CN115195799B - 一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法及系统 - Google Patents

一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115195799B
CN115195799B CN202210806249.6A CN202210806249A CN115195799B CN 115195799 B CN115195799 B CN 115195799B CN 202210806249 A CN202210806249 A CN 202210806249A CN 115195799 B CN115195799 B CN 115195799B
Authority
CN
China
Prior art keywords
vehicle
modal
vibration
active
acceleration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210806249.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115195799A (zh
Inventor
石怀龙
郭金莹
曾京
邬平波
戴焕云
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Jiaotong University
Original Assignee
Southwest Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Jiaotong University filed Critical Southwest Jiaotong University
Priority to CN202210806249.6A priority Critical patent/CN115195799B/zh
Publication of CN115195799A publication Critical patent/CN115195799A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115195799B publication Critical patent/CN115195799B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/02—Arrangements permitting limited transverse relative movements between vehicle underframe or bolster and bogie; Connections between underframes and bogies
    • B61F5/22—Guiding of the vehicle underframes with respect to the bogies
    • B61F5/24—Means for damping or minimising the canting, skewing, pitching, or plunging movements of the underframes
    • B61F5/245—Means for damping or minimising the canting, skewing, pitching, or plunging movements of the underframes by active damping, i.e. with means to vary the damping characteristics in accordance with track or vehicle induced reactions, especially in high speed mode
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Vehicle Body Suspensions (AREA)

Abstract

本发明提供了一种车辆蛇行运动稳定性在线识别及主动控制仿真方法及系统，设计铁道车辆主动抗蛇行减振器布置方案，识别车辆蛇行运动的稳定性状态，设计兼顾一次蛇行和二次蛇行的主动控制方法。本发明考虑了车体和构架多个振动模态的抑制，能够显著改善铁道车辆蛇行运动稳定性，对高速动车组动力学性能优化设计和既有动车组运维策略优化提供了一种解决思路。

Description

一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法及 系统
技术领域
本发明属于铁道车辆系统动力学与控制技术领域，尤其涉及一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法及系统。
背景技术
