（光学工程专业论文）机车车辆半主动悬挂控制策略的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着国民经济的快速发展，我国铁路己连续5 次实施提速。但是随着旅 客列车运营速度的不断提高，提速机车已暴露出一些新的动力学性能问题。 而铁道机车车辆运行稳定性、平稳性和曲线通过性能是动力学性能的三个重 要方面，合理的主动悬挂系统设计可以使三方面性能都达到最优。由于半主 动悬挂系统不需要外界能源，消耗能量很少，控制机构简单，运行安全性高， 而且当半主动悬挂系统失效时可以退化成一个被动系统。因此，半主动控制 比主动控制结构更节能，性能更稳定、更安全，是一种比较实用的悬挂形式， 对铁路的进一步提速有着重要的现实意义。 而采用天棚阻尼半主动悬挂控制策略，只考虑车体的平稳性，将其应用 于半主动悬挂机车时，在车体的平稳性得到有效改善的同时，转向架和轮对 的动力学性能变差，这是天棚阻尼半主动悬挂自身存在的弊端。因此，本文 采用最优控制的方法，综合考虑车体平稳性、转向架和轮对的动力学性能， 对半主动悬挂的控制策略进行了系统研究。 首先建立了半主动悬挂机车二自由度的数学模型，并推导出系统的状态 方程；其次，采用线性二次型最优控制方法，把车体的加速度和转向架的加 速度同时作为性能指标，利用m a t l a b 软件编写相关程序，选择合适的q 和r ， 使其性能指标达到最小，并用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具对其进行仿真计算； 然后，为验证该方法在非线性系统中的有效性，利用动力学仿真软件 s i m p a c k ，建立了简单的二自由度被动悬挂模型和采用最优控制的半主动悬挂 模型，并对其进行仿真运算；再次，建立整车的被动悬挂模型和采用天棚阻 尼与最优控制的半主动悬挂模型，将其动力学仿真结果进行对比分析：最后， 建立不替代型半主动悬挂整车模型，即其可控减振器不替代原横向减振器， 并将其与替代模型进行对比。对比仿真结果表明，采用最优控制的半主动悬 挂，可以有效的改善天棚阻尼半主动悬挂自身存在的弊端，在有效改善车体 平稳性的同时，转向架和轮对的动力学性能也不会变差，从而可以在转向架 和轮对的动力学性能不变差的前提下，改善车体的平稳性。 关键词：半主动悬挂；控制策略；机车；最优控制；可控减振器 西南交通大学硕士研究生学位论文第l | 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , c h i n e s er a i l w a yh a sb e e n i n c r e a s e ds p e e df o rf i v ec o n s e c u t i v et i m e s b u tw i t ht h es p e e di n c r e a s i n g ，t h e s p e e d e d - u pl o c o m o t i v e sh a v ee m e r g e di ns o m eh e wp r o b l e m so nd y n a m i c s p e r f o r m a n c e s t a b i l i t y , r i d ec o m f o r ta n dc u r v en e g o t i a t i o na r et h em o s ti m p o r t a n t a s p e c t so fr o l l i n gs t o c kd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n dr e a s o n a b l ea c t i v es u s p e n s i o n c a nm a k et h e mo p t i m a l s e m i - a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mh a sc h e a p e rc o s t ，s i m p l e r s t r u c t i o na n dh i g h e rr u n n i n gs e c u r i t y , s oi ti sm o r es a v i n ge n e r g y , s t a b l ea n ds a f e t h a na c t i v es u s p e n s i o n ，a n di ti sap r a c t i c a ls u s p e n s i o nf o r m , w h i c hh a si m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e h o w e v e r , t h ee x i s t i n gs k y h o o kd a m p e rc o n t r o ls t r a t e g yc o n s i d e r st h er i d e c o m f o r to n l y , s ow h e na p p l y i n gi tt ot h er o l l i n gs t o c kd o m a i n ，i ti m p r o v e st h e