CN116822063A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高速动车组垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真方法及系统，设计二系垂向主动悬挂布置方案，识别车辆垂向振动水平，设计兼顾车体垂向多个振动模态和运行姿态的主动控制方法。本发明考虑了车体多个垂向振动模态的抑制，能够显著改善轨道宽频激励下高速动车组运行平稳性、有效降低车辆通过曲线线路时的未平衡离心力，进而提升曲线线路通过速度并保障良好的车辆动力学性能，这对高速动车组动力学性能改进优化和既有动车组运维策略优化提供了一种解决思路。
Description
技术领域
本发明属于高速列车系统动力学与控制技术领域，尤其涉及一种兼顾宽频振动和运行姿态控制的二系垂向主动悬挂仿真方法及系统。
背景技术
由于高铁运行速度高、轨道激励频带宽、曲线上欠超高运行状态多、低频和中高频振动均影响运行品质等原因，高速动车组在实际服役中的垂向平稳性不良问题时有发生；既有高铁线路的曲线半径和超高设置也限制了列车进一步提速(如从350km/h提速至400km/h运行)，制约着高铁运营效率。然而，我国目前的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工作量。在未来，既有高速客运专线将大面积提速至350km/h运行，也将采用列车在多条高铁线之间跨线跑的运用模式，甚至在新建客运专线上开行400km/h高速列车，那么上述问题就会更加突出。由于高铁线路的建造和维护状态存在差异，使轨道不平顺幅值和波长范围有明显区别，当列车在不同线路或以不同速度运行时，产生的低频和中高频轮轨激励差异显著。然而，低频和中高频不平顺激励均影响运行平稳性，被动悬挂难以兼顾宽频带振动抑制。此外，被动悬挂也不能调整悬挂系统动行程，无法实现车辆运行姿态的调控。
因此，被动悬挂不能很好地解决提速和跨线运行带来的新问题，主动悬挂技术是未来高速列车技术发展方向之一。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种兼顾宽频振动和运行姿态控制的二系垂向主动悬挂仿真方法及系统，本发明将车辆的二系垂向被动减振器部分替换为主动作动器，用于抑制车体的浮沉、点头、侧滚模态振动幅值，并当车辆高速通过曲线线路时实现主动倾摆控制，能够实现轨道不平顺宽频激励下的强迫振动抑制，以及降低旅客承受到的未平衡离心加速度，进而提升曲线通过速度，这为保障动车组的运行平稳性以及提升运营效率提出了一种解决方案。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案如下。
一种车辆垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真方法，包括以下步骤：
S1、设计车辆二系垂向主动悬挂结构形式，将二系悬挂中的4根垂向被动减振器中的3根或2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MATLAB/Simulink建立主动悬挂控制器模型；基于MATLAB/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；所述车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型还包括检测系统和列车运行状态辨识模块，所述检测系统检测车体地板面多个测点处的振动状态反馈量，将检测到的振动状态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工况下轨道随机激励输入，通过轮轨作用对车辆施加宽频强迫振动，并经过两系悬挂系统传递至车体；进一步，设置曲线线路通过工况，包括不同半径和超高量的曲线线路，车辆以不同速度通过曲线；
S4、所述列车运行状态辨识模块根据当前振动状态反馈量辨识车辆运行速度、垂向平稳性状态和轨道激励状态，列车运行状态辨识模块还直接识别线路几何信息即曲线半径和超高量，列车运行状态辨识模块根据车辆垂向平稳性状态和线路几何信息，评判是否需要打开主动悬挂控制器，如果需要则进行如下步骤，否则关闭主动悬挂控制器，主动作动器以被动控制模式工作；