我国高铁具有“速度高、地域广、线路多”等特点，高速列车的蛇行运动稳定性直接影响高铁的运营安全、效率和成本。目前，我国高速列车均采用被动悬挂，对车辆运行边界条件变化的适应能力有限，只有通过缩短车轮镟修周期、频繁打磨钢轨、定期更换减振器或降速运行等措施来保障动力学性能，这严重影响了高铁运营效率，增加了车辆和线路的运维难度和成本。在未来，我国高速列车将大面积提速至300km/h以上，并将在多条高铁线之间跨线运行，这些问题就会更加突出。被动悬挂不能很好地解决提速和跨线运行带来的新问题。半主动悬挂可以调控减振器阻尼，但阻尼系数不能连续变化，且仅能输出与相对运动速度方向相反的作用力，控制效果不及全主动。全主动的输出力的幅值和方向实时可控，控制能力强且频带宽，能够解决上述瓶颈。相比于一系主动悬挂，二系主动悬挂具有性能优良、安全性和可靠性高、技术成熟度好等优点，工程应用前景十分广阔。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法及系统，本发明考虑了失效安全和冗余设计而采用了主被动抗蛇行减振器并联的结构形式，并考虑了车体的横移、侧滚和摇头运动模态以及构架的横移和摇头运动模态，能够抑制车辆系统的一次蛇行和二次蛇行运动，为车辆动力学性能优化设计提出了重要参考。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案如下。
一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法，包括以下步骤：
S1、设计铁道车辆主动抗蛇行减振器的布置方案，将二系悬挂中的两根被动抗蛇行减振器其中一根替换为主动作动器；
S2、建立车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型，包括：基于SIMPACK建立车辆三维非线性动力学模型，考虑轮轨关系和悬挂参数非线性；基于Simulink建立主动悬挂控制器模型；基于Simulink建立主动作动器的动力学模型；SIMPACK与Simulink之间通过Simat接口实现数据交换；还包括测量系统，所述测量系统测量车体地板面和构架端部多个测点处的振动反馈量，所述振动反馈量包括车体地板面三个测点处的横向和垂向加速度，以及前后两个构架中每个构架端部两个测点处的横向加速度，将测量到的振动反馈量输入主动悬挂控制器模型中；
S3、模拟车辆以任意运行速度下轮轨关系和轨道随机激励的变化，通过轮轨作用对车辆施加激励，并经过一系悬挂系统传递给构架，再经二系悬挂系统传递至车体；
S4、对车体地板面和构架端部的振动反馈量进行滤波，然后通过模态分解识别模态空间内车体和构架的模态振动加速度，再通过积分获取模态空间内车体和构架的模态振动速度和/或模态振动位移；或者对车体地板面和构架端部的振动反馈量进行高通滤波和积分以获取速度，然后通过模态分解识别模态空间内车体和构架的的模态振动速度和/或模态振动位移；
S5、依据广义天棚控制原理，确定理想主动控制力F理想与模态空间内车体和构架的模态振动速度和/或模态振动位移之间的最优映射关系；
S6、根据经过滤波的振动反馈量计算车体加速度的重心频率和横向平稳性指标，以及构架横向加速度幅值，识别车辆系统的蛇行运动稳定性状态，当识别到未发生蛇行失稳时，主动悬挂控制器不输出主动控制力指令，主动作动器以被动模式工作；当识别到发生一次蛇行或二次蛇行运动时，主动悬挂控制器自动调整所述最优映射关系中的控制增益系数，由此使得理想主动控制力F理想随蛇行运动稳定性状态不同而自动调整；
S7、根据所述理想主动控制力F理想，主动作动器实际输出力F实际作用在车辆上。
进一步地，本发明还提供一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真系统：
包括基于SIMPACK建立的车辆三维非线性动力学模型，其中二系悬挂中的两根横向被动抗蛇行减振器其中一根换为主动作动器；
还包括测量系统，所述测量系统测量车体地板面和构架端部多个测点处的振动反馈量，将检测到的振动反馈量输入主动悬挂控制器模型中，所述振动反馈量包括车体地板面三个测点处的横向和垂向加速度，以及前后两个构架中每个构架端部两个测点处的横向加速度；
还包括基于MATLAB/Simulink建立的主动悬挂控制器模型和主动作动器动力学模型，其中主动悬挂控制器模型包括高通滤波器、模态分解模块、积分器、天棚控制器和蛇行运动稳定性状态辨识模块，所述高通滤波器用于将振动反馈量进行高通滤波，所述模态分解模块用于识别模态空间内振动状态量，所述积分器用于将振动反馈量或模态空间内振动状态量进行积分，所述天棚控制器采用线性阻尼控制方法、非线性阻尼控制方法、线性刚度控制方法或非线性刚度控制方法，或者上述各控制方法的组合控制，确定理想主动控制力与模态空间内振动状态量之间的映射关系，采用遗传算法或单变量分析法优化对蛇行运动稳定性有影响的控制增益系数，确定控制增益系数的最优范围，由此确定理想主动控制力与模态空间内振动状态量之间的最优映射关系；
还包括蛇行运动稳定性状态辨识模块，所述蛇行运动稳定性状态辨识模块根据经过高通滤波后的振动反馈量计算车体加速度的重心频率和横向平稳性指标，以及构架横向加速度幅值，识别车辆系统的蛇行运动稳定性状态，当识别到未发生蛇行失稳时，主动作动器以被动模式工作；当识别到发生一次蛇行或二次蛇行运动时，主动悬挂控制器自动调整所述最优映射关系中的控制增益系数，由此使得理想主动控制力随蛇行运动稳定性状态不同而自动调整；
车辆三维非线性动力学模型中的主动作动器跟随主动悬挂控制器输出的理想主动控制力，实际输出主动控制力F实际作用在车辆上；
SIMPACK与MATLAB/Simulink之间通过Simat接口实现数据交换。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法及系统，设计铁道车辆主动抗蛇行减振器布置方案，识别车辆蛇行稳定性状态，设计蛇行运动稳定性主动控制方法。本发明能够显著改善车辆系统蛇行运动稳定性，对高速动车组动力学性能优化设计和既有动车组运维策略优化提供了一种解决思路。
附图说明
图1为铁道车辆主动抗蛇行减振器结构布置方案图。
