基于模糊PID控制的列车主动悬架振动控制研究

为了研究高速列车主动悬架系统横向振动控制,将研究对象简化为二自由度1/4车悬挂模型,研究了高速列车车体的横移、侧滚为变量的列车悬挂控制系统,采用德国轨道谱作为列车的激励拟合。算法控制器选择方面,在PID控制和模糊控制的基础上,建立模糊PID控制,并建立了基于模糊PID控制的高速列车主动悬架横向振动控制系统,通过MATLAB仿真生成关系曲线,验证了模糊PID控制算法具有更好的控制效果。     

半主动悬挂系统模糊控制系统设计研究

阐述了我国高速列车横向悬挂采用半主动悬挂控制横向振动问题的必要性.介绍了高速列车横向半主动悬挂控制所采用的模糊控制方法,并进行了模糊控制系统的设计.     

时滞在磁流变主动控制系统中的影响

在分析磁流变阻尼器的时滞特征,时滞对单自由度磁流变控制系统影响基础上,将磁流变阻尼器应用于高速机车系统的振动控制中.从理论角度分析了基于磁流变阻尼器的四分之一机车系统在主动控制下的时滞问题,并进一步探讨了主动控制下时滞对高速机车系统整车悬挂系统的影响.仿真分析了高速机车系统整车模型应用磁流变阻尼器后,在主动控制下的时滞影响.结果表明,能够快速反映的磁流变阻尼器并不能彻底消除控制系统的时滞问题.磁流变主动控制系统在较大时滞的影响下,高速机车振动加剧,安全性受到威胁,甚至失去控制.     

基于MEEMD香农熵-LSSVM的高速列车蛇行失稳诊断方法*

针对列车高速运行时易出现蛇行失稳这一问题,提出了一种改进的集合经验模态分解(Modified Ensemble Empirical Mode Decomposition, MEEMD)香农熵-最小二乘法支持向量机(Least Squares Support Vector Machine, LSSVM)的高速列车蛇行失稳诊断方法。首先通过MEEMD对列车330Km/h～350Km/h时转向架构架的横向振动信号进行分解,得到固有模态函数(Intrinsic Mode Function, IMF),再通过Hilbert变换(HT)分析其时频聚集性,同时提取IMF分量的香农熵特征,最后用LSSVM进行训练和识别。结果表明,转向架蛇行失稳状态下的时频分布的聚集性较正常状态下好,并且MEEMD香农熵-LSSVM方法的识别率和计算耗时优于EEMD-SVM方法,识别率达到96.67%。     

高速转向架小幅蛇行运动状态下过道岔研究

针对高速列车系统在小幅蛇行失稳状态下通过道岔的问题，建立高速转向架横向运动模型，采用国内18号高速道岔结构参数建立道岔不平顺激励模型，计算了转向架在小幅蛇行失稳状态下以不同速度通过道岔的轮对横移量，并与平稳状态下进行对比分析。分析结果表明：小幅蛇行失稳状态下通过道岔与进岔时的蛇行振幅有关。振幅较小时，与平稳状态下过道岔基本一致，安全过岔速度为道岔允许速度。振幅较大时，会在道岔允许通过速度以内出现小幅蛇行发散至标准蛇行失稳的情况，安全过岔速度低于道岔允许时速。建议在过道岔前对小幅蛇行运动的进行在线监测，通过小幅蛇行状态合理设置过道岔速度。     

高速列车振动监测数据的广义维数特征提取

为监测高速列车的运行状态,采用多重分形分析列车振动监测数据,提取一种基于多重分形理论的广义维数谱参数(谱最大值Dmax、谱最大值与最小值之差△D和谱均值-D),以3种广义维数谱参数作为特征量,实现对列车正常状态、空气弹簧失效、抗蛇行减振器失效和横向减振器失效状态的表征.实验结果表明,Dmax、△D和-D均能够表征高速列车的运行状态且具有一定稳定性,为高速列车运行状态的识别提供了一种有效的方法.     

基于Copula函数的列车减振器蜕化率估计

为了准确估计高速列车转向架关键部件的机械磨损程度,提出了一种基于Copula函数的抗蛇行减振器阻尼参数蜕化率估计方法。该方法以高速列车抗蛇行减振器阻尼系数在不同蜕化率下的振动信号为研究对象,经过小波包滤波后,通过泛化高斯分布对各信号的边缘分布进行拟合,并使用Gaussian Copula函数构建不同蜕化率下的信号与车辆正常时信号的联合概率密度函数。提取联合概率密度函数的均值作为特征,并对目标信号的蜕化率进行估计。对某型高速列车转向架抗蛇行减振器不同参数蜕化率的振动信号进行实验,并与真实值进行比较。实验结果表明,在200 km/h速度下,实验误差均在范围内,表明了该方法的有效性。     