v e h i c l er u n n i n gs t a b i l i t y e f f e c t i v e l y , w h i l et h ed y n a n l i cp e r f o r m a n c e so ft h e b o g i ea n dw h e e l s e t sc h a n g et h ed i f f e r e n c e , w h i c hi s t h ed i s a d v a n t a g eo f s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n s o ，t h es e m i - a c t i v es u s p e n s i o nc o n t r o l s t r a t e g y i s i n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l ya n dt h er i d ec o m f o r t ，t h ed y n a m i c sp e r f o r m a n c eo f t h eb o g i e sa n dw h e e l s e t sa r ec o n s i d e r e ds y n t h e t i c a l l yb yu s i n go p t i m a lc o n t r o l m e t h o di nt h i sp a p e r f i r s t l y , a2 d o fm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs e m i a c t i v es u s p e n s i o nl o c o m o t i v ei s s e tu pa n dt h es t a t ee q u a t i o n sa r ed e d u c e d ；s e c o n d l y , t h ea c c e l e r a t i o no fc a r b o d y a n db o g i ea r ec o n s i d e r e da st h ep e r f o r m a n c et a r g e tu s i n gl q rm e t h o d a tt h e s a m et i m e ，s u i t a b l eqa n dra r ec h o s e ni no r d e rt om a k et h et a r g e tm i n i m i z e p r o g r a m m i n gw i t hm a t l a bl a n g u a g e ，a n d t h es i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tw i t h s i m u l i n k ；t h e n ，a2 d o fc o n t r o lm o d e la n dap a s s i v em o d e lw e r es e tu pv i a s i m p a c ki no r d e rt ov a l i d a t et h ea v a i l a b i t yo ft h i sm e t h o d ，a n dt h ec a l c u l a t i o ni s d o n ea sw e l l ；i na d d i t i o n ，t w oc o n t r o lm o d e l sa n da p a s s i v em o d e l w i t ht h ew h o l e l o c o m o t i v ew e r es e tu pv i as i m p a c k ，a n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so ft h e m w e r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ；l a s t l y , a n o t h e rc o n t r o lm o d e lw a ss e tu p ，w h i c ht h e c o n t r o l l a b l ed a m p e r sd i d n tr e p l a c et h ef o r m e ro n e s ，a n dt h es i m u l a t i o n sw e r e c o m p a r e dw i t ht h ef o r m e r t h ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt 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 mb a s e do n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 o p t i m a lc o n t r o lc a l li m p r o v et h ed i s a d v a