【摘 要】
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超导电动悬浮列车是目前唯一通过600公里速度等级应用可行性验证的轨道交通载运工具,有望成为下一代高速和超高速载人轨道交通的主要制式。动力学问题是超导电动悬浮车辆走向商业应用面临的主要挑战之一。车辆运行平稳性和乘坐舒适性是评价车辆动力学性能的重要指标,改善超导电动悬浮列车平稳性和舒适性的主要方式有提高线路等级和改进车辆悬挂系统。其中,提高线路等级会导致线路建设成本增加,因此,优化设计车辆悬挂系统是提
【基金项目】
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国家自然科学基金委员会面上项目:基于磁-电-力耦合的超导电动悬浮车辆垂向动力学性能及减振控制研究(52072318)
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超导电动悬浮列车是目前唯一通过600公里速度等级应用可行性验证的轨道交通载运工具,有望成为下一代高速和超高速载人轨道交通的主要制式。动力学问题是超导电动悬浮车辆走向商业应用面临的主要挑战之一。车辆运行平稳性和乘坐舒适性是评价车辆动力学性能的重要指标,改善超导电动悬浮列车平稳性和舒适性的主要方式有提高线路等级和改进车辆悬挂系统。其中,提高线路等级会导致线路建设成本增加,因此,优化设计车辆悬挂系统是提升车辆运行平稳性和舒适性更加有效的途径。本文以超导电动悬浮车辆作为研究对象,基于牛顿-欧拉方程建立了考虑滚摆运动的超导电动悬浮车辆横向动力学模型;将基于傅立叶逆变换数值模拟得到的轨道不平顺时间序列作为车辆的激扰输入,研究了车辆的横向动力学响应特性。为了改善超导电动悬浮车辆的运行平稳性,首先建立了超导电动悬浮车辆主动控制模型,基于最优控制理论设计了线性二次型(LQ)控制器。针对LQ最优控制器性能指标权重系数选取困难的问题,提出了基于层次分析法-遗传算法(AHP-GA)多层次优化的LQ最优控制器权重系数选取方法,并分析其中遗传算法各参数对LQ最优控制器减振性能的影响,发现种群规模、交叉后代比例、精英个数以及最大进化代数的值均能影响LQ最优控制器的减振效果;从时域和频域两个方面对比分析了基于AHP和AHP-GA的LQ最优控制器应用于超导电动悬浮车辆悬挂系统振动控制的效果。结果表明,基于AHP和AHP-GA多层次优化权重系数的LQ最优控制器均能够有效改善车辆的乘坐舒适性和运行安全性,且后者可以明显抑制车体一阶和二阶固有频率附近的低频振动分量,控制效果更优。其次,建立了超导电动悬浮车辆半主动控制模型。通过研究车体及转向架的速度和加速度的作用规律,提出了ON-OFF改进型天棚阻尼半主动控制策略,从控制效果和控制效率两个方面对比分析了ON-OFF型、连续型以及ON-OFF改进型三种天棚阻尼半主动控制策略的优劣。结果表明,ON-OFF改进型天棚阻尼半主动控制策略的控制效率介于ON-OFF型和连续型天棚阻尼半主动控制策略之间,其减振性能优于两者,能有效提高车辆的运行平稳性和乘坐舒适性。最后,针对具有高维、强耦合、非线性特征的超导电动悬浮车辆精确模型建立困难的问题,以ON-OFF改进型天棚阻尼半主动控制策略作为模糊控制的知识库,提出了可调因子模糊-改进型天棚阻尼半主动复合控制策略。探究将模糊-改进型天棚阻尼和可调因子模糊-改进型天棚阻尼半主动复合控制策略应用于超导电动悬浮车辆悬挂系统振动控制的效果。结果表明,可调因子模糊-改进型天棚阻尼半主动复合控制策略自适应能力好,控制效果更优,能抑制车体和转向架的横向振动幅值,降低车辆在稳定悬浮运行时转向架的横、垂向位移变化量,也能拓宽振动控制的频带范围,有效提高了车辆的运行安全性和平稳性。
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