列车横向悬挂控制策略研究

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列车在高速运行时,由于轨道不平顺输入影响,使得列车产生横移、侧滚和摇头振动,并在车体上合成横向加速度,影响了列车横向平稳性。为了减少横向振动,提高列车的运行平稳性和舒适性,采用车辆悬挂系统来减少振动。半主动悬挂在减振效果上既好于被动悬挂,又比主动悬挂节约能源,故其将成为未来车辆减振研究的一个重点和难点。由于列车横向运动模型是复杂的动力学系统,具有非线性、时变,多变量等特点,很多横向半主动悬挂控制算法都有其局限性。其中,模糊控制不依赖精确的数学模型,具有人工智能的特点,在列车横向半主动悬挂控制中显示出很强的优势。因此,本文在建立17个自由度的列车横向运动模型基础上,分别设计了普通、变论域、满意优化的模糊控制器和混合模糊控制器,并通过仿真证明各算法的有效性。论文的主要工作如下:(1)分析了列车横向半主动悬挂振动结构。列车横移、侧滚和摇头三种振动的加速度最大值和均方根值分析表明,横移和摇头振动是影响列车横向振动的重要因素;互相关函数和小波变换分析表明,列车横向振动的主频为1Hz以下的低频段,水平不平顺对列车横移和摇头振动影响较大,方向不平顺对侧滚振动影响较大,水平不平顺是影响列车横向合成加速度的重要因素。(2)设计了列车横向半主动悬挂模糊控制器。以列车横向速度和加速度为模糊控制器的输入变量,模糊控制器的输出变量为可变阻尼器的输入电流,根据经验设计模糊控制器的控制规则,从而调整可变阻尼器的阻尼,减少列车横向振动。仿真结果表明,列车横向半主动悬挂模糊控制在加速度最大值、均方根值和功率谱密度最大值上都好于被动悬挂。(3)实现了列车横向半主动悬挂变论域模糊控制策略。首先,推广了变论域模糊控制收敛条件,并将其应用于列车横向半主动悬挂系统。在建立的17个自由度的列车横向运动模型基础上,设计了变论域模糊控制器。仿真结果表明,变论域模糊控制在列车横移、侧滚和摇头振动、前端、中间和后端加速度最大值、均方根值和功率谱密度最大值上均好于普通的模糊控制。(4)利用满意优化原理优化了列车横向半主动悬挂模糊控制器。依据满意优化原理,利用生物地理优化算法优化了列车横向半主动悬挂模糊控制器。为了提高优化效果,采用了基于复形法的生物地理优化算法。仿真结果表明,该方法优化的模糊控制可以有效降低列车横向加速度的最大值、均方根和功率谱密度最大值。(5)设计了列车横向半主动悬挂混合模糊控制器。在变论域模糊和进化算法优化的模糊控制基础上,把两种控制策略结合起来,设计混合模糊控制器。研究结果表明,在控制因子为0.5时,控制器混合效果最佳,并在控制因子为0.5的情况下,利用改进的生物地理优化算法优化了混合控制器。仿真结果显示,优化后的混合模糊控制效果好于变论域模模糊控制,并与其他列车横向半主动悬挂控制策略做了对比,证明了混合模糊控制策略的有效性。
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