S5、主动悬挂控制器对车体地板面的振动状态反馈量进行滤波和积分，获取地板面的振动速度和位移，然后通过模态分解识别出车体质心位置的模态空间内振动状态量，即模态振动加速度、模态振动速度和模态振动位移；或者对车体地板面的振动状态反馈量进行滤波，然后通过模态分解识别模态空间内振动加速度，然后对模态空间内振动加速度进行积分获得模态振动速度和模态振动位移；
S6、主动悬挂控制器采用变结构控制方法，即滑模控制方法，设计所述模态空间内振动状态量的滑模变量，即滑模面，确定不同滑模变量的最优参数，计算出主动作动器的理想主动控制力；
S7、根据所述理想主动控制力，主动作动器实际输出主动控制力F实际作用在车辆上。
进一步地，本发明还提供了一种车辆垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真系统，
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3根或2根垂向被动减振器被替换为主动作动器；
还包括检测系统，所属检测系统检测车体地板面多个测点处的振动状态反馈量，将检测到的振动状态反馈量输入主动悬挂控制器模型中；
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积分器、模态分解模块和滑模控制器，所述高通滤波器用于将振动状态反馈量进行高通滤波，所述积分器用于将经过高通滤波的振动状态反馈量进行积分，获取车体振动速度和位移，所述模态分解模块用于识别模态空间内振动状态量，所述滑模控制器通过设计滑模面、趋近律及控制参数而计算出理想主动控制力F理想，实现车体的多个振动模态抑制和倾摆角度控制，并将理想主动控制力指令输入主动作动器动力学模型中；车辆三维非线性动力学模型中的主动作动器实际输出主动控制力F实际作用在车辆上；
还包括列车运行状态辨识模块，所述列车运行状态辨识模块根据当前振动状态反馈量辨识车辆运行速度、垂向平稳性状态和轨道激励状态，评判是否需要开启主动悬挂控制器，如果不需要则关闭主动悬挂控制器，主动作动器以被动控制模式工作；如果需要则开启主动悬挂控制器，主动悬挂控制器对车体地板面的振动状态反馈量进行滤波、积分和模态分解，获得模态空间内振动状态量，变结构控制器即滑模控制器设计滑模面、趋近律及控制参数进而确定理想主动控制力F理想；主动作动器跟随主动悬挂控制器输出的理想主动控制力F理想，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垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真方法及系统，设计高速动车组二系垂向主动悬挂布置方案，识别车辆运行速度、轨道激励状态、车辆振动状态和线路几何信息，设计兼顾车体多个振动模态以及倾摆运动姿态的主动控制方法。本发明考虑了车体多个振动模态的抑制，并在车辆通过曲线线路时实现主动倾摆控制，能够显著改善宽频激励下高速动车组垂向平稳性，并降低旅客承受到的未平衡离心加速度，这为提升既高铁线路的运营速度和保障动车组的运行平稳性提出了一种解决方案。
附图说明
图1为铁道车辆二系垂向主动悬挂结构布置方案图。
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为铁道车辆二系垂向主动悬挂工作原理图。
图4为车体地板面上的加速度测点示意图。
具体实施方式
车辆二系垂向主动悬挂结构形式如图1所示。车辆二系悬挂中一般配置4根垂向被动减振器，将其中的3根或2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、作动缸和伺服控制器等部分组成，具有系统集成度高、安装空间小和集全主动、半主动和被动3种工作模式于一身等技术特点。