n t a g ee f f e c t i v e l y w h i l ei ti m p r o v e st h e v e h i c l er u n n i n gs t a b i l i t ye f f e c t i v e l y , t h ed y n a m i c sp e r f o r m a n c e so ft h eb o g i ea n d w h e e l s e t sa r e n tw o r s e t h u st h ee n t i r ev e h i c l ep e r f o r m a n c e sa c h i e v e o p t i m i z a t i o ns y n t h e t i c a l l y g z yw o r d s ：s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ；c o n t r o ls t r a t e g y ；l o c o m o t i v e ；o p t i m a l c o n t r o l ；c o n t r o l l a b l ed a m p e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来，随着我国国民经济的快速发展，铁路行业也取得了很大的进步， 己连续5 次实施提速。但是随着旅客列车的运营速度不断提高，提速机车已 暴露出一些新的动力学性能问题。因此，提高车辆的动力学性能是当今面临 的重要问题之一。 而铁道机车车辆运行安全性、平稳性和曲线通过性能是动力学性能的三 个重要方面，它们由机车车辆悬挂系统参数和轨道系统参数所决定，因此改 善机车车辆的走行品质有两条途径：一是提高线路的等级，二是合理设计机 车车辆的悬挂参数。对新修线路来说，提高线路等级会使造价增加很多，而 对于大部分既有线路来说，轨道参数是一定的，要保证机车车辆的运行品质， 在很大程度上取决于机车车辆系统悬挂参数的动力学品质。 机车车辆悬挂系统结构和参数，应根据实际应用条件包括车速、曲线半 径、超高以及线路不平顺等，综合考虑机车车辆各方面动力学性能，经过协 调后优化设计。机车车辆悬挂参数的选择对机车车辆动力学性能的三个方面 有着不同的影响，且常常是互不相容的，如果单从提高某一方面性能来考虑， 则在悬挂参数设计时难免顾此失彼。所以说传统的机车车辆悬挂系统设计只 能是一种折衷方案，而不可能使各个方面的机车车辆动力学性能都达到最优。 传统的机车车辆悬挂系统由弹性元件和阻尼元件组成，它们在工作时并 不需要外界输入能量，而只是耗散或暂时存储能量，因而传统的悬挂方式也 称之为被动悬挂。被动悬挂方式虽然能在一定程度上满足机车车辆动力学性 能的要求，但局限性在于其悬挂特性仅与连接悬挂元件的局部相对运动有关， 且其悬挂特性在车辆运行过程中不能随激励的变化而任意进行调整，这就限 制了悬挂性能的提高，也不能适应复杂运营线路，因而限制了铁道车辆动力 学性能的进一步改善。随着铁道车辆运行速度的提高，车辆运行平稳性、安 全性和曲线通过性能这三者之间的矛盾进一步加剧，被动悬挂系统的局限性 也越来越明显。 从七十年代开始兴起的主动悬挂控制技术为进一步改善铁道车辆动力学 性能开辟了新的途径，为铁道车辆动力学性能各个方面日益突出的矛盾提供 了解决的可能，就原理来说，合理的主动悬挂系统设计可以兼顾铁道车辆动 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 力学平稳性、安全性和曲线通过性能，使三方面性能都达到最优【l 】。 主动悬挂系统按控制作用的类型和动力学范围来分类，可分为全主动悬 挂和半主动悬挂。全主动悬挂系统包括外界能源、作动器、测量及传感装置 以及信号反馈放大装置。其主要特点是以主动力发生装置替代或者部分替代 被动悬挂系统中的弹簧和阻尼器。全主动悬挂系统与被动悬挂系统相比有着 不可比拟的优越性，但因其引入了外部动力源，控制难度比较大，并且结构 复杂，造价昂贵，需要外加能源，要消耗大量的外加能源，所以实际应用并不 多。 而半主动悬挂系统包括很少的外界能量、可调阻尼器、测量及传感装置 以及信号反馈放大装置等几部分。半主动控制悬挂系统以可控减振器代替了 主动悬挂中的主动力作动器，通过可控阻尼元件产生连续可调的阻尼力以改 善铁道车辆动力学性能，对于轨道输入或其它激扰的响应是由控制规律支配 的。半主动控制系统被设计为闭环反馈系统，这样，就可以对无源系统的基 本动力学性能做出改变。半主动控制悬挂系统的减振方式、原理与被动悬挂 相似，但是利用半主动控制悬挂可以产生无源悬挂不可能实现的效果。在半 主动控制悬挂系统中，其主动元件( 一般是阻尼器) 的参数在对动力学系统 变量测量的基础上迅速变化。与传统的阻尼器相比，半主动控制悬挂系统中 可调阻尼器的输出力可以通过反馈信号按一定规律调节，是一种主动式阻尼 器，可以采取不同阻尼器的结构来改变其阻尼系数，从而调节阻尼器输出力， 而传统阻尼器的输出力只与局部相对运动速度成一定的比例。同时，由于半 主动控制减振器不需要外界空气压力等动力源【2 】，消耗能量很少，控制机构 简单，运行安全性高，而且当半主动悬挂系统失效时可以退化成一个被动系 统。因此，半主动控制比主动控制结构更节能，性能更稳定、更安全。