u s p e n s i o ns y s t e m ，a n ds e m i - a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mi sas p e c i a lf o r m o fa c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m w h e nt h et r a i ni sr u n n i n g ，t h ep a r a m e t e r so ft h ep a s s i v e s u s p e n s i o ns y s t e mc a nn o tb ea d j u s t e d ，t h u st h et r a i nl a t e r a lr i d eq u a l i t yt u r n sw o r s e ；t h e p a r a m e t e r so ft h ea c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mc a nb ea d j u s t e dt i m e l y , b u tt h ec o s to ft h ea c t i v e s u s p e n s i o ni ss oe x p e n s i v et h a ti tc o u l dn o tb eu s e di nt h er e a l i t y ；t h ec o s to ft h es e m i a c t i v e s u s p e n s i o ns y s t e mi sc h e a p ，s oi ti sa ne f f e c t i v ew a y t oi m p r o v et h et r a i nl a t e r a lr i d eq u a l i t y t h i sp a p e ra p p l i e sn e u r a ln e t w o r ks e m i - a c t i v es u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e mt oi m p r o v et h e t r a i nl a t e r a lr i d eq u a l i t y t h i si st h ei m p o r t a n tc o n t e n to ft h i sp a p e r r e s e a r c ho nt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h el a t e r a ls e m i - a c t i v es u s p e n s i o n d y n a m i c sm o d e li nd i f f e r e n td e g r e e so ff r e e d o mo ft h et r a i n ，a n ds e l e c tt h e 17d e g r e e so f f r e e d o mw h i c hc a r lb e t t e rs h o wt h em o d eo ft h er u n n i n gt r a i na st h ec o n t r o l l e do b j e c tm o d e l t h e n ，u s et h em a t l a b t ob u i l di t ss i m u l i n km o d e l r e s e a r c ho nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft r a c ki r r e g u l a r i t y ，a n ds i m u l a t et h eg e r m a n h i g hs p e e d 1 0 wi n t e r f e r e n c et r a c ks p e c t r u mw i t hp r e c i s i o n d u r i n gt h es i m u l a t i o no ft h es e c o n d a r y l a t e r a ls u s p e n s i o n sf o rt h eh i g hs p e e dp a s s e n g e r v e h i c l ew i t hn o - b o l s t e rb o g i e ，t h ee f f e c t i v eu s i n gn e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i v ec