铁道车辆馈能式主动悬架研究

摘要

随着高速铁路技术的发展，铁路运输的高速化将加剧铁道车辆行驶时的车体振动，影响铁道车辆运行的稳定性及乘坐的舒适性，这使得人们对铁道车辆悬架性能提出了更高的要求。传统的被动悬架由于建立在选定的弹簧刚度与减振阻尼参数基础上，无法更好的适应不同线路的运行条件。因此，为了克服被动悬架的缺陷，研究者们提出了基于主动控制技术的主动悬架，其能够根据车辆的运行状态与线路状况实时调整输出阻尼力，满足车辆高速平稳运行的要求，并显著提升乘坐舒适度。但是，主动悬架的实现依赖于外部功率的输入，需要为执行器的有效工作提供大量能量，这限制了主动悬架在实际工程中的应用。因此，本文针对铁道车辆二系横向悬挂系统，研究了一类能量回馈式主动悬架，它通过回收轨道不平顺激励引起的振动能量，来实现对主动悬架执行器的能量供给，进而在不依赖于外部能源的情况下，实现对车辆振动的有效抑制。
　　本文研究的主要内容包括:
　　(1)给出了一种基于LQR最优控制的铁道车辆馈能式二系横向悬架的设计方法。通过设置执行器内部功率损耗系数及能量回收功率损耗系数，分析了主动悬架内的能量流动情况以及相应的能量平衡条件。通过对二次性能指标权重的调整，分析了控制增益对减振性能与能量消耗的影响，并给出了执行器参数选型的具体要求，使得执行器能够在满足主动悬架期望减振性能的基础上，实现外部能量的零消耗。同时，为了进一步应对主动悬架的高功率需求，在选定执行器的基础上研究了一种适当的控制策略，它在保证较好的减振性能前提下，通过在线调整控制增益进一步降低了执行器的能量消耗。
　　(2)给出了一种在频域内对铁道车辆馈能式二系横向悬架的分析设计方法，并对系统的能量平衡条件以及改善减振性能与能量消耗之间的关系作了详细的分析。基于系统的简化模型，通过模式天棚阻尼控制方法将车辆悬架动态分解为横向运动模式与摇头运动模式，进而在频域内利用轨道横向不平顺功率谱密度对执行器的平均消耗功率进行计算。以此为基础研究了控制增益与执行器关键参数对振动抑制与系统能量回馈的影响，并通过完整模型的数值仿真验证了所得能量平衡条件，仿真结果表明在没有外部能源供给情况下，主动悬架实现了自供能量并显著改善了减振性能。
　　(3)对于有界状态时滞和控制输入时滞下，具有范数有界不确定参数的线性系统，在二次型性能指标含有交叉项的情况下，分别研究了系统的鲁棒最优保性能控制算法和保性能/H∞控制算法。通过Lyapunov函数方法，在满足系统稳定性和相应性能指标的前提下，将系统的闭环设计问题转换为一组线性矩阵不等式的求解问题。数值算例仿真表明，所设计的算法能够对给定的含有状态时滞和输入时滞的参数不确定系统实现镇定，并最优化性能指标。
　　(4)基于具有范数有界不确定参数的1/4铁道车辆悬架系统，设计了最优化二次型性能指标的主动悬架鲁棒控制器。利用该控制器在1/4车辆模型上分析了系统参数摄动下的能量平衡条件。然后，利用含有摄动参数的整车模型仿真对所设计的鲁棒控制器与传统LQR最优控制器以及被动悬架的性能做了比较分析，并对自供能量条件进行了验证。
　　(5)基于执行器有时滞的1/4铁道车辆悬架系统，在二次型性能指标和H∞性能指标综合要求下，设计了主动悬架保性能/H∞控制器。利用该控制器在1/4车辆主动悬架系统上分析了时滞对执行器能量消耗的影响，给出了时滞与执行器能量平衡参数的关系。然后，将设计的保性能/H∞控制器与能量平衡条件应用于执行器有时滞的整车模型仿真，并分析了保性能/H∞控制器的性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 铁道车辆二系横向主动悬架研究现状

1．2．1 主动悬挂控制策略

1．2．2 应用概况

1．3 馈能式主动悬架研究现状

1．3．1 能量回馈可行性

1．3．2 结构方案

1．4 铁道车辆馈能式悬架需要解决的问题

1．5 本文研究的主要内容

第2章 稳定性及系统相关理论

2．1 稳定性理论

2．1．1 Lyapunov稳定性

2．1．2 鲁棒稳定性

2．1．3 时滞系统稳定性

2．2 线性矩阵不等式方法

2．2．1 线性矩阵不等式

2．2．2 LMI标准问题

2．2．3 相关引理

2．3 功率的频域计算

2．3．1 随机过程的平均功率

2．3．2 系统输入与输出的功率谱关系

2．4 轨道不平顺功率谱的时频域转换

2．4．1 轨道不平顺功率谱概述

2．4．2 功率谱转换时域样本

2．4．3 时域样本转换功率谱

2．5 本章小结

第3章 基于LQR最优控制的馈能式主动悬架

3．1 引言

3．2 车辆系统分析模型

3．2．1 车辆动力学建模

3．2．2 LQR最优控制器

3．3 能量消耗估算分析

3．3．1 能量消耗估算

3．3．2 减振性能与能量消耗的权衡分析

3．3．3 功率损耗分析

3．4 执行器建模与设计

3．4．1 执行器模型

3．4．2 执行器设计与选型

3．5 基于执行器模型的能量消耗分析

3．5．1 执行器内部功率消耗计算

3．5．2 能量估算验证

3．5．3 控制策略

3．6 系统仿真分析

3．7 本章小结

第4章 基于模式天棚阻尼控制的馈能式主动悬架

4．1 引言

4．2 频域功率分析

4．2．1 系统简化模型

4．2．2 模式控制策略

4．2．3 功率消耗计算

4．2．4 能量平衡分析

4．3 系统整体模型描述

4．4 整车仿真分析

4．4．1 轨道功率谱输入下的悬架性能

4．4．2 轨道实测数据输入下的悬架性能

4．5 本章小结

第5章 性能指标含交叉项的时滞系统鲁棒控制

5．1 引言

5．2 系统描述

5．2．1 系统模型

5．2．2 性能指标

5．3 保性能控制器设计

5．3．1 定义

5．3．2 保性能控制器

5．3．3 最优保性能控制器

5．4 保性能／H∞控制器设计

5．5 数值算例分析

5．6 本章小结

第6章 馈能式主动悬架的鲁棒控制

6．1 引言

6．2 系统结构与控制器设计

6．2．1 含有不确定参数的1／4车辆模型

6．2．2 悬架性能指标

6．3 保性能鲁棒控制器

6．4 参数摄动下的能量消耗分析

6．4．1 控制器减振性能

6．4．2 参数摄动下的能量平衡条件

6．5 整车系统仿真

6．6 本章小结

第7章 执行器有时滞的馈能式主动悬架控制

7．1 引言

7．2 系统描述

7．2．1 含有输入时滞的1／4车辆模型

7．2．2 悬架设计目标

7．3 主动悬架控制器设计

7．3．1 悬架保性能控制器

7．3．2 悬架保性能／H∞控制器

7．4 含有输入时滞的执行器性能分析

7．4．1 控制增益设计

7．4．2 输入时滞下的能量平衡

7．5 整车系统仿真

7．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表论文与参加科研项目情况