同时， 研究表吲3 ，4 ，列，铁道车辆采用半主动悬挂方式的控制效果与全主动悬挂方 式的控制效果是接近的。 可见，铁道车辆半主动悬挂旨在以接近被动悬挂的造价和复杂程度来提 供接近全主动悬挂的性能，有着良好的性价比，是一种比较实用的悬挂形式 【6 】，对铁路的进一步提速有着重要的现实意义【7 1 。 1 2 半主动悬架的控制策略 智能悬架系统中，控制算法、传感器技术和执行机构的开发是构成智能 悬架系统的三大组成部分。悬架控制系统的关键和基础，是对悬架系统的控 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 制策略和算法的研究。迄今为止，国内外学者在半主动悬架的控制策略方面 做了大量的工作。而选择合理的控制策略实现减振器阻尼的调节是控制的关 键。目前，应用于车辆半主动悬架控制系统的控制策略有天棚阻尼控制、最 优控制、自适应控制、基于模糊控制和神经网络控制的智能控制等四类控制 策略。 ( 1 ) 天棚阻尼控制 天棚阻尼控制半主动悬挂是1 9 7 4 年由美国加州大学戴维斯分校机械工 程系( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ，d a v i s ，c a l i f ) d e k a m 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，即在车身上施加一个正比于车身绝对速度 的阻尼，采用无源但可控的减振器，根据预定的阻尼控制规律，及时调节阻 尼力【8 】。通过合理选择有关参数，可彻底清除系统共振现象。但由于天棚阻 尼控制的阻尼力都是根据速度信号的相位进行快速切换的，减振器处于高速 开关工作状态，对减振器的频率响应有较高的要求，在半主动控制中可能出 现高频颤振现象( c h a t t e r ) 有损于减振器的寿命和系统的可靠性。从而天棚 阻尼控制只解决了悬架系统的舒适性而没有很好解决操纵稳定性问题。为了 近似实现理想的天棚阻尼，k a m o p p 又提出了“o n o f f ”半主动控制策略。 “o n o f f ”半主动控制策略的主要优点是需要的能量少，需要的能量仅用于改 变阻尼器的“软、硬”设置，作动器消耗振动能量。研究表明，悬架的频响 在高频段与主动悬架较近，在低频段比被动阻尼优越。“o n o f f ”半主动控制 策略所需测试仪器较少，控制算法简单，是目前应用在实际车辆上最多的方 法【9 1 。 ( 2 ) 最优控制 最优控制方法是应用“极大值原理”和“动态规划”等最优性原理，按 照控制对象的动态特性，选择一个容许控制，使得被控对象按照技术要求运 动，并使给定的性能指标达到最优值。通常情况下，目标函数是根据经验确 定的，而最优控制的解也是在极少数的情况下才能得到解析解。根据控制的 目的和方法不同，应用悬架系统的最优控制可分为线性最优控制、h 一最优 控制和最优预见控制等。， 线性最优控制是在系统较为理想的模型基础上，采用受控对象的状态响 应与控制输入的加权二次型作为性能指标，同时在保证受控结构动态稳定的 条件下，将l q ( l i n e a rq u a d r a t i c 线性二次型) 调节器控制理论和l q g ( l i n e a r q u a d r a t i cg a u s s i a a 线性二次高斯型) 控制理论应用于铁道车辆半主动悬架系 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 统实现的最优控制【lo 】。目标函数的权重矩阵的取值反映了不同控制性能之间 的重视程度。正确选择权重系数是悬架控制设计的一个重要问题。 线性最优控制是建立在系统较为理想的模型基础上，采用受控对象的状 态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标，同时保证受控结构在动态稳 定条件下实现最优控制。 h 一最优控制方法是通过设计控制器，在确保闭环系统各回路稳定的条 件下，使相对于干扰的输出取最小的一种最优控制方法。 最优预见控制方法是利用车辆前轮的扰动信息预估路面的干扰输入，将 测量的状态变量反馈给前后控制器实施最优控制。 此外最优控制根据反馈状态可分为全状态反馈、部分状态反馈和输出状 态反馈。全状态反馈要求测试的状态变量多，目前多为理论分析和仿真；部 分状态反馈需要设计不同状态观测器，由于只要测量部分状态，实用性较强。 ( 3 ) 自适应控制 自适应控制是针对具有一定不确定性的系统而设计的，是一种可以自动 检测系统的参数变化，从而时刻保持系统的性能指标为最优。该方法的控制 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。 目前应用于悬架振动控制的自适应控制方法主要有自校正控制和模型参 考自适应控制两种方法。 自校正控制是一种将受控对象参数在线识别与控制器参数整定相结合的 控制方法。该控制策略基于控制对象数学模型的在线辩识，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。文献 1 1 】采用自适应 系统和自校正系统可有效地改善车辆总体性能。文献 1 2 】研究了基于神经网 络自适应控制的半主动悬挂连续阻尼控制策略。 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。