图2为铁道车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型。
图3为主动悬挂工作原理及流程图。
图4为车体地板面处的加速度测点示意图。
图5为构架端部加速度测点示意图。
图6为车辆蛇行运动稳定性状态判断流程图。
具体实施方式
一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法，包括以下步骤。
S1、设计车辆主动抗蛇行减振器的布置方案，将二系悬挂中的两根被动抗蛇行减振器其中一根替换为主动作动器；
S2、建立车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型，包括：基于SIMPACK建立车辆三维非线性动力学模型，考虑轮轨关系和悬挂参数非线性；基于Simulink建立主动悬挂控制器模型；基于Simulink建立主动作动器的动力学模型；SIMPACK与Simulink之间通过Simat接口实现数据交换；还包括测量系统，所述所述测量系统测量车体地板面和构架端部多个测点处的振动反馈量，所述振动反馈量包括车体地板面三个测点处的横向和垂向加速度，以及前后两个构架中每个构架端部两个测点处的横向加速度，将测量到的振动反馈量输入主动悬挂控制器模型中；一辆车包含1个车体和2个转向架，车体地板面布置3个测点测量横向和垂向加速度，每个构架布置2个测点测量横向加速度，整车共计7个测点、10个加速度数据通道；
S3、模拟车辆以任意运行速度下轮轨关系和轨道随机激励的变化，通过轮轨作用对车辆施加激励，并经过一系悬挂系统传递给构架，再经二系悬挂系统传递至车体；
S4、对车体地板面和构架端部的振动反馈量进行滤波，然后通过模态分解识别模态空间内车体和构架的模态振动加速度，再通过积分获取模态空间内车体和构架的模态振动速度和/或模态振动位移；或者对车体地板面和构架端部的振动反馈量进行高通滤波和积分以获取速度，然后通过模态分解识别模态空间内车体和构架的的模态振动速度和/或模态振动位移；
S5、依据广义天棚控制原理，确定理想主动控制力F理想与模态空间内车体和构架的模态振动速度和/或模态振动位移之间的最优映射关系；
S6、根据经过滤波的振动反馈量计算车体加速度的重心频率和横向平稳性指标，以及构架横向加速度幅值，识别车辆系统的蛇行运动稳定性状态，当识别到未发生蛇行失稳时，主动悬挂控制器不输出主动控制力指令，主动作动器以被动模式工作；当识别到发生一次蛇行或二次蛇行运动时，主动悬挂控制器自动调整所述最优映射关系中的控制增益系数，由此使得理想主动控制力F理想随蛇行运动稳定性状态不同而自动调整；
S7、根据所述理想控制力，主动作动器实际输出力F实际作用在车辆上。
进一步地，所述步骤S1中二系横向主动悬挂结构形式如图1所示：为实现失效安全和冗余设计，采用主被动并联的结构形式。车辆二系悬挂中一般配置两根被动抗蛇行减振器，仅将其中一根替换为主动作动器。主动作动器采用一体化电动静液压作动器(electro-hydraulic actuator，EHA)，主要由无刷电机、液压泵、蓄能器、工作缸和伺服控制器等部分组成，具有系统集成度高、安装空间小和适用主动和被动两种控制模式等技术特点。
再进一步地，所述步骤S2中建立车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型，如图2所示。基于SIMPACK建立车辆三维非线性动力学模型，考虑轮轨关系和悬挂参数非线性。
再进一步地，所述步骤S3中模拟车辆以任意运行速度下轮轨关系和轨道随机激励变化，通过轮轨作用对车辆施加激励，并经过一系悬挂系统传递给构架，再经二系悬挂系统传递至车体。测量系统测量车体地板面和构架端部多个测点处的振动反馈量，即车体地板面和构架端部的振动加速度，图4为车体地板面处的加速度测点示意图，三个测点为位于车体地板面中心线横向距离w处的前端右测点a1、后端左测点a2、后端右测点a3；图5为构架端部加速度测点示意图，所述构架端部的测点位于构架中心线横向距离wb、纵向距离lb处，每个构架的2个测点呈对角设置。
再进一步地，所述步骤S6中基于测量系统反馈的振动反馈量计算车体加速度重心频率和横向平稳性指标以及构架加速度幅值，识别车辆蛇行稳定性状态。如图6所示，车体加速度重心频率在2.5Hz以下且横向平稳性指标超过2.4，或车体加速度重心频率介于2.5Hz与4.5Hz之间且横向平稳性指标超过2.5，判定为车辆发生一次蛇行；车体加速度重心频率超过4.5Hz且构架加速度幅值大于4m/s2，或车体加速度重心频率超过4.5Hz且构架加速度幅值介于3m/s2与4m/s2之间且横向平稳性指标大于2.4，判定为车辆发生二次蛇行；其余情况判定车辆未发生蛇行失稳。
再进一步地，所述步骤S4中，对车体地板面和构架端部的振动反馈量进行滤波、模态分解和积分，获取模态空间内车体和构架的模态振动速度和/或模态振动位移。如图4和图5，a1和a2为GB/T 5599-2019标准中规定的机车车辆的横向平稳性测点，即转向架1和转向架2上方的车体地板面中心线左右距离w(例如1m)处的振动加速度，包括横向和垂向加速度。根据多体系统动力学理论，地板面前端右测点a1、后端左测点a2、后端右测点a3的横向和垂向加速度，可以表示为车体的横移、摇头、侧滚、浮沉、和点头运动模态的叠加，即：
式中，a1y和a1z表示测点a1的横向和垂向加速度；a2y和a2z表示测点a2的横向和垂向加速度；a3y和a3z表示测点a3的横向和垂向加速度；分别为模态空间内车体的横移、摇头、侧滚、浮沉和点头运动的振动加速度；w表示测点a1、a2和a3距车体中心线的横向距离，例如取值1m；l1为测点a3距离后转向架中心的纵向距离，且要求0＜l1＜2Lc；w表示测点与车体地板面中心线的横向距离；Lc表示车辆定距(转向架1和转向架2中心的纵向距离)之半；h1表示车体质心距离地板面的高度。
