（电力系统及其自动化专业论文）机车半主动悬挂控制的满意优化设计与仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s tr a c t b e c a u s eo fr a i l w a yr o l l i n gs t o c ki m p r o v e m e n to fs p e e d , i tm a k e sv i b r a t i o n w h i l eo p e r a t i n gi nt h er a i l w a yw i t hi n c r e a s i n g t h ev i o l e n tv i b r a t i o no fv e h i c l e c a nd a m a g et h ev e h i c l es t r u c t u r e ，e f f o r tb e t w e e nar a i la n dv e h i c l ev i b r a t i o nw i l l a l s oi n f l u e n c et h et r a f f i cs a f e t ya f t e rr e a c h i n gac e r t a i nd e g r e e c o n t r o l i n g v e h i c l ev i b r a t i o nc a nr a i s er o l l i n gs t o c ks p e e da n di m p r o v ei t ss t a t i o n a r i t y i n o r d e rt oi m p r o v er i d ec o m f o r ta n ds t a t i o n a r i t y , o nt h eo n eh a n d ，w ec a ni m p r o v e t h eq u a l i t yo fr a i l w a y ；o nt h eo t h e rh a n d ，w e 伽a l s oi m p r o v et h ec a p a b i l i t yo f s u s p e n s i o ns y s t e m i tn e e d ss u b s t a n t i v em o n e ya n dr e b u i l d i n gr a i l w a yi sc o m p l e x i t i sd i f f i c u l tt or e b u i l ds o m er a i l w a y si no u rc o u n t r y t h er i d ec o m f o r ta n d s t a t i o n a r i t ya r ei m p r o v e do n l yb ys u s p e n s i o ns y s t e m se f f i c i e n c y i m p r o v i n g c a p a b i l i t yo ft r a i n sb yu s i n gt h eh i g he f f i c i e n c ys u s p e n s i o n si se c o n o m i c a la n d e 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 n sp r o j e c t a sw ek n o w , i ti s i m p o s s i b l et oa d j u s tt h ep a r a m e t e r so ft h ep a s s i v es u s p e n s i o nw h e nt h et r a i ni s r u n n i n ga n di sh a r dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ep a s s i v es u s p e n s i o ni nt h e r i d i n gc o m f o r to ft h e s eh i g hs p e e dt r a i n s t h es e m i - a c t i v es u s p e n s i o n s ，a c t i n ga s t h em o s ta d v a n c e ds u s p e n s i o n s ，c o u l da d j u s tt h er i g i d i t yo rd a m pa c t i v e l ya n d t i m e l yt or e d u c et h ev i b r a t i o na c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o n i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h e a n a l y s i so ft h ep a s s i v es u s p e n s i o n 、a c t i v e s u s p e n s i o n a n ds e m