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技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。优化提供了一种解决思路。优化提供了一种解决思路。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于高速列车系统动力学与控制
，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。

技术介绍

[0002]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，当本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：a
1z
表示测点a1的垂向加速度；a
2z
表示测点a2的垂向加速度；a
3z
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；L
c
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，s
i
表示滑模变量向量，c
i
为滑模变量增益系数，i＝1,2,3；φ
c
、z
c
、θ
c
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；φ
r
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，f
sxj
、f
syj
和f
szj
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；l
c
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；m
c
为车体质量，J
cx
为车体侧滚转动惯量，J
cy
为车体点头转动惯量；w
s
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
＝[u
1 u
2 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，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，k
i
和k
sti
、ε
i
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k
i
、k
sti
、ε
i
以及滑模变量增益系数c
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：石怀龙，郭金莹，曾京，李凡松，王勇，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：