CN112765728B - 单轴转向架跨座式单轨车辆的摆振优化控制方法 - Google Patents

单轴转向架跨座式单轨车辆的摆振优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单轴转向架跨座式单轨车辆的摆振优化控制方法，包括步骤：S1.将磁流变阻尼器作为车辆的减振器，并构建车辆摆振优化控制模型；所述车辆摆振优化控制模型包括车体的半主动控制动力学模型、前转向架的半主动控制动力学模型以及后转向架的半主动控制动力学模型；S2.调整车辆摆振优化控制模型中各参数值，使得车辆摆振优化控制模型中车体的横向加速度与横摆角加速度满足设定的目标横向加速度与目标横摆角加速度。本发明的一种单轴转向架跨座式单轨车辆的摆振优化控制方法，能够减小单轴转向架车辆的摆振运动，提升单轴转向架车辆运行的横向稳定性。

Description

单轴转向架跨座式单轨车辆的摆振优化控制方法
技术领域
本发明涉及车辆控制领域，具体涉及一种单轴转向架跨座式单轨车辆的摆振优化控制方法。
背景技术
单轴转向架跨座式单轨车辆在运营过程中，会出现明显的摆振、横向稳定性较低等突出问题。针对单轴转向架车辆的摆振明显问题，目前主要采用半主动控制的方式进行优化处理。
相对主动控制，半主动控制的结构简单，不需要独立的电源为作动器供电，同时半主动控制的减振系统能有效抑制车体的振动。因此，构建单轴转向架半主动控制，是降低单轴转向架车辆摆振的重要途径。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供单轴转向架跨座式单轨车辆的摆振优化控制方法，能够减小单轴转向架车辆的摆振运动，提升单轴转向架车辆运行的横向稳定性。
本发明的单轴转向架跨座式单轨车辆的摆振优化控制方法，包括如下步骤：
S1.将磁流变阻尼器作为车辆的减振器，并构建车辆摆振优化控制模型；所述车辆摆振优化控制模型包括车体的半主动控制动力学模型、前转向架的半主动控制动力学模型以及后转向架的半主动控制动力学模型；
所述车体的半主动控制动力学模型：
Figure BDA0002891935220000021
其中，m11为车体的质量；
Figure BDA0002891935220000022
为车体的垂向加速度；V为车体的速度；
Figure BDA0002891935220000023
为轨道曲线的超高，所述超高为在该轨道曲线路段横断面上设置的外侧高于内侧的单向横坡度；R为轨道曲线的半径；g为重力加速度；K1ijn为二系悬挂的垂向刚度；R1ijn为二系悬挂与磁流变阻尼器的相对位移；C1ijn为二系悬挂的垂向阻尼；
Figure BDA0002891935220000024
为二系悬挂与磁流变阻尼器的相对速度；
Figure BDA0002891935220000025
为车体的横向加速度；K5ijn为二系悬挂的横向刚度；R5ijn为牵引橡胶堆与磁流变阻尼器的相对位移；C5ijn为二系悬挂的横向阻尼；
Figure BDA0002891935220000026
为牵引橡胶堆与磁流变阻尼器的相对速度；K3ijn为导向轮刚度；R3ijn为导向轮与磁流变阻尼器的相对位移；C3ijn为导向轮阻尼；
Figure BDA0002891935220000027
为导向轮与磁流变阻尼器的相对速度；K4ijn为稳定轮刚度；R4ijn为稳定轮与磁流变阻尼器的相对位移；C4ijn为稳定轮阻尼；
Figure BDA0002891935220000028
为稳定轮与磁流变阻尼器的相对速度；i为转向架编号，i＝1表示前转向架，i＝2表示后转向架；j为纵向车轮的编号，j＝1表示前轮，j＝2表示后轮；n为横向车轮的编号，n＝1表示左车轮，n＝2表示右车轮；所述车轮包括走行轮、导向轮以及稳定轮；fDR为磁流变阻尼器的合力；Ix11为车体相对x轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000029
为车体的侧滚角加速度，所述侧滚角为绕x轴转动的夹角；Ly2为左右横向磁流变阻尼器之间横向距离的一半；Lz1为车体质心到二系悬挂所在平面的距离；fmdfm为前转向架的磁流变阻尼器的合力；fmdrm为后转向架的磁流变阻尼器的合力；Ly5为磁流变阻尼器到车体中心的纵向距离；fmdfl为前转向架的左磁流变阻尼力；fmdrl为后转向架的左磁流变阻尼力；fmdfr为前转向架的右磁流变阻尼力；fmdrr为后转向架的右磁流变阻尼力；Iy11为车体相对y轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000031