i a c t i v e s u s p e n s i o n ，t h ep a p e r s u m m a r i z e st h a tt h e s e m i - a c t i v es u s p e n s i o ni sb e t t e rf o rt h es u s p e n s i o ns v s t e r no fh i g hs p e e dt r a i n s b e c a u s et h es e m i - a c t i v es u s p e n s i o ns v s t e r ni s l o wi n e n e r g yc o n s u m p t i o n ， s i m p l e i nc o n t r o la n dg o o di ni n e f f e c t i v eg u i d i n gs a f e t y t h es t r a t e g yo f s e m i a c t i v ec o n t r o la n d t h e p r i n c i p l e o f s k y h o o kc o n t r o l w i t hc h i n e s e h i g h s p e e dt r a i nv e h i c l ea r ed e s c r i b e d an e wa n a l y t i cm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do n t h ed y n a m i cs u s p e n s i o nc h a r a c t e r i s t i co fs 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 m ， i s a p p l i e d t o d e s i g n r e f e r e n c e dm o d e la n dm o d e lo ft h es e m i - a c t i v e s u s p e n s i o n t h ef u z z y c o n t r o l l e ri s d e s i g n e da n dp o l i t i cc o n t r o lm o d e lo f s e m i a c t i v es u s p e n s i o ni sb u i l tb yf u z z yc o n t r o l l e rt h e o r y t h es e m i a c t i v e s u s p e n s i o nf u z z yc o n t r o l l e rm o d e li sd e s i g n e db a s e do nt h ei d e a ls k y h o o k 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 s e m i a c t i v es u s p e n s i o nc o n t r o l l e r t h es e m i - a c t i v es u s p e n s i o na n dt h ec o m p u t e r s i m u l a t i o n s b u i l tw i t hm a t l a b d e s i g nm e m b e r s h i pf u n c t i o n sk dc o n t r o lr u l e o ff u z z yc o n t r o l l e rb ys a t i s f a c t o r yo p t i m i z a t i o nt h e o r yt op r o m o t et h ec o n t r o l p e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h es e m i - a c t i v es u s p e n t i o nf u z z yc o n t r o l c o u l dr e d u c et h eb o d y w o r ka c c e l e r a t i o n ，a l l a yw h e e ll o a da n ds t e a d yt h ew a v eo f s u s p e n s i o n d i s t o r t i o n t h ef u z z yc o n t r o l l e rw h i c hd e s i g h e db ys a t i s f a c t o r y o p t i m i z a t i o nt h e o r yc o u l dr e d u c et h eb o d y w o r ka c c e l e r a t i o ni nal a r g e rd e g r e e a n dt h ew a v eo fs u s p e n s i o nd i s t o r t i o nw h e ne n s u r e st h es u s p e n