列车转向架半主动减振器控制装置和系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种列车转向架半主动减振器控制装置和系统及其方法，半主动减振器控制装置与加速度传感器相连，包括：采样板、控制板、驱动板和电源模块；电源模块分别与采样板、控制板和驱动板连；采样板与控制板相连，控制板与驱动板相连，驱动板与采样板相连；采样板采集来自加速度传感器的加速度传感信号，并传送至控制板，控制板通过处理和计算加速度传感信号，向驱动板发送阀开放逻辑信号，驱动板为高速开关阀、反比例溢流阀和二位三通开关阀提供驱动。本发明解决了现有技术阻尼系数在车辆运行过程中不能调整，不能满足多种线路需要的问题，满足了车辆在高速下的平稳性要求，适应了轨道交通运输快速、安全、舒适的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半主动式减振器的控制装置和系统及其方法，尤其是涉及一种应用于高速铁路列车转向架的半主动减振器控制装置和系统及其方法。

背景技术

随着人民生活水平的提高，对交通运输质量(快速、安全、舒适)提出了更高的要求，车辆提速的进度日益加快，这将涉及诸多问题，需要克服许多技术难点。其中之一就是提速将要求车辆在较高的速度上满足车辆平稳性的要求，即要使乘客感到舒适的同时，还要保证行车安全。一般说来，随着运行速度的提高，机车车辆各质量部件的振动会加剧。为了同时满足提速与乘坐舒适度的要求，可以采用振动控制技术。所以要求高速铁道车辆自身具有较高的改善振动性能的能力，特别是在横向振动性能改善方面。

另外，我国线路差异较大，高速列车不但要运行于高速线、客运线、同时还要运行于既有线路。传统的机车车辆被动悬挂方式虽然能在一定程度上满足机车车辆动力学性能的要求，但其局限性是明显的。传统的机车车辆悬挂系统由弹性元件和阻尼元件组成，这些元件工作时不需要外界提供能源，仅仅是消耗或暂时储存系统内部的能量，是一种被动工作方式，因而称之为被动悬挂。传统机车车辆采用的被动悬挂系统，其阻尼系数在机车车辆运行过程中是不能进行调整的。因此，要求车辆铁路减振器性能参数能够满足多种线路的需要，同时能够适应一定范围的速度变化和各种常见的激励，这是现有的被动减振器无法完成的。

被动悬挂在衰减振动时不需要外界能源的输入，因此，被动悬挂也被称为无源悬挂。被动悬挂系统的最大缺陷在于其悬挂特性在运行过程中不能调节，也就是说其悬挂特性不能随外部激扰的变化而改变，因而欠缺适应复杂线路的能力，限制了机车车辆动力学性能的进一步改善。无源悬挂的悬挂特性在机车车辆运行过程中不能进行调节，其局限性主要表现在两个方面：

(1)传统机车车辆采用的是被动悬挂系统，它的阻尼系数在机车车辆运行过程中是不能进行调整的，同时其悬挂参数也不能随激扰的变化而任意进行调节；

(2)传统机车车辆采用悬挂元件仅对局部的相对运动做被动响应，且受到悬挂静挠度与系统固有频率的平方成反比的约束，大大限制了悬挂参数的取值范围，也限制了悬挂性能的提高。

然而，随着电子及计算机技术的迅猛发展，DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、ARM(Advanced RISC Machine，一种处理器)和FPGA(Field-programmable GateArray，现场可编程门阵列)等功能强大的嵌入式微机技术已经成熟并得到广泛应用；高集成、高精度和高可靠性的IC集成技术也同样在不断地升级换代；同时以太网通讯技术和界面开发软件编程技术的日新月异则更是大大提升了目前测试和控制领域的技术水平。

因此，利用当前电子信息和计算机领域的先进技术研制和开发一种新型的高速列车转向架减振器控制装置和系统及其控制方法成为目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种列车转向架半主动减振器控制装置和系统及其控制方法，该装置和系统及其控制方法解决了传统机车车辆被动悬挂系统阻尼系数在机车车辆运行过程中不能进行调整，性能参数不能满足多种线路的需要，不能适应一定范围的速度变化和各种常见的激励的技术问题，使车辆在较高的速度上也能满足运行平稳性的要求，适应了现代轨道交通运输快速、安全、舒适的需要。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种列车转向架半主动减振器控制装置的技术实现方案，一种列车转向架半主动减振器控制装置，列车转向架半主动减振器控制装置与加速度传感器相连，列车转向架半主动减振器控制装置包括：采样板、控制板、驱动板和电源模块；