该控制策略的 原理是：当外界激励条件和自身参数状态发生变化时，被控对象的振动输出 仍能跟踪所选定的理想参考模型。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是非常 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 困难的，况且这些因素都在变化。文献 1 3 】对半主动悬挂四分之一车模型进 行了理论分析以振动加速度和悬架变形的加权二次型最小为控制性能指标， 进行了线性高斯二次控制器( l q g ) 的设计，并以此作为模型参考自适应控 制系统的参考模型。运用李雅谱诺夫稳定性理论设计了直接模型参考自适应 控制系统。仿真研究表明，该系统能够适应悬架系统参数的变化，跟踪l q g 控制的最优性能，该系统对路面变化和悬架系统参数变化均具有良好的自适 应性和鲁棒性。 ( 4 ) 模糊控制和神经网络控制 模糊逻辑控制即f u z z yl o g i c 的中文意译。1 9 6 5 年，美国的伊朗裔自动 控制理论专家扎德( l a z a d a h ) 在加州大学首先提出了模糊集合( f u z z ys e t ) 的概念【14 】。后来，他又提出模糊语言变量这个重要的模糊逻辑概念，到1 9 7 4 年时，扎德又进行模糊逻辑推理的研究。从此，模糊逻辑成为人们研究的一 个热门课题。 模糊控制技术的最大特点是在各个领域中获得广泛的应用。最早取得应 用成果的是1 9 7 4 年英国伦敦大学教授e h m a m d a n i ，首先利用模糊控制语句 组成的模糊控制器，应用于锅炉和汽轮机的运行控制，在实验室中获得成功。 它不仅把模糊控制理论首先应用于控制，并且充分展示了模糊控制技术的应 用前景。此后，模糊控制在化工、机械、冶金、工业炉窖、水处理、食品生 产等多个领域中得到应用。模糊控制充分显示了在大规模系统、多目标系统、 非线性系统以及无适当传感器可检测的系统中的良好应用效果【l5 1 。 我国模糊控制理论及应用的研究工作是从1 9 7 9 年开始的，大多数是在著 名的高等院校和研究所中进行理论研究，如对模糊控制系统的结构、模糊推 理算法、自学习和自组织模糊控制器，以及模糊控制稳定性问题等的研究， 而其成果主要集中于工业炉窖方面，如退火炉、电弧冶炼炉、水泥窖以及造 纸机的控制等【1 5 】。 模糊控制是自9 0 年代以来被应用在车辆悬架系统中的新型控制方法，其 最大特点是允许控制对象没有精确的数学模型，使用语言变量代替数字变量， 这样在控制过程中就包含有大量人的控制经验和知识，即与人的智能行为相 似，从而提高了理论的可行性。模糊控制器的输入量和输出量均必须有自然 语言的形式描述，而不是以数值形式给出。在日本德岛大学芳村敏夫教授同 时把模糊理论应用于车辆悬架半主动和主动控制系统，基于三质量四自由度 动力学模型，在随机激励作用下，用语言变量表示s m 控制模式，采用模糊 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 推理分别构成半主动和主动控制的模糊控制规则，进行计算机模拟分析来控 制车身的垂直振动和俯仰振动，其结果证实了采用模糊控制方法的有效性 【l 引。日本名古屋大学桥山智训等采用g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m 遗传算法) 设 计车辆悬架半主动系统的模糊控制器，由于它具有自动调整输入变量的组合、 隶属函数的参数和模糊规则数目等学习功能，按k a m o p p 控制模式寻找模糊 控制规则和选择输入变量，计算机模拟结果显示结合g a 的模糊推理方法比常 规方法更加有效。合肥工业大学的方锡邦等人在汽车半主动控制悬架中应用 了模糊控制技术，实验证明了它的振动性能明显优于被动悬架l l ”。 人工神经网络是生物学中脑神经网络的抽象、简化和模拟，是一个由大 量类似于人脑神经元的基本信息处理单元通过广泛连接而构成的高度非线性 超大规模连续时间动力系统，其特点是可学习性和巨量并行性，作为一种并 行分布式处理系统，它具有自动知识获得、联想记忆、自适应性、良好的容 错性和推广能力，故在车辆悬架振动控制中有广泛的应用前景。文献 1 8 1 中 日本农业大学的m o r a n 和n a g a l 把神经网络控制方法用于非线性悬架动力系 统的识别和实施最优控制上，模拟计算结果表明，神经网络控制较线性反馈 控制，系统性能改善了约1 0 。还可以应用神经网络理论设计车辆主动悬架 系统的动力补偿器型控制器【l ”。研究表明用神经网络控制的非线性悬架系 统，比用传统的l o 调节器控制的悬架具有更好的性能。 将自适应控制和模糊控制相结合的自学习模糊控制技术应用于悬架方面 的研究，己经取得了明显的成绩i 2 ，江苏理工大学的陈龙、李德超等人将自 适应模糊控制成功地应用到了四分之一车体悬架( 两自由度) 的控制中，表 明了此方法的优越性。但为了达到更好的控制效果，此控制技术还有待于进 一步的深入探讨，例如，在车体悬架模型自由度数量上有待于增加，控制器 输入量的选择上也有待于进一步尝试与改进。 1 3 国内外半主动悬挂控制研究现状 1 3 1 国外半主动悬挂控制研究现状 铁路领域采用主动控制技术改善机车车辆振动性能的研究始于七十年代 初期，对铁路车辆主动控制技术研究较多的国家是欧洲、美国及日本等 2 ”。 