s i o nd i s t o r t i o ni s i na c c e p t a b l ea r e a i ti m p r o v e st h ec a p a b i l i t yo fs u s p e n s i o ns y s t e ma n d d e m o n s t r a t e st h a tt h ec o n t r o lr e s u l ti sb e t t e r k e yw o r d s ：p a s s i v es u s p e n s i o n ： s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n ： a c t i v es u s p e n s i o n ： f u z z yc 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 不保密彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打。一) 学位论文作者签名：挝侈森矿 日期：2 ) & 石2 指导老师签名： 日期：j 卯8 占 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的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 研究了在a d a m s 模板界面下建立机械模型的方法将建立 的模型输出到m a t l a b 中，在s i m u l i n k 环境下建立半主动悬挂模 糊控制模型，其结果表明半主动悬挂控制效果要优于被动悬挂。 2 基于多目标满意优化计算模型采用遗传算法寻优的方式对半 主动悬挂模糊控制进行优化设计，将半主动悬挂模糊控制器的模糊 规则和隶属函数同时优化。优化后的结果表明，该方法实现了对机 车车辆悬挂参数的优化，控制效果更优。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着汽车和飞机制造业的迅速发展，公路和航空运输打破了铁路长期以 来的垄断地位，一些国家的铁路出现了短途运输被公路排挤，长途客运受航 空威胁，货物运输由大型集装箱卡车取代的被动局面。尤其是旅客运输方面， 由于社会生活节奏的加快，人们的时间价值观念进一步增强，对缩短旅行时 间的要求日益迫切，而传统铁路列车运行速度已越来越不能适应市场需求， 通过提高列车行驶速度来提升铁路运输竞争力已追不容缓。列车是一个复杂 的机械系统，外界载荷的作用复杂、多变，致使列车动力学模型的建立、分析、 求解始终是一个难题。轨道不平顺对机车车辆运行品质的影响是不可避免的， 这种固有的影响还会随着列车运行速度的提高而加剧。轨道不平顺所引起 的机车车辆振动对乘坐舒适度的影响很大，因此，必须改善转向架的运行稳 定性和抑制转向架与车体之间的振动传递，提高车辆的稳定性 采取主动或半主动悬挂系统进行控制，是改善机车车辆运行平稳性能的 一条有效途径，因此，悬挂系统的设计成为机车车辆设计中的重点研究课题 一蚓 j o 控制系统的优化控制问题主要指根据系统的动态特征，选择控制规律， 使系统的性能指标更好地满足要求的过程。因此，所谓的优化设计概括的说， 就是根据给定的设计要求和现有的工程技术条件，运用专业理论和优化方法， 综合各方面因素，包括设计要求、性能指标和约束条件等，通过计算机按照 规定的性能指标( 目标函数) ，自动选出最优的设计方案【州。多目标满意优化 方法给出了一种控制系统参数的自寻优方法，在p i d 、m p i d 控制系统、多变 量系统以及滤波器的优化设计中取得了令人满意的优化效果，为控制系统提 供了一种将不同形式的多种性能指标设计与控制器参数优化融合一体的具有 广泛适用性的优化设计方法n n 羽。 1 1 机车车辆悬挂系统的发展及趋势 目前机车车辆悬挂系统可分为被动悬挂、主动悬挂和半主动悬挂三种类 型4 引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 1 机车车辆悬挂系统 1 被动悬挂 一 传统的铁路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 时不消耗外界能源，故称为被动悬挂。这种悬挂系统简单可靠，易于实现， 可以在一定程度上满足机车车辆对动力学性能的要求，但由于被动悬挂的参 数在车辆运行的过程中无法实时调节，难以解决运行线路断面的多样性和悬 挂参数单一性、列车运行速度的不定性与传统悬挂参数的一定性之间的矛盾， 被动悬挂系统的适应性比较差，因而无法适应列车高速运行时对动力学性能 的更高要求。 被动悬挂系统只能根据车体与转向架间的相对速度产生阻尼力，而实际 所需阻力应由速度、位移及加速度多种因素决定，而且被动悬挂系统只能在 一定条件下对机车车辆作衰减振动，难以适应在复杂多变的线路上高速运行 的列车对动力学性能的要求。针对被动悬挂存在的缺陷，6 0 年代提出了机车 车辆的主动悬挂。 2 主动悬挂 在悬挂系统中加入力发生器( 作动器) 的装置称为主动悬挂。主动悬挂系 统由于需安装测量传感装置、作动器及控制装置，会不可避免地提高列车成 本，同时由于列车结构空间的限制，若在极有限的空间中安装作动器，势必 导致列车结构更加复杂，复杂的主动作动器和车辆结构可能影响可靠性并带 来高昂的维护费用。