为车体的俯仰角加速度；Lx1为前后转向架之间的距离；Lx2为稳定轮到车体中心的纵向距离；Iz11为车体相对z轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000032
为车体的横摆角加速度；
前转向架的半主动控制动力学模型：
Figure BDA0002891935220000033
其中，m21为前转向架的质量；
Figure BDA0002891935220000034
为前转向架的垂向加速度；
Figure BDA0002891935220000035
为前转向架对应的单向横坡度；R2ijn为走行轮与磁流变阻尼器的相对位移；
Figure BDA0002891935220000036
为走行轮与磁流变阻尼器的相对速度；
Figure BDA0002891935220000037
为前转向架的横向加速度；Ix21为前转向架相对x轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000038
为前转向架的侧滚角加速度；Ly4为走行轮到前转向架质心的横向距离；Lz2为二系悬挂到前转向架质心的垂向距离；Lz5为前转向架质心到走行轮的垂向距离；F2ytLi为左走行轮的侧偏力；F2ytRi为右走行轮的侧偏力；Iy21为前转向架相对y轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000039
为前转向架侧滚角；Lx3为左右二系悬挂的横向距离一半；Iz21为前转向架相对z轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000041
为前转向架的横摆角加速度；Lx4为导向轮中心到前转向架质心的纵向距离；
后转向架的半主动控制动力学模型：
Figure BDA0002891935220000042
其中，m22为后转向架的质量；
Figure BDA0002891935220000043
为后转向架的垂向加速度；
Figure BDA0002891935220000044
为后转向架对应的单向横坡度；Rrb为后转向架对应的轨道曲线半径；
Figure BDA0002891935220000045
为后转向架的横向加速度；Ix22为后转向架相对x轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000046
为后转向架的侧滚角加速度；Lz3为导向轮到后转向架质心的垂向距离；Lz4为稳定轮到后转向架质心的垂向距离；Iy22为后转向架相对y轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000047
为后转向架的侧滚角加速度；
S2.调整车辆摆振优化控制模型中各参数值，使得车辆摆振优化控制模型中车体的横向加速度与横摆角加速度满足设定的目标横向加速度与目标横摆角加速度。
进一步，步骤S2中，采用自适应模糊神经网络控制算法对所述车辆摆振优化控制模型进行求解。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种单轴转向架跨座式单轨车辆的摆振优化控制方法，通过分析单轴转向架跨座式单轨车辆的实际运行工况，进而构建车辆摆振优化控制模型，并通过自适应控制算法调整车辆摆振优化控制模型中各参数值，使得车体的横向加速度与横摆角加速度满足优化要求，减小了单轴转向架车辆的摆振运动，提升了单轴转向架车辆运行的横向稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的车体与转向架的主视图；
图3为本发明的车体与转向架的侧视图；
图4为本发明的车体横向加速度时域图；
图5为本发明的车体横摆角加速度时域图；
图6为本发明的车体横向加速度频域图；
图7为本发明的车体横摆角加速度频域图；
图8为本发明的摆振性能对比图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
本发明的单轴转向架跨座式单轨车辆的摆振优化控制方法，包括如下步骤：
S1.将磁流变阻尼器作为车辆的减振器，并构建车辆摆振优化控制模型；所述车辆摆振优化控制模型包括车体的半主动控制动力学模型、前转向架的半主动控制动力学模型以及后转向架的半主动控制动力学模型；
所述车体的半主动控制动力学模型：
Figure BDA0002891935220000061
其中，m11为车体的质量；
Figure BDA0002891935220000062
为车体的垂向加速度；V为车体的速度；