根据上式可以求解出模态空间内车体的侧滚、摇头和横移模态振动加速度：
类似地，忽略构架的侧滚运动，可以根据构架端部测点的加速度求解模态空间内构架的横移和摇头模态振动加速度：
式中，b1y表示测点b1的横向加速度；b2y表示测点b2的横向加速度；b3y表示测点b3的横向加速度；b4y表示测点b4的横向加速度；和/>分别为模态空间内构架1和构架2的横移和摇头运动的加速度；lb表示测点b1、b2、b3和b4距构架中心线的纵向距离。
对模态空间内车体和构架的模态振动加速度进行积分，获取模态空间内车体和构架的模态振动速度/模态振动位移。或者对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的加速度进行高通滤波和积分，获取测点处的速度，然后通过模态分解识别模态空间内车体和构架的的模态振动速度和/或模态振动位移。
进一步地，所述步骤S5中理想主动控制力采用如下方法确定。已知模态空间内车体的侧滚、摇头和横移模态振动速度和/或模态振动位移，以及模态空间内构架的横移和摇头模态振动速度和/或模态振动位移，采用广义天棚控制方法确定理想主动控制力与模态空间内振动状态量之间的映射关系，该映射关系可以是线性的也可以是非线性的。其次，以车辆蛇行运动稳定性为控制目标，分析车体侧滚、摇头和横移模态以及构架的横移和摇头模态对蛇行运动稳定性的影响，确定对蛇行运动稳定性有影响的车体和构架运动模态，采用遗传算法或单变量分析法优化对蛇行运动稳定性有影响的控制增益系数，确定控制增益系数的最优范围，由此确定理想主动控制力与模态空间内振动状态量之间的最优映射关系。然后，结合车辆蛇行运动稳定性状态识别结果，当识别到发生一次蛇行或二次蛇行运动时，自动调整所述最优映射关系中的控制增益系数，由此使得理想主动控制力随蛇行运动稳定性状态不同而自动调整。
步骤S7中，主动作动器尽量跟随主动悬挂控制器的理想控制力指令，但可能有相位延迟即时滞，实际输出力F实际作用在车辆上。
所述步骤S5中，广义天棚控制方法包括线性阻尼控制方法、非线性(立方项)阻尼控制方法、线性刚度控制方法、非线性刚度控制方法和上述各控制方法的组合控制。
线性阻尼控制方法：以基于模态振动速度的线性控制为例，对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的加速度进行高通滤波，通过模态识别将测点处的加速度转换为模态空间内的模态振动加速度，然后通过积分获取模态空间内的模态振动速度；或者对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的加速度进行高通滤波和积分，获取测点处的速度，然后通过模态分解识别模态空间内的模态振动速度。由此确定理想主动控制力F理想1一般表达式为：
式中，为模态空间内的振动速度向量，包括模态空间内车体的横移模态振动速度摇头模态振动速度/>和侧滚模态振动速度/>以及模态空间内两个构架的横移模态振动速度/>和摇头模态振动速度/>A为控制增益系数矩阵，通过遗传算法等确定各控制增益系数的最优范围；F理想1中4个元素值分别为4个主动作动器的理想主动控制力。
非线性阻尼控制方法：以基于模态振动速度的非线性控制为例，对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的加速度进行高通滤波，通过模态识别将测点处的加速度转换为模态空间内的模态振动加速度，然后通过积分获取模态空间内的模态振动速度；或者对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的加速度进行高通滤波和积分，获取测点处的速度，然后通过模态分解识别模态空间内的模态振动速度。由此确定理想主动控制力F理想2一般表达式为：
式中，为模态空间内的振动速度向量，包括模态空间内车体的横移模态振动速度/>摇头模态振动速度/>和侧滚模态振动速度/>以及模态空间内两个构架的横移模态振动速度/>和摇头模态振动速度/>B为控制增益系数矩阵，通过遗传算法等确定各控制增益系数的最优范围；F理想2中4个元素值分别为4个主动作动器的理想主动控制力。
线性刚度控制方法：以基于模态振动位移的线性控制为例，对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的加速度进行高通滤波，通过模态识别将测点处的加速度转换为模态空间内的模态振动加速度，然后通过两次积分获取模态空间内的模态振动位移；或者对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的加速度进行高通滤波和两次积分，获取测点处的位移，然后通过模态分解识别模态空间内的模态振动位移。由此确定理想主动控制力F理想3一般表达式为：
式中，u为模态空间内的振动位移向量，包括模态空间内车体的横移模态振动位移yc、摇头模态振动位移ψc和侧滚模态振动位移φc，以及模态空间内两个构架的横移模态振动位移yb1、yb2和摇头模态振动位移ψb1、ψb2；C为控制增益系数矩阵，通过遗传算法等确定各控制增益系数的最优范围；F理想3中4个元素值分别为4个主动作动器的理想主动控制力。