o n t r o lt o i m p r o v et h er i d ec o m f o r ta r es t u d i e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a t ，c o m p a r e dt ot h e p a s s i v es u s p e n s i o ns y s t e m ，u s i n gs k y h o o kd a m p i n g ，t h er m sv a l u e so fl a t e r a la c c e l e r a t i o n c a rb o d yc a l lb er e d u c e da b o u t4 0 ，m a x i m u mv a l u e so fl a t e r a la c c e l e r a t i o nc a nb er e d u c e d 3 0 t o4 0 ，t h er i d ec o m f o r ti n d e xc a nb er e d u c e da b o u t14 s ot h en e u r a ln e t w o r k p r e d i c t i v ec o n t r o lu s i n g i nt h es e m i - a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mi se f f e c t i v e d u r i n gt h es i m u l a t i o no ft h es e c o n d a r y l a t e r a ls u s p e n s i o n sf o r t h eh i g hs p e e dp a s s e n g e r v e h i c l ew i t hn o - b o l s t e rb o g i eo nd i f f e r e n ts p e e d ，t h er o b u s to fn e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i v e c o n t r o la r es t u d i e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a t ，w i t ht h ei n c r e a s e ds p e e d ，t h er i d e c o m f o r ti n d e xo fb o t hp a s s i v es u s p e n s i o ns y s t e ma n ds e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e ma r e i n c r e a s e d ，b u tt h er i d ec o m f o r ti n d e xo fs e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e ms t i l lr e d u c e d14 t o 15 s ot h en e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i v ec o n t r o li sr o b u s t t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rh a sp r o v e dt h a ：t - i ti se f f e c t i v eu s i n gn e u r a ln e t w o r k 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1ii 页 p r e d i c t i v ec o n 仃o lt oi m p r o v et l l ef i d ec o m f o r tf o rh i 曲s p e e d 仃a i n k e yw o r d s ：s e m i - a c t i v es u 泐s i o n ；t r a c ki 仃e g u l 撕t y ；b pn e u r mn e r o ；p r 础c t i v e c o n t r o l 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、缩印或扫描等复印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 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 一虢许及 日期： 山知六弓j 签名勘铲。 