不仅如此，主动悬挂系统无论采用何种形式的作动器， 都将大量消耗外界附加能量。虽然设备及结构的复杂性可通过技术的日益成 熟来解决，成本高昂也可通过大批量生产来解决，但能量消耗过大是主动悬 挂固有的缺陷，唯有通过原理的改进来解决，因而在普及上尚有困难。目前， 主动悬挂主要用于高速列车。 3 半主动悬挂 在悬挂系统中需要输入少量能量的，具有可调阻尼的装置称为半主动悬 挂。它是美国加州大学戴维斯分校机械工程系d e k a m o p p 教授等人于1 9 7 4 年提出来的。半主动悬挂利用可以控制的调节阻尼器，根据预定的阻尼控制 规律，实时调节阻尼力。半主动悬挂的提出晚于主动悬挂，比主动悬挂结构 简单、成本低，而且性能接近于主动悬挂，另外由于不需要专用大功率能源 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 装置，这对各种载运工具来说是一个突出的优点，因而受到重视，具有较好 的发展前景。 7 主动悬挂系统可以提供与减振对象绝对运动速度成正比的阻尼力，因此 半主动悬挂系统中阻尼器的调节原则是使半主动悬挂系统所提供的阻尼力尽 可能接近主动悬挂系统所能提供的阻尼力。若主动悬挂系统所提供的阻尼力 ( 称为理想阻尼力) 为 f i 一- - c i * v s0 - 1 ) 而半主动悬挂系统提供的实际阻尼力为 f a - - c ( v s v u ) ( 卜2 ) 式中c 1 、c 为阻尼系数；v s 、v u 分别为减振对象和基础运动的绝对速度。 调节原则为： 1 ) 如果r 与忍同号，则调节半主动悬挂系统的阻尼系数，使f a f i ； 2 ) 如果r 与而异号，则使励= o ，即 f a f i ，v s o , s v u ) 之0 ( 1 3 ) f a = o ，盼一玩) 4 一 o1o k sc nk s 他 0o ，0、 蔓。一鲣型 啦 0 0 1 m c z 0 o 0 毛 竹 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 3 2 轨道信号分析 a d a m s r a i l 采用的轮轨单元模型是建立在大量的研究成果基础之上， 经过多年的发展，轮轨单元的描述已经从简单的弹性约束和基于接触点处几 何曲率的接触轨迹的计算，发展到通过计算接触体的弹性变形褥到法向力和 接触物体的弹性变形引起接触面变形的模型。轮轨单元已用于机车车辆稳定 性分析，车辆临界速度计算。它采用轮轨的几何轮廓文件和锥度、接触角和 侧滚角参数，用一个常数值表示接触斑刚度，实时动态的计算轮轨几何关系 以及轮轨多点或非多点接触时的机车车辆系统的动态计算。线路不平顺处理 成轮轨接触点的位移输入。由于线路不平顺，轮轨间的相对位置不断变化， 但相对速度并不发生变化哺1 。 车体的垂向加速度是评价机车车辆平顺性的重要指标，另外悬挂弹簧的 动挠度与其限位行程配合不当会增加撞击限位块的概率，使车辆平顺性变坏， 而且车轮与铁轨间的动载荷还会影响到车辆的操纵稳定性，因此，评价机车 车辆运行性能应从垂向加速度、车轮动载荷和悬挂动变形方面来分析。 3 3 模糊逻辑控制策略 模糊逻辑的研究最早始于模糊逻辑数学。经过几十年的发展，模糊控制 理论已经发展成为一个比较完整的体系并在各个领域都取得了成功的应用。 相对于精确逻辑，模糊控制在工程应用上具有如下特点h 1 ： 1 ) 模糊控制是对于给定的系统，很容易处理以及直接增加新的功能，易 于实现控制效果； 2 ) 模糊控制建立在自然语言的基础上，对数据的精确性要求不高。模糊 控制是建立在人类交流的基础上，针对数据不精确性提出的一种方法。系统 的数据主要来自语言描述的知识，而不确定性是语言信息的一个重要特点； 3 ) 模糊控制能充分利用专家信息。相对于神经网络，模糊控制建立在已 经熟悉相关系统的专家知识基础上，能够充分利用现有的专家知识。 3 3 1 悬挂模糊逻辑控制系统设计 模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言的形式和 模糊逻辑的规则推理为理论基础，并采用计算机控制技术构成的一种数字控 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。模糊控制器一般可分为 五个部分m ： 1 ) 模糊控制器。它是各类自动控制系统中的核心部分。由于被控对象的 不同，以及对系统静态、动态特性的要求和所应用的控制规则各异，可以构 成各种类型的控制器。在模糊控制理论中，采用的是基于模糊控制知识和规 则推理的语言型“模糊控制器一，这也是模糊控制系统区别于其它自动控制系 统的特点所在； 2 ) 输入输出接口。模糊控制器通过输入输出接e l 从被控制对象获取数 字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字经过数模转换，将其转变成模拟 信号，然后送给被控对象； 3 ) 执行机构。包括各类交、直流电动机，伺服电动机，步进电动机，气 动调节阀和液压电动机、液压缸； 4 ) 被控对象。它可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个 生产的、自然的、社会的、生物的或其他各种的状态转移过程。