Figure BDA0002891935220000063
为轨道曲线的超高，所述曲线为单轨车辆所在的轨道梁线路；所述超高指的是跨座式单轨车辆在轨道曲线上行驶时，受横向力或离心力作用会产生滑移，为抵消车辆在轨道曲线路段上行驶时所产生的离心力，保证列车在满足设计速度的基础上，能安全、稳定地通过轨道曲线，则在该轨道曲线路段横断面上设置的外侧高于内侧的单向横坡度；R为轨道曲线的半径；g为重力加速度；K1ijn为二系悬挂的垂向刚度；R1ijn为二系悬挂与磁流变阻尼器的相对位移；C1ijn为二系悬挂的垂向阻尼；
Figure BDA0002891935220000064
为二系悬挂与磁流变阻尼器的相对速度；
Figure BDA0002891935220000065
为车体的横向加速度；K5ijn为二系悬挂的横向刚度；R5ijn为牵引橡胶堆与磁流变阻尼器的相对位移，所述牵引橡胶堆采用现有技术，在此不再赘述；C5ijn为二系悬挂的横向阻尼；
Figure BDA0002891935220000066
为牵引橡胶堆与磁流变阻尼器的相对速度；K3ijn为导向轮刚度；R3ijn为导向轮与磁流变阻尼器的相对位移；C3ijn为导向轮阻尼；
Figure BDA0002891935220000067
为导向轮与磁流变阻尼器的相对速度；K4ijn为稳定轮刚度；R4ijn为稳定轮与磁流变阻尼器的相对位移；C4ijn为稳定轮阻尼；
Figure BDA0002891935220000068
为稳定轮与磁流变阻尼器的相对速度；i为转向架编号，i＝1表示前转向架，i＝2表示后转向架；j为纵向车轮的编号，j＝1表示前轮，j＝2表示后轮；n为横向车轮的编号，n＝1表示左车轮，n＝2表示右车轮；所述车轮包括走行轮、导向轮以及稳定轮；fDR为磁流变阻尼器的合力；Ix11为车体相对x轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000071
为车体的侧滚角加速度，所述侧滚角为绕x轴转动的夹角；Ly2为左右横向磁流变阻尼器之间横向距离的一半；Lz1为车体质心到二系悬挂所在平面的距离；fmdfm为前转向架的磁流变阻尼器的合力；fmdrm为后转向架的磁流变阻尼器的合力；Ly5为磁流变阻尼器到车体中心的纵向距离；fmdfl为前转向架的左磁流变阻尼力；fmdrl为后转向架的左磁流变阻尼力；fmdfr为前转向架的右磁流变阻尼力；fmdrr为后转向架的右磁流变阻尼力；Iy11为车体相对y轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000072
为车体的俯仰角加速度；Lx1为前后转向架之间的距离；Lx2为稳定轮到车体中心的纵向距离；Iz11为车体相对z轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000073
为车体的横摆角加速度；
前转向架的半主动控制动力学模型：
Figure BDA0002891935220000074
其中，m21为前转向架的质量；
Figure BDA0002891935220000075
为前转向架的垂向加速度；
Figure BDA0002891935220000076
为前转向架对应的单向横坡度；R2ijn为走行轮与磁流变阻尼器的相对位移；
Figure BDA0002891935220000077
为走行轮与磁流变阻尼器的相对速度；
Figure BDA0002891935220000078
为前转向架的横向加速度；Ix21为前转向架相对x轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000081
为前转向架的侧滚角加速度；Ly4为走行轮到前转向架质心的横向距离；Lz2为二系悬挂到前转向架质心的垂向距离；Lz5为前转向架质心到走行轮的垂向距离；F2ytLi为左走行轮的侧偏力；F2ytRi为右走行轮的侧偏力；Iy21为前转向架相对y轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000082
为前转向架侧滚角；Lx3为左右二系悬挂的横向距离一半；Iz21为前转向架相对z轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000083
为前转向架的横摆角加速度；Lx4为导向轮中心到前转向架质心的纵向距离；
后转向架的半主动控制动力学模型：
Figure BDA0002891935220000084
其中，m22为后转向架的质量；
Figure BDA0002891935220000085