非线性刚度控制方法：以基于模态振动位移的非线性控制为例，对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的加速度进行高通滤波，通过模态识别将测点处的加速度转换为模态空间内的模态振动加速度，然后通过两次积分获取模态空间内的模态振动位移；或者对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的加速度进行高通滤波和两次积分，获取测点处的位移，然后通过模态分解识别模态空间内的模态振动位移。由此确定理想主动控制力F理想4一般表达式为：
式中，u为模态空间内的振动位移向量，包括模态空间内车体的横移模态振动位移yc、摇头模态振动位移ψc和侧滚模态振动位移φc，以及模态空间内两个构架的横移模态振动位移yb1、yb2和摇头模态振动位移ψb1、ψb2；D为控制增益系数矩阵，通过遗传算法等确定各控制增益系数的最优范围；F理想4中4个元素值分别为4个主动作动器的理想主动控制力。
进一步地，组合控制方法为以上各控制方法的叠加，理想主动控制力F理想一般表达式为：
式中，u为模态振动位移向量，为模态振动速度向量；A、B、C和D为控制增益系数矩阵，通过遗传算法等确定各控制增益系数的最优范围；F理想中4个元素值分别为4个主动作动器的理想主动控制力。

Claims (8)

1.一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法，包括以下步骤：
S1、设计铁道车辆主动抗蛇行减振器的布置方案，将二系悬挂中的两根被动抗蛇行减振器其中一根替换为主动作动器；
S2、建立车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型，包括：基于SIMPACK建立车辆三维非线性动力学模型，考虑轮轨关系和悬挂参数非线性；基于Simulink建立主动悬挂控制器模型；基于Simulink建立主动作动器的动力学模型；SIMPACK与Simulink之间通过Simat接口实现数据交换；还包括测量系统，所述测量系统测量车体地板面和构架端部多个测点处的振动反馈量，所述振动反馈量包括车体地板面三个测点处的横向和垂向加速度，以及前后两个构架中每个构架端部两个测点处的横向加速度，将测量到的振动反馈量输入主动悬挂控制器模型中；
S3、模拟车辆以任意运行速度下轮轨关系和轨道随机激励的变化，通过轮轨作用对车辆施加激励，并经过一系悬挂系统传递给构架，再经二系悬挂系统传递至车体；
S4、对车体地板面和构架端部的振动反馈量进行滤波，然后通过模态分解识别模态空间内车体和构架的模态振动加速度，再通过积分获取模态空间内车体和构架的模态振动速度和/或模态振动位移；或者对车体地板面和构架端部的振动反馈量进行高通滤波和积分以获取速度，然后通过模态分解识别模态空间内车体和构架的的模态振动速度和/或模态振动位移；
S5、依据广义天棚控制原理，确定理想主动控制力与模态空间内车体和构架的模态振动速度和/或模态振动位移之间的最优映射关系；
S6、根据经过滤波的振动反馈量计算车体加速度重心频率和横向平稳性指标，以及构架横向加速度幅值，识别车辆系统的蛇行运动稳定性状态，当识别到未发生蛇行失稳时，主动悬挂控制器不输出主动控制力指令，主动作动器以被动模式工作；当识别到发生一次蛇行或二次蛇行运动时，主动悬挂控制器自动调整所述最优映射关系中的控制增益系数，由此使得理想主动控制力随蛇行运动稳定性状态不同而自动调整；
S7、根据所述理想主动控制力，主动作动器实际输出力F实际作用在车辆上。
2.根据权利要求1所述的一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法，其特征在于：所述车体地板面的三个测点为位于车体地板面中心线横向距离w处的前端右测点a1、后端左测点a2、后端右测点a3；所述构架端部的测点位于构架中心线横向距离wb、纵向距离lb处，每个构架的2个测点呈对角设置，2个转向架共计4个测点。
3.根据权利要求2所述的一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法，其特征在于：步骤S4中模态空间内车体的模态振动加速度采用如下公式进行识别：
式中，a1y和a1z表示测点a1的横向和垂向加速度；a2y和a2z表示测点a2的横向和垂向加速度；a3z表示测点a3的垂向加速度；和/>分别为模态空间内的车体横移、摇头和侧滚模态振动加速度；w表示测点a1、a2和a3距车体中心线的横向距离；l1为测点a3距离后转向架中心的纵向距离，且要求0＜l1＜2Lc；Lc表示车辆定距之半；h1表示车体质心距离地板面的垂向高度；
模态空间内构架的模态振动加速度采用如下公式进行识别：
式中，b1y、b2y分别表示其中一个构架两端的测点b1、b2的横向加速度；b3y、b4y分别表示另一个构架两端的测点b3、b4的横向加速度；和/>分别为前、后构架的横移模态振动加速度；/>和/>分别为前、后构架的摇头模态振动加速度；lb表示测点b1、b2、b3和b4距构架中心线的纵向距离；
对模态空间内车体和构架的模态振动加速度进行积分，获取模态空间内车体和构架的模态振动速度和/或模态振动位移；或者对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的加速度进行高通滤波和积分，获取测点处的速度和/或位移，然后通过模态分解识别模态空间内车体和构架的的模态振动速度和/或模态振动位移。
4.根据权利要求3所述的一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法，其特征在于：所述步骤S5中理想主动控制力采用如下方法确定：采用广义天棚控制方法确定理想主动控制力与模态空间内振动状态量之间的映射关系，然后以车辆蛇行运动稳定性为控制目标，分析车体侧滚、摇头和横移模态以及构架的横移和摇头模态对蛇行运动稳定性的影响，确定对蛇行运动稳定性有影响的模态振型，采用遗传算法或单变量分析法优化对蛇行运动稳定性有影响的控制增益系数，确定控制增益系数的最优范围。