基于迭代学习策略的高速机车二系横向主动控制

为实现机车横向平稳性控制,针对机车在固定线路区间往复开行的特点,利用迭代学习策略实现二系悬挂主动控制.以某型高速机车为研究对象,选用一种PD型闭环迭代学习控制器,并通过多目标优化方法编程实现不同轮轨接触状态下车体横向平稳性主动控制参数的自适应调整.基于虚拟激励法,计算该机车线性模型在二系横向悬挂主动控制下的频域平稳性指标,相对于时域仿真计算该方法的计算速度具有明显优势.结果表明:迭代控制参数经5次迭代优化后,车体横向平稳性可快速收敛到稳定值;相较于控制参数固定时,自适应方法能够自动适应机车轮轨接触状态和线路状态且横向性能得到明显改善.此外,考虑到控制系统时滞,该方法在一定时滞范围内仍具有良好控制效果,研究还指出系统时滞应控制在100 ms以内,以防止机车横向动力学性能恶化.     

基于HHT能量和最大Lyapunov指数的蛇行分类方法

现有蛇行监测标准仅考虑构架横向加速度信号的时域幅值信息,通过单一的固定值去评判列车是否蛇行,没有定量反映蛇行失稳对列车的影响程度。针对以上问题,提出基于HHT的能量法,该方法从信号频域主频的大小,频谱的集中性以及频率值等方面来判断高速列车是否发生蛇行运动。在此基础上提出快速蛇行收敛的概念,此类情况对车辆系统运行安全影响较小,因此将其认为是不影响车辆系统安全的信号,并对其进行识别。利用最大Lyapunov指数表征信号的周期性从而区分快速蛇行收敛和蛇行失稳(小幅蛇行和大幅蛇行)。结果表明,通过HHT能量法与最大Lyapunov指数相结合可以对高速列车正常运行、快速蛇行收敛、小幅蛇行和大幅蛇行的四种运行状态进行定性识别,且通过HHT能量值定量反映蛇行程度的大小。最后通过实测线路数据验证了方法的可行性。     

高速列车多目标约束横向半主动控制算法研究

传统的高速列车横向半主动控制研究,主要以提高车体横向运行平稳性为目的;但车体与各部件之间通过二系悬挂与一系悬挂连接传递相互耦合振动作用,因此半主动控制在改善车体横向平稳性的同时,将导致构架横向振动和轮轨横向作用加剧,从而使得列车脱轨系数增大,列车运行安全性能变差;针对这一问题,提出在虚拟惯性阻尼半主动控制和脱轨安全半主动控制的基础上,设计两个控制回路的多目标约束下的混合半主动控制算法,在实现列车横向半主动控制提高平稳性的同时,控制脱轨系数的恶化,从而同时提高列车平稳性和脱轨安全性能;并利用Simpack建立了某型高速列车多刚体动力学模型,联合Matlab/Simulink建立了联合仿真分析系统对车体横向半主动控制进行研究;结果表明:采用多目标约束半主动控制算法后,车体横向振动加速度峰值和均方根值分别降低了36%和34%,平稳性改善了15%,脱轨系数减小了17%;可见采用多目标约束半主动控制算法不仅能够有效抑制车体横向振动,改善列车运行平稳性,而且还能减小列车脱轨系数,提高列车运行安全性。     

列车横向半主动悬挂模糊控制策略研究

针对17自由度列车横向半主动悬挂,提出以横向振动加速度最大值和均方根值作为评价指标,分析了列车横向悬挂模糊控制策略。列车横向半主动悬挂广泛地采用模糊控制调整阻尼值,减少横向振动,提高横向平稳性。因此,利用simulink建立列车横向悬挂模型,设计模糊控制策略直接法和间接法,进行了仿真。仿真结果显示,由于横移和摇头加速度的相互作用,使得前端横向合成加速度大于后端;通过加速度功率谱密度函数值分析对比,直接法综合控制效果好,好于间接法和被动悬挂控制。     

基于车体横移振动的高速列车虚拟复合阻尼天棚控制算法研究

高速列车车体横向随机振动由车体的横移振动、侧滚振动和摇头振动三自由度合成,是影响车体横向运行平稳性的关键;为了改善列车横向运行平稳性,提高半主动控制性能;通过建立某型高速列车动力学模型,对车体横向振动特性进行分析,得出横移振动的加剧是造成车体合成横向振动和横向平稳性恶化的主要原因;通过分析在传统天棚阻尼控制算法下分别以车体合成横向振动为反馈和以横移振动为反馈对车体横向振动的控制效果,得出采用以车体横移振动为反馈的传统天棚阻尼控制算法对车体横向振动的抑制效果更佳;在此基础上,提出一种以车体横移振动为反馈的虚拟复合阻尼天棚控制算法,并进行联合仿真分析;结果表明:相比于被动控制,采用虚拟复合阻尼天棚控制算法后,车体合成横向振动加速度峰值、均方根值和平稳性改善率分别达到了46%、43%和19.5%,均高于采用传统天棚阻尼控制算法;可见,采用虚拟复合阻尼天棚控制算法在抑制车体合成横向振动,改善车体横向平稳性方面控制性能更佳。     