日期：) 力( 0 【j 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 研究了车辆产生横向振动的原因和车辆横向半主动悬挂的多种自由度模型， 经过比较确定选取车辆横向半主动悬挂十七自由度模型，并利用m a t l a b 软件建立了 车辆横向半主动悬挂十七自由度的s i m u l i n k 模型。 ( 2 ) 研究了轨道线路不平顺的模拟方法，并模拟了德国轨道不平顺的时域图。 ( 3 ) 将神经网络预测控制方法运用到车辆横向半主动悬挂系统中，通过仿真实验 得出车辆运行时的平稳性指标和车体横向加速度均方根值等评价指标。对被动悬挂和 半主动悬挂的仿真结果进行比较，证明了神经网络预测控制算法的有效性和鲁棒性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 孝忽 日期：知9 罗弓f 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 车辆半主动悬挂问题的提出 传统的车辆悬挂采用被动悬挂方式，被动悬挂由弹性元件和阻尼组成，其 刚度和阻尼是在设计过程中确定下来的，在车辆运行过程中一般无法进行调 节，因此具有一定的局限性。首先，由于被动悬挂系统的参数不随线路激扰变 化，使其不能同时很好地满足车辆运行平稳性、稳定性和曲线通过性能对悬挂 参数的要求。其次，由于悬挂参数不能调节，就使得经过最优设计的悬挂只能 对于某一特定激扰条件产生最优响应，一旦激扰或车辆参数发生变化，衰减性 能在一定程度上就会恶化【l ，2 3 j 。 针对被动悬挂的局限性，国外有学者在6 0 年代提出主动悬挂【4 】。主动悬 挂采用有源可控元件组成闭环系统，根据车辆状态和当前激励主动做出反应， 给出适当的控制力，抑制车体振动，使悬挂系统始终处于最佳减振状态。主动 悬挂具有理想的减振性能，但需要成本较高的作动器( 力发生器) ，还要由外 部提供较大的控制能量，同时，主动悬挂结构复杂、造价高，不利于在实际中 应用。 半主动悬挂是l9 7 4 年由美国加州大学戴维斯分校机械工程系 d e k a r n o p p 教授等提出的一种半主动隔振方案在车辆上的实现【5 】，采用无源 但可控的阻尼器，根据预定的阻尼控制规律，及时调节阻尼力。半主动悬挂结 构简单、成本低、不需要能源装置，而且性能接近于主动悬挂，而且当车辆模 型失配或其他情况导致控制器无法工作时，半主动悬挂就转变为被动悬挂，而 主动悬挂无法具有此类功能。因此半主动悬挂有较好的发展前景，但仍需要进 一步研究阻尼控制规律、改善性能。 三种不同类型的悬挂系统1 4 车辆模型如图1 1 所示。图中”、y ，、儿，分 别表示车体位移、构架位移和轮对位移；m ，、m ，、m 。分别表示车体质量、 构架质量和轮对质量；k 。，、k 。分别表示一系横向悬挂刚度和二系横向悬挂刚 度；c 。，表示二系横向阻尼系数；c 。，表示半主动悬挂中的可调二系横向阻尼系 数，它具有一定的可调范围。在实际应用中阻尼可调的半主动悬挂控制又可分 为连续阻尼可调控制和开关阻尼控制，前者通常采用了阻尼连续可调的功能材 料，如电流变液体、磁流变液体等，而后者则通常采用电机控制调节减振器节 流阀阀门开度的大小来实现1 6 。图中的f 是主动悬挂中经过控制器计算后的悬 挂力。在实际应用中采用液压作动式的作动器，它可根据控制信号来产生相应 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 大小的作用力。 y c y w 被动悬挂半主动悬挂主动悬挂 图1 1 三种不同类型悬挂系统结构示意图 1 2 半主动悬挂控制策略的研究 目前半主动悬挂的阻尼控制策略有：天棚阻尼控制、最优控制( 线性二次 型最优、线性二次型高斯控制、撇最优控制) 、非线性自适应控制、预测控制 等。 ( 1 ) 天棚阻尼控制 天棚阻尼( s k y h o o kd a m p e r ) 控制思想是在车身上施加一与车身绝对速度 成正比的阻尼力，是以抑制车身振动为目标的，通过合理的选择有关参数可彻 底消除系统共振现象。d e k a r n o p p 教授在l9 7 4 年提出的半主动控制方案p j 就是采用这一原理进行控制的。但在实际中这种天棚阻尼的效果用半主动元件 是无法完全实现的，而只有那种既能提供能量又能消耗能量的主动元件才能达 到【7 1 。因此在半主动悬挂控制中，按天棚阻尼原理得到的阻尼力实际上是天棚 阻尼力的近似，控制效果也是一种程度上的逼近。因为阻尼力只能由阻尼器在 其相对速度下被动地产生，就是说，阻尼力的方向与相对速度的方向有关，阻 尼力的大小与相对速度的大小和阻尼系数有关，可调的只有阻尼系数，即瞬时 阻尼力大小可调，方向不可控。 