5.根据权利要求4所述的一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法，其特征在于：所述广义天棚控制方法包括线性阻尼控制方法、非线性阻尼控制方法、线性刚度控制方法或非线性刚度控制方法，或者上述各控制方法的组合控制；其中，
采用线性阻尼控制方法确定理想主动控制力F理想1一般表达式为：
采用非线性阻尼控制方法确定理想主动控制力F理想2一般表达式为：
采用线性刚度控制方法确定理想主动控制力F理想3一般表达式为：
采用非线性刚度控制方法确定理想主动控制力F理想4一般表达式为：
采用组合控制方法确定理想主动控制力F理想一般表达式为：
式中，为模态空间内的振动速度向量，包括模态空间内车体的横移模态振动速度/>摇头模态振动速度/>和侧滚模态振动速度/>以及模态空间内两个构架的横移模态振动速度/>和摇头模态振动速度/>u为模态空间内的振动位移向量，包括模态空间内车体的横移模态振动位移yc、摇头模态振动位移ψc和侧滚模态振动位移φc，以及模态空间内两个构架的横移模态振动位移yb1、yb2和摇头模态振动位移ψb1、ψb2；A、B、C、D为控制增益系数矩阵，通过遗传算法等确定所有控制增益系数的最优范围；F理想1、F理想2、F理想3、F理想4、F理想中4个元素值分别为4个主动作动器的理想主动控制力。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法，其特征在于：所述步骤S6中根据车体加速度重心频率、横向平稳性指标和构架横向加速度幅值识别车辆蛇行运动稳定性状态具体包括：车体加速度重心频率在2.5Hz以下且横向平稳性指标超过2.4，或车体加速度重心频率介于2.5Hz与4.5Hz之间且横向平稳性指标超过2.5，判定为车辆发生一次蛇行；车体加速度重心频率超过4.5Hz且构架加速度幅值大于4m/s2，或车体加速度重心频率超过4.5Hz且构架加速度幅值介于3m/s2与4m/s2之间且横向平稳性指标大于2.4，判定为车辆发生二次蛇行；其余情况判定车辆未发生蛇行失稳。
7.根据权利要求6所述的一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法，其特征在于：主动作动器采用一体化电动静液压作动器，所述主动作动器具有主动和被动两种控制模式。
8.一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真系统，其特征在于：
包括基于SIMPACK建立的车辆三维非线性动力学模型，其中二系悬挂中的两根横向被动抗蛇行减振器其中一根换为主动作动器；
还包括测量系统，所述测量系统测量车体地板面和构架端部多个测点处的振动反馈量，将检测到的振动反馈量输入主动悬挂控制器模型中，所述振动反馈量包括车体地板面三个测点处的横向和垂向加速度，以及前后两个构架中每个构架端部两个测点处的横向加速度；
还包括基于MATLAB/Simulink建立的主动悬挂控制器模型和主动作动器动力学模型，其中主动悬挂控制器模型包括高通滤波器、模态分解模块、积分器、天棚控制器和蛇行运动稳定性状态辨识模块，所述高通滤波器用于将振动反馈量进行高通滤波，所述模态分解模块用于识别模态空间内振动状态量，所述积分器用于将振动反馈量或模态空间内振动状态量进行积分，所述天棚控制器采用线性阻尼控制方法、非线性阻尼控制方法、线性刚度控制方法或非线性刚度控制方法，或者上述各控制方法的组合控制，确定理想主动控制力与模态空间内振动状态量之间的映射关系，采用遗传算法或单变量分析法优化对蛇行运动稳定性有影响的控制增益系数，确定控制增益系数的最优范围，由此确定理想主动控制力与模态空间内振动状态量之间的最优映射关系；
还包括蛇行运动稳定性状态辨识模块，所述蛇行运动稳定性状态辨识模块根据经过高通滤波后的振动反馈量计算车体加速度的重心频率和横向平稳性指标，以及构架横向加速度幅值，识别车辆系统的蛇行运动稳定性状态，当识别到未发生蛇行失稳时，主动悬挂控制器不输出主动控制力指令，主动作动器以被动模式工作；当识别到发生一次蛇行或二次蛇行运动时，主动悬挂控制器自动调整所述最优映射关系中的控制增益系数，由此使得理想主动控制力随蛇行运动稳定性状态不同而自动调整；
车辆三维非线性动力学模型中的主动作动器跟随主动悬挂控制器输出的理想主动控制力，实际输出主动控制力F实际作用在车辆上；
SIMPACK与MATLAB/Simulink之间通过Simat接口实现数据交换。
CN202210806249.6A 2022-07-08 2022-07-08 一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法及系统 Active CN115195799B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210806249.6A CN115195799B (zh) 2022-07-08 2022-07-08 一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210806249.6A CN115195799B (zh) 2022-07-08 2022-07-08 一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115195799A CN115195799A (zh) 2022-10-18