英国和美国是最早开展这方面的研究工作的，日本则是从八十年代才开始进 行主动悬挂的研究，进入九十年代研究内容更加深入。 自七十年代至今，英国、美国、日本及德国等铁路发达国家对主动控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 技术在铁路车辆的推广应用做了大量的理论和实验研究工作，己取得了一些 阶段性成果并且开始实际应用于铁路运输中，如摆式列车在许多国家己经投 入商业运营，采用有源悬挂系统的日本5 0 0 系和7 0 0 系己在新干线开通。主 动控制技术在铁路车辆上的应用是较为广泛的，根据目前的研究情况来看， 研究工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 曲线上安全性和平稳性的研究，即摆式列车的研究； ( 2 ) 直线上平稳性的研究，包括垂向和横向主动悬挂的研究； ( 3 ) 可控径向转向架的研究： ( 4 ) 控制独立车轮的研究。 奔驰公司最新推出的c l 型双门跑车上装备了名为“m e c h a t r o n i e ”悬架 最新技术一主动车身控制( a c t i v eb o d yc o n t r o l ，a b c ) ，使行驶平顺性( 乘坐 舒适性) 技术迈上了一个新台阶，取得了突破性进展【2 2 1 。 1 9 8 8 年，日产公司研制了一种“声纳”式半主动悬架，它可通过声纳装置 预测路面信息，悬架减振器有“柔和”、“适中”和“稳定”三种选择状态。 该悬架被选装在m a x i m a 型轿车上 2 3 1 。 日本开发的5 0 0 系新干线，两头车厢( 1 、1 6 号车厢) 安装主动悬挂系 统，而在安装受电弓的车厢上( 5 、1 3 号车厢) 和绿色车厢( 8 、9 、1 0 号车 厢) 上安装半主动悬挂系统。半主动减振器的衰减力通过3 个高速转换阀的 关闭对设置在油路中的3 个节流孔和高压溢流阀、低压溢流阀进行转换控制， 可得到6 个档次的特性曲线。自1 9 9 6 年2 月至今进行了确认乘坐舒适性及长 期耐久性的运行试验，结果表明：装有半主动悬挂系统的5 0 0 系新干线动车 无论运行在露天或隧道内，都有改善乘坐舒适性的效果。可以确认，这种列 车在3 0 0 k m h 速度运行时的乘坐舒适性与以往2 7 0 k m h 速度运行时的一样或 者更好【2 4 1 。 名为铁路之星r a i ls t a r 的7 0 0 系新干线，采用的是半有源悬挂系统。不 仅在车体发生摇动时需要使减振器向抑制振动的方向动作，在由于轨道的影 响转向架发生振动时，为使振动不向车体传递，也要求横向减振器具有相应 的动力衰减能力。为此，需要测出车辆的横向运动加速度，控制衰减系数可 变的横向减振器的动作，从而提高乘坐舒适性。与5 0 0 系客车一样，本系统 安装于两个头车( 1 号、1 6 号车) 、装有受电弓的车厢( 5 号、1 2 号车) 以及 头等车厢f ”1 。 德国城际摆式列车i c t 的具有主动倾摆系统的舒适型转向架是由埃尔兰 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 根( e r l a g e n ) 的西门子运输系统及其奥地利合作伙伴s i e m e n ss g p 公司共同 开发的一种改进的摆式列车转向架，即s f 6 0 0 型转向架。该转向架与常规转 向架的区别，主要在于采用了3 个与舒适性密切相关的新型部件【2 6 】； ( 1 ) 电机驱动的倾摆系统一它比液压控制系统要简单得多； ( 2 ) 横向主动悬挂系统一它可以在通过曲线时，保持车体与转向架对中， 从而改善了平稳性； ( 3 ) 半主动控制减振器一它可以根据线路状况，调整阻尼大小。 在i c e t 列车上也安装了f i a t 主动液压倾摆系统，转向架上设有主动横 向悬挂装置，即使当列车以大的横向加速度通过曲线时，也能使车体在转向 架上保持对中，确保更高的乘坐舒适度【2 ”。 1 3 2 国内半主动悬挂控制研究现状 文献 2 8 1 研究具有参数不确定性的铁道车辆主动悬挂系统的鲁棒稳定性 及鲁棒性能问题。应用方法进行了鲁棒控制器设计，利用数值模拟方法进 行了仿真，并利用滚动振动试验台进行了整车试验验证。结果表明，控制器 能明显改善悬挂系统鲁棒性能。 文献d 2 研究了开关型阻尼控制规律和基于神经网络自适应控制的半主 动悬挂连续阻尼控制策略，通过对采用无摇枕转向架的高速客车悬挂系统横 向模型的仿真实验，研究了半主动阻尼控制改善车辆运行平稳性的有效性。 结果数据表明，与阻尼最优的被动悬挂相比，采用连续型阻尼控制策略，车 体横向加速度响应的均方根值能降低2 0 2 5 ，加速度最大值能降低4 0 5 0 ， 横向平稳性指标降低约1 0 1 5 。 文献 2 9 】建立了1 7 自由度的横向主动悬挂计算模型，对该计算模型的主 动悬挂与被动悬挂车辆动力学性能作了详尽的对比分析。对试验模型的计算 与试验研究表明，被动悬挂相比：平稳性指标评价降低2 5 ，二系悬挂行程 和轮轨动作用力分别降低1 5 和2 0 左右；同时还设计制作了四自由度八分 之一比例的半车横向主动悬挂试验模型，针对试验模型采用l q r 与l o g 控 制方法作了大量的理论与试验对比研究。对试验模型的计算与试验研究表明， 主动悬挂方式能有效衰减振动，尤其是共振点处的振动。 文献【2 1 建立了s s 8 型机车主动悬挂仿真模型并做了仿真计算。