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。检测系统检测车体地板面多个测点处的振动状态反馈量，即车体地板面的振动加速度，将检测到的振动状态反馈量输入主动悬挂控制器模型中。基于MATLAB/Simulink建立主动悬挂控制器模型，识别模态空间内振动状态量，采用变结构控制方法，即滑模控制方法，确定理想主动控制力F理想与模态空间内振动状态量之间的函数关系，基于MATLAB/Simulink建立主动作动器的动态响应模型，考虑实际主动控制力与理想主动控制力F理想之间的时滞和降幅特性。SIMPACK与Simulink之间通过Simat接口实现数据交换，包括振动状态反馈量和主动控制力，以实现车辆主动悬挂系统动力学与控制联合仿真建模。
如图3所示，模拟车辆以任意运行速度条件下轨道随机激励输入和曲线通过工况，通过轮轨作用对车辆施加宽频强迫振动，并经过两系悬挂系统传递至车体，车辆通过曲线时还将受到离心力作用。首先，列车运行状态辨识模块根据振动状态反馈量，识别车辆运行速度、垂向平稳性状态和轨道激励状态。此外，列车运行状态辨识模块还直接识别线路几何信息即曲线半径和超高量。列车运行状态辨识模块根据车辆垂向平稳性状态和线路几何信息，评判是否需要打开主动悬挂控制器，如果需要则进行如下步骤，否则关闭主动悬挂控制器，主动作动器以被动控制模式工作。当列车运行状态辨识模块评判需要启用主动悬挂控制器时，主动悬挂控制器对车体地板面测点处的垂向加速度进行高通滤波和积分，获取车体垂向振动速度和位移，然后通过模态分解模块识别模态空间内振动状态量，即模态振动加速度、模态振动速度和模态振动位移。主动悬挂控制器还可以选择对车体地板面测点处的垂向加速度进行高通滤波，然后通过模态分解模块识别模态空间内振动加速度，然后对模态空间内振动加速度进行积分获得模态振动速度和模态振动位移。主动悬挂控制器还包括变结构控制器即滑模控制SMC，所述变结构控制器利用车体的浮沉、点头和侧滚模态振动加速度构建滑模变量。
所述步骤S5中识别模态空间内振动状态量原理如下。根据图4，a1和a2为GB/T5599-2019标准中规定的动车组平稳性指标测点，即前后转向架上方的车体地板面中心线左右距离w(例如1m)处的垂向加速度。根据多体系统动力学理论，地板面前端左测点a1、前端右测点a2、后端中心测点a3的垂向加速度，可以表示为车体的侧滚、浮沉和点头模态振动的叠加，即：
式中：a1z表示测点a1的垂向加速度；a2z表示测点a2的垂向加速度；a3z表示测点a3的垂向加速度；分别为车体的侧滚、浮沉和点头模态振动加速度；w表示测点a1和a2距车体中心线的横向距离，例如取值1m；Lc表示车辆定距(前后转向架中心的纵向距离)之半。
根据上述方程可以求解出车体浮沉、点头和侧滚模态振动加速度幅值：
车辆过曲线时，由于欠超高或过超高效应，车辆将承受未平衡离心加速度，影响横向平稳性，车体的横移模态振动加速度为未平衡离心加速度，以车体受到的未平衡离心加速度为零作为控制目标，即/>可以据此计算出曲线线路上理想的车体倾摆角度φr为，
式中：v为车辆运行速度，单位为m/s；g为重力加速度；R为曲线线路的半径，单位为m；H为曲线线路外轨的超高量，单位为m；b0表示左右侧钢轨中心的横向跨距，标准轨距时约为1.5m。其中，列车所处位置的曲线半径R和超高量H由列车运行状态辨识模块直接输出。
进一步，理想倾摆动作假设为准静态过程，令
再进一步地，所述步骤S6中车辆主动作动器的理想主动控制力采用如下方法确定。已知车体的浮沉、点头和侧滚模态空间内振动状态量，依据变结构即滑模控制方法设计考虑车体浮沉、点头和侧滚模态的滑模变量，采用指数趋近律，获取理想主动控制力。以车辆垂向平稳性和倾摆角度为控制目标，分析滑模变量及其控制参数对垂向平稳性和车体倾摆角度控制效果的影响，确定对控制效果及其动态品质有主要影响的车体模态振型和滑模控制器参数。然后，采用遗传算法或单变量分析法对垂向平稳性和倾摆角度影响比较大的滑模控制器参数进行优化，确定滑模控制器参数的最优范围。控制目标不是二选一，在车辆通过曲线时，兼顾垂向平稳性和车体倾摆角度控制，直线上倾摆角度为零。最后，步骤S7中，主动作动器尽量跟随主动悬挂控制器输出的理想主动控制力F理想指令，但可能有相位延迟即时滞，实际输出主动控制力F实际作用在车辆上。
滑模控制器设计包括滑模面和趋近律设计两方面内容。