这些被控对 象可以是确定的或模糊的、单变量的、滞后或无滞后，也可以是线性的或是 非线性的，定常的或时变的多种情况； 5 ) 传感器。传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号 ( 模拟或数字) 的一类装置。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位， 它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。因此，在选择传感器时，应注 意选择精度高且稳定性好的传感器。 模糊控制器由以下要素组成： 1 ) 规则库，描述如何有效地控制系统的一系列规则： 2 ) 推理机制，推理计算在某时刻哪些规则是相关的，然后决定被控对象 输入： 3 ) 模糊化，模糊化接口只是简单的将输入转化成模糊值，从而使其可以 和规则库中的规则进行比较； 4 ) 解模糊化，解模糊化接i z l 将推理机制所得的结果通过解模糊操作转化 成被控对象的输入。模糊控制器的工作原理可理解为“编码一、“匹配推理一、 “解码 的过程，它完成了对各种控制规则的插值操作，其输出能对阻尼可 调节的半主动悬挂系统进行控制。 模糊控制器的设计主要包括以下几项内容口1 ： 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 2 ) 输入、输出变量的模糊化，把输入、输出的精确量转化为对应语言变 量的模糊集合； 3 ) 模糊推理决策算法的设计，根据模糊控制规则进行模糊推理，决策出 输出模糊量； 钔对输出模糊量进行模糊判决，完成其模糊量到精确量的转化。 模糊控制器结构如图3 _ 4 所示。 f u z z y 控制器 f 。n 7 i f u z z y 一- f u z z y 控 一 f u z z y 。 被控y i l 化 制算法 判决过程 一-一 图3 4 模糊控制器结构图 3 3 2 控制器模糊规则的选取 模糊控制器是模拟人类控制特征的一种语言控制器，它在某种程度上体 现了人的思维方式。但是在客观世界中并没有现成的控制规则，它需要设计 者根据模糊控制器的结构，从大量的观察和实验数据中提取，经过去伪存真、 去粗存精的过程，形成一系列用模糊条件语句描述的语言控制规则。在许多 情况下，模糊控制规则的提取和选择是一个比较复杂的过程，这往往渗透着 设计者的主观思想，而作为设计者本身，则应尽量避免或减弱这种主观因素 的影响。 模糊规则的选择是设计模糊控制器的核心。模糊规则的选择过程可简单 分成三个部分，即选择适当的模糊语言变量，确定各语言变量的隶属函数， 最后建立模糊控制规则。 、 1 ) 模糊语言变量的确定 模糊语言是由语法规则、语言值、语义规则( 也称句法规则) 和论域等几 个主要部分组成。因此，模糊语言变量的确定，包含了根据语法规则生成适 当的模糊语言值，根据语义规则确定语言值的隶属函数以及确定语言变量的 论域等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 2 ) 确定语言值的隶属函数 模糊语言值实际上是一个模糊子集，而语言值最终是通过隶属函数来描 述的。在模糊数学中，常把以实数域r 为论域的模糊集的隶属函数，称为模 糊分布。 在模糊控制中，往往需要建立多个模糊分布。一般情况下，都是几种分 布联合使用。模糊语言子集的隶属函数分布，常用正态分布形式来描述，为 了计算方便，一般选择与正态分布相似的三角形分布。这是考虑到三角形分 布操作简单，且与其它较复杂的隶属函数得出的控制结果差别甚小，故被广 泛应用妇。 3 ) 输入量、输出量的规范化与模糊化 确定输入和输出变量后，根据变量输出幅度来确定误差、误差变化及输 出变量的变化区间，对输入、输出变量进行规范化处理。 尽管模糊控制器中的控制规则是由模糊语言构成的，但经过测量装置( 传 感器) 采样得到的输入量以及执行机构所能接受的输出控制量都应该是明确 的，所以还要进行反模糊化处理h 1 3 3 3 模糊逻辑推理 模糊逻辑推理本质上就是将一个给定输入空间通过模糊逻辑的方法映射 到一个特定输出空间的计算过程。目前模糊推理系统己经成功地应用于自动 控制、数据分类、决策分析、专家系统及计算机视觉系统之中。模糊控制系 统是一个较为广泛的概念，针对不同特点，它又包括模糊规则系统、模糊专 家系统、模糊建模、模糊逻辑控制器、简易模糊系统等具体的工程应用。 对于建立的模糊规则要经过模糊推理才能决策出控制变量的一个模糊子 集。因为它是一个模糊量而不能直接控制被控对象，还需要采取合理的方法 将模糊量转化为精确量。 目前常用的模糊推理合成规则是搿极大一极小一合成规则，设r 表示规 则“x 为a - o y 为b 一表达的模糊关系，则当x 为a 时，按照“极大一极小一 规则进行模糊推理的结论口计算为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 陀化b ) 如k ) ，) 1 b a or - r l 上( 3 - 10 ) j y 模糊推理算法包括z a d e h 推理法、m a m d a n i 推理法、b a l d w i n 推理法等 几种。其中，m a m d a n i 型模糊推理算法采用极小运算规则定义模糊蕴含表达 的模糊关系，例如规则r ： i fx 为a ，t h e n y 为b 表达的模糊关系疋定义为： r , = a x b 工f 灯料 当x 为j ，且模糊关系的合成运算采用“极大一极小一运算时，模糊推 理的结论计算如下： b - a o r 吼型型! 