CN114895551A - 一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法，步骤如下：将高速列车车体和构架横向振动加速度期望值a_cd和a_td分别与其测量值a_c和a_t求差，得到车体和构架横向振动加速度误差e_c和e_t；以e_c和e_t及其变化率

和

为输入，分别建立车体和构架模糊PID控制器，PID控制器的初始值由粒子群算法(PSO)控制器确定；车体和构架模糊PID控制器分别输出电流i_c和i_t；引入权重系数α(0≤α≤1)，将控制电流αi_c和(1‑α)i_t分别作用于车体和构架左右两侧两个并联连接的磁流变液阻尼器，通过自寻优控制器调整权重系数α，从而动态优化高速列车二系半主动悬挂横向混合阻尼C_sy，使得车体横向平稳性和构架横向稳定性均控制在合理的范围之内；该方法易于实现，适合运行线路复杂运行速度高的高速列车。

Description

一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法

技术领域

本发明涉及铁路车辆振动控制技术领域，尤其涉及一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法。

背景技术

高速列车凭借其安全、舒适、高效、便捷等优点，在我国交通运输领域中的作用日益增强。然而，运行速度的提高使得高速列车运行平稳性和横向稳定性问题日益突出，因此亟待研究解决。

《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T 5599-2019)规定，高速列车运行平稳性采用平稳性指标W或乘坐舒适度指标N_MV进行评价，通过加速度传感器测得的车体横向振动加速度计算出运行平稳性指标W或乘坐舒适度指标N_MV。高速列车横向稳定性用于评定转向架是否发生了不能迅速衰减的连续横向振荡，采用转向架构架横向振动加速度进行评价，加速度峰值有连续6次以上达到或超过8m/s²时，则判定转向架横向失稳。因此，对高速列车横向运行平稳性与构架横向稳定性的控制可转化为对高速列车车体和转向架构架横向振动加速度的控制，通过动态优化高速列车二系半主动悬挂横向阻尼，便可以达到同时控制高速列车横向运行平稳性与构架横向稳定性的目的。

目前，针对高速列车横向运行平稳性和构架横向稳定性的控制算法主要有天棚阻尼控制、地棚阻尼控制、模糊控制、PID控制、模糊PID控制、线性最优(LQR)控制、鲁棒控制、自适应控制、神经网络控制、预测控制等，其中以天棚阻尼、PID控制和模糊控制为基础的研究居多。天棚阻尼控制将车体等效为一个质量无穷大的刚体，但随着列车轻量化的发展，车体质量减小，天棚阻尼控制效果会变差。PID控制效果由PID控制器基本参数所决定，PID参数整定成为了PID控制的难点。模糊控制减小了对控制系统数学模型的依赖，控制简单，但如何设计出符合要求的模糊控制规则至关重要。

研究表明，高速列车横向运行平稳性和构架横向稳定性之间存在矛盾关系，现有控制算法大多单一研究高速列车横向运行平稳性或者构架横向稳定性。然而，如何实现二者的权衡或匹配，成为了亟待解决的问题。因此针对PID控制器参数整定问题、模糊规则确定问题、高速列车车体横向运行平稳性和构架横向稳定性之间的矛盾问题提出一种匹配控制方法，为高速列车车体横向运行平稳性与构架横向稳定性的匹配控制提供参考依据。

发明内容

为了解决现有技术中存在的高速列车车体横向运行平稳性和构架横向稳定性之间的矛盾问题，本发明提供了一种高速列车车体横向平稳性与构架横向稳定性匹配控制方法，该方法融合了粒子群算法(PSO)、模糊PID算法和自寻优算法，通过动态优化高速列车二系半主动悬挂横向混合阻尼，减小高速列车车体和转向架构架横向振动加速度峰值和均方根值，提高高速列车的综合运行性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法，包括如下步骤：

S1：分别获取高速列车车体和转向架构架的横向振动加速度期望值a_cd和a_td以及测量值 a_c和a_t；

S2：通过计算得到车体和构架横向振动加速度误差e_c和e_t以及加速度误差变化率

和

S3：以e_c和e_t及其

和

为输入，分别建立车体和构架模糊PID控制器，并采用粒子群算法优化PID控制器的初始值，输出电流i_c和i_t；

S4：引入权重系数α，通过反向梯度自寻优算法动态优化权重系数α，从而调整高速列车二系半主动悬挂横向混合阻尼C_sy，使得车体横向平稳性和构架横向稳定性均控制在合理的范围之内。