针对整车采用3根主动作动器的工况，将滑模面表示为车体多个模态振动的位移和速度的组合表达式：
式中，si(i＝1,2,3)表示滑模变量向量，ci(i＝1,2,3)为滑模变量增益系数，通过遗传算法或单变量分析法确定增益系数的最优范围；分别为车体的侧滚、浮沉和点头模态振动速度；φr和/>为理想的车体侧滚角度和角速度，即理想倾摆角度和角速度。
对滑模面求导，可得滑模面的导数形式为，
其中，为了计算出理想主动控制力，需要引入车辆系统运动微分方程，即将滑模面导数方程中的车体的浮沉、点头和侧滚模态振动加速度表示为悬挂力的形式，即进一步将表示为包含所有被动悬挂力和主动控制力的方程：
式中，fsxj、fsyj和fszj(j＝1,2,3,4)分别表示二系空气弹簧产生的纵向力、横向力和垂向力，f4表示车体后端右侧的二系垂向被动减振器的力，这些力直接由列车运行状态辨识模块获得，工程上一般通过载荷标定的方法获取；lc表示车辆前后端的二系垂向减振器的纵向跨距之半，其中主动作动器位置与被替换的被动减振器位置相同；h2表示车体质心距离二系空气弹簧作用点的高度；mc为车体质量，Jcx为车体侧滚转动惯量，Jcy为车体点头转动惯量；ws为左右侧二系垂向减振器以及空气弹簧的横向跨距之半；u1、u2和u3分别为车体前端左侧、前端右侧和后端左侧共3根主动作动器的理想主动控制力，而F理想＝[u1 u2u3]。
将车体运动微分方程代入滑模面导数方程：
上式可以简写为：
其中，
求得理想主动控制力为：
然后采用指数趋近律来控制系统状态到滑模面的动态逼近过程，即
其中，
式中，ki和ksti、εi(i＝1,2,3)表示趋近律的控制参数，将趋近律表达式代入理想主动控制力u1、u2和u3公式中，通过遗传算法或单变量分析法确定控制参数的最优范围，由此推导出各个主动作动器的理想主动控制力。
需要说明的是，以上针对的是保留车体后端右侧的二系垂向被动减振器，将3根主动作动器设置在车体前端左侧、前端右侧和后端左侧，然而3根主动作动器的设置位置不局限于此，还可以将二系垂向被动减振器保留在车体前端左侧、前端右侧或后端左侧。
针对整车采用2根主动作动器的工况，即仅车体前端左侧和后端右侧的二系垂向被动减振器被替换为主动作动器，令其理想主动控制力分别为u1和u4。滑模面表示为作动器对应位置的车体地板面上的振动，即
其中，式中，si(i＝1,2)表示滑模变量向量，ci(i＝1,2)为滑模变量增益系数，通过遗传算法或单变量分析法确定增益系数的最优范围；zl和zr分别为车体左右两侧的主动作动器位置的理想跟踪位移，和/>为理想跟踪速度；lc表示车辆前后端的二系垂向减振器的纵向跨距之半，其中主动作动器位置与被替换的被动减振器位置相同；ws为左右侧二系垂向减振器以及空气弹簧的横向跨距之半。
主动作动器的理想跟踪位移和理想跟踪速度根据理想车体倾摆角度φr计算得到，并且zl与zr满足大小相等但符号相反的规律zr＝-zl，即假设左右侧主动作动器的行程相等但方向相反。
理想的跟踪速度为，
滑模面的导数为，
其中，令理想跟踪加速度或为白噪声信号。
车体的浮沉、点头和侧滚运动微分方程为：
式中，mc为车体质量，Jcx为车体侧滚转动惯量，Jcy为车体点头转动惯量；f2和f3分别表示前端右侧和后端左侧二系垂向被动减振器的载荷，fsxj、fsyj和fszj(j＝1,2,3,4)分别表示二系空气弹簧产生的纵向力、横向力和垂向力，二系垂向被动减振器和二系空气弹簧的载荷直接由列车运行状态辨识模块获得，工程上一般通过载荷标定的方法获取；h2表示车体质心距离二系空气弹簧作用点的高度。
将车体运动微分方程代入滑模面导数方程：
为简化表达上述公式，将与理想主动控制力无关的项合并简写：
进而，得到简化的滑模面导数表达式：
可以求得：
然后采用指数趋近律来控制系统状态到滑模面的动态逼近过程，即
其中，
式中，ki和ksti、εi(i＝1,2)表示趋近律的控制参数，将趋近律表达式代入理想主动控制力u1和u4公式中，通过遗传算法或单变量分析法确定控制参数的最优范围，由此推导出各个主动作动器的理想主动控制力。
需要说明的是，以上针对的是保留车体前端右侧和后端左侧二系垂向被动减振器，将两根主动作动器设置在车体前端左侧和后端右侧，然而两根主动作动器的设置位置不局限于此，还可以将二系垂向被动减振器保留在车体前端左侧和后端右侧，将两根主动作动器设置在车体前端右侧和后端左侧。