竺! 竺竺) , ( 3 - 1 2 ) 。f y 上丁一 3 3 4 精确化过程 反模糊化的输入是模糊集合，经过模糊推理后所得到的是输出变量一个 范围上的隶属度函数。但在实际使用中，必须要有一个确定的值才能去控制 执行机构。在推理得到的模糊集合中选取一个能最佳代表这个模糊推理结果 可能性的精确值的过程就称为精确化过程( 3 t 称为反模糊化) 。反模糊化可以 采取很多不同的方法，用不同的方法所得到的结果也是不同的。常用的精确 化计算方法有以下三种h 1 ： 1 ) 最大隶属度函数法 最大隶属度函数法简单地选取所有规则推理结果的模糊集合中隶属度最 大的那个元素作为输出。由于该法不考虑输出隶属度函数的形状，只关心其 最大隶属度值处的输出值。因此，难免会丢失许多情息，但突出优点就是计 算简单。在一些控制要求不高的场合，采用最大隶属度函数法是非常方便的。 2 ) 重心法 重心法是选取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理 最终输出值。与最大隶属度法相比较，重心法具有更平滑的输出推理控制。 即对于输入信号的微小变化，其推理的最终输出一般也会发生变化，但这种 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 变化明显比最大隶属度函数法要平滑。 3 ) 面积平分法 面积平分法是计算出将隶属度函数曲线包围面积平分为两部分的某一 点，并取该点为去模糊化的结果。 精确化计算方法的选择与隶属度函数的形状选择、推理方法的选择都是 相关的。最大隶属度函数法对隶属度函数的形状要求不高，面积平分法输出 结果较为平滑，波动较小瞌1 。 3 4 本罩小结 本章介绍了被动悬挂、半主动悬挂和天棚阻尼控制的原理，对机车车辆 的轨道信号作了分析，对模糊逻辑控制原理、流程、控制器的设计及其实现 进行了分步阐述。模糊控制对于研究复杂的被控对象时，尤其是对于那些难 以建立精确数学模型的系统和过程，可以得到令人满意的控制效果。 模糊控制器的设计是模糊控制系统设计的核心，控制器控制规则的获取 和隶属函数的确定是设计模糊控制器的核心问题。控制规则是反映专家以及 操作者的实际控制经验，它是人的智能活动的总结，由于每个人的经验不完 全相同，因此对控制规则的建立没有一个较完整的方法；隶属函数的选择对 控制效果影响也较大，选取不同的隶属函数所得到的控制效果也不相同。因 此，对模糊控制器的控制规则的建立和隶属函数的选择还需要深入地研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 第4 章机车车辆半主动悬挂模糊控制仿真计算 4 1 机车车辆系统集成模型建立 1 转向架模板 用a d a m s r a i l 进行机车车辆的动力学分析，首先在模板建立器中建立转 向架模板，转向架模板的主要角色( m a j o rr o l e ) 设置为运行机构 ( r u n n i n g _ g c a 0 ，主要角色属性决定了模板在车辆模型中的功能，转向架模 板如图4 1 所示。 图4 1转向架模板 2 车体模板 在a d a m s r a i l 模板建立器中创建车体模板。车体模板的主要角色设置 为车体机构( c a r _ b o d y ) ，主要角色属性决定了模板在车辆模型中的功能。车 体模板如图4 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 图4 2车体模板 3 车辆集成模型 首先基于保存在模板库中的模板建立前转向架子系统，再通过修改抗蛇 行阻尼器建立后转向架子系统，然后利用车体模板建立车体子系统，最后将 分散的前、后转向架子系统和车体子系统组装为一个车辆系统集成模型，组 装好的模型如图4 3 所示。 图4 3车辆集成模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 4 2 a d a m s f l m a t l a b 联合仿真 4 2 1 仿真模块建立 1 建立输入输出变量 启动a d a m s v i e w ，先在b u i l d 菜单中建立输入状态变量 p e r t u r b i n g _ f r a m e ，r o a di n 。 自回田囵墨田i 置田墨暇弦 剖 n r = 百巧五正面五忑忑工= _ 一 d e r m - o n 眄= 而i 云品= = 二丑 f n 】- f 一= j p 匾面殛蕊 f 一 旦剧 ! !l兰竺! l! ! ! 型i 图4 4建立输入状态变量 再指定各状态变量为输入变量 l 匝囡暖墨匠四墨墨墨i 冒懋重 型 n 耐l 叫h m i e i _ b c j e i a n p u t 一1 ：a , d a 。i d 卜一1 1 j 一厂一 ；l ! v a i a b q e n ip e l u b i r , g _ i t a m e j 0 a dh 田i d 划【竖l 丝i 型i 图4 5定义输入变量 然后建立输出状态变量：b o d ya c c ，t r a i n _ l o a d s ，p o i n td i s ，最后，指定各状 态变量为输出变量。 