高速列车半主动悬挂系统控制方法技术方案

本发明专利技术属于列车控制技术领域，公开一种高速列车半主动悬挂系统控制方法，包括如下步骤：S1.根据基于欧拉‑拉格朗日非线性动力学模型，建立高速列车十七自由度的状态方程；S2.为了对列车高速运行中所受扰动进行实时观测，设计适用于非线性动力学结构的滑模增益自适应观测器；S3.将滑模变结构控制算法与加幂积分控制算法结合，设计高速列车悬架控制器。本发明专利技术提出的基于加幂积分滑模变结构的高速列车悬架控制算法，解决了现实工程中扰动上界未知的现象，有效的克服了非线性复杂系统中强耦合问题，加幂积分算法使系统具有快速动态响应，滑模变结构控制算法具有鲁棒性强，可靠性高等特点，很好的实现了高速列车快速安全稳定运行的要求。

Control method of semi-active suspension system for high-speed train

【技术实现步骤摘要】
高速列车半主动悬挂系统控制方法
本专利技术涉及涉及轨道交通运行控制领域，具体是一种高速列车半主动悬挂系统控制方法。
技术介绍
随着国家的轨道交通发展，中国高速列车已经成为了中国的名片，承载着中国科技走出去的重要信念，中国高铁以平稳性好著称，其优良的平稳性离不开高性能的悬挂控制系统，高速列车运行过程中的悬挂系统是一种多自由度动力学系统，属于一种多变量，非线性和强耦合的复杂模型。针对实际工程应用中扰动上界未知问题，如何设计较好的观测器，针对提升列车运行的抗干扰能力,如何设计较好的控制器，均是是高速列车运行悬挂系统控制技术在实际生产应用中的关键，它直接影响列车运行控制的可靠性及乘客乘坐的舒适性。以上高速列车运行过程中存在的复杂轨道激扰工况，需要解决的关键问题是，如何设计观测器能快速精确的观测非线性随机振动系统中的扰动,如何设计控制算法快速有效的抑制列车运行中的扰动，保证高速列车安全稳定的运行，这些均是高速列车设计亟需要解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于加幂积分滑模的高速列车控制方法，以解决现实工程中高速列车运行过程中所受轨道激扰上界未知的问题，使高速列车快速安全稳定的运行。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种高速列车半主动悬挂系统控制方法，包括以下步骤：S1：基于欧拉-拉格朗日非线性动力学模型，建立高速列车多自由度的状态方程；S2：设计适用于非线性动力学结构的滑模增益自适应观测器对列车高速运行中所受扰动进行实时观测；>S3：将滑模变结构控制算法与加幂积分控制算法结合，设计高速列车半主动悬挂控制器。步骤S3：将滑模变结构控制算法与加幂积分控制算法结合，设计高速列车悬架控制器。进一步地，S1所述的高速列车多自由度状态方程，为十七自由度状态方程，具体包括如下过程：S11：根据非线性动力学对半主动悬挂系统的运动状态进行分析，建立高速列车十七自由度动力学数学模型，包括轮对的横移和摇头运动方程、转向架的横移和侧滚及摇头方程、车体的横移和侧滚及摇头运动方程；S12：将十七自由度动力学数学模型等效为传统非线性随机动力学的数学模型，得到高速列车十七自由度的模型变换方程；S13：引入列车运行环境中多种复杂车况和/或路况时变下的外部干扰，建立精确的高速列车十七自由度模型，得出整个系统不确定性外部干扰的表达式。其中，S11中的高速列车十七自由度动力学数学模型包括：S111：轮对横移运动方程S112：轮对摇头运动方程S113：转向架横移运动方程S114：转向架侧滚运动方程S115：转向架摇头运动方程S116：车体横移运动方程S117：车体侧滚运动方程S118：车体摇头运动方程更进一步地，得到外部广义干扰力项，其中m＝1～4，n＝5～8。更进一步地，S12确定的模型变换方程如下：更进一步地，定义D表示列车运行环境中其他复杂时变下的外部干扰，得到更为精确的高速列车多自由度模型。将模型变换方程进一步转化，则有：更进一步地，S13确定的系统综合不确定性外部干扰如下：式中[M0]，[C0]，[K0}：依次为整车系统惯量矩阵、阻尼矩阵和时刚度矩阵，均为17×17阶方阵；ΔM代表由于乘客人数变化等造成质量系数的改变，ΔC代表列车长时间运行后造成阻尼系数的改变，ΔK代表列车长时间运行后弹簧系数的改变；u：17×17阶的控制器输出量；[D]:包括轨道不平顺在内的扰动变量。y＝[yw1，yw2，yw3，yw4，ψw1，ψw2，ψw3，ψw4，yt1，yt2，φt1，φt2，ψt1，ψt2，yc，φc，ψc]T；进一步地，S2所述的滑模增益自适应观测器的具体设计过程包括如下过程：S21：根据高速列车的轮对、转向架及车体各自由度传感器的测量值及设定参考值之间的误差，构造外部干扰项的观测滑模面；S22：根据高速列车十七自由度的模型变换方程构造干扰项的滑模变结构观测器；更进一步地，S21所述的具体过程如下：S211：定义测量值及设计参考值的误差信息S212：设计观测器的滑模面方程再进一步地，S22中的滑模变结构观测器的具体设计过程如下：S221：设计滑模变结构观测器S222：观测器中的估计值为式中，ν＝λ1sgn(Sa)滑模变量，标量λ1辅助系统的增益。高速列车运行中激扰不会出现突增性现象，所以可得且为一正常数，将转化后的模型转换方程统减去滑模变结构观测器方程，并代入可得：式中未知增益系数其中γ是正的矩阵。优选地，为保证S22设计的滑模变结构观测器可达，并且能够趋于渐近稳定，对S22设计的滑模变结构观测器进行证明，具体证明过程如下：S231:构建证明滑模观测器存在性及可达性的Lyapunov函数S232:证明滑模观测器的存在性与可达性S233：构建证明观测器稳定性的Lyapunov函数S234：证明观测器趋于逐渐稳定进一步地，S3所述的高速列车半主动悬架控制器的具体设计过程如下所示：S31：定义高速列车十七自由度的模型变换方程的中间变量，将其转换成空间状态方程；S32：选取合适的积分滑模面,构建加幂积分滑模控制器；更进一步地，S31所述的空间状态方程建立过程如下所示：S311：定义列车数学模型的状态变量设半主动悬架系统的理想轨迹位置为yd,实际位置矢量为y，则状态变量为x1＝[x1,1,...,x1,n]T＝yd-yS312：建立列车模型变换方程的空间状态方程定义其中是一个设定的虚拟控制器，其中1＜r＝r1/r2＜2，r1与r2均是正整数。再进一步地，S32所述的控制器设计具体如下：S321：选择积分滑模面为S322：设计加幂积分滑模控制器式中k1＞0，更进一步地，为保证S32设计的加幂积分滑模控制器可达，并且能够趋于渐近稳定，对S32设计的加幂积分滑模控制器进行证明，具体证明过程如下：S331:构建Lyapunov方程：V＝V1+V2S332:验证加幂积分控制器的稳定性结合上面的公式可得到：式中更进一步地，采用代替函数sgn(s),其中δ为趋于零的正常数。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的基于加幂积分滑模的高速列车控制方法，有效的克服了复杂系统中扰动多变，系统非线性和变量强耦合等问题，使系统具有有限时间收敛的快速动态响应，鲁棒性强，可靠性高，很好的实现了高速列车的安全本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速列车半主动悬挂系统控制方法，其特征在于，采用加幂积分滑模控制算法，包括以下步骤：/nS1：基于欧拉-拉格朗日非线性动力学模型，建立高速列车多自由度的状态方程；/nS2：设计适用于非线性动力学结构的滑模增益自适应观测器对列车高速运行中所受扰动进行实时观测；/nS3：将滑模变结构控制算法与加幂积分控制算法结合，设计高速列车半主动悬挂控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种高速列车半主动悬挂系统控制方法，其特征在于，采用加幂积分滑模控制算法，包括以下步骤：
S1：基于欧拉-拉格朗日非线性动力学模型，建立高速列车多自由度的状态方程；
S2：设计适用于非线性动力学结构的滑模增益自适应观测器对列车高速运行中所受扰动进行实时观测；
S3：将滑模变结构控制算法与加幂积分控制算法结合，设计高速列车半主动悬挂控制器。