Claims (9)
1.一种车辆垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真方法，包括以下步骤：
S1、设计车辆二系垂向主动悬挂结构形式，将二系悬挂中的4根垂向被动减振器中的3根或2根替换为主动作动器，并且主动作动器位置与二系垂向被动减振器位置相同；
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MATLAB/Simulink建立主动悬挂控制器模型；基于MATLAB/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；所述车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型还包括检测系统和列车运行状态辨识模块，所述检测系统检测车体地板面多个测点处的振动状态反馈量，将检测到的振动状态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工况下轨道随机激励输入，通过轮轨作用对车辆施加宽频强迫振动，并经过两系悬挂系统传递至车体；进一步，设置曲线线路通过工况，包括不同半径和超高量的曲线线路，车辆以不同速度通过曲线；
S4、所述列车运行状态辨识模块根据当前振动状态反馈量辨识车辆运行速度、垂向平稳性状态和轨道激励状态，列车运行状态辨识模块还直接识别线路几何信息即曲线半径和超高量，列车运行状态辨识模块根据车辆垂向平稳性状态和线路几何信息，评判是否需要打开主动悬挂控制器，如果需要则进行如下步骤，否则关闭主动悬挂控制器，主动作动器以被动控制模式工作；
S5、主动悬挂控制器对车体地板面的振动状态反馈量进行滤波和积分，获取地板面的振动速度和位移，然后通过模态分解识别出车体质心位置的模态空间内振动状态量，即模态振动加速度、模态振动速度和模态振动位移；或者对车体地板面的振动状态反馈量进行滤波，然后通过模态分解识别模态空间内振动加速度，然后对模态空间内振动加速度进行积分获得模态振动速度和模态振动位移；
S6、主动悬挂控制器采用变结构控制方法，即滑模控制方法，设计所述模态空间内振动状态量的滑模变量，即滑模面，确定不同滑模变量的最优参数，计算出主动作动器的理想主动控制力；
S7、根据所述理想主动控制力，主动作动器实际输出主动控制力F实际作用在车辆上。
2.根据权利要求1所述的一种车辆垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真方法，其特征在于：主动作动器采用一体化电动静液压作动器。
3.根据权利要求1所述的一种车辆垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真方法，其特征在于：所述振动状态反馈量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处的垂向加速度。
4.根据权利要求2所述的一种车辆垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真方法，其特征在于：步骤S5中，所述模态振动加速度采用如下公式进行识别：
式中：a1z表示测点a1的垂向加速度；a2z表示测点a2的垂向加速度；a3z表示测点a3的垂向加速度；分别为车体的侧滚、浮沉和点头模态振动加速度；w表示测点a1和a2距车体中心线的横向距离；Lc表示车辆定距之半；
对所述模态振动加速度进行积分便可获得模态振动速度和模态振动位移。
5.根据权利要求4所述的一种车辆垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真方法，其特征在于：针对步骤S1中采用3根主动作动器的工况，所述步骤S6中滑模变量设计为车体多个模态振动的位移和速度的组合表达式：
滑模变量的导数形式为