2 导出控制参数 加载a d a m s c o n t r o l s 模块，将输入输出变量写入对话框，如图4 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 园四墨盈墨墨叠田墨田墨囝圈离繇型 h 涮r 二i 西= ；再一 c o r a p 诎a g e t 坤e j n t hs _ a n 吨f 斑 a d a m s s d v _ c h o b u 螂d d 利l b r 删n _ t a o a m sh 叫 证三i 一 陌而衍了一 厅面而而了一 再而f f i = 丽i i 旷 彳i ；i 舯rc r = i 茹蒿一 n i i 二；- 一 叵囡塑i 型i 图4 6导出控制参数对话框图 3 将车辆集成模型输出到m a t l a b i 作空间，即建立起仿真的控制对象。 4 2 2 半主动悬挂模糊控制仿真计算 被动悬挂装置的减振器能抑制共振，但阻尼力有时作正功，这使得机车 车辆的振动加剧，基于天棚阻尼的半主动悬挂控制使阻尼力只作负功成为可 能。半主动减振系统在测得阻尼力作负功时，打开控制装置，按一定的控制 策略产生特定的阻尼力，使车辆的振动衰减；当测得阻尼力作正功时，关闭 控制装置，阻尼力消失，从而改善了减振性能。半主动悬挂的控制效果要明 显好于被动悬挂，并接近于主动悬挂。它由系统结构的自身调整来改进系统 性能，当系统的输入改变时，通过调整悬挂参数来改善系统的输出“。 1 模糊控制系统设计 1 ) 确定模糊控制器的输入、输出变量 对于模糊控制器的结构选择，就是确定其输入输出变量。模糊控制器的 结构对整个系统的性能有较大的影响，必须根据被控对象的具体情况，合理 进行选择。本文采用模糊控制器结构中最常见的二维模糊控制结构，即模糊 控制器的输入变量有两个，输出变量只有一个。考虑到测试系统的可实现性， 控制系统参考输入选取车体加速度f 。，测试的输出变量选取车体加速度响应 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 值艺，而误差p 乞一乞以及误差的变化率妾型掣表示模糊控制器 砸v 的两个输入量，分别记为e 和d e ，输出量为h ，“，用来调整半主动悬挂可调 阻尼器的阻尼值，通过改变减振器阻尼力来改善悬挂振动的特性。 2 ) 输入、输出变量的模糊化，把输入、输出的精确量转化为对应语言变 量的模糊集合 对于控制器隶属函数的选择，三角形函数分布计算方便，且和其它较复 杂的隶属函数得出的控制结果差别甚小，故本文采用三角形函数来表示输入 部分和输出部分的隶属函数。将输入( e 和d e ) 、输出( “。) 的模糊子集 舳， n m ，z ，p m ，p b 量化为五个等级，其论域用2 ，1 ，0 ，1 ，2 来表示。其中， n b ，肼，z ，p m ，p b 分别表示负大，负中，零，正中，正大。 确定输入和输出变量后，根据车体质量加速度最大幅值以及可控阻尼力 输出幅度来确定误差、误差变化以及输出变量的变化区间，对输入、输出变 量进行规范化处理。实际变量c ，d e 和“。，与规范化的变量e ，d e 和【厂，有如 下关系： eie | k e 、d eid e k 缸、u cih c k 式中，k 、也、墨表示控制器规范化的比例因子 3 ) 模糊推理决策算法的设计，根据模糊控制规则进行模糊推理，决策出 输出模糊量，并对输出模糊量精确化； 根据文献啪h 捌汹3 总结出机车车辆半主动悬挂模糊控制规则，本文采 用五个模糊集合语言变量，详见表4 1 所示。 表4 - 1 五个模糊集合的模糊控制规则 偏差e 控制量“。 n bn mzp mp b n bn bn mn mzp b 误 差 n mn bn bn mp bp b 变 zn bn bzp bp b 化 率 p mn mn bp mp bp m d e p bn mzp mp mp m 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 由三角形隶属度函数得到各变量不同等级的隶属度值 表4 2 模糊变量e 不同等级的隶属度值 量化等级 隶属度值 2- 1o12 n b10 300o 语 n mo 6o 90 30o 口 z0o 3l0 30 变 量p m 000 30 90 6 p b 0000 31 对于误差变化率d e 和可调阻尼器阻尼值m 。，选择相同的三角形隶属度函 数，故其隶属度值与误差c 对应等级的隶属度值相等。 根据模糊控制规则和隶属度值确定模糊关系，再进行模糊推理。本文 采用m a m d a n i 逻辑推理算法，即采用极小运算规则定义模糊蕴含表达的模糊 关系，模糊关系的合成运算采用“极大一极小一运算规则。经过模糊控制器 计算出阻尼力玑，最后采用面积平分法精确化。 2 半主动悬挂模糊控制设计 图4 7半主动悬挂模糊控制仿真模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 启动m a t l a b ，将a d a m s 空间输出到m a t l a b i 作空间的模块作为模糊 控制对象，以天棚阻尼悬挂模型作为参考模型，其控制图如图4 - 7 所示。 采用半主动悬挂模糊控制后的车体垂向加速度、车轮动载荷和悬挂动变 形与被动悬挂控制效果如以下各图所示。 