列车横向半主动悬挂系统广义预测控制的研究
目前，我国列车的运行速度不断的提高，增大了车体在运行过程中的振动幅度，使得车辆运行的平稳性降低。实践表明:我国列车垂向平稳性基本上满足提速的要求，然而，受传统的被动悬挂系统参数局限性的影响，横向振动恶化导致平稳性能不佳，这对提速列车和高速列车的横向悬挂系统提出了更高的要求[1]。半主动悬挂控制是改善列车横向运行平稳性的有效方法。用半主动控制策略控制列车悬挂系统，能够有效改善横向振动，从而改善平稳性和提高乘坐舒适度，具有很大的现实意义。
本篇论文采用半主动悬挂控制进行了列车横向振动控制的仿真研究。为了构建列车半主动悬挂控制系统的仿真系统，首先从研究列车振动的基本原理出发，对引起列车横向振动的轨道方向不平顺信号和轨道水平不平顺信号进行了数值模拟;然后，在MATLAB环境中，构建了列车十七自由度悬挂系统的SIMULINK模型;接着，对列车悬挂系统要采用的半主动控制策略进行研究，并设计出一种改进的广义预测控制(Improved General Predictive Control，IGPC)算法;最后利用MATLAB/SIMULINK工具构建起列车半主动悬挂控制的仿真系统，并进行了仿真研究。具体的内容主要由以下几方面组成:
(1)首先分析了在高速列车中采用半主动悬挂系统的必要性。通过分析铁道车辆被动悬挂系统、主动悬挂控制系统以及半主动悬挂系统的原理和特点，并比较了三种悬挂控制系统的优劣，得出列车运行时采用半主动悬挂系统的优越性和必要性。其次，对半主动悬挂系统的常见控制策略进行了分析研究。
(2)使用相关方法对车辆横向振动影响较大的方向不平顺和水平不平顺信号进行了数学模拟，其中所用轨道不平顺的谱密度分析表达式为德国轨道谱。然后，根据能够描述高速列车运动特性的微分方程，在MATLAB/SIMULINK环境中构建起十七自由度高速列车悬挂系统的SIMULINK模型。
(3)研究了预测控制的基本知识和广义预测控制的原理，并分析出广义预测控制的相关缺点，比如，Diophantine方程的求解和逆矩阵的计算会导致在线计算量大。本文对广义预测控制的性能指标函数和预测输出的求解进行了改进，设计了一种改进的广义预测控制算法(IGPC)。接着对应用该算法时需要特别注意的参数选择进行了分析。最后，采用上述建立的德国轨道谱和高速列车SIMULINK模型，并结合改进的广义预测控制算法(IGPC)，设计了列车横向半主动悬挂控制系统。
(4)在不同速度情况下，对改进的广义预测控制(IGPC)半主动悬挂系统、广义预测控制和PID结合(GPC_PID)的半主动悬挂系统、被动悬挂系统三种情况进行了仿真研究。根据高速列车舒适度的相关评价指标，对仿真结果进行了分析。
仿真结果显示:基于IGPC的高速列车横向半主动悬挂系统的评价指标均好于被动悬挂系统及(GPC_PID)的半主动悬挂系统，因此，该方法可以有效改善列车的横向振动。本文验证了该方法的有效性。
本论文的研究工作得到西南交通大学牵引动力国家重点实验室重点项目《机车车辆振动主动控制研究》(2008TPL_Z04)的支持。
列车悬挂系统;横向振动;预测控制;数值模拟;SIMULINK模型
西南交通大学
硕士
控制理论与控制工程
金炜东
2013
中文
U271.91;U270.331.6
70
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）