式中，si表示滑模变量向量，ci为滑模变量增益系数，i＝1,2,3；φc、zc、θc分别为车体的侧滚、浮沉和点头模态振动位移，分别为车体的侧滚、浮沉和点头模态振动速度；φr和/>为理想的车体侧滚角度和角速度，即理想倾摆角度和角速度，/>假设理想倾摆动作为准静态过程，令/>其中v为车辆运行速度，单位为m/s；g为重力加速度；R为曲线线路的半径，单位为m；H为曲线线路外轨的超高量，单位为m；b0表示左右侧钢轨中心的横向跨距；列车所处位置的曲线半径R和超高量H由列车运行状态辨识模块直接输出；
为了计算出理想主动控制力，需要引入车辆系统运动微分方程，将滑模变量导数方程中的车体的浮沉、点头和侧滚模态振动加速度表示为悬挂力的形式，即进一步将表示为包含所有被动悬挂力和主动控制力的方程：
式中，fsxj、fsyj和fszj分别表示二系空气弹簧产生的纵向力、横向力和垂向力，j＝1,2,3,4，f4表示车体后端右侧二系垂向被动减振器的力，这些力通过载荷标定获得；lc表示车辆前后端的二系垂向减振器的纵向跨距之半；h2表示车体质心距离二系空气弹簧作用点的高度；mc为车体质量，Jcx为车体侧滚转动惯量，Jcy为车体点头转动惯量；ws为左右侧二系垂向减振器以及空气弹簧的横向跨距之半；u1、u2和u3分别为车体前端左侧、前端右侧和后端左侧共3根主动作动器的理想主动控制力，F理想＝[u1 u2 u3]；
将车体运动微分方程代入滑模变量导数方程：
上式可以简写为：
其中，
求得理想主动控制力为：
采用指数趋近律来控制系统状态到滑模变量的动态逼近过程
式中，
式中，ki和ksti、εi表示趋近律的控制参数，i＝1,2,3；
通过遗传算法或单变量分析法确定趋近率控制参数ki、ksti、εi以及滑模变量增益系数ci的最优范围，由此计算得到理想主动控制力u1、u2、u3。
6.根据权利要求5所述的一种车辆垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真方法，将二系垂向被动减振器保留在车体前端左侧、前端右侧或后端左侧。
7.根据权利要求4所述的一种车辆垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真方法，其特征在于：针对步骤S1中采用2根主动作动器的工况，仅车体前端左侧和后端右侧的被动减振器被替换为主动作动器，令其理想主动控制力分别为u1和u4，所述步骤S6中滑模变量表示为主动作动器对应位置的车体地板面上的振动，即
其中，si表示滑模变量向量，ci为滑模变量增益系数，i＝1,2；φc、zc、θc分别为车体的侧滚、浮沉和点头模态振动位移，分别为车体的侧滚、浮沉和点头模态振动速度；zl和zr分别为车体左、右侧的主动作动器位置的理想跟踪位移，/>和/>为理想跟踪速度；lc表示车辆前后端的二系垂向减振器的纵向跨距之半，ws为左右侧二系垂向减振器以及空气弹簧的横向跨距之半；
主动作动器的理想跟踪位移和理想跟踪速度根据理想车体倾摆角度φr计算得到，并且zl与zr满足大小相等但符号相反的规律zr＝-zl，即左右侧主动作动器的行程相等但方向相反；
式中，v为车辆运行速度，单位为m/s；g为重力加速度；R为曲线线路的半径，单位为m；H为曲线线路外轨的超高量，单位为m；b0表示左右侧钢轨中心的横向跨距；列车所处位置的曲线半径R和超高量H由列车运行状态辨识模块直接输出；
主动作动器的理想跟踪速度为
滑模变量的导数为
其中，令理想跟踪加速度或为白噪声信号；
车体的浮沉、点头和侧滚运动微分方程为：
将车体运动微分方程代入滑模变量导数方程：
为简化表达上述公式，将与主动控制力无关的项合并简写：
式中，fsxj、fsyj和fszj分别表示二系空气弹簧产生的纵向力、横向力和垂向力，j＝1,2,3,4；f2和f3分别表示前端右侧和后端左侧被动减振器的载荷；二系空气弹簧和二系垂向被动减振器的载荷均可以通过载荷标定获得；h2表示车体质心距离二系空气弹簧作用点的高度；mc为车体质量，Jcx为车体侧滚转动惯量，Jcy为车体点头转动惯量；
进而，得到简化的滑模面导数表达式：
可以求得：
采用指数趋近律来控制系统状态到滑模变量的动态逼近过程
式中，
式中，ki和ksti、εi表示趋近律的控制参数，i＝1,2；
通过遗传算法或单变量分析法确定趋近率控制参数ki、ksti、εi以及滑模变量增益系数ci的最优范围，由此计算得到理想主动控制力u1和u4。