2.根据权利要求1所述的高速列车半主动悬挂系统控制方法，其特征在于，S1包括以下步骤：
S11：根据非线性动力学对半主动悬挂系统的运动状态进行分析，建立高速列车十七自由度动力学数学模型，包括轮对的横移和摇头运动方程、转向架的横移和侧滚及摇头方程、车体的横移和侧滚及摇头运动方程；
S12：将十七自由度动力学数学模型等效为传统非线性随机动力学的数学模型，得到高速列车十七自由度的模型变换方程；
S13：引入列车运行环境中多种复杂车况和/或路况时变下的外部干扰，建立精确的高速列车十七自由度模型，得出整个系统不确定性外部干扰的表达式。


3.根据权利要求2所述的高速列车半主动悬挂系统控制方法，其特征在于，S11确定的十七自由度高速列车数学模型如下：
S111：轮对横移运动方程



S112：轮对摇头运动方程



S113：转向架横移运动方程



S114：转向架侧滚运动方程



S115：转向架摇头运动方程



S116：车体横移运动方程



S117：车体侧滚运动方程



S118：车体摇头运动方程



S12确定的模型变换方程如下：

。


4.根据权利要求3所述的高速列车半主动悬挂系统控制方法，其特征在于，S13确定的系统综合不确定性外部干扰如下：

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5.根据权利要求4所述的高速列车半主动...

【专利技术属性】
技术研发人员：何静，刘志天，张昌凡，刘建华，毛颂安，徐艳，谌雪媛，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43