高速列车横向半主动悬挂开闭环优化控制研究

针对高速列车变速行驶时,轨道空域平稳随机不平顺信号会被拉压为时域不平稳信号,而传统半主动控制方法阻尼器响应快速性不能满足要求问题,提出开闭环优化控制算法,结合在MATLAB/SIMULINK中建立的高速列车17自由度横向振动模型仿真分析,分别从时、频域分析开闭环优化控制对车辆运行平稳性影响。结果表明,开闭环优化控制可提高列车运行横向平稳性,车体横向振动加速度在人体敏感0.1~2 Hz频率范围内也有一定改善。     

不同频率轨道激励下列车横向半主动控制研究

轨道不平顺激扰是影响高速列车横向振动最常见和最主要的因素,而目前对不同频率轨道激励下车辆横向振动以及其半主动悬挂控制算法实现的研究甚少。基于此,建立高速列车17自由度车辆横向振动仿真模型,运用经验模态分解基于频域采样的三角级数法模拟的轨道谱信号,并重构得到不同频率的轨道激励,对不同频率轨道激励下车辆横向振动和横向半主动悬挂天棚阻尼控制算法进行研究。研究结果表明,影响车辆横向振动的轨道谱信号主要集中在0～10 Hz;在270 km/h的运行速度下,当天棚阻尼控制算法的比例系数k取7.5～8.5时,车辆横向平稳性得到较大改善,可为轨道谱优化与改进以及天棚阻尼控制算法实现提供理论指导。     

磁流变阻尼器座椅悬架的LMS自适应控制研究

为了提高磁流变座椅悬架控制系统的实时性、高效性、简洁性,减小车辆座椅悬架的振动,选用LMS自适应控制算法,将阻尼器的模型与控制算法相结合,并增加道路谱下的实验验证.先对座椅用磁流变阻尼器进行阻尼特性试验,并在此基础上建立阻尼器的双曲正切模型,建立简化的座椅悬架单自由度系统模型,在阻尼器模型的基础上设计了适合磁流变阻尼器座椅悬架的LMS自适应控制算法,并在道路谱下进行了仿真与实验.结果表明,采用LMS自适应控制后的磁流变阻尼器半主动悬架系统相对于被动悬架,仿真时座椅加权加速度均方根值减小35.7%,实验时座椅加权加速度均方根值减小32.8%,算法可有效抑制悬架振动,且控制过程简单,具有较好的实际应用价值.     

高速车辆横向减振器模糊天棚半主动控制研究

为了研究减少高速列车运行中车体横向振动,利用ADAMS/Rail与Matlab建立了联合仿真高速列车车辆动力学模型,并利用开关型天棚控制算法和连续型天棚控制算法对高速列车车辆横向减振器进行了半主动控制仿真研究.结果表明：开关型天棚控制算法简单实用,但控制效果逊于连续型天棚控制算法,还有可能发生颤振;连续型天棚控制算法控制效果好,但对系统的实时性和减振器结构的要求较高.针对这2种控制器的优缺点,同样基于上述模型,结合模糊理论和天棚速度阻尼控制,开发了一种新的控制方法,经研究表明,该控制方法具有很好的控制效果,并能弥补上述2种方法的不足.     

多自由度系统振动控制仿真和实验

对于复杂的多自由度系统的振动控制，耦合问题是一个难点。分析分析了对多自由度系统采用多个单输入单输出的控制方法的条件，即控制线性系统的一组广义坐标来达到控制整个系统的目的。应用这种理论，对一个两自由度系统进行了实验研究，并采用六组独立的LMS自适应算法，对一种特殊的六自由度结构——立方Stewart平台——进行振动控制过程仿真，实验和仿真效果均把原振动减小了90％以上。     

多自由度车辆模型半主动悬架模糊控制

考虑到发动机、座椅及乘客等多种因素影响，建立了多自由度车辆模型，并利用RD-1005型可调阻尼器及其阻尼力滞回特性，设计了车辆半主动悬架振动模糊自适应控制系统。模糊控制器以车体振动位移误差及其变化率为输入，用重心法进行模糊推理可调阻尼力，运用龙格一库塔法计算出阻尼器活塞杆的位移。利用MATLAB对模型系统进行了计算机仿真研究，并侧重实现了输出阻尼力的自适应控制算法。仿真结果证实了程序的正确性和理论的可行性，对实际车辆半主动悬架系统的设计有一定参考价值。     

未知非线性系统的神经网络建模与控制仿真研究

针对一类未知非线性系统的建模与控制问题，采用基于神经网络的多步预测控制算法进行了仿真研究，仿真对象选取控制工程界常用的单摆试验装置．该算法的实现步骤为：获取系统开环试验数据；辨识神经网络正向动态模型；设计非线性优化控制律．仿真研究结果表明，所提出的建模与控制方法是有效的．     