进一步的，所述步骤S1中采用加速度传感器测得高速列车车体和转向架构架横向振动加速度，所述加速度传感器分别安装在与被测车体相连接的两个转向架中心偏向车体一侧的车内地板上以及轴箱上方的转向架构架上，用以测得车体横向振动加速度测量值a_c以及转向架构架横向振动加速度测量值a_t。

进一步的，所述步骤S2具体为：，将车体和转向架构架横向振动加速度期望值a_cd和a_td与测得的车体和转向架构架横向振动加速度测量值a_c和a_t求差，得到车体和转向架构架横向振动加速度误差e_c和e_t；对得到的横向振动加速度误差e_c和e_t分别进行求导，得到车体和转向架构架横向振动加速度误差变化率

和

进一步的，采用加速度处理单元求得车体和构架横向振动加速度a_c和a_t的均方根值a_crms和a_trms，均方根值计算公式如下：

式中，N为单次处理时间段内加速度信号数量，

和

分别为车体和构架在单次处理时间段内加速度的均方值，a_ci为i时刻测量得到的车体横向振动加速度值，a_ti为i时刻测量得到的转向架构架横向振动加速度。

进一步的，步骤S3中所述控制方法采用模糊PID控制器来动态调整高速列车二系半主动悬挂横向混合阻尼C_sy，从而有效拟制高速列车横向振动，所述模糊PID控制器包括模糊控制器和PID控制器。

作为进一步优选，所述车体模糊控制器的输入量为车体横向振动加速度误差及误差变化率e_c和

构架模糊控制器的输入量为转向架构架横向振动加速度误差及误差变化率e_t和

车体模糊控制器的输出量为车体PID控制器比例系数、积分系数和微分系数的修正值Δk_pc,Δk_ic,Δk_dc，构架模糊控制器的输出量为构架PID控制器比例系数、积分系数和微分系数的修正值Δk_pt,Δk_it,Δk_dt。

作为进一步优选，车体PID控制器的输入为e_c，构架PID控制器的输入为e_t；车体与构架PID控制器比例系数、积分系数和微分系数的初始值k_p0c,k_i0c,k_d0c和k_p0t,k_i0t,k_d0t由粒子群算法(PSO)控制器确定。

具体的，车体模糊控制器的输入量e_c和

的物理论域分别设置为[-1,1]和[-50,50]，构架模糊控制器的输入量e_t和

的物理论域分别设置为[-10,10]和[-200,200]；构架和车体模糊控制器输入量和输出量的模糊集均设置为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，模糊集中元素(ZO)采用高斯函数作为隶属度函数，其余元素均采用三角形函数作为隶属度函数，模糊论域均设置为[-6,6]；车体模糊控制器输出量Δk_pc,Δk_ic,Δk_dc的物理论域分别设置为[-10,10]，[-5,5]，[-1,1]，构架模糊控制器输出量Δk_pt,Δk_it,Δk_dt的物理论域分别设置为[-20,20]，[-10,10]，[-10,10]；以车体为例，模糊控制规则的总体思路如下：

1)当车体e_c和

均为负大时，Δk_pc取正中，Δk_ic取0，Δk_dc取正大；

2)当车体e_c为负大，

均为0时，Δk_pc取正大，Δk_ic取负中，Δk_dc取负大；

3)当车体e_c为负大，

均为正大时，Δk_pc取0，Δk_ic取0，Δk_dc取负大；

4)当车体e_c和

均为0时，Δk_pc,Δk_ic,Δk_dc均取0；

5)当车体e_c和

均为正大时，Δk_pc取正大，Δk_ic取正小，Δk_dc取正中；

6)当车体e_c为正大，

均为0时，Δk_pc取正大，Δk_ic取正小，Δk_dc取负小；

7)当车体e_c为正大，

均为负大时，Δk_pc取0，Δk_ic取负小，Δk_dc取负小。

进一步的，车体和构架模糊PID控制器输出量分别为电流i_c和i_t，其计算公式如下：

式中：k_p0c,k_i0c,k_d0c和k_p0t,k_i0t,k_d0t分别为车体与构架PID控制器比例系数、积分系数和微分系数的初始值。

进一步的，所述步骤S4中引入权重系数α(0≤α≤1)，得到控制电流αi_c和(1-α)i_t；将控制电流αi_c和(1-α)i_t分别作用于车体和构架左右两侧两个并联连接的磁流变液阻尼器，得到车体模糊PID控制下的高速列车二系半主动悬挂横向阻尼C_syc以及构架模糊PID控制下的高速列车二系半主动悬挂横向阻尼C_syt。

