高速列车半主动悬挂系统控制方法的研究

论文摘要

列车悬挂控制系统的减振效果直接影响列车运行的平稳性和旅客乘坐的舒适度。对高速列车悬挂控制系统进行优化设计,是衰减列车横向振动、提高列车横向平稳性的有效方法,对我国高速列车的发展有着重要的现实意义。高速列车半主动悬挂系统结构简单、功耗较低、可控性强、安全性高,目前已经成为高速列车车辆悬挂控制领域研究的热点之一。本文结合高速列车悬挂系统的动力学特性理论和智能控制领域的相关方法,对高速列车半主动悬挂控制系统进行了优化设计与仿真研究。具体的工作包括以下几点：(1)研究了列车车辆被动悬挂系统和主动、半主动悬挂系统的原理及其特点,分析了高速列车采用半主动悬挂系统的必要性,并对各种半主动悬挂控制策略进行了研究；(2)分析了轨道不平顺的原因,并基于功率谱密度采样的方法模拟出德国低干扰高速轨道谱,作为仿真运行时高速列车轨道不平顺动态模拟信号；同时结合列车随机振动机理,根据高速列车的微分运动方程,在MATLAB/Simulink环境中建立起十七自由度的高速列车横向半主动悬挂系统的应用仿真模型；(3)针对高速列车悬挂系统模型的复杂性,利用能够反映高速列车横向振动特点的三自由度半车简化模型和阶梯型广义预测控制算法(SGPC)设计出高速列车横向半主动悬挂控制系统,并且依据高速列车舒适度评价体系对控制效果进行了仿真研究。仿真结果表明：基于SGPC控制的高速列车半主动悬挂系统能够有效抑制车体的横向振动。与被动悬挂系统的最优减振状态相比,改善列车的横向平稳性18%左右；并且大幅衰减了车体的横向加速度峰值Amax和均方根值Arms,提高了高速列车的运行品质。同时研究了采用该控制策略后半主动悬挂系统在不同速度下列车的横向平稳性Sperling指标和加速度均方根值的变化情况：随着列车速度的提高,基于SGPC半主动控制的高速列车的横向平稳性指标都会增大,但相比于列车被动悬挂控制系统,仍然能够改善17%左右；车体加速度的均方根值改善明显,验证了该方法具有较好的鲁棒性。本论文的研究工作得到西南交通大学牵引动力国家重点实验室重点项目《机车车辆主动悬挂控制》的支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 列车悬挂控制系统分类
• 1.2.1 列车被动悬挂控制系统
• 1.2.2 列车半主动悬挂控制系统
• 1.2.3 列车全主动悬挂控制系统
• 1.3 列车车辆半主动悬挂控制方式的必要性分析
• 1.4 列车车辆半主动悬挂系统的控制策略
• 1.4.1 天棚阻尼控制
• 1.4.2 线性最优控制
• 1.4.3 自适应控制
• 1.4.4 神经网络控制
• 1.4.5 鲁棒控制
• 1.5 课题的意义和本文的主要研究内容
• 第2章 高速列车横向半主动悬挂系统的建模
• 2.1 列车轨道随机不平顺信号的分析及模拟
• 2.1.1 列车轨道随机不平顺信号的分析
• 2.1.2 列车轨道随机不平顺信号的模拟
• 2.2 列车车辆的随机振动分析
• 2.3 基于动力学方程的高速列车车辆悬挂模型的建立
• 2.3.1 十七自由度高速列车横向悬挂系统模型
• 2.3.2 十七自由度高速列车Simulink模型
• 第3章 阶梯型广义预测控制算法（SGPC）分析
• 3.1 预测控制的基本原理
• 3.2 阶梯型广义预测控制算法
• 3.2.1 阶梯型广义预测控制的提出
• 3.2.2 阶梯型广义预测控制算法分析
• 3.3 SGPC控制算法的参数分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 高速列车半主动悬挂控制系统的优化设计
• 4.1 基于SGPC算法的高速列车悬挂控制系统设计
• 4.1.1 三自由度半车悬挂模型
• 4.1.2 SGPC控制器参数
• 4.1.3 可调阻尼减振器
• 4.2 高速列车半主动悬挂控制的仿真系统
• 4.3 高速列车车辆舒适度评价方法
• 4.4 本章小结
• 第5章 高速列车半主动悬挂控制系统的仿真研究
• 5.1 高速列车半主动悬挂控制系统的仿真
• 5.1.1 列车被动悬挂的仿真分析
• 5.1.2 基于SGPC的列车半主动悬挂仿真分析
• 5.1.3 与其他预测控制方法的对比分析
• 5.2 SGPC控制方法稳定性分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果