1 ) 被动悬挂的垂向加速度、车轮动载荷和悬挂动变形如图4 - 8 至图4 - 1 0 所示。 图4 8被动悬挂车体垂向加速度 图4 - 9被动悬挂车轮动载荷 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 图4 - 1 0被动悬挂动变形 半主动悬挂模糊控制的垂向加速度、车轮动载荷和悬挂动变形如图 4 1 1 至图4 - 1 3 所示。 图4 - 1 1 半主动悬挂模糊控制车体垂向加速度 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 图4 - 1 2半主动悬挂模糊控制车轮动载荷 图4 - 1 3 半主动悬挂模糊控制悬挂动变形 车体垂向加速度是最直观的评价指标，垂向加速度越小，则机车车辆的 平顺性( 乘坐舒适性) 就越好。由仿真结果分析可知，被动悬挂车体垂向加 速度响应峰值达到3 2 1 m s 2 ，半主动悬挂模糊控制下其峰值为2 7 6 m s 2 ，降 低1 4 0 2 ；从均方根值方面来看，采用被动悬挂的垂向加速度均方根值为 0 9 6 4m s 2 ，半主动悬挂模糊控制的车体垂向加速度均方根值为0 8 2 7m s 2 ， 降低1 4 2 1 。通过比较可知，半主动悬挂模糊控制后的车体垂向加速度比被 西南交通大学硕士研究生学位论文第加页 动悬挂有一定程度减小。 车轮动载荷影响车轮与轨道的附着效果，与操纵稳定性相关，动载荷变 化小，操纵稳定性越好。反之，车轮产生力的能力就会减弱，操纵稳定性变 差。由结果可知，被动悬挂控制的车轮动载荷差距达到8 9 0 0 n ，半主动悬挂 模糊控制下的差距仅为7 8 4 0n ，降低1 1 9 7 。采用半主动悬挂模糊控制后， 波动幅度减小，操纵稳定性得到了提高。 悬挂动变形既关系着乘坐舒适性也关系着操纵稳定性。悬挂动变形过大， 撞击缓冲块的频率就增大，乘坐舒适性就会下降；悬挂动变形过小，就会向 车体传递更多的冲击，破坏操纵稳定性。被动悬挂控制下的悬挂动变形值在 - - 0 0 1 0 8 m o 0 1 2 m 之间，而采用半主动悬挂模糊控制后的悬挂动变形值在 - - 0 0 11 6 m ，- , 0 0 1 3 3 m 之间。由此可知，悬挂动变形波动相对稳定，保证了操 纵稳定性。 综上所述，与被动悬挂相比，采用半主动悬挂模糊控制后的车体垂向加 速度得到了衰减，提高了乘坐舒适性；从悬挂动变形指标上看，模糊控制后 的半主动悬挂系统的悬挂动变形波动相对稳定，在一定程度上加强了操纵稳 定性；从车轮动载荷指标上看，采用模糊控制降低了车轮动载荷的变化，提 高了操纵稳定性。 因此，采用半主动悬挂模糊控制能够有效改善转向架的运行稳定性和抑 制转向架与车体之间的振动传递，保证机车车辆的运行平稳性，提高了乘坐 舒适性和操纵稳定性。 4 3 本章小结 本章先通过转向架模板和车体模板的建立，创建了机车车辆集成模型， 再在a d a m s v i e w 界面下建立输入输出变量，将a d a m s 空间输出到 m a n a b 工作空间的模块作为模糊控制对象，以天棚阻尼悬挂模型作为参考 模型，对半主动悬挂系统进行了仿真。 模糊控制器的设计是模糊控制系统设计的核心，本章通过模糊控制规则 和模糊变量隶属度值的设计，建立起半主动悬挂系统的基本模糊控制器和以 天棚阻尼控制为参考的仿真模型。仿真结果表明，半主动悬挂模糊控制在车 体加速度、悬挂动变形和车轮动载荷方面的控制效果优于被动悬挂，提高了 乘坐舒适性和操纵稳定性。 被动悬挂装置的减振器能抑制共振，但在阻尼力作正功时，导致车辆振 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 1 页 动加剧，而基于天棚阻尼的半主动控制使阻尼力只作负功成为可能。半主动 悬挂系统在测得阻尼力作负功时，打开控制装置，产生特定的阻尼力，使车 辆的振动衰减；在测得阻尼力作正功时，关闭控制装置，阻尼力消失，从而 改善了减振性能。模糊控制对于研究复杂的被控对象时，尤其是对于那些难 以建立精确数学模型的系统，可以达到理想的控制效果。采用半主动悬挂模 糊控制的方式，结合了两者的优点，可以取得更好的控制效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 第5 章半主动悬挂模糊控制的满意优化 模糊控制系统是由描述控制器动态行为的一组模糊控制规则构成，而控 制规则的获取和隶属函数参数的确定是设计模糊控制器的瓶颈问题。本文在 分析传统的模糊控制器优化方法的基础上，采用多目标满意优化模型设计和 优化模糊控制器的方法，更进一步提高了半主动悬挂系统的性能。 5 1 模糊控制器的优化 模糊控制是应用在机车车辆悬挂系统中的新型控制方法，模糊控制系统 的鲁棒性强，对于非线性、时变、滞后系统的控制效果明显n 朝。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，在控制 过程中包含有大量人的控制经验和知识，即与人的智能行为相似，模仿人的 思维方法，对于一些无法构造数学模型的被控过程进行有效控制，从而提高 了理论的可行性。这些优点使得它应用于在具有随机激励和复杂数学模型的 机车悬挂系统的应用中表现出了极强的优势。但是，模糊控制也是一种处于 发展中的控制方式，其理论和方法还有待完善，因此也存在一定的问题： 1 ) 控制精度尚不够高：模糊控制是一种非