具体的，所述自寻优控制器以车体横向运行平稳性和转向架构架横向稳定性为控制性能指标，以权重系数α为优化目标；磁流变液阻尼器控制电流与可变阻尼之间的关系式如下：

C＝54.3687i³-65.2278i²+29.9317i+2.4747 (0≤i≤1.4)

进一步的，通过高速列车二系半主动悬挂横向阻尼C_syc以及构架模糊PID控制下的高速列车二系半主动悬挂横向阻尼C_syt计算得到高速列车二系半主动悬挂横向混合阻尼，由于高速列车二系半主动悬挂横向阻尼C_syc和C_syt共同作用于高速列车车体和构架，因此其等效阻尼为高速列车二系半主动悬挂横向混合阻尼C_sy，且C_sy＝C_syc+C_syt，所述高速列车二系半主动悬挂横向混合阻尼C_sy作用于高速列车后，使得高速列车车体和构架横向振动加速度在合理的范围内变化，实现了高速列车车体横向运行平稳性和转向架构架横向稳定性的匹配控制。

进一步的，所述步骤S4中的反向梯度自寻优算法以高速列车车体横向振动平稳性指标 W为判断条件，以转向架构架横向振动加速度均方根值a_trms为反向梯度自寻优算法的优化准则函数，通过迭代运算来实现权重系数α(0≤α≤1)的动态优化。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1)与现有通过测量高速列车车体和转向架构架横向位移及加速度不同的是，本发明仅采用加速度传感器测量高速列车车体和转向架构架横向振动加速度a_c和a_t，解决了现有技术测控系统复杂等问题，降低了测控成本和实现难度。

2)与现有通过经验法来确定PID控制器初始值不同的是，本发明采用粒子群算法(PSO) 解决了PID控制器比例系数、积分系数和微分系数的初始值难以确定的技术问题该，减少了理论仿真或实验分析的工作量，提高了PID参数的取值精度；

3)与现有PID控制器参数固定不同的是，本发明通过模糊控制算法动态调整PID控制器的基本参数，构建了基于车体和转向架构架横向振动加速度的模糊控制规则，解决了参数固定PID控制器控制效果差等问题，提高了控制精度；

4)与现有单独研究车体横向平稳性或者转向架构架横向稳定性不同的是，本发明以车体横向运行平稳性和转向架构架横向稳定性为控制性能指标，以权重系数α为优化目标，在保证高速列车运行平稳性的前提下，通过自寻优控制器动态优化权重系数α，动态调整高速列车二系半主动悬挂横向混合阻尼C_sy，解决了高速列车车体横向运行平稳性和构架横向稳定性之间的矛盾问题，可实现高速列车车体横向运行平稳性和构架横向稳定性的综合提高，从而应用于更高速度的高速列车。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是高速列车横向模型示意图。

图2是高速列车车体横向运行平稳性和构架横向稳定性匹配控制方法工作原理方框图。

图3是车体与构架模糊控制规则表。

图4是基于粒子群算法(PSO)的PID控制器基本参数初始值优化流程图。

图5是高速列车二系半主动悬挂横向混合阻尼控制原理方框图。

图6是基于反向梯度自寻优算法的混合阻尼系数α动态优化流程图。

附图标记

1-车体，2-磁流变液阻尼器，3-转向架，4-轮对。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，高速列车主要由车体1、磁流变液阻尼器2、转向架3、轮对4和悬挂系统组成，其中车体1和转向架3通过二系悬挂连接在一起；本发明针对车体1与转向架3横向振动耦合问题展开研究，通过动态调整安装在车体1和构架之间的磁流变阻尼器的阻尼，达到同时提高高速列车车体1横向运行平稳性和构架横向稳定性的目的。

如图2所示，本发明将加速度传感器对角安装在与被测车体1相连接的两个转向架3中心偏向车体1一侧1m的车内地板上，测得车体横向振动加速度a_c；将加速度传感器安装在轴箱上方的转向架3构架上，测得转向架3构架横向振动加速度a_t。

根据高速列车车体1横向运行平稳性和构架横向稳定性的要求，将高速列车车体和转向架构架横向振动加速度期望值设置为：a_cd＝0和a_td＝0；将其与测得的横向振动加速度实际值a_c和a_t求差，得到车体和转向架构架横向振动加速度误差e_c和e_t；对得到的横向振动加速度误差e_c和e_t分别进行求导，得到车体和转向架构架横向振动加速度误差变化率

