面向控制的高速列车的闭环辨识建模

摘要

高速铁路作为很重要的交通工具具有很多的经济优势，例如具有速度比较高、能耗很低、运载力大、安全舒适等，因此高速列车自然成为世界各国优先考虑发展的绿色交通工具。然而，随着科技的进步，列车运行速度也在不断的提高，从而导致列车的各个部件之间的相互作用显著加剧，例如轮轨、转向架与内部各部件。随着列车整个系统动态作用的明显恶化，这就对列车的安全与稳定运行提出了更高的要求。因此，为了使高速列车运行的更加安全、更好的促进高速铁路的发展，应该急需开展对于高速列车动力学模型的研究，从而可以更好的控制和优化高速列车。
　　首先，基于物理原理和已建立的高速列车动力学模型，对已建立的高速列车动力学模型进行整理、分离、简化和再建立处理，构建了描述高速列车单质点整车动力学模型和转向架各主要构件部分动力学模型，对建立的动力学模型进行数学处理，进而得到差分方程和传递函数。同时对动力学模型中影响动力学准确性的参数进行了分析，验证了所选取参数的合理性，所定参数满足高速列车动力学模型的建立要求。
　　其次，数据采集方案的设计。根据辨识所需要的高速列车动力学模型的数据进行采集数据方案设计，对于采集数据的界面软件用LabView进行创建，利用LabView的优势，例如清晰的画图界面、庞大的计算能力和处理图像的专业性。数据采集完成之后利用MATLAB的编程优势，对采集得到的数据进行处理和模拟仿真。对于所要采集的数据进行了传感器的选择，对传感器的工作原理进行了说明。对实验采集的数据进行信号的分析和去噪和滤波处理。
　　最后，运用极大似然开环辨识方法和闭环频域辨识方法对高速列车动力学模型进行了辨识，得到辨识数据和模型中的实际值之间的对比数据。通过两种不同辨识方法的比较和辨识值和真值之间的比较可以了解模型中参数对模型影响的程度，可以为准确建模提供理论基础。对所采的数据进行数据拟合，通过数据拟合图和辨识仿真图进行的对比以及辨识曲线拟合程度的准确性来评价辨识方法的有效性，进而分析算法的收敛速度和参数的影响程度。闭环辨识所建立的模型为设计控制器的准确性提供了保障，对于闭环辨识得到的传递函数进行自适应PID或者其他控制器的设计，用控制器的优劣性来评价辨识的准确性。结果表明，所提出的辨识方法的有效性和建立列车动力学模型的准确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外对于高速列车以及列车转向架的研究现状

1．2．2 高速列车动力学建模的研究现状

1．2．3 传统建模方法的介绍

1．2．4 系统辨识建模方法

1．3 高速列车动力学模型概述

1．4 论文主要研究的内容

2 整车和转向架动力学模型的建立

2．1 整车动力学模型的建立

2．2 转向架中主要部分动力学模型的建立

2．2．1 转向架的机构原理及组成

2．2．2 轮对的动力学模型

2．2．3 构架、悬架和车体各部件的动力学模型

2．3 本章小结

3 列车动力学模型仿真系统及数据采集方案设计

3．1 概要设计

3．1．1 设计原则

3．1．2 接口设计

3．1．3 运行设计

3．1．4 数据结构设计

3．1．6 数据出错处理设计

3．1．7 采集数据所用的传感器

3．1．8 实验数据处理

3．2 采集数据模块详细的设计

3．3 本章小结

4．开环辨识—极大似然参数辨识方法与仿真

4．1 极大似然参数估计的原理及性质

4．1．1 极大似然参数估计原理

4．1．2 似然函数的构造

4．2 动态系统参数的极大似然参数估计

4．3 动态系统的递推极大似然估计

4．4 动力学模型辨识仿真

4．4．1 整车动力学模型辨识仿真与分析

4．4．2 轮对动力学模型辨识仿真与分析

4．4．3 构架动力学模型辨识仿真与分析

4．4．4 车体动力学模型辨识仿真与分析

4．4．5 悬架动力学模型辨识仿真与分析

4．5 本章小结

5．闭环辨识—闭环系统参数辨识方法与仿真分析

5．1 闭环辨识的原理及性质

5．1．1 频域闭环辨识中多变量过程的识别

5．1．2 通过优化方法的多变量系统的闭环识别

5．2 各部分动力学模型频域闭环辨识仿真

5．2．1 整车动力学模型频域闭环辨识仿真

5．2．2 轮对动力学模型频域闭环辨识仿真

5．2．3 构架横向动力学模型频域闭环辨识仿真

5．2．4 半主动悬挂系统动力学模型频域闭环辨识仿真

5．2．5 车体系统化动力学模型频域闭环辨识仿真

5．3 各部分耦合系统动力学模型频域闭环辨识仿真

5．4 本章小结

6 总结和展望

6．1 主要工作及成果总结

6．2 下一步工作及展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果