齿轮箱吊杆节点刚度对轴箱内置式高速列车驱动系统动态特性影响研究

为探明齿轮箱吊杆节点刚度对驱动系统悬挂节点力和驱动系统振动加速度的影响规律,以某型轴箱内置式高速动车为研究对象,基于多体动力学理论,建立了考虑驱动系统和齿轮啮合的车辆系统动力学模型,研究了齿轮箱吊杆节点刚度对齿轮箱吊杆节点力、电机吊点力、齿轮箱车轴铰接力、车辆平稳性和驱动系统振动加速度的影响.研究结果表明：由于1、2位驱动系统的齿轮啮合力方向不同,1位驱动系统悬挂节点的垂向力比2位驱动系统悬挂节点的垂向力大.齿轮箱吊杆节点刚度在1~30 MN/m增大时,1位齿轮箱吊杆节点力增大,1位电机吊点力减小,1位齿轮箱车轴铰接纵向力增大、横向力减小;2位齿轮箱吊杆节点力增大,2位电机吊点垂向力增大,纵向力和横向力减小,2位齿轮箱车轴铰接纵向力减小,横向力增大.齿轮箱吊杆节点刚度在30~100MN/m增大时,各悬挂节点力变化不明显.此外,车体的平稳性指标、电机和齿轮箱的振动加速度受齿轮箱吊杆节点刚度变化的影响较小.     

时滞正反馈控制下汽车悬架系统的多目标优化

兼顾时滞正反馈控制下汽车悬架系统的隔振效果和控制力输入,提出设计变量的多目标优化策略。建立时滞正反馈控制下1/4汽车悬架系统的力学模型;分析系统的稳定性,得到反馈增益系数和时滞两参数平面上的稳定性分区图;以反馈增益系数和时滞为设计变量,将车身加速度与控制力幅值的线性加权组合为优化目标,通过粒子群优化算法得到设计变量的最优值。研究结果表明,与无时滞正反馈控制下汽车悬架系统相比,最优时滞正反馈控制下汽车悬架系统的隔振效果显著提升,控制力幅值大幅下降。     

空气弹簧在100%低地板轻轨车上应用可行性分析*

基于多体动力学仿真软件SIMPACK,对某型采用纵向耦合边驱电机转向架的100%低地板轻轨车三模块编组建模,在MATLAB/Simulink中对其中央悬挂部件空气弹簧的主气室、节流孔、附加气室建模.对100%低地板轻轨车运行工况进行设定,通过联合仿真的方式对空气弹簧在100%低地板轻轨车上应用可行性进行分析,得到:1)空气弹簧应用到100%低地板车上后,车辆蛇行失稳临界速度为149km/h,大于设计时速,车辆有较好的运行稳定性.2)车辆运行时,平稳性及最大加速度指标均小于2.5,车辆有较好的运行平稳性.3)车辆通过小半径曲线时,轮重减载率、脱轨系数、轮轴横向力、轮轨横向力指标均小于评判标准限值,车辆有较好的曲线通过能力.4)空气弹簧在通过工况设定的小半径曲线时,各项性能指标均符合该型空气弹簧技术标准,空气弹簧在100%低地板轻轨车上应用可行.     

Synthesis of a high-speed tracked vehicle suspension system--Part II: Definition and solution of the control problem

This two-part paper is concerned with the problem of synthesizing a high-speed vehicle suspension system. In part I [13] a new suspension structure was developed which features three independent parts. All three parts are calculated for a vehicle which travels along a rigid guideway with arbitrary vertical and lateral curves and grades. In this part in developing the system control the use of instantaneous state feedback and the presence of inaccessible states demand the use of Itô-calculus and the Athans matrix minimum principle in order to solve the problems of vibration control synthesis. It is concluded that the application of the principles and methods of advanced dynamics, deterministic and stochastic optimal control theory, and applied mathematics to the problem of synthesizing a high-speed vehicle suspension is successful and results in the identification of a new suspension structure which is proposed as a starting point in the development and design of a high-speed vehicle suspension system. Augmented by a thorough system simulation and hardward tests for verification of all assumptions made and by implementation of the sensor-and actuator-dynamics, the described synthesis procedure will lead to an effective suspension system.     

Active vibration control for nonlinear vehicle suspension with actuator delay via I/O feedback linearization

The problem of nonlinear vibration control for active vehicle suspension systems with actuator delay is considered. Through feedback linearization, the open-loop nonlinearity is eliminated by the feedback nonlinear term. Based on the finite spectrum assignment, the quarter-car suspension system with actuator delay is converted into an equivalent delay-free one. The nonlinear control includes a linear feedback term, a feedforward compensator, and a control memory term, which can be derived from a Riccati equation and a Sylvester equation, so that the effects produced by the road disturbances and the actuator delay are compensated, respectively. A predictor is designed to implement the predictive state in the designed control. Moreover, a reduced-order observer is constructed to solve its physical unrealisability problem. The stability proofs for the zero dynamics and the closed-loop system are provided. Numerical simulations illustrate the effectiveness and the simplicity of the designed control.