8.根据权利要求7所述的一种车辆垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真方法，将二系垂向被动减振器保留在车体前端左侧和后端右侧，将两根主动作动器设置在车体前端右侧和后端左侧。
9.一种车辆垂向平稳性和倾摆角度主动控制仿真系统，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3根或2根垂向被动减振器被替换为主动作动器，并且主动作动器位置与二系垂向被动减振器位置相同；
还包括检测系统，所属检测系统检测车体地板面多个测点处的振动状态反馈量，即垂向振动加速度，将检测到的振动状态反馈量输入主动悬挂控制器模型中；
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、积分器、模态分解模块和滑模控制器，所述高通滤波器用于将振动状态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状态反馈量或者模态空间内振动状态量进行积分，所述滑模控制器通过设计滑模面、趋近律及控制参数而计算出理想主动控制力F理想，实现车体的多个振动模态抑制和倾摆角度控制，并将理想主动控制力指令输入主动作动器动力学模型中；车辆三维非线性动力学模型中的主动作动器实际输出主动控制力F实际作用在车辆上；
还包括列车运行状态辨识模块，所述列车运行状态辨识模块根据当前振动状态反馈量辨识车辆运行速度、垂向平稳性状态和轨道激励状态，所述列车运行状态辨识模块还直接识别线路几何信息即曲线半径和超高量，列车运行状态辨识模块根据车辆垂向平稳性状态和线路几何信息，评判是否需要开启主动悬挂控制器，如果不需要则关闭主动悬挂控制器，主动作动器以被动控制模式工作；如果需要则开启主动悬挂控制器，主动悬挂控制器对车体地板面的振动状态反馈量进行滤波、积分和模态分解，获得模态空间内振动状态量，变结构控制器即滑模控制器设计滑模面、趋近律及控制参数进而确定理想主动控制力F理想；主动作动器跟随主动悬挂控制器输出的理想主动控制力F理想，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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310968545.0A CN116822063A (zh) | 2023-08-02 | 2023-08-02 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310968545.0A CN116822063A (zh) | 2023-08-02 | 2023-08-02 | 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 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN116822063A true CN116822063A (zh) | 2023-09-29 |
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ID=88139427
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310968545.0A Pending CN116822063A (zh) | 2023-08-02 | 2023-08-02 | 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 |
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- 2023-08-02 CN CN202310968545.0A patent/CN116822063A/zh active Pending
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