高速列车悬挂系统连续混合控制策略的设计与仿真分析

在传统开关型半主动控制方法的基础上,提出了一种线性连续型天棚-加速度阻尼(skyhook-acceleration driven damping,SH-ADD)控制算法,用于提高半主动悬架在中高频区域内的控制效果。以国内某型高速动车组列车为原型,建立了两自由度1/4车横向动力学模型,用于设计改进的线性连续型SH-ADD半主动控制策略。以乘坐舒适性为控制目标,分别采用单频谐波激励和宽频轨道不平顺激励进行仿真,对不同控制策略作用下的系统振动特性进行对比分析。采用整车模型对控制算法进行了舒适度验证。研究结果表明:相比改进前的控制策略,新型半主动控制策略在高频范围内的振动控制效果更好。     

基于构架状态测量的轨道车辆车体横向振动估计

针对轨道车辆实际线路运行中振动状态的测量问题，提出了一种根据滑模理论算法设计的滑模观测器，利用可测振动数据对车辆振动状态实时估计的方法。建立简化轨道车辆横向动力学模型，基于该简化横向模型设计出具有鲁棒性的滑模观测器，通过实时测量构架的横移速度及摇头角速度，估计其横向振动位移以及车体横向振动状态。为了验证该观测器的有效性，利用SIMPACK动力学软件建立具有54自由度的某型国内高速列车整车仿真模型，通过动力学计算对其实际运行过程进行仿真，利用该方法得到的车体振动状态估计值与仿真结果进行对比。结果表明直线工况下车体的横向振动速度和位移通过观测器估计精度较高，而曲线上车体横向振动速度精度能满足要求，研究表明了所提出的滑模观测器的科学性与可行性。     

基于梯形区间软约束的多目标优化预测控制算法研究

针对多变量控制系统在受到干扰时,自由度低、鲁棒性差的缺点,在三角区间软约束控制算法的基础上,提出一种基于梯形区间软约束的多目标预测控制算法。首先在容忍区间外设置梯形区间,使控制过程分为两个部分,以减小控制初期瞬态偏差对系统造成的影响;为了缓解工业过程中各控制目标相互耦合的问题,构建两个目标函数,并用迭代算法对ε-约束法进行改进,优化目标函数,以减小目标函数的求解误差,实现对多入多出系统的协调控制。通过对壳牌公司的重油分馏塔模型仿真实验,将三角区间软约束控制算法与该算法进行对比,结果表明该算法具有较好的鲁棒性和快速性。     

Simulation-based optimisation of logistics distribution system for an assembly line with path constraints

The design of logistics distribution system for an assembly line with given layout is usually constrained by various factors such as the vehicles for the distribution of assembly components and the paths on the shop floor for the vehicle movement. Since design optimisation of these production systems with such constraints is hard to solve by mathematic approaches, simulation-based approach is mostly used. In this paper, simulation-based analysis and optimisation of a logistic distribution system is performed combined with a heuristic algorithm to obtain a solution that most suits the practical requirements of an assembly line. The proposed simulation-based method builds a model that satisfied various complicated real-world problems at the work site of an investigated factory. Meanwhile, a dynamic dispatching method for vehicle movement is also presented which can adjust the control strategy and decision parameters dynamically in the process of simulation and contributes significantly to form a more fruitful design scheme. Experimental results show that proposed method performs better than the analytical model-based approach and some other methods, and the dynamic vehicle dispatching method presented performs better than some existing common strategies used in literature.     

整车悬架的最优模糊半主动控制

以配置四个磁流变阻尼器的整车悬架为控制对象,提出顶层最优控制与底层模糊控制相结合的最优模糊控制思想。首先由整车悬架随机最优控制获得4对期望的控制力,再通过模糊控制器使各磁流变阻尼器的反力逼近这4对控制力,从而实现对整车悬架的振动半主动控制。仿真研究表明,最优模糊控制的控制效果明显优于现有的开关最优控制,特别是对簧载质量的垂直加速度、俯仰角加速度以及悬架动挠度抑制效果明显,可不同程度改善车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。     

基于剪切式磁流变减振器的车辆侧倾与平顺性协调控制

车辆转向时,由于普通磁流变减振器在低速下无法提供较大的阻尼力,难以有效对车辆进行侧倾控制,针对此问题,设计了一种具有低速大阻尼特性的剪切式磁流变减振器,以提升车辆的抗侧倾性能。对剪切式磁流变减振器的结构和磁场进行设计,并建立剪切式磁流变减振器阻尼力模型;通过Simulink仿真得到该减振器的输出特性曲线,并建立磁流变减振器多项式数学模型;建立车辆六自由度转向-侧倾动力学模型,基于限幅最优控制设计车辆侧倾和平顺性协调控制器,并运用MATLAB软件对磁流变半主动悬架限幅最优控制双移线工况进行动力学仿真。仿真结果表明:当车辆转弯时,相较于常规模式,抗侧倾模式下车身侧倾角和横向载荷转移率显著减小,同时车身加速度、轮胎动载荷及悬架动挠度等参数有一定的改善。研究表明剪切式磁流变减振器能够有效抑制车辆转弯时的车身侧倾,改善车身姿态,同时使车辆保持良好的平顺性,提升了车辆的弯道通行能力,防止车辆侧翻事故发生。研究结果可为磁流变半主动悬架在车辆侧倾控制中的应用提供理论支持。     

非线性转子-轴承系统的动力学降维分析与试验研究

应用有限元法建立转子-轴承试验系统的非线性动力学模型,采用固定界面模态综合降维法将原高维系统转换为低维少自由度系统,采用Newmark-β法对降维后模型进行求解,在和全自由度模型对比满意的前提下,得出转子系统的三维谱图、分岔图、三维振幅图、轴心轨迹图以及Poincare截面图,并和试验结果进行对比,结果表明本文所建立的动力学模型,较为真实地反映了试验系统的非线性特性,为计算复杂转子-轴承系统的深层次动态设计提供理论依据。     

LTV-MPC自动驾驶汽车路径跟踪算法研究

为解决自动驾驶汽车在时变曲率路径上的跟踪精度和操控稳定性问题,提出一种基于线性时变(LTV)模型的模型预测控制(MPC)算法。分别建立车辆运动学参考模型和动力学参考模型,通过分析期望路径的几何特征获得车辆航向角的前馈参考量,并通过迭代线性化方法推导线性时变的车辆运动参考模型。根据车辆行驶状态设计车辆运动学参考模型/动力学参考模型的自动切换条件,设计并实现基于LTV-MPC的路径跟踪算法。搭建Simulink-CarSim联合仿真平台进行仿真验证。仿真结果证明,相比于传统MPC算法,该文所述的LTV-MPC控制器能够显著提高跟踪精度,且满足不同车速下的操控稳定性要求。     

导引头伺服系统的输出多采样率变结构控制

针对弹体耦合干扰力矩,摩擦力矩及参数扰动对导引头伺服系统跟踪性能的影响,基于输出多采样和区域极点配置技术,研究了导引头伺服系统的输出多采样率变结构控制,给出了确定控制器参数的方法.所设计的控制器能保证闭环系统是有界稳定的,且无需利用系统的状态作为反馈而仅利用输出采样来设计控制器,因而无须伺服机构中安装测速单元,有效节省了机构的体积和重量,有较强的实用性且易于实现.仿真结果表明,所设计的控制器对弹体耦合干扰力矩及系统参数扰动有较强的鲁棒性,且具有较高的跟踪精度,因而在导引头伺服系统这类对体积和质量有严格限制的伺服系统中具有较好的应用前景.     

A simple finite element model for vibration analyses induced by moving vehicles

This study developed a simple finite element method combining the moving wheel element, spring–damper element, lumped mass and rigid link effect to simulate complicated vehicles. The advantages of this vehicle model are (1) the dynamic matrix equation is symmetric, (2) the theory and formulations are very simple and can be added to a standard dynamic finite element codes easily and (3) very complicated vehicle models can be assembled using the proposed elements as simple as the traditional finite element method. The Fryba's solution of a simply supported beam subjected to a moving two‐axle system was analysed to validate this finite element model. For a number of numerical simulations, the two solutions are almost identical, which means that the proposed finite element model of moving vehicles is considerably accurate. Field measurements were also used to validate this vehicle model through a very complicated finite element analysis, which indicates that the current moving vehicle model can be used to simulate complex problem with acceptable accuracy. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于天棚和地棚混合阻尼的高速车辆横向减振器半主动控制

在研究抑制高速轨道车辆横向振动时,传统天棚阻尼控制方法使车体的横向振动降低的同时,却增加了转向架和轮对的横向振动,这样就导致机车高速运行时脱轨的可能性变大,运行安全性降低。针对上述问题,在Adams/Rial中建立了轨道车辆单节拖车的整车模型,利用Matlab/Simulink工具,结合天棚阻尼控制和地棚阻尼控制特点,研究了混合阻尼控制对高速列车横向振动的抑制作用。结果表明,混合天棚阻尼控制综合考虑了高速车辆运行时的舒适性和安全性,使高速车辆具有更好的综合性能。     

滑模极值搜索算法ABS控制及对汽车侧向稳定性补偿

针对ABS控制时路面附着系数复杂多变以及最优滑移率难以准确估计的难点,提出一种基于滑模极值搜索算法的ABS控制,它根据“轮胎制动力-滑移率曲线”的单峰值特性,通过极值搜索算法不断的搜寻曲线的极值点,同时运用滑模变结构控制来快速逼近极值点。针对转弯制动耦合工况,通过引入方向盘转角对控制律进行修正,补偿车辆转弯时的侧向稳定性。在MATLAB/Simulink中建立了整车七自由度模型,对设计的控制器进行了仿真验证。结果表明：直线制动时,所设计的控制器可以快速搜寻到最大制动力和最优滑移率。转弯制动时,考虑了转向修正后制动滑移率有所减小而轮胎侧向力增大,但停车时间并未明显增加,提高了汽车的侧向稳定性;当路面条件改变时,控制器能够自适应路面附着系数的变化。