传统的减振器受控于相邻质量的相对运动，阻尼力为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 乃= 一c ( 戈一岛) ( 1 1 ) 式中5 c 表示车体振动速度，矗表示构架振动速度。在每个振动时刻，可能 出现( 5 c 一戈。) 0 ，阻尼力与簧上质量 的运动方向一致，这时对簧上质量起到加速作用，阻尼系数越大，加速作用越 大，减振效果越差。为避免这种加速作用，可以采用可控阻尼器在阻尼力与簧 上质量运动方向相同时，让阻尼系数为零，即 乞= r 裴裟3 2 ， 式( 1 2 ) 是被引用最多的半主动控制策略。它也可表示为 c=c萎(文c-一jco)0 x o (13)o)0c 一1 戈( 文一 、1 j 实际上，由于最小阻尼系数不可能做到零，不施加控制时阻尼器依然有由 于节流面积的限制所存在的基本阻尼力和由于接触摩擦力以及气体阻尼力组 成的附加阻尼力，综合起来即最小阻尼力。因此有 c _ 芸装描x o 0 4 ) ic 幽x l x 一) s 按天棚阻尼原理产生的阻尼力的大小与车体绝对速度成正比，即 乞= 一c 加戈 ( 1 - 5 ) 但在半主动控制中，阻尼力只是天棚阻尼的近似，在减振器的相对速度方 向与车体的绝对速度方向相反时，关断阻尼器。 只d = 一c ( 戈一岛) c = 9 呦 文( 爻一畚) 0 、w ( 1 6 ) 0 戈( 克一南) 0 由以上各式可以看出，天棚阻尼控制的阻尼力是根据速度信号的相位进行 快速切换的，虽然控制量的给出是十分简单的，但属于开关型的阻尼控制策略。 由于阻尼器处于高速开关工作状态，对阻尼器的频率响应有较高的要求 6 j 。 ( 2 ) 最优控制 实际上半主动悬挂控制系统是双线性系统，要获得一定条件下的最优控制 并不容易，现有的处理双线性系统的控制方法都难以适用于半主动悬挂控制系 统 4 , 8 , 9 1 ，同时，连续性控制规律要通过求解r i c a t t i 方程才能得到，这是不利于 实时控制的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 y i 1 ) 状态反馈最优控制 状态反馈最优控制即线性最优控制，它是以系统理想模型为基础，采用被 控对象的状态响应与控制量的加权二次型作为性能指标，在保证受控结构动态 稳定性的条件下，把( 线性二次型) 调节控制器理论和( 线性二次高斯型) 控 制理论应用于车辆半主动悬挂系统中实现最优控制。 对系统戈= f ( x ，u ，t ) ，最优控制问题就是选择适当的控制规律“( f ) ，使下面 的指标函数最小。 7 一 ( 五) = x ( 丁) ，丁】+ i l ( x ，u ，t ) d t ( 1 - 7 ) ，u 式中斜x ( 丁) ，t 】代表了对终端条件的要求，i ：( x ，“，f ) 出代表了对整个变化过程的 要求。对车辆半主动悬挂系统实施状态反馈的优点是能够让阻尼力反映出某些 状态参数，达到在一定条件下特定的控制效果；缺点是需要对涉及的状态参数 进行实时监测或在线进行参数估计，难以运用于实际 1 0 】。 2 ) h o o 最优控制 h o o 最优控制是在保证系统稳定的条件下，设计控制器使系统在干扰噪声 下的输出取极小值的一种最优控制，可使车辆半主动悬挂系统的振动控制具有 较强的鲁棒性。 文献 11 ，1 2 采用h o o 方法，将车辆半主动悬挂系统的控制问题变成线性系 统的抗干扰控制问题。利用频域整形及抗干扰设计等手段设计控制器，给出连 续控制率，期望在3 - 6h z 的范围内有效地衰减振动。该方法的缺点是假设系统 的状态处在一定范围内。 3 ) 统计最优控制 统计最优控制是最优控制中的一种特例，它不对系统瞬间振动特性做出反 应，而是根据一段时间内控制目标的统计值，采用逐步寻优的迭代式控制方法 或基于神经网络的自适应控制方法对阻尼力加以控制。显然，这是连续性阻尼 控制方案，有的地方把该控制策略称为慢调节半主动控制。从对线路激扰、车 辆结构参数、车速变化的适应能力的角度看，可以把这种控制方法的悬挂系统 成为自适应悬挂，视其为介于被动悬挂和半主动悬挂之间的一种方案。 文献 13 】以车体加速度和悬挂动行程的方差为控制目标函数，根据线性系 统模型确定出的车体加速度响应方差与路面激励特征系数的关系，以及最优阻 尼控制规律曲线，在线估计路面激励特征系数，进而确定最优阻尼，由于采用 线性模型，导出的最优阻尼曲线对于非线性模型存在模型误差，所以只适于垂 向线性模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 文献 1 4 以车体加速度的均方根值为目标函数，采用梯度原理进行在线步 进式寻优控制方法调节阻尼；控制量计算简单，能满足实时要求，但在线确定 最优步长有困难。 ( 3 ) 自适应控制 自适应控制的特点是，在系统数学模型不确定的情况下，求解控制规律， 使给定的性能指标达到并保持最优。要实现这样的控制，要求在运行过程中不 断地认识被控对象的状态、参数或性能，根据预定的性能指标做出决策，自动 改变控制器的参数、结构或控制作用。由于车辆悬挂系统含有众多的不确定性 因素和非线性环节，常规的定参数反馈控制很难达到预期的控制效果，采用自 适应控制方法解决半主动悬挂这样的非线性系统，能达到更好的效果【l5 1 。 自适应控制一般分为模型参考自适应控制和自校正控制二种类型。 模型参考自适应控制需要一个参考模型，用系统的实际动态响应与参考模 型动态响应之间的误差来修改控制器参数，使误差趋于零。由于车辆悬挂系统 的工作空间覆盖了各种线路激扰、车辆结构和运行速度等参数，要获得一个这 样的参考模型几乎是不可能的，况且这些因素都在变化，因此很难使用这种方 法。 自校正控制基于控制对象数学模型的在线辨识，在此基础上给出控制力， 使给定的性能指标最优( 或次优) ，相当于在线求解最优控制律，本质上它是 解决系统模型不确定时最优控制问题的延伸。这里辨识的是被控对象的动态模 型，是局部的，可以用于实时控制。 文献 16 根据悬架设计中乘坐舒适性与行驶安全性相互矛盾的特点，提出 了以控制信号零阶保持时间宽度作为自校正参数的控制策略。 文献 17 】提出了对汽车半主动悬架应用自适应模糊控制的方法，其中对自 适应模糊控制方法作了一些调整，从而使算法更简捷有效，在一定程度上弥补 了自适应模糊控制算法的复杂性所带来的弊端。理论分析和m a t l a b 仿真计 算表明，自适应模糊控制半主动悬架具有良好的性能。 ( 4 ) 智能控制 智能控制是现代控制理论中的重要分支，对于具有复杂性、非线性、时变 性、不确定性的系统有较好的控制性能。近年来，模糊理论和神经网络的快速 发展为人们提供了解决具有不确定性因素的复杂非线性系统问题的有效工具。 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 1 8 , 1 9 是模糊逻辑在控制领域的应用，它最大的 特点是把控制知识表示成语言变量的控制规则，再用这些规则去控制系统，适 用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制。它避开问题的数学模型，对 人们关于某个控制问题成功或失败的经验进行加工，总结出知识，从中提炼出 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 控制规则，用一系列的模糊条件语句构造系统的模糊语言变量模型，应用模糊 推理方法，可以得到适合要求的控制量。因此模糊控制器是一种语言变量的控 制器。 基于人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a n n ) 的控制是将神经网络 所具有的非线性映射能力、自适应能力、自学习能力、鲁棒性和容错能力，应 用于控制领域，使控制系统具有智能化。它同样不依赖于系统的数学模型，而 是根据系统的输入输出信息，辨识模型、设计控制器。 预测控制又称模型预测控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ，m p c ) 是2 0 世纪 8 0 年代初开始发展起来的一种新型计算机控制算法。该算法采用多步预测、 滚动优化和反馈校正等控制策略，因而具有控制效果好、鲁棒性强、对模型精 确性要求不高的优点。 文献2 0 把模糊控制与神经网络控制结合起来，研究了简谐激励下的单自 由度模型，效果较好，但需要对随机激扰的多自由度模型进行进一步研究。 文献 2l 】应用了广义预测控制( g p c ) 研究了美国六级线路激扰下的三自 由度和十七自由度模型，它通过三自由度模型来设计控制器，利用十七自由度 模型进行仿真实验。实验结果表明三自由度模型取得了优异的效果，十七自由 度模型也有明显的提高，证明了广义预测控制( g p c ) 对车辆横向半主动悬挂 控制是有效的。 本文将神经网络所具有的非线性映射能力、自适应能力、自学习能力、鲁 棒性和容错能力应用到传统预测控制中。神经网络预测控制是针对列车车辆这 类复杂的受控系统，采用神经网络辨识模型与传统预测控制算法相结合构成的 一类智能型预测控制系统。它弥补了传统预测控制算法精度不高、仅适用于线 性系统、缺乏自学习和自组织功能、鲁棒性不强的缺陷。这些算法可以处理非 线性、多目标、约束条件等异常情况。 1 3 车辆半主动控制效果的评定 众所周知，我们在乘坐列车时，多多少少会感到列车车辆的振动。而当列 车车辆的振动幅度和振动频率达到何值时会对人体产生危害，这是一个值得研 究的问题。 i s o ( 国际标准化组织) 在综合大量有关人体振动的研究工作基础上，制订 了国际标准人体承受全身振动的评价指南( i s 0 2 6 31 7 4 ) 。该标准把振动对 人体的影响用疲劳时间丁表示，从维持工作效能、健康和舒适度出发，相应提 出了下列三种限度：工效下降限度( 令人感到疲倦的限度) 、承受限度和舒适 度下降限度。