CN115195799B true CN115195799B (zh) 2024-04-26

Family

ID=83580381

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210806249.6A Active CN115195799B (zh) 2022-07-08 2022-07-08 一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115195799B (zh)

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3104125A1 (de) * 1981-02-06 1982-08-19 Herbert Prof. Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Weh "magnetausfuehrung fuer kontaktlose stuetzung durch permanentmagnete"
CN101348118A (zh) * 2007-09-15 2009-01-21 倪平涛 磁流变耦合轮对动车转向架
CN102490745A (zh) * 2011-12-23 2012-06-13 济南轨道交通装备有限责任公司 高速铁路货车转向架二系悬挂装置
CN104390795A (zh) * 2014-04-30 2015-03-04 中国铁道科学研究院机车车辆研究所 轨道车辆振动形态分析的方法及装置
CN105138783A (zh) * 2015-09-06 2015-12-09 山东理工大学 高速轨道车辆车体端部横向减振器阻尼系数的设计方法
CN105160104A (zh) * 2015-09-06 2015-12-16 山东理工大学 高速轨道车辆抗蛇行减振器最优阻尼系数的解析计算方法
CN107575529A (zh) * 2017-10-16 2018-01-12 中车株洲电力机车有限公司 一种轨道交通车辆及其自适应减振方法和系统
CN209290411U (zh) * 2018-11-08 2019-08-23 西南交通大学 一种高速铁路货车轴箱内置式转向架
CN110329297A (zh) * 2019-06-19 2019-10-15 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 一种抗蛇形减振系统、减振控制方法及车辆
EA201990955A1 (ru) * 2017-04-18 2020-04-14 Юниверсити Оф Массачусеттс Разработка капсидов aav
CN112131678A (zh) * 2020-08-18 2020-12-25 中铁物总运维科技有限公司 一种铁路钢轨打磨廓形设计方法
CN113239449A (zh) * 2020-12-29 2021-08-10 西南交通大学 一种轨道车辆柔性转向架蛇行运动分析方法
CN114670886A (zh) * 2021-10-15 2022-06-28 合肥工业大学 一种轨道车辆互联式二系悬挂横向减振系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3683782B1 (en) * 2019-01-18 2023-06-28 Honda Research Institute Europe GmbH Method for assisting a driver, driver assistance system, and vehicle including such driver assistance system

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3104125A1 (de) * 1981-02-06 1982-08-19 Herbert Prof. Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Weh "magnetausfuehrung fuer kontaktlose stuetzung durch permanentmagnete"
CN101348118A (zh) * 2007-09-15 2009-01-21 倪平涛 磁流变耦合轮对动车转向架
CN102490745A (zh) * 2011-12-23 2012-06-13 济南轨道交通装备有限责任公司 高速铁路货车转向架二系悬挂装置
CN104390795A (zh) * 2014-04-30 2015-03-04 中国铁道科学研究院机车车辆研究所 轨道车辆振动形态分析的方法及装置
CN105138783A (zh) * 2015-09-06 2015-12-09 山东理工大学 高速轨道车辆车体端部横向减振器阻尼系数的设计方法
CN105160104A (zh) * 2015-09-06 2015-12-16 山东理工大学 高速轨道车辆抗蛇行减振器最优阻尼系数的解析计算方法
EA201990955A1 (ru) * 2017-04-18 2020-04-14 Юниверсити Оф Массачусеттс Разработка капсидов aav
CN107575529A (zh) * 2017-10-16 2018-01-12 中车株洲电力机车有限公司 一种轨道交通车辆及其自适应减振方法和系统