电源模块分别与采样板、控制板和驱动板相连；采样板与控制板相连，控制板与驱动板相连，驱动板与采样板相连；

采样板采集来自加速度传感器的加速度传感信号，并传送至控制板，控制板通过处理和计算加速度传感信号，向驱动板发送阀开放逻辑信号，驱动板的输出端分别连接高速开关阀、反比例溢流阀和二位三通开关阀，为高速开关阀、反比例溢流阀和二位三通开关阀提供驱动。

作为本发明一种列车转向架半主动减振器控制装置技术方案的进一步改进，采样板包括信号整理模块、故障及自检触点检测模块和电流采样模块；

加速度传感信号经过信号整理模块将模拟量输出至控制板；

控制板输出数字量信号经过故障及自检触点检测模块对外输出故障信号和自检信号；

控制板输出阀开放逻辑信号经过驱动板输出脉冲+信号和脉冲-信号，脉冲+信号经过电流采样模块和背板对外输出阀控制脉冲+信号，脉冲-信号经过背板直接对外输出阀控制脉冲-信号。

作为本发明一种列车转向架半主动减振器控制装置技术方案的进一步改进，控制板包括模拟量采集模块、调节控制保护模块、故障存储模块和通讯人机接口模块；

模拟量采集模块与采样板的信号整理模块相连；

调节控制保护模块与采样板的故障及自检触点检测模块相连；

故障存储模块与通讯人机接口模块相连。

作为本发明一种列车转向架半主动减振器控制装置技术方案的进一步改进，驱动板包括阀脉冲形成模块和阀脉冲驱动模块，阀脉冲形成模块与阀脉冲驱动模块相连，由调节控制保护模块输出的阀开放逻辑信号依次经过阀脉冲形成模块和阀脉冲驱动模块输出阀控制脉冲+信号和阀控制脉冲-信号。

本发明另外还具体提供了一种由上述列车转向架半主动减振器控制装置组成的列车转向架半主动减振器系统的技术实现方案，半主动减振器系统包括：半主动减振器、列车转向架半主动减振器控制装置、加速度传感器、高速开关阀、反比例溢流阀和二位三通开关阀，列车转向架半主动减振器控制装置与加速度传感器相连，采集来自半主动减振器的车体振动加速度传感数据，经过列车转向架半主动减振器控制装置的计算和处理，分别输出高速开关阀、反比例溢流阀和二位三通开关阀的控制脉冲信号，列车转向架半主动减振器控制装置通过控制高速开关阀调节半主动减振器的阻尼力方向，通过控制反比例溢流阀调节半主动减振器的阻尼力输出大小，通过控制二位三通开关阀使半主动减振器在被动模式与半主动模式之间切换工作模式。

作为本发明一种列车转向架半主动减振器系统技术方案的进一步改进，半主动减振器系统还包括：计算机和监控人机接口，计算机通过监控人机接口与控制板的通讯人机接口模块相连，计算机通过监控人机接口与控制板进行实时数据通信，对控制板的调节参数进行实时修改，并存储故障记录数据信息。

本发明另外还具体提供了一种对上述列车转向架半主动减振器系统进行控制的方法，包括以下步骤：

加速度传感器感知来自半主动减振器的振动加速度，采样板采集来自加速度传感器的加速度传感信号；

采样板向控制板传送加速度传感信号，控制板通过处理和计算得到车体的振动速度，并向驱动板输出阀控制逻辑信号；

驱动板根据控制板输出的阀控制逻辑信号，向高速开关阀发送一定幅度、频率和占空比的脉冲控制信号，从而调节半主动减振器的阻尼力方向；

驱动板根据控制板输出的阀控制逻辑信号，向反比例溢流阀发送一定幅度、频率和占空比可变的脉冲控制信号，从而调节半主动减振器的阻尼力大小；

驱动板根据控制板输出的阀控制逻辑信号，向二位三通开关阀发送开关量控制信号，控制二位三通开关阀的开通与关闭。

作为本发明一种列车转向架半主动减振器系统控制方法技术方案的进一步改进，列车转向架半主动减振器系统控制方法还包括以下过程：

计算机通过监控人机接口与控制板进行实时数据通信；控制板接收计算机发送的实时修改调节参数，并立即更新调节参数数值；控制板设置故障触发保存所有可测数据故障前后的记录数据用于故障分析，并通过可移动磁盘转储故障信息。

作为本发明一种列车转向架半主动减振器系统控制方法技术方案的进一步改进，驱动板根据采样板检测和控制板处理，并向高速开关阀发送控制阻尼力方向的信号的过程包括以下步骤：

采样板采集来自加速度传感器的车体振动加速度检测信号；车体振动加速度检测信号经过低通滤波、模数转换后由控制板进行积分计算，并去除离心加速度，得到车体振动速度数据，控制板根据车体振动速度数据判断车体的运动方向，输出控制两个高速开关阀开闭的信号，从而控制阻尼力的方向；

驱动板根据采样板检测和控制板处理，并向反比例溢流阀发送控制阻尼力输出的信号的过程包括以下步骤：

控制板根据车体振动速度数据计算得出振动速度的频率与幅值，以及计算机通过以太网设定的参数，通过模糊高斯基神经网络算法得到并输出反比例溢流阀的阀控制电流，从而控制阻尼力输出的大小。

作为本发明一种列车转向架半主动减振器系统控制方法技术方案的进一步改进，列车转向架半主动减振器系统控制方法还包括以下过程：

控制板通过处理和计算来自采样板的加速度传感信号得到车体的振动速度，并向采样板的故障及自检触点检测模块输出数字量控制信号，由故障及自检触点检测模块对外输出故障信号和自检信号。

通过实施上述本发明一种列车转向架半主动减振器控制装置和系统及其控制方法的技术方案，具有以下技术效果：

(1)本发明能为半主动减振器提供满足用户的控制要求，以及接近天棚阻尼的理想控制效果，具有阻尼力调整范围宽、结构稳定、响应迅速等优点；

(2)本发明通过实时监视半主动减振器控制装置运行的相关数据，能够全面了解半主动减振器性能的各项参数；

(3)本发明半主动控制系统具有良好的失效导向安全性，在系统失效的情况下，半主动控制系统能迅速且方便地转化为被动悬挂系统，可在保证列车运行平稳性指标的情况下，确保列车运行的安全性；

(4)本发明可以在现有机车控制装置基础上开发状态监视记录系统，由DSP管理系统总线及机车控制功能，ARM管理机车状态信息的记录、诊断、数据通讯与转储等；实时进行数据传输，故障信息记录，并且不影响机车运行的安全性、可靠性；

(5)本发明中的计算机监控软件可以安装在笔记本电脑上，与相应的机车控制装置配套，因此携带方便，尤其适用于上车试验和检修；

(6)本发明具有实时在线参数调节，通过调节控制参数，预知判定参数调节趋势，缩短调试周期，可使半主动减振器的减振性能使用于不同线路路况，不同速度等级发挥到最佳，满足提速与乘坐舒适度的要求；同时，为售后服务人员及设计人员提供友好快捷的操作，能有效地缩短调试开发周期；

(7)本发明的装置具有对加速度信号采集精度高，输出PWM脉冲控制信号，抗干扰性强的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明列车转向架半主动减振器系统一种具体实施方式的安装结构示意图；

图2是本发明列车转向架半主动减振器系统一种具体实施方式的模型原理示意图；

图3是本发明列车转向架半主动减振器系统一种具体实施方式的结构组成示意图；

图4是本发明列车转向架半主动减振器控制装置一种具体实施方式的模块组成示意图；

图5是本发明列车转向架半主动减振器控制装置一种具体实施方式的系统结构框图；

图6是本发明列车转向架半主动减振器控制装置一种典型实施方式的系统结构框图；

图7是本发明列车转向架半主动减振器控制方法一种具体实施方式的参数设置界面示意图；

图8是本发明列车转向架半主动减振器控制方法一种具体实施方式的cf参数设置界面示意图；

图9是本发明列车转向架半主动减振器控制方法一种具体实施方式的cs参数设置界面示意图；

图10是本发明列车转向架半主动减振器控制方法一种具体实施方式的程序流程图；

图11是本发明列车转向架半主动减振器控制方法一种具体实施方式阻尼控制算法的系统结构图；

图12是本发明列车转向架半主动减振器控制方法一种具体实施方式模糊高斯基神经网络控制结构图；

图13是本发明列车转向架半主动减振器系统一种具体实施方式的结构连接示意图；

图中：1-半主动减振器，2-车体，3-转向架，4-空气弹簧，5-列车转向架半主动减振器控制装置，6-加速度传感器，7-计算机，8-理想减振器，9-侧墙，11-活塞，12-油箱，13-油缸，14-高速开关阀，15-反比例溢流阀，16-二位三通开关阀，17-节流阀，51-采样板，52-控制板，53-驱动板，54-电源模块，511-信号整理模块，512-故障及自检触点检测模块，513-电流采样模块，521-模拟量采集模块，522-调节控制保护模块，523-故障存储模块，524-通讯人机接口模块，531-阀脉冲形成模块，532-阀脉冲驱动模块，71-监控人机接口，5101-采样板一，5102-采样板二，5301-驱动板一，5302-驱动板二，5401电-源模块一，5402-电源模块二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图10所示，给出了本发明一种列车转向架半主动减振器控制装置和系统及其控制方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图2所示是本发明列车转向架半主动减振器系统一种具体实施方式的模型原理示意图，本发明利用了理想减振器等效的原理。在附图2中，如果车体2的旁边有不可移动的侧墙9，则安装在侧墙9和车体2之间的硬式减振器将不会传递墙体的振动，在减少车体的振动方面显示有良好的性能。而在现实中不可能有这样的墙体和减振器。但是可以得到如同想象中的减振器的力，此减振器通过安装在转向架构架和车体之间的可控制的作动器，固定在侧墙9和车体2之间。因为此理想减振器的阻尼力和车体的绝对速度成比例关系，所以与理想减振器等效的减振器可以用车体绝对速度来控制作动器的方式实现。

天棚阻尼减振器是一种“理想减振器”，以下如附图2所示说明这种理想减振器的概念。实际的横向减振器安装在车体2和转向架3的构架之间，这种减振器减少了车体的振动，但同时它把转向架3的构架的振动传递给车体2。

假定车体2的旁边有一面不动的侧墙9，在虚拟的侧墙9与车体2之间安装减振器，该减振器即为理想减振器8(天棚阻尼减振器)，用来减小车体2的振动。天棚阻尼减振器的安装位置从物理上讲是不可能的，但是将减振器安装在车体2与转向架3之间，就可以通过计算求出减振器的阻尼力。这样对于车体2来说就等于安装了一个天棚阻尼减振器。

在附图2中，整个列车转向架半主动减振器系统包括：半主动减振器1、车体2、转向架3和空气弹簧4。其中，X_c为车体2的绝对速度，X_b为转向架3的绝对速度，X_w为轮对的绝对速度，K₁为转向架3与轮对间的弹性系数，K₂为车体2与转向架3之间半主动减振器1的弹性系数。

假设车体2的绝对速度X_c为正，相对速度X_c-X_b也为正时，虚拟的天棚阻尼减振器会产生一负方向的力F_s。C_sky为阻尼系数，而实际的横向减振器也会产生同样的力F_r，即F_r＝F_s。假设车体2的绝对速度X_c为正，转向架3的绝对速度为X_b，而相对速度X_c-X_b为负时，虚拟的天棚阻尼减振器应产生一负方向的力，但实际中横向减振器却产生一正方向的力。若此时让横向减振器提供正方向的力，则会加速车体2的振动。可见，此时最好的方法是将横向减振器切换为关状态-即不提供减振力，使其值为零。由上述可知，对于可调阻尼的横向减振器的基本控制逻辑是要求减振器提供的阻尼力满足下式：

当X_c*(X_c-X_b)＞0时，Fr＝-C_sky*F_h*X_c(X_c控制阻尼力方向，通过高速开关阀14切换，F_h为频率系数，控制阻尼力的大小)；当X_c*(X_c-X_b)≤0时，F_r＝0(通过高速开关阀14反向切换即可)。

如附图1所示是本发明列车转向架半主动减振器系统一种具体实施方式的安装结构示意图。图中的半主动减振器1安装在车体2与转向架3之间，而在车体2与转向架3的左右两端之间还安装有空气弹簧4。其中，F为车体2外部所受的横向作用力，而F′为施加在车体2与转向架3之间的半主动减振器1上的横向作用力。则有：F′＝-C_d×Y_b。其中，C_d为理想减振器的阻尼系数，Y_b为车体的横向绝对速度、Y_t为转向架的横向速度、V_p为半主动减振器1的活塞速度。

如附图3和附图13中所示的列车转向架半主动减振器系统包括：半主动减振器1、列车转向架半主动减振器控制装置5、加速度传感器6、高速开关阀14、反比例溢流阀15和二位三通开关阀16。半主动减振器1包括活塞11、油箱12和油缸13。其中，各个部件的功能描述如下：

安装在车体2上的加速度传感器6：采集加速度传感器信号，经过滤波与算法处理，得到车体的振动速度。

反比例溢流阀15：列车转向架半主动减振器控制装置5发出PWM脉冲，控制反比例溢流阀15，调节阻尼力输出。

高速开关阀14：列车转向架半主动减振器控制装置5发出PWM脉冲，控制高速开关阀14开通与关闭，调节阻尼力方向。

二位三通开关阀16：当列车转向架半主动减振器控制装置5上电时，二位三通开关阀16开通，使半主动减振器1处于半主动工作模式；当列车转向架半主动减振器控制装置5关闭(断电)时，二位三通开关阀16断电关闭，半主动减振器1中的油液流经节流阀17，使半主动减振器1处于被动工作模式。节流阀17设置在半主动减振器1的油箱12与二位三通开关阀16之间。

列车转向架半主动减振器控制装置5：实现阻尼力控制、自诊断、故障实时保护、实时运行数据显示、参数设置等功能；完成加速度传感器信号的采集与处理；依据采集的信息完成阻尼力控制，输出反比例溢流阀15的控制脉冲及高速开关阀14的控制脉冲实现阻尼力控制；实时监控电流与各相关部件的相关信号，完成各种故障的保护(如反比例溢流阀过流，高速开关阀、加速度传感器工作异常等)；通过以太网实现与计算机7数据交互，由人机界面软件实时显示运行数据与参数调节等功能。

列车转向架半主动减振器控制装置5与加速度传感器6相连，采集来自半主动减振器1的车体振动加速度传感数据，经过列车转向架半主动减振器控制装置5的计算和处理，分别输出高速开关阀14、反比例溢流阀15和二位三通开关阀16的控制脉冲信号，列车转向架半主动减振器控制装置5通过控制高速开关阀14调节半主动减振器1的阻尼力方向，通过控制反比例溢流阀15调节半主动减振器1的阻尼力输出大小，通过控制二位三通开关阀16调节半主动减振器1的油液流经节流阀17。本发明列车转向架半主动减振器系统是采用理想阻尼器控制原理。通过测量车体振动加速度，对车体振动加速度进行积分、求出车体振动速度及其频率，通过模糊神经网络控制使系统产生与之成比例的力，来有效抑制车体2的横向运动。

半主动减振器系统还进一步包括：计算机7和监控人机接口71。计算机7通过监控人机接口71与控制板52的通讯人机接口模块524相连，计算机7通过监控人机接口71与控制板52的通讯人机接口模块524进行实时数据通信，对控制板52的调节参数进行实时修改，并存储故障记录数据信息。

本发明列车转向架半主动减振器控制装置的技术方案主要由控制软件和控制硬件两部分组成。控制装置的硬件主要由采集车体振动的加速度传感器模块、各个电磁阀门的驱动模块、进行控制的控制板模块和各种电源模块组成。而控制装置的软件主要包括信号采集和处理软件，模糊神经网络控制方法软件，控制相应的阀驱动软件，计算机终端软件(在线参数调节与数据记录显示软件)。

如附图6系统结构框图所示的一种列车转向架半主动减振器控制装置的具体实施方式，列车转向架半主动减振器控制装置5与加速度传感器6相连，列车转向架半主动减振器控制装置5包括：采样板51、控制板52、驱动板53和电源模块54；电源模块54分别与采样板51、控制板52和驱动板53相连；采样板51与控制板52相连，控制板52与驱动板53相连，驱动板53与采样板51相连；采样板51采集来自加速度传感器6的加速度传感信号，并传送至控制板52，控制板52通过处理和计算加速度传感信号，向驱动板53发送阀开放逻辑信号，驱动板53为高速开关阀14、反比例溢流阀15和二位三通开关阀16提供驱动。

列车转向架半主动减振器控制装置中各个单元模块的功能描述如下：

采样板51：列车转向架半主动减振器控制装置故障信号输出；对加速度传感器6的信号进行信号调整采样；对高速开关阀14(采用两架集中式控制板方式时是4个)、反比例溢流阀15(采用两架集中式控制板方式时是2个)的电流反馈值进行采样。

控制板52：控制板52为列车转向架半主动减振器控制装置5的核心板，采用了DSP+ARM双CPU架构，主要进行模拟量采集(42路模拟量采集的16路)，模拟量输出(12路模拟量输出的4路)，数字量输出(8路数字量输出的4路)，以太网通讯接口，AMS(ApplicationManagement System，一种分布式控制网络(总线)技术及通讯协议)总线接口。具体实现功能包括：

(1)通过DSP完成AMS总线管理、总线上各外设的数据交换以及阻尼控制、参数保护；

(2)通过ARM完成人机接口功能；

(3)通过FPGA控制管理控制板52内逻辑及外围信号的采集与预处理；

(4)完成2路加速度传感信号、4路反比例溢流阀15的电流反馈信号、8路高速开关阀14的电流反馈信号采集；

(5)完成2路半主动减振器1的故障信号数字量输出到采样板51；

(6)8个高速开关阀14控制信号、4个反比例溢流阀15电流信号通过AMS总线送给驱动板53；

(7)将实时运行数据与计算机7的监控软件模块实时通信，运行数据支持10ms间隔的数据显示；

(8)接收计算机7发送的实时修改相关调节参数并能立即更新相关调节参数数值进行调节；

(9)设置故障触发保存所有可测数据故障前后总计1.5秒的记录用于故障分析，并能通过可移动磁盘转储故障信息；

(10)进行阻尼控制；控制板52每个控制循环周期接收加速度传感器6的传感信号，对输入的加速度信号进行0.2Hz～5Hz带通滤波，列车通过曲线时有离心加速度成分，以频域积分的振动信号的处理方法，及傅里叶变换去除离心加速度成分，积分取得有效的振动速度；控制板根据算法得出反比例溢流阀的驱动值，通过AMS总线送给驱动板，形成脉冲信号，调节反比例溢流阀，控制使系统产生与之成比例的阻尼力，来有效抑制车体横向运动；

通过安装在计算机7上的监控软件模块，能够进一步完成以下功能：

(1)通过以太网接收控制板52的实时数据并通过计算机7实现人机界面显示；

(2)接收可移动磁盘转储的故障信息，提供故障分析界面，显示故障信息；

(3)通过人机界面和以太网完成控制板52调节参数的实时修改。

驱动板53：对高速开关阀14、反比例溢流阀15、二位三通开关阀16的阀脉冲信号进行驱动；驱动板53通过AMS总线与控制板52进行通信；根据控制板52的相关信号，形成一定幅度、频率、占空比的脉冲信号控制高速开关阀14，两个高速开关阀进行互锁保护，实现通信不正常时的保护；根据控制板52的相关信号，形成一定幅度、频率、占空比可变的脉冲信号控制反比例溢流阀15；产生开关量信号控制二位三通开关阀16的开通与关闭。

电源模块54：电源模块54的负载为控制装置的各个单元模块，同时还为加速度传感器6提供电源，为高速开关阀14，反比例溢流阀15提供24V驱动电源。

采样板51进一步包括信号整理模块511、故障及自检触点检测模块512和电流采样模块513；加速度传感信号经过信号整理模块511将模拟量输出至控制板52；控制板52输出数字量信号经过故障及自检触点检测模块512对外输出故障信号和自检信号；阀控制脉冲信号包括阀控制脉冲+信号和阀控制脉冲-信号。控制板52输出阀开放逻辑信号经过驱动板53输出脉冲+信号和脉冲-信号。驱动板53将脉冲+信号输出至采样板51后，经过采样板51的电流采样模块513通过背板输出高电平的阀控制脉冲+信号；驱动板53输出脉冲-信号，并通过背板输出低电平的阀控制脉冲-信号。阀控制脉冲+信号和阀控制脉冲-信号均包括控制高速开关阀14、反比例溢流阀15和二位三通开关阀16三类阀门的阀控制脉冲信号。

控制板52进一步包括模拟量采集模块521、调节控制保护模块522、故障存储模块523和通讯人机接口模块524；模拟量采集模块521与采样板51的信号整理模块511相连；调节控制保护模块522与采样板51的故障及自检触点检测模块512相连；故障存储模块523与通讯人机接口模块524相连。

