高速列车智能悬挂控制技术研究

论文摘要

铁道车辆的高速运行增加了列车振动幅度,这不仅会损伤车辆结构,而且振动所引发的车轮动载荷变化和加速度效应,弱化了列车运行的安全性和舒适度,同时这种状态随着行车速度的提高而显著增大。因此,控制车辆振动是提高列车运行平稳性的核心技术。为了确保行车安全性和提高乘坐舒适度,一方面可以通过提高线路的质量状况；另一方面则可以通过改善车辆悬挂系统的性能。为此,设计合适的悬挂系统改善车辆的性能,对机车车辆研究具有重要意义。目前,不少研究车辆悬挂装置的方案仍然是在传统的被动结构基础上进行了若干改进,达到了成本控制合理、运用可靠和一些功能提高的效果,但这只仅仅局限于一定的功率范围,超过这一范围效果往往就不行了,同时难以适应高速列车运行时对平稳性的需求。因此高速列车悬挂系统必须根据实时工况能实时调整悬挂系统中的阻尼、刚度以及外加控制力,使其悬挂系统能够达到较好的减振效果。因此,深入开展高速列车智能悬挂的研究具有较高的理论价值和重要的实际意义。本文是在国内外研究机车车辆悬挂系统振动控制现状和发展趋势的基础上,通过对现有被动悬挂、半主动悬挂和主动悬挂系统特点的分析,总结各自的优缺点,设计了一种高速列车智能悬挂装置,以克服现行机车车辆悬挂系统存在的缺陷。在此基础上,进行了如下的研究工作：(1)借鉴人体工学原理,通过对人行走时人体腿部和脚部减振原理,将悬挂系统中加入可控阻尼减振器和受限制可预测的外力,建立车辆智能悬挂系统的仿生动力模型,以满足智能悬挂系统的减振,仿真结果验证了建立在仿生原理基础上的车辆智能悬挂系统动力学模型的有效性。(2)在ADAMS/Rail软件环境下,建立车辆的集成模型,并对其进行静力学和动力学仿真,研究车体质心及转向架质心的垂向加速度、位移、二系悬挂垂向位移、第一轮对的垂向轮轨作用力及脱轨系数,为智能悬挂系统设计提供需要的参数集合。(3)将MATLAB软件与ADAMS/Rail软件相结合,建立了基于模糊集合论的车辆悬挂系统的自适应控制策略。仿真结果表明,与被动悬挂相比,采用智能结构控制的悬挂系统能很好的改善车辆动力学性能,可有效降低车体加速度、减小车轮动载荷,改善高速列车运行的平稳性、乘坐舒适度和行车安全性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 列车悬挂系统
• 1.1.1 列车悬挂系统的分类
• 1.1.2 列车悬挂系统的控制分析
• 1.1.3 高速列车智能悬挂系统
• 1.2 智能悬挂系统的控制策略
• 1.2.1 智能控制理论与技术
• 1.2.2 神经网络控制理论与技术
• 1.2.3 模糊控制理论与技术
• 1.2.4 变结构控制理论与技术
• ∞控制理论'>1.2.5 鲁棒控制与H_∞控制理论
• 1.2.6 自适应逆控制理论
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 智能悬挂研究的必要性
• 1.5 课题研究意义及论文主要内容
• 1.5.1 课题研究意义
• 1.5.2 论文主要研究内容及技术方案
• 2 智能悬挂控制的人体工学原理
• 2.1 仿生学概况
• 2.2 系统建模分析的基本问题
• 2.3 人体行走与列车减振的相似性
• 2.4 智能悬挂的数学模型
• 2.4.1 阻尼可控减振器
• 2.4.2 铁路车辆用磁流变阻尼器的设计
• 2.5 机车车辆悬挂系统性能评价标准
• 2.5.1 机车车辆随机振动
• 2.5.2 悬挂系统性能的评价标准
• 2.6 本章小结
• 3 机车车辆悬挂系统建模
• 3.1 基于ADAMS机车车辆系统的建模
• 3.1.1 ADAMS/Rail软件概述
• 3.1.2 ADAMS/Rail建模基本步骤
• 3.1.3 ADAMS/Rail轨道和车轮属性文件
• 3.2 机车整车模型的建立
• 3.2.1 转向架模板建立
• 3.2.2 车体模板建立
• 3.2.3 整车模型装配
• 3.3 执行预载分析和动态分析
• 3.3.1 预载分析
• 3.3.2 动态分析
• 3.4 本章小结
• 4 机车车辆智能悬挂模糊自适应控制仿真计算
• 4.1 自适应控制及其系统
• 4.1.1 自适应控制的概念
• 4.1.2 功能及特点
• 4.1.3 自适应控制应用于列车悬挂系统
• 4.2 模糊自适应控制
• 4.2.1 性能测量部件设计及控制规则
• 4.2.2 校正量到控制输入校正量的转化
• 4.2.3 控制规则的修改
• 4.3 仿真概述
• 4.4 仿真系统设计
• 4.4.1 建立ADAMS模型输入与输出
• 4.4.2 仿真控制系统建模
• 4.5 仿真计算及结果分析
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果