CN209290411U (zh) * 2018-11-08 2019-08-23 西南交通大学 一种高速铁路货车轴箱内置式转向架
CN110329297A (zh) * 2019-06-19 2019-10-15 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 一种抗蛇形减振系统、减振控制方法及车辆
CN112131678A (zh) * 2020-08-18 2020-12-25 中铁物总运维科技有限公司 一种铁路钢轨打磨廓形设计方法
CN113239449A (zh) * 2020-12-29 2021-08-10 西南交通大学 一种轨道车辆柔性转向架蛇行运动分析方法
CN114670886A (zh) * 2021-10-15 2022-06-28 合肥工业大学 一种轨道车辆互联式二系悬挂横向减振系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于ADAMS的全地形车操纵稳定性仿真研究;罗钢;李红;;农业装备与车辆工程(第06期);全文 *
基于SIMPACK仿真的某型高速动车组运行平稳性分析;陆铭;王勇;石俊杰;闫红卫;;机械制造与自动化(第04期);全文 *
铁道车辆液压减振器卸荷速度选取方法;戴焕云;交通运输工程学报(第04期);第11-15页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115195799A (zh) 2022-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102331677B1 (ko) 차량 자세 편차에 기반한 관성 조정 액티브 서스펜션 시스템 및 제어 방법
CN108763716B (zh) 一种基于振型叠加法的过桥列车倾覆危险性评价方法
CN110155103B (zh) 一种基于lqg控制的高速列车半主动悬挂控制系统及方法
CN112009577B (zh) 一种用于重卡驾驶室半主动悬置的控制方法
CN109766635B (zh) 一种机车机械部件状态感知传感器优化布局方法
IT202100015182A1 (it) Metodo di controllo degli ammortizzatori attivi di un veicolo stradale che prevede la regolazione dell'angolo di rollio e dell'angolo di beccheggio
IT202100015170A1 (it) Metodo di controllo degli ammortizzatori attivi di un veicolo stradale che prevede l'abbassamento del baricentro
EP2736788A1 (en) Train suspension system
CN111367173A (zh) 一种基于状态估计的高速铁路受电弓鲁棒预测控制方法
Yue et al. Simulation and experimental study on the active stability of high-speed trains
CN108804823A (zh) 磁浮列车垂向动力学控制系统、信息数据处理终端
CN115195799B (zh) 一种车辆蛇行运动稳定性在线识别与主动控制仿真方法及系统
CN105138783B (zh) 高速轨道车辆车体端部横向减振器阻尼系数的设计方法
CN107544243A (zh) 基于h∞控制的高速列车横向半主动悬挂控制系统及控制方法
Cheli et al. Numerical model of a tilting body railway vehicle compared with rig and on track tests
CN109388814B (zh) 一种浮车型5模块低地板城轨车辆轴重计算方法
Zhou et al. LQG control for the integrated tilt and active lateral secondary suspension in high speed railway vehicles
CN115032915A (zh) 一种车辆横向平稳性主动控制仿真方法及系统
CN115520237A (zh) 一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法及系统
CN116822063A (zh) 一种车辆垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真方法及系统
JP2019031145A (ja) 鉄道車両制振システム及び鉄道車両制振方法
CN114633597A (zh) 一种整车协调控制方法及系统
CN110949436A (zh) 一种变轨距动力转向架二系及电机横向减振器最优阻尼调控方法
Da Tran et al. Improving wheelset stability of railway vehicles by using an H∞/LPV active wheelset system
Biglarbegian et al. Design of a novel fuzzy controller to enhance stability of vehicles

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant