基于全轮转向的虚拟轨道列车循迹控制策略研究

摘要

随着我国经济的快速发展，城市人口数量和机动车保有量不断增加，导致城市公共交通需求增加，虚拟轨道列车作为一种非轮轨接触自导向运输工具，具有方便节能、编组灵活、通信管理高效、调配能力强、基础设施成本低等优点。但是，作为一种新型的交通车辆，虚拟轨道列车的走行系统结构、自导向循迹控制策略和动力学性能都有待进一步研究。本文为研究虚拟轨道列车走行系统结构、循迹控制策略及动力学性能，在充分调研国内外相关技术的基础上，设计了虚拟轨道列车的独立悬架方案，将虚拟轨道列车的机械结构和电气系统结合成为一个整体，建立了考虑列车架构特征、胎地耦合、电机驱动特性的虚拟轨道列车系统动力学模型，本文主要内容如下：　　首先，在调研国内外现有虚拟轨道车辆架构特征与现代车辆悬架技术的基础上，考虑轮毂电机的适配性，得出虚拟轨道列车采用双横臂式独立悬架作为走行结构较为合理的结论，并提出一种可驱动可转向的双横臂悬架结构，完成了双横臂独立悬架及其转向机构的设计方案。　　然后，基于胎地耦合关系与轮毂电机驱动特征，对虚拟轨道列车模型的机械结构、轮胎力元、路面激励、电机驱动和差速控制等部分进行分析与建模，建立虚拟轨道列车系统动力学模型，并基于全轮转向的特性，结合循迹控制的闭环反馈控制系统，对单车以及三节车编组的虚拟轨道列车循迹控制策略效果从循迹精度、车轮摆振和侧滑等方面进行分析研究，研究认为单车通过全轴横向偏差控制即可达到较好的循迹效果，三节车编组时采用基于多刚体平面运动规律控制，相比全轴横向偏差控制和横向偏差与冲角混合控制能够达到更优的循迹效果，相比全轴横向偏差控制策略其车轴处最大横向偏差、车轮最大偏转角、车轮最大侧向滑移指标分别降低了48%、25%、63%，各指标较横向偏差与冲角混合控制策略分别降低了33%、25%、54%。　　最后，基于建立的虚拟轨道列车系统动力学模型和优化后的循迹控制策略，仿真分析预测虚拟轨道列车在直线、R500m大半径曲线和R20m小半径曲线上运行时的动力学性能，经过计算分析，认为虚拟轨道列车在直线和曲线上的平稳性和舒适度优良，安全性指标小于标准规定的限度值，但列车在过小曲线时应当注意适当降低列车的行驶速度，以保持较好的横向平稳性、乘坐舒适度与安全性。

目录

声明

第1章绪论

1.1 论文选题背景及研究意义

1.2 国内外相关技术现状

1.2.1 虚拟轨道列车技术现状

1.2.2 独立悬架技术现状

1.2.3 循迹控制技术现状

1.3 本文主要内容与技术路线

第2章虚拟轨道列车悬架设计

2.1 悬架系统概述

2.1.1 悬架的组成元件

2.1.2 悬架的类型

2.2 虚拟轨道列车独立悬架方案设计

2.2.1 独立悬架选型

2.2.2 可驱动转向双横臂悬架方案

2.3 悬架弹性特性匹配

2.3.1 悬架偏频、刚度与静挠度

2.3.2 悬架弹性特性调制

2.4 悬架合理性验证

2.4.1 双轮平行跳动工况

2.4.2 悬架转向特性

2.5 本章小结

第3章虚拟轨道列车动力学模型建立

3.1 胎地耦合模块

3.1.1 轮胎模型

3.1.2 路面激励

3.2 驱动控制模块

3.2.1 轮毂电机

3.2.2 电机驱动模块

3.2.3 差速控制模块

3.3 列车其他特征

3.3.1 全轮转向

3.3.2 车铰装置

3.4 虚拟轨道列车系统动力学模型

3.5 本章小结

第4章虚拟轨道列车循迹控制策略研究

4.1 循迹控制介绍

4.1.1 基于横向偏差的控制

4.1.2 基于车轮冲角的控制

4.1.3 PID控制器

4.2 循迹控制策略仿真分析

4.2.1 单车循迹控制策略

4.2.2 三车编组循迹协调控制策略

4.3 本章小结

第5章虚拟轨道列车动力学性能分析

5.1 平稳性及舒适度

5.1.1 直线工况

5.1.2 曲线工况

5.2 安全性

5.2.1 直线工况

5.2.2 曲线工况

5.3 本章小结

结论与展望

(1) 主要研究结论

(2) 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的主要成果及承担的科研项目

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