为后转向架的垂向加速度；
Figure BDA0002891935220000086
为后转向架对应的单向横坡度；Rrb为后转向架对应的轨道曲线半径；
Figure BDA0002891935220000087
为后转向架的横向加速度；Ix22为后转向架相对x轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000088
为后转向架的侧滚角加速度；Lz3为导向轮到后转向架质心的垂向距离；Lz4为稳定轮到后转向架质心的垂向距离；Iy22为后转向架相对y轴的转动惯量；
Figure BDA0002891935220000089
为后转向架的侧滚角加速度；
其中，将车辆行驶的反方向设为x轴正方向，车辆垂直振动方向为z轴方向，所述x轴与z轴垂直而构成平面0xz，根据右手法则，将垂直与平面0xz的方向设定为y轴方向；具体地，x轴方向对应于纵向，y轴方向对应于横向，z轴方向对应于垂向；
需要说明的是，由于车辆的前后两个转向架结构相同，故图2中所述转向架均可作为前转向架或后转向架进行分析；
S2.调整车辆摆振优化控制模型中各参数值，使得车辆摆振优化控制模型中车体的横向加速度与横摆角加速度满足设定的目标横向加速度与目标横摆角加速度。
本实施例中，步骤S2中，采用自适应模糊神经网络控制算法对所述车辆摆振优化控制模型进行求解。具体地，将单轴转向架车辆的车体实际的横向振动加速度ac和横向速度Vc作为自适应模糊控制器的输入量，而将阻尼器的期望力作为自适应模糊控制器的控制变量。其中，所述自适应模糊控制器采用现有技术，在此不再赘述。根据单轴转向架车辆运行工况确定输入量Vc和ac的论域分别为[-2,2]和[-0.2,0.2]，均量化为3等级。依据控制目标量以及实际经验从而得到模糊控制率，并制定模糊控制规则，如表1所示。
表1
Figure BDA0002891935220000091
其中，S、M以及B分别表示小、中以及大。
也即是采用现有技术，得到自适应模糊神经网络控制算法，然后采用自适应模糊神经网络控制算法调整车辆摆振优化控制模型中各参数值，使得车辆摆振优化控制模型中车体的横向加速度与横摆角加速度满足设定的目标横向加速度与目标横摆角加速度。
现以某单轴转向架车辆半主动控制为例，分析本发明的性能。单轴转向架车辆在不同的控制策略下的横摆角加速度以及横向加速度的均方根植以及峰值如表2所示，其中，本发明对应的是自适应控制，而原始以及模糊为其他的现有控制技术。
表2
(单位：横向-m/s2，横摆-rad/s2)
Figure BDA0002891935220000101
车体横向加速度和横摆角加速度时域如图4-5，车体的加速度频谱对比分析，如图6-7所示。从图6和图7中可以看出，本发明的自适应控制对车体的低频振动有明显的抑制作用，尤其对车体的横摆角加速度和横向加速度比较明显。
摆振性能对比，如图8所示。从图8可以观察到模糊控制和本发明的自适应控制，单轴转向架车辆横向加速度均方根(简称为横加RMS)分别降低了37.84％和84.33％。而横摆角加速度均方根(简称为横摆RMS)分别减小了55.23％和78.15％。横向加速度峰值(简称为横加峰值)分别降低了36.32％和86.32％，横摆角加速度峰值(简称为横摆峰值)分别减小了50.23％和78.61％。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种单轴转向架跨座式单轨车辆的摆振优化控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.将磁流变阻尼器作为车辆的减振器，并构建车辆摆振优化控制模型；所述车辆摆振优化控制模型包括车体的半主动控制动力学模型、前转向架的半主动控制动力学模型以及后转向架的半主动控制动力学模型；
所述车体的半主动控制动力学模型：
Figure FDA0002891935210000011
其中，m11为车体的质量；
Figure FDA0002891935210000012
为车体的垂向加速度；V为车体的速度；
Figure FDA0002891935210000013
为轨道曲线的超高，所述超高为在该轨道曲线路段横断面上设置的外侧高于内侧的单向横坡度；R为轨道曲线的半径；g为重力加速度；K1ijn为二系悬挂的垂向刚度；R1ijn为二系悬挂与磁流变阻尼器的相对位移；C1ijn为二系悬挂的垂向阻尼；
Figure FDA0002891935210000014
为二系悬挂与磁流变阻尼器的相对速度；
Figure FDA0002891935210000015