研究表 明，与被动悬挂系统相比，全主动悬挂可以有效降低车体横向振动加速度， 车体横向加速度峰值降低6 0 以上。在不改变机车车辆其它参数的情况下， 采用全主动悬挂系统可以使原设计最高时速为1 6 0 k m h 的s s 8 型机车的速度 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 提高到2 0 0 k m h ，而且在此速度下保持机车动力学性能不变差。铁道科学研 究院机车车辆研究所研究员姚建伟等对铁道机车车辆半主动控制减振器进行 了模糊控制理论研究和产品研制，完成了半主动控制减振器的理论分析、仿 真计算、作动器研制、示功图和阻尼特性试验、控制策略的研究、控制器软 硬件的研制等工作。半主动控制减振器环行线装车试验结果表明，更换二系 横向半主动控制减振器和二系横向减振器原方案相比，车体横向振动加速度 1 4 0 k m h 直线工况时，最大值降低5 5 5 ，最大平均值降低3 6 4 ，1 6 0 k m h 曲线( 8 1 4 3 2 ) 工况时，最大值降低3 7 5 ，最大平均值降低2 7 8 ，1 8 0 k m h 曲线( 8 1 4 3 2 ) 工况时，最大值降低1 6 7 ，最大平均值降低3 4 。试验结 果表明，更换二系横向半主动减振器可以保证机车运行安全性和平稳性，各 项指标符合评定标准的要求【3 0 】。 清华大学丁问司博士后针对国内的实际情况，研究了我国高速列车横向 半主动悬挂系统控制策略、高速开关阀控制的横向半主动减振器垆3 1 o 我国在铁路领域，机车与客车的悬挂系统采用半主动控制的研究开始较 晚，高校等研究单位多注重控制方面的理论研究，有了一些理论研究成果， 但还不够成熟。实验研究刚刚起步，还处于实验室研究阶段，而且大部分试 验的试验模型还是半车模型。目前西南交通大学对车辆主动倾摆系统讲行了 模型试验3 3 】。对主动悬挂系统的工程应用还需要做大量的工作。 1 4 机车车辆半主动悬挂系统研究的必要性 一般说来，随着运行速度的提高，机车车辆各质量部件的振动会加剧。为 了同时满足提速与乘坐舒适度的要求，可以采用振动控制技术。 传统的机车车辆悬挂系统由弹性元件和阻尼元件组成，这些元件工作时 不需要外界提供能源，仅仅是消耗或暂时储存系统内部的能量，是一种被动 工作方式，因而称之为被动悬挂。被动悬挂在衰减振动时不需要外界能源的 输入，因此，被动悬挂也被称为无源悬挂。无源悬挂的悬挂特性在机车车辆 运行过程中不能进行调节，其局限性主要表现在两个方面【2 j ： ( 1 ) 悬挂参数不能随激扰的变化而任意进行调节； ( 2 ) 悬挂元件仅对局部的相对运动做被动响应，且受到悬挂静挠度与系 统固有频率的平方成反比的约束，大大限制了悬挂参数的取值范围，也限制 了悬挂性能的提高。因而欠缺适应复杂线路的能力，限制了机车车辆动力学 性能的进一步改善。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 主动控制悬挂系统可以提供更好的性能。主动控制悬挂是指在既有的机 械系统中添加传感器、控制器和作动器。主动悬挂系统按控制作用的类型和 动力学范围来分类，可分为全主动控制悬挂和半主动控制悬挂。全主动悬挂系 统的主要特点是以主动力发生装置替代或者部分替代被动悬挂系统中的弹簧 和阻尼器。全主动悬挂系统与被动悬挂系统相比有着不可比拟的优越性，但 因其引入了外部动力源，控制难度比较大，并且结构复杂，造价昂贵，需要 外加能源，所以实际应用并不多。 半主动控制悬挂系统与全主动控制悬挂系统有所不同，它包括很少的外 界能量。其减振方式、原理与被动悬挂相似。从控制角度看，被动悬挂属于 开环系统，而半主动控制悬挂属于闭环反馈控制系统。半主动控制悬挂系统 对于轨道输入或其它激扰的响应是由控制规律支配的。半主动控制系统被设 计为闭环反馈系统，这样就可以对无源系统的基本动力学性能做出改变。利 用半主动控制悬挂可以产生无源悬挂不可能实现的效果。与传统的阻尼器相 比，半主动控制悬挂系统中可调阻尼器的输出力可以通过反馈信号按一定规 律调节，是一种主动式阻尼器，可以采取不同阻尼器的结构来改变其阻尼系 数，从而调节阻尼器输出力，而传统阻尼器的输出力只与局部相对运动速度 成一定的比例。 半主动控制悬挂系统具有适合铁道机车车辆的下列特剧2 】： ( 1 ) 半主动控制悬挂系统对空气动力振动和轨道不平顺引起的普通振 动都有衰减效果，也能减少车体的共振； ( 2 ) 半主动控制悬挂系统不需要外界大量动力源，与主动悬挂系统相 比具有优越的稳定性； ( 3 ) 半主动控制悬挂系统与主动悬挂系统相比，结构简单、紧凑。 与被动悬挂和全主动悬挂相比，半主动控制悬挂有更多优点：半主动控制 悬挂几乎不消耗能量，控制机构简单，运行安全性高，而且几乎可以达到全 主动悬挂相似的控制效果。所以，半主动控制悬挂系统的特点及我国铁路发 展的现状，决定了采用半主动悬挂系统是我国目前高速列车悬挂系统发展的 最佳形式，具有良好的应用前景。 1 5 本文研究内容及构成 国外对机车车辆半主动悬挂技术的研究己经有很多年了，而且最近几年 已经有很多产品投入了商业运营，可以说此项技术在一些铁路技术发达的国 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 家己经逐渐趋于成熟。 而这一技术在我国还刚刚处于起步阶段，有了一些理论研究成果，但还 不够成熟，在工程实际中应用还需做大量的工作，而且工作的难度很大。