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 当人体连续受到机械振动时，经一段时间后便因疲劳而使工作效能下降。 至于疲劳到何种程度使工作效能下降则取决于众多因素如振动的加速度幅值、 振动的频率等，且因人而异。经过对飞行员和汽车驾驶员大量测试研究表明， 就水平振动而言，人对频率在2h z 以下的振动最敏感；就垂向振动而言，人对 频率在4 8 h z 间的振动最敏感。因此，如果振动频率较低，那么人体对水平振 动的敏感性大于对垂直振动的敏感性；如果振动频率升高，对这一趋势呈相反 状态。由此看出，本文研究的车辆横向半主动悬挂控制，只需使列车车辆横向 振动频率在2h z 以下的振动幅度最小，也就是说，要使列车车辆在低频处的振 动能量最小【l 2 22 | 。 通常，国际上对高速客车半主动悬挂的性能可以采用乘坐舒适度或平稳性 指标评判，也可以采用加速度均方根值评判。根据研究问题的性质的不同，半 主动悬挂控制效果的比较对象应采用被动悬挂的优化设计方案、原型车，按仿 真实验或实车试验方式进行对比，对比指标应选取舒适度、平稳性指标和均方 根值中的一种或几种。下面介绍三种评判指标的计算方法及评价等级。 ( 1 ) 舒适度指标 根据“高速试验列车客车强度及动力学规范( 9 5 j 0 1 m ) ”1 1 1 条，乘坐舒 适度按下式计算【l ，2 】：n = 6 瓜瓦j 万= 再研 ( 1 - 8 ) 式中，为舒适度指标；a 为加速度均方根值；上标、分别为与加权曲 线a 、b ( 参见i s o 2 6 31 标准) 的频率加权值有关的参数；下标x p 9 5 、脚5 、 刁，9 5 表示与测量及统计概率有关，x 、】，、z 分别表示加速度方向( 纵向、横 向、垂向) ；p 表示地板面；9 5 表示分布概率分位点在9 5 。舒适度等级如表 1 1 所示。 表1 1 舒适度等级 ( 2 ) 平稳性指标 用平稳性指标来评价车辆运行性能的方法在国际上获得广泛的应用。 s p e r l i n g 基于大量实验而制定的平稳性指标用于评定车辆本身的运行品质和旅 客乘坐舒适度，运行品质由车辆本身来衡量，而舒适度则还与旅客对振动环境 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 的敏感度有关。用于舒适度评价的平稳性指标w 按下式计算【1 ，2 】： w = 7 0 8 1 舡而 ( 1 9 ) 式中，形为平稳性指标；a 为振动加速度( g ) ；厂为振动频率( 胁) 、，( 厂) 为频 率修正系数。其中f ( f ) 的引入时考虑到人体对各种振动频率的敏感不同，在 常用的频率范围内，横向的f ( f ) 值如下： ，( 厂) = o 8 f 2( f = o 5 5 4 h z ) 6 5 0 f 2 ( f = 5 4 2 6 h z ) ( 1 1 0 ) 1 ( 厂 2 6 h z ) 由于车辆振动实际上是随机的，其加速度和频率都随时间而变，此时需将 振动波形按频率分组，统计每一频率种不同加速度的值，总的平稳性指标按下 式求得： w = ( 彬1 0 + 咧o + + 阿秽) “1 0 ( 1 11 ) s p e r l i n g 乘坐舒适度指标一般分为4 级，但在两等级之间可按要求进一步细 化。根据矿值来评定平稳性的等级见表1 2 。 表1 2 车辆运行平稳性指标与等级 值乘坐舒适度( 对振动感觉) 1 2 2 5 3 3 2 5 3 5 4 刚能感觉 明显感觉 更明显，但无不快 强烈，不正常，但还能忍受 很不正常 极不正常，可厌，烦恼，不能长时忍受 极可厌，长时忍受有害 我国也主要用平稳性指标来评定车辆的运行性能，但对等级作了简化，见 表1 3 。 表1 3 我国车辆运行平稳性指标与等级 ( 3 ) 加速度均方根值( r m s 值) 假设加速度信号为口( f ) ，则在时刻正和互之间的时段内加速度的均方根为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 吼= 击e 2 a 2 ( 伽f ( 1 - 1 2 ) 采用加速度均方根值进行评定具有简单、直观、实时性好的优点，在一定 程度上代表了车辆的乘坐舒适度。 1 4 本文的主要研究工作 本文在总结国内外研究结果的基础上，采用神经网络预测控制方法对车辆 横向半主动悬挂系统进行控制，并做仿真验证了该方法的有效性。本文的主要 研究工作有以下几个方面： ( 1 ) 研究了车辆横向半主动悬挂的多种不同自由度的动力学模型的优缺 点，选取了能够较好地表现车辆运行状态的十七自由度动力学模型作为被控制 对象模型，并运用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了仿真模型。 ( 2 ) 研究了轨道线路不平顺激扰的数值模拟方法，并模拟出了具有较高 的精度德国高速低干扰线路谱。 ( 3 ) 对采用无摇枕转向架的某高速客车横向模型的进行了仿真实验，研 究了神经网络预测控制改善车辆运行平稳性的有效性。 ( 4 ) 对不同速度下的车辆横向模型的进行了仿真实验，研究了神经网络 预测控制方法的鲁棒性。 ( 5 ) 研究了在b p 神经网络对车辆横向半主动悬挂模型辨识过程中，采用 不同b p 网络的隐层神经元数目对辨识精度的影响。 ( 6 ) 研究了采用天棚阻尼控制策略时，车体横向加速度、横向位移和振 动速度之间的变化关系以及对车辆运行平稳性的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 第2 章车辆横向半主动悬挂建模研究 2 1 车辆模型的研究 侧 z 少& 浮 f 沉 、 j 衮 、 、 d h + ，l ， k l h u r - 4 百 0 r 点头 j 疰趾 图2 1 车体振动自由度 列车车辆是具有弹簧悬挂装置的一个多自由度的振动系统。车辆在运行中 会产生复杂的振动现象，振动理论的研究和实践表明，这种复杂的振动是由若 干基本形式的振动组合的结果。若将车体视为支持在弹簧上的刚体，研究车辆 振动时，可以通过车体的重心0 点引3 个互相垂直的坐标轴x 、y 、z ，此时 车体具有6 个独立的运动形式，即沿z 、y 、z 轴3 个方向的直线运动及以莎、 、y 表示的绕工、y 、z 轴3 个回转运动。于是车体在空间的位置完全由6 个自由度的运动系统来描述【i 】，如图2 1 所示。 当车体沿3 个坐标轴及绕3 个坐标轴振动时，分别给予下列名称： ( 1 ) 伸缩振动，即车体沿x 轴方向所作的纵向振动，在某一瞬间，车体 各点的纵向位移相等，车体平行于原有的平衡位置。 ( 2 ) 横移运动，即车体沿y 轴方向所作的横向振动，在某一瞬间，车体 各点的横向位移相等，车体平行于原有的平衡位置。 ( 3 ) 浮沉振动，即车体沿z 轴方向所作的铅垂振动，在某一瞬间，车体 各点的铅垂位移相等，车体平行于原有的平衡位置。 ( 4 ) 侧滚振动，即车体绕x 轴作幅角为矽的回转振动。 ( 5 ) 点头振动，即车体绕y 轴作幅角为的回转振动。 ( 6 ) 摇头振动，即车体绕z 轴座幅角为y 的回转振动。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 在研究车辆振动时，由于车辆的结构形式、弹簧装置参数和装载状态、运 行速度的不同，以及运行在不同结构状态的线路上，所以它们各自出现的主要 振动形式也是不同的。或者说，上述每种振动形式都不一定是单独出现的，车 辆复杂的振动在大多数情况下是上述6 种基本振型按不同组合耦合在一起发 生的。浮沉和点头振动的组合发生在车体的纵向铅垂平面x o z 内而称为垂直振 动；车辆的摇头、侧滚和横移振动的组合发生在水平平面x 和车体横向铅垂 平面y 陇内而称为横向振动；车辆的伸缩振动沿车体纵向产生面称为纵向振 动。 铁道车辆时一个非常复杂的多体系统，一般由一个装在旅客或货物的质量 较大的车体和两台起承载、走行、导向作用的转向架构成。车体与转向架之间， 转向架与轮对之间设计有弹性较大的悬挂装置。悬挂装置在车体与转向架构 架、构架与轮对之间形成弹性约束。轨道上行驶的车辆，由于受轨道高低不平 顺、水平不平顺、方向不平顺、轨距不平顺的激励，以及前后车辆间的相互作 用后，轮对、转向架构架、车体和弹性悬挂装置组成车辆振动系统。为了使研 究问题简化，同时又能较好的反应车辆动力学特性，通常除弹性元件、减振器 外，将车体、构架和轮对等都视其为刚体。每个刚体都存在三个平移( 即伸缩、 横移和沉浮) 运动和三个回转( 即侧滚、点头和摇头) 运动。当轨道的方向不 平顺幅值明显大于轮轨间隙时，将会产生轮缘撞击钢轨的激励的横向运动，轮 对的强迫振动经转向架传至车体，使转向架和车体中产生连续的横移、侧滚和 摇头振动，车体的这三种振动是导致高速车的横向平稳性恶化的主要因素怛3 1 。 为了能够好的反应车辆在轨道上行驶时，车辆实际的横向振动或横向平稳 性情况，本文选取考虑车体和两台转向架构架的横移、侧滚和摇头、四个轮对 的横移和摇头的17 自由度的模型。 2 2 列车横向半主动悬挂模型的建立 现以某型高速客车横向模型进行分析，转向架采用“三无”( 即无摇枕、无 摇动台和无旁承) 结构1 5 , 2 3 , 2 4 ，如图2 2 所示。转向架主要由焊接构架、轮对 轴箱悬挂装置、中央悬挂装置及盘形基础制动装置等组成。轮对轴箱悬挂装置 为钢簧和垂向减振器，并采用转臂式橡胶节点无磨耗定位。中央悬挂装置采用 空气弹簧，空气弹簧设计有节流孔，可提供二系垂向阻尼。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 i tl 未。1 4 z , ：诡卿 - 糕， - 礴。 ，( 套舶两 f a ) 正视图丑) 俯视圈 图2 - 2 车辆横向模型示意图 表2 1 车辆横向振动十七自由度的输入、输出及符号 输入 输出 轨道随机方向不平顺自由度横移侧滚摇头 不平顺信 工y 车体 y 。