为车为车体的横向加速度；K5ijn为二系悬挂的横向刚度；R5ijn为牵引橡胶堆与磁流变阻尼器的相对位移；C5ijn为二系悬挂的横向阻尼；
Figure FDA0002891935210000016
为牵引橡胶堆与磁流变阻尼器的相对速度；K3ijn为导向轮刚度；R3ijn为导向轮与磁流变阻尼器的相对位移；C3ijn为导向轮阻尼；
Figure FDA0002891935210000017
为导向轮与磁流变阻尼器的相对速度；K4ijn为稳定轮刚度；R4ijn为稳定轮与磁流变阻尼器的相对位移；C4ijn为稳定轮阻尼；
Figure FDA0002891935210000021
为稳定轮与磁流变阻尼器的相对速度；i为转向架编号，i＝1表示前转向架，i＝2表示后转向架；j为纵向车轮的编号，j＝1表示前轮，j＝2表示后轮；n为横向车轮的编号，n＝1表示左车轮，n＝2表示右车轮；所述车轮包括走行轮、导向轮以及稳定轮；fDR为磁流变阻尼器的合力；Ix11为车体相对x轴的转动惯量；
Figure FDA0002891935210000022
为车体的侧滚角加速度，所述侧滚角为绕x轴转动的夹角；Ly2为左右横向磁流变阻尼器之间横向距离的一半；Lz1为车体质心到二系悬挂所在平面的距离；fmdfm为前转向架的磁流变阻尼器的合力；fmdrm为后转向架的磁流变阻尼器的合力；Ly5为磁流变阻尼器到车体中心的纵向距离；fmdfl为前转向架的左磁流变阻尼力；fmdrl为后转向架的左磁流变阻尼力；fmdfr为前转向架的右磁流变阻尼力；fmdrr为后转向架的右磁流变阻尼力；Iy11为车体相对y轴的转动惯量；
Figure FDA0002891935210000023
为车体的俯仰角加速度；Lx1为前后转向架之间的距离；Lx2为稳定轮到车体中心的纵向距离；Iz11为车体相对z轴的转动惯量；
Figure FDA0002891935210000024
为车体的横摆角加速度；
前转向架的半主动控制动力学模型：
Figure FDA0002891935210000025
其中，m21为前转向架的质量；
Figure FDA0002891935210000026
为前转向架的垂向加速度；
Figure FDA0002891935210000027
为前转向架对应的单向横坡度；R2ijn为走行轮与磁流变阻尼器的相对位移；
Figure FDA0002891935210000031
为走行轮与磁流变阻尼器的相对速度；
Figure FDA0002891935210000032
为前转向架的横向加速度；Ix21为前转向架相对x轴的转动惯量；
Figure FDA0002891935210000033
为前转向架的侧滚角加速度；Ly4为走行轮到前转向架质心的横向距离；Lz2为二系悬挂到前转向架质心的垂向距离；Lz5为前转向架质心到走行轮的垂向距离；F2ytLi为左走行轮的侧偏力；F2ytRi为右走行轮的侧偏力；Iy21为前转向架相对y轴的转动惯量；
Figure FDA0002891935210000034
为前转向架侧滚角；Lx3为左右二系悬挂的横向距离一半；Iz21为前转向架相对z轴的转动惯量；
Figure FDA0002891935210000035
为前转向架的横摆角加速度；Lx4为导向轮中心到前转向架质心的纵向距离；
后转向架的半主动控制动力学模型：
Figure FDA0002891935210000036
其中，m22为后转向架的质量；
Figure FDA0002891935210000037
为后转向架的垂向加速度；
Figure FDA00028919352100000312
为后转向架对应的单向横坡度；Rrb为后转向架对应的轨道曲线半径；
Figure FDA0002891935210000039
为后转向架的横向加速度；Ix22为后转向架相对x轴的转动惯量；
Figure FDA00028919352100000310
为后转向架的侧滚角加速度；Lz3为导向轮到后转向架质心的垂向距离；Lz4为稳定轮到后转向架质心的垂向距离；Iy22为后转向架相对y轴的转动惯量；
Figure FDA00028919352100000311
为后转向架的侧滚角加速度；
S2.调整车辆摆振优化控制模型中各参数值，使得车辆摆振优化控制模型中车体的横向加速度与横摆角加速度满足设定的目标横向加速度与目标横摆角加速度。
2.根据权利要求1所述的单轴转向架跨座式单轨车辆的摆振优化控制方法，其特征在于：步骤S2中，采用自适应模糊神经网络控制算法对所述车辆摆振优化控制模型进行求解。
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