本 文对半主动悬挂控制策略做了系统的研究，为以后半主动悬挂在铁道车辆的 试验和应用分析提供参考而做前期的理论研究是有必要的。 本文研究的主要内容有： ( 1 ) 先建立1 4 车体二自由度的半主动悬挂的数学模型，并且推导该系 统的数学模型和状态方程 ( 2 ) 采用线性二次型最优控制方法，对半主动悬挂控制策略进行了改进。 不象采用天棚阻尼的半主动控制策略，只考虑车体的平稳性。本文综合考虑 车体平稳性、转向架和轮对的动力学性能，把车体的加速度和转向架的加速 度同时作为性能指标，这是本文的创新点。通过用m a t l a b 软件编写程序，选 择合适的o 和r ，使其性能指标达到最小 ( 3 ) 利用控制系统软件s i m u l i n k ，对采用天棚阻尼与最优控制的半主动 悬挂和被动悬挂的二自由度模型进行仿真计算 ( 4 ) 为验证该方法的有效性，先利用动力学仿真软件s i m p a c k 建立一个 简单的二自由度被动悬挂和采用最优控制的半主动悬挂模型，比较分析控制 前后的仿真结果 ( 5 ) 然后建立整车的被动悬挂、采用天棚阻尼的半主动悬挂和采用最优 控制的替代与不替代两个半主动悬挂模型，并对其结果进行对比分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第2 章机车车辆的半主动悬挂 机车车辆主动悬挂技术是一门交叉应用学科，它涉及机车车辆动力学、 控制理论、振动理论、计算机液压伺服技术等。本章首先结合单自由度的主 动悬挂模型，阐述主动悬挂的基本概念及原理，然后结合现代控制理论讨论 机车车辆半主动悬挂系统的控制原理，最后介绍其在m a t l a b 中的应用。 2 1 机车车辆半主动悬挂的基本概念及原理 2 1 1 主动悬挂的基本概念 传统的机车车辆悬挂系统由弹性元件和阻尼元件组成，这些元件工作时 不消耗动力，仅仅是耗散或暂时储存系统内部能量，是一种被动工作方式， 因而被称为被动悬挂。从能量角度看，主动悬挂与被动悬挂的区别是：主动 悬挂需要外界输入能量，而被动悬挂在衰减振动时并不需要外界能源的输入， 因此，被动悬挂也被称为无源悬挂。从控制角度看，被动悬挂属于开环系统， 而主动悬挂属于闭环反馈控制系统。另外，被动悬挂的悬挂特性在车辆运行 过程中不能进行调节。 主动悬挂是指在既有的机械系统中添加传感器、控制器和作动器。主动 控制悬挂系统对于轨道输入或其它激扰的响应是由控制规律支配的。主动悬 挂系统被设计为闭环反馈系统，这样，就可以对非主动系统基本的动力学性 能做出改变。主动悬挂系统可以提供更好的性能( 例如，在二系悬挂中使用 主动悬挂系统可以使运行品质更好，提高乘坐舒适性；若用于一系，则可以 提高转向架的平稳性而且更有效地通过曲线) ，利用主动悬挂可以产生被动悬 挂不可能实现的效果，其中最主要的三条是： ( 1 ) 悬挂力不仅仅取决于悬挂系统的局部运动； ( 2 ) 利用主动悬挂系统的特性可以向它注入能量，而不是单纯的储存 和消耗； ( 3 ) 用控制系统代替传统的机械机构。 主动悬挂系统按控制作用的类型和动力学范围来分类，可分为全主动悬 挂和半主动悬挂。全主动悬挂系统包括外界能源、作动器、测量及传感装置 以及信号反馈放大装置。典型的全主动悬挂系统结构框图如图2 - l ( a ) 所示。 半主动悬挂系统包括外界能量、可调阻尼器、测量及传感装置以及信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 反馈放大装置等几部分。如图2 1 ( b ) 所示。在半主动悬挂系统中，其被动元 件( 一般是阻尼器) 参数在对动力学系统变量测量的基础上迅速变化。与传 统的阻尼器相比，半主动悬挂系统中可调阻尼器的输出力可以通过反馈信号 按一定规律调节，是一种主动式阻尼器，可以采取不同阻尼器的结构来改变 其阻尼系数，从而调节阻尼器输出力，而传统阻尼器的输出力只与局部相对 运动速度成一定的比例。 b 图2 1 全主动悬挂系统和半主动悬挂系统 2 1 2 全主动悬挂基本原理 建立单自由度的全主动悬挂系统原理示意模型如图2 - 2 所示。模型的测 量值为质量块绝对加速度量，该加速度可由质量块上的加速度传感器测出， 通过对绝对加速度的积分可以得到质量块的绝对速度量和绝对位移x 。图中孝 为基础激励，埘为质量块质量，七为弹簧刚度。 x 图2 2 全主动悬挂系统原理示意模型 模型的动力学方程为： m = 七( 工一d + ( 2 - 1 ) 十上上 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 式中：厂为作动器的控制力。 将式( 2 1 ) 在全零初始状态下进行拉氏变换有： ( m 8 2 + 后) x 0 ) 一f ( s ) = 鹭o )( 2 - 2 ) 式中x ( s ) ，f ( s ) ，善( s ) 分别为x ，孝，f 的拉氏变换。 ( 1 ) 未控制，即，0 ) = o ，质量块的响应为： x o ( s ) 2i 矗( 2 - 3 ) ( 2 ) 按质量块位移控制，即 只= 一矽0 ) x 0 )( 2 - 4 ) 式中：形0 ) 为传感器、控制器与作动器之间的传递函数。 将式( 2 4 ) 代入式( 2 2 ) 后整理得 器=丽1x 矧s ) (2-5)o( s ) l + 盟”7 、7 一，珊2 + 七 若