允 少。 号 水平不平顺构架( i = 1 , 2 ) j ，一九沙“ x 0 轮对( i = 1 4 ) yw i 不考虑 y 埘 现假设列车在直线轨道上运行( 即不考虑所在外轨道的曲率半径和外轨超 高) ，同时略去旋转蠕滑率微小因素的影响，车辆的十七自由度输入输出参数 见表2 1 所示，其微分方程模型 2 3 】如下： 1 轮对( 当= 1 时，i = 1 2 ，当，= 2 时，i = 3 4 ) ( 1 ) 横移运动 m w + 2 k p y y w i 一均+ ( 一1 ) 2 + + 丸一岛 + 岛+ ( 一1 ) 慨】 + 2 厶2 ( 等一y 州) + 少谢= ( b + r o x o ) ( 2 ) 摇头运动 厶+ 2 d 弓 靠( 少衍一) + ( 沙谢一) 】+ 2 石。( 等y 谢+ 等) ， ” ( 2 2 ) 一= 2 f , l 竽( b + ) 0 2 转向架构架( i = 1 2 ) ( 1 ) 横移运动 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 m 弗一2 勤( y w ( 2 “) 一坛+ 纯一厶) + ( 2 h ) 一九+ 巩九 一杪f f ) + 玉汤( y 以2 f ) 一+ + 己) + c 匆( 夕似2 f ) 一九+ 巩纯 + 眈f ) ) + 2 玉匆 y t i y c + 厶k ，+ 纯+ ( 一1 ) 2 乞】+ c 弗一夕c + 三0 ，死+ 五k 九+ ( 一1 ) 之眈 ) = 0 ( 2 ) 侧滚运动 厶谚f + 2 厶汤( y w ( 2 f 1 ) 一虼+ 一厶) + c 匆( 夕w ( 2 f 一1 ) 一九+ 巩，唬 一吮) + 易以2 f ) 一虼+ + ) + ( 夕似2 f ) 一或+ 九+ 唬) 】 + 2 ， b 虼一儿+ ，+ 纯+ ( 一1 ) 2 乞虬】+ g y 九一九+ 爿名f 纯+ 厶k 识+ ( 一1 ) 。l c v , ) + 4 d 2 w ( k 肛缈t i + c 胆( o t i ) + 2 d f f 厶( 一亿) + q ( 唬一晚) 卜k ( 纯一) = 0 ( 3 ) 摇头运动 厶蛾一2 l , k p y ( 少w ( 2 f 1 ) 一y a + 仍f 一己沙盯) + c 匆( 夕w ( 2 f 一1 ) 一九+ _ 棚吆 一f f 比) 卜 k ( 少以2 f ) 一虼+ + 厶) 一c ( 夕w ( 2 f ) 一九+ 纯+ 厶沙f f ) ) + 2 d w 2 k y f f y w ( 2 i - 1 ) + i s r t 一沙w ( 2 f 1 ) + 尺0 一￥w ( 2 i ) + c 蹦 沙玎一i k c w ( 2 i ) ) 一2 d 2 厶( 一y f f ) + c 0 ( 沙c 一眈) 】= 0 3 车体 ， ( 1 ) 横移运动 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) m c 萝c 一2 u k s y ( y n y c + h be 9 t 、+ h b 9 c l 即i + c 渺0 多 l 一萝c + h b t 审d + 么晚一乞杪c ) + 【玉匆( 只2 一y c + 三，够2 + 三k 纯+ 乞虬) + c ( 夕，2 一丸+ ( 2 6 ) 月名，办2 + 厶k 识+ 乞l 比) 】) = 0 ( 2 ) 侧滚运动 二饩+ 2 厶 厶匆( 乃1 一y c + h b ，仍l + 厶仍一乞) + c ( 见1 一见+ 月名，唬1 + 晚一乏眈) + b ( y t 2 一儿+ ，仍2 + 如纯+ 之虬) + c ( 见2 一儿 f ，7 、 + 五k ，办l + 厶k 识+ 乞眈) 一2 露 k 乏( 仍l 一亿) + c 乏( 谚1 一晚) + 五( 仍2 一眈) + c 乏( 勿2 一识) 】+ 五 ( 纯一仍1 ) + ( 纯一仍2 ) = 0 ( 3 ) 摇头运动 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 j 巴印c 一2 l c 通k s y ( y t i y c 七hb t 9 n + h c b 9 c l j + c 黟( 多n 一萝c + hb t 审n + 亿一乞眈) 】一 b ( 乃2 一儿+ 玩，仍2 + 仍+ 乞) + 岛( 只2 一 ( 2 8 ) 见+ ，谚l + 晚+ 乞眈) 】 + 2 彰 砭( 虬一1 ) + q ( 眈一眈1 ) + ( y 。一2 ) + q ( 沙。一眈2 ) = 0 利用式( 2 1 ) 至式( 2 8 ) 表示的车体横向悬挂十七自由度的动力学微分 方程，建立轮对、构架和车体的s i m u l i n k 仿真模块。如轮对横移运动的微 分方程模块如图2