和

分别以车体和转向架构架横向振动加速度误差e_c和e_t为车体和构架PI D控制器的输入；分别以车体和转向架构架横向振动加速度误差及误差变化率e_c和e_t和

和

为车体和构架模糊(Fuzzy)控制器输入；其中，车体模糊控制器的输出量为车体PID控制器比例系数、积分系数和微分系数的修正值Δk_pc,Δk_ic,Δk_dc，构架模糊控制器的输出量为构架PID控制器比例系数、积分系数和微分系数的修正值Δk_pt,Δk_it,Δk_dt。

根据高速列车被动悬挂控制系统作用下的车体和构架横向振动加速度的变化范围，将车体模糊控制器输入量e_c和

的物理论域分别设置为[-1,1]和[-50,50]，将构架模糊控制器输入量e_t和

的物理论域分别设置为[-10,10]和[-200,200]。

将构架和车体模糊控制器输入量和输出量的模糊集均设置为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM, PB}，模糊集中元素(ZO)采用高斯函数作为隶属度函数，其余元素均采用三角形函数作为隶属度函数，模糊论域均设置为[-6,6]。

将车体模糊控制器输出量Δk_pc,Δk_ic,Δk_dc的物理论域分别设置为[-10,10]，[-5,5]，[-1,1]，将构架模糊控制器输出量Δk_pt,Δk_it,Δk_dt的物理论域分别设置为[-20,20]，[-10,10]，[-10,10]。

建立车体和构架模糊控制规则，车体和构架模糊控制规则总体思路保持一致，具体模糊控制规则如图3所示。

采用加速度处理单元，计算出车体和转向架构架横向振动加速度均方根值a_crms和a_trms，计算公式如下：

式中，N为单次处理时间段内加速度信号数量，

和

分别为车体和构架在单次处理时间段内加速度的均方值，a_ci为i时刻测量得到的车体横向振动加速度值，a_ti为i时刻测量得到的转向架构架横向振动加速度。

为了快速获得合适的车体和构架PID控制器比例系数、积分系数和微分系数初始值 k_p0c,k_i0c,k_d0c和k_p0t,k_i0t,k_d0t，分别以车体和转向架构架横向振动加速度均方根值a_crms和a_trms为适应度值，通过粒子群算法(PSO)实现以上目的。

如图4所示，粒子群算法的具体流程如下：

(1)初始化粒子群：设定粒子群中粒子个数N＝20，粒子维数D＝3(k_p,k_i,k_d)，最大迭代次数M＝20，学习因子c₁＝c₂＝1.5，惯性权重w＝0.8；通过随机函数(rand)初始化每个粒子的初始位置和速度；

(2)计算每个粒子的适应度值fit(n)，即车体和转向架构架横向振动加速度均方根值a_crms和a_trms；

(3)计算每个粒子的个体极值p_best(n)，若fit(n)＜p_best(n)，则用fit(n)替换p_best(n)；

(4)计算每个粒子的全局极值g_best，若fit(n)＜g_best，则用fit(n)替换g_best；

(5)更新粒子的速度和位置；

(6)边界条件处理，当某一维或者若干维的速度或位置超过设定值时，通过设置最大速度限制和最大位置限制，从而避免种群的膨胀与发散，从而提高搜索效率；

(7)判断算法是否满足中止条件：若满足，则算法结束，输出最优车体或构架PID控制器基本参数最优值k_p0c,k_i0c,k_d0c或k_p0t,k_i0t,k_d0t；若不满足，则返回步骤(2)，直到满足条件后结束。

如图5所示，车体和转向架构架模糊控制PID控制器分别输出电流i_c和i_t，引入权重系数α(0≤α≤1)，得到控制电流αi_c和(1-α)i_t；将控制电流αi_c和(1-α)i_t分别作用于车体1和构架左右两侧两个并联连接的磁流变液阻尼器2，得到高速列车二系半主动悬挂横向混合阻尼C_sy；

以车体1横向运行平稳性和转向架3构架横向稳定性为控制性能指标，以权重系数α为优化目标，通过反向梯度自寻优算法动态优化权重系数α；

如图6所示，反向梯度自寻优算法具体流程如下：

(1)初始化：设定混合阻尼权重系数初值α(1)＝0.5；

(2)测量车体和转向架构架横向振动加速度a_c和a_t；

(3)计算车体横向运行平稳性指标W，并判断W与平稳性指标阈值W₀的大小，若W＜W₀，则进行反向梯度自寻优；否则返回步骤(1)，调整权重系数α值；

(4)基于反向梯度自寻优算法确定最优权重系数α值，其迭代计算公式如下：

J(k)-J(k-1)|＜ε

式中，k为迭代次数，k＝1,2,…，J为转向架3构架横向振动加速度均方根值a_trms，也是反向梯度自寻优算法的优化准则函数；sign()为符号函数；ρ为权重系数α的基本寻优间隔；

为寻优梯度的反方向；a为加速寻优因子；ε为构架横向稳定性评价指标允许的误差范围。

(5)当相邻两次寻优的构架横向稳定性满足|J(k)-J(k-1)|＜ε时，自寻优过程结束，此时的α(k)为权重系数α的最优值；否则，返回步骤(1)，调整权重系数α值。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：分别获取高速列车车体和转向架构架的横向振动加速度期望值a_cd和a_td以及测量值a_c和a_t；

S2：通过计算得到车体和构架横向振动加速度误差e_c和e_t以及加速度误差变化率

和

S3：以e_c和e_t及其

和

为输入，分别建立车体和构架模糊PID控制器，并采用粒子群算法优化PID控制器的初始值，输出电流i_c和i_t；

S4：引入权重系数α，通过反向梯度自寻优算法动态优化权重系数α，从而调整高速列车二系半主动悬挂横向混合阻尼C_sy，使得车体横向平稳性和构架横向稳定性均控制在合理的范围之内。

2.根据权利要求1所述的一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法，其特征在于，所述步骤S1中采用加速度传感器测得高速列车车体和转向架构架横向振动加速度，所述加速度传感器分别安装在与被测车体相连接的两个转向架中心偏向车体一侧的车内地板上以及轴箱上方的转向架构架上，用以测得车体横向振动加速度测量值a_c以及转向架构架横向振动加速度测量值a_t。

3.根据权利要求1所述的一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：将车体和转向架构架横向振动加速度期望值a_cd和a_td与测得的车体和转向架构架横向振动加速度测量值a_c和a_t求差，得到车体和转向架构架横向振动加速度误差e_c和e_t；对得到的横向振动加速度误差e_c和e_t分别进行求导，得到车体和转向架构架横向振动加速度误差变化率

和

4.根据权利要求1所述的一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法，其特征在于，所述步骤S3中模糊PID控制器包括模糊控制器和PID控制器。

5.根据权利要求4所述的一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法，所述车体模糊控制器的输入量为车体横向振动加速度误差及误差变化率e_c和

构架模糊控制器的输入量为转向架构架横向振动加速度误差及误差变化率e_t和

车体模糊控制器的输出量为车体PID控制器比例系数、积分系数和微分系数的修正值Δk_pc,Δk_ic,Δk_dc，构架模糊控制器的输出量为构架PID控制器比例系数、积分系数和微分系数的修正值Δk_pt,Δk_it,Δk_dt。

6.根据权利要求4所述的一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法，其特征在于，车体PID控制器的输入为e_c，构架PID控制器的输入为e_t；车体与构架PID控制器比例系数、积分系数和微分系数的初始值k_p0c,k_i0c,k_d0c和k_p0t,k_i0t,k_d0t由粒子群算法(PSO)控制器确定。

7.根据权利要求6所述的一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法，其特征在于，车体和构架模糊PID控制器输出量分别为电流i_c和i_t，其计算公式如下：

式中：k_p0c,k_i0c,k_d0c和k_p0t,k_i0t,k_d0t分别为车体与构架PID控制器比例系数、积分系数和微分系数的初始值。

8.根据权利要求7所述的一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法，其特征在于，所述步骤S4中引入权重系数α(0≤α≤1)，得到控制电流αi_c和(1-α)i_t；将控制电流αi_c和(1-α)i_t分别作用于车体和构架左右两侧两个并联连接的磁流变液阻尼器，得到车体模糊PID控制下的高速列车二系半主动悬挂横向阻尼C_syc以及构架模糊PID控制下的高速列车二系半主动悬挂横向阻尼C_syt。

9.根据权利要求8所述的一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法，其特征在于，高速列车二系半主动悬挂横向阻尼C_syc和C_syt共同作用于高速列车车体和构架，其等效阻尼为高速列车二系半主动悬挂横向混合阻尼C_sy，其中：C_sy＝C_syc+C_syt。

10.根据权利要求8所述的一种高速列车横向平稳性与横向稳定性匹配控制方法，其特征在于，所述步骤S4中的反向梯度自寻优算法以高速列车车体横向振动平稳性指标W为判断条件，以转向架构架横向振动加速度均方根值a_trms为反向梯度自寻优算法的优化准则函数，通过迭代运算来实现权重系数α(0≤α≤1)的动态优化。

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