驱动板53进一步包括阀脉冲形成模块531和阀脉冲驱动模块532，阀脉冲形成模块531与阀脉冲驱动模块532相连，由调节控制保护模块522输出的阀开放逻辑信号依次经过阀脉冲形成模块531和阀脉冲驱动模块532输出阀控制脉冲+信号和阀控制脉冲-信号。

具体的列车转向架半主动减振器控制装置实施方式中还进一步包括背板，背板为控制装置内的各个模块提供信号的传输与互连功能。同时，作为柜体布线系统的一部分，也与柜体的对外接口进行连接，为各功能模块提供外部信号接口。背板布线主要有：传感器信号、故障信号、阀控制脉冲+、阀控制脉冲-、DC100V输入电源线、传感器电源、风扇电源、模拟量输入、数字输出、控制电源、驱动电源、脉冲+和脉冲-、AMS总线。

如附图4和5所示的是本发明列车转向架半主动减振器控制装置应用在一节动车两具转向架集中式控制板方式中的一种典型实施方式，该实施例中列车转向架半主动减振器控制装置采用集中控制，以转向架为单位进行输出。一节动车的两架共用一块控制板52，两架分别有各自独立的电源模块54、采样板51和驱动板53。列车转向架半主动减振器控制装置具体包括：两块采样板51，分别是采样板一5101和采样板二5102；一块控制板52；两块驱动板53，分别是驱动板一5301和驱动板二5302；两个电源模块54，分别是电源模块一5401和电源模块二5402；此外，还包括一些盲面板如附图4中的盲面板一、盲面板二、盲面板三和盲面板四。控制装置的外部电源由列车蓄电池提供，其供电电压为DC100V，电源模块拟沿用开关电源。其中，板在位信号是表示无插件或未插好的信号。在两具转向架集中式控制板方式中，列车转向架半主动减振器控制装置5的控制对象包括：4个高速开关阀14，2个反比例溢流阀15和2个二位三通开关阀16。

如附图10本发明列车转向架半主动减振器控制方法一种具体实施方式的程序流程图中所示，列车转向架半主动减振器系统控制方法包括以下步骤：

加速度传感器6感知来自半主动减振器1的振动加速度，采样板51采集来自加速度传感器6的加速度传感信号；

采样板51向控制板52传送加速度传感信号，控制板52通过处理和计算得到车体2的振动速度，并向驱动板53输出阀控制逻辑信号；

驱动板53根据控制板52输出的阀控制逻辑信号，向高速开关阀14发送一定幅度、频率和占空比的脉冲控制信号，从而调节半主动减振器1的阻尼力方向；

驱动板53根据控制板52输出的阀控制逻辑信号，向反比例溢流阀15发送一定幅度、频率和占空比可变的脉冲控制信号，从而调节半主动减振器1的阻尼力大小；

驱动板53根据控制板52输出的阀控制逻辑信号，向二位三通开关阀16发送开关量控制信号，控制二位三通开关阀16的开通与关闭。

本发明列车转向架半主动减振器系统控制方法还进一步包括以下过程：

计算机7通过监控人机接口71与控制板52进行实时数据通信；控制板52接收计算机7发送的实时修改调节参数，并立即更新调节参数数值；控制板52设置故障触发保存所有可测数据故障前后的记录数据用于故障分析，并通过可移动磁盘转储故障信息。

本发明列车转向架半主动减振器系统控制方法中驱动板53根据采样板51检测和控制板52处理，并向高速开关阀14发送控制阻尼力方向的信号的过程包括以下步骤：

采样板51采集来自加速度传感器6的车体振动加速度检测信号，对采样所得加速度信号进行频域0.2Hz～5Hz带通滤波；车体振动加速度检测信号经过低通滤波、模数转换后由控制板52进行积分计算，并去除离心加速度，得到车体振动速度数据，控制板52根据车体振动速度数据判断车体的运动方向，输出分别控制两个高速开关阀14(附图13中相对左侧的高速开关阀一和相对右侧的高速开关阀二，当车体2向左运动时，高速开关阀一开启，高速开关阀二关闭；当车体2向右运动时，高速开关阀一关闭，高速开关阀二开启)开闭的信号，从而控制阻尼力的方向。如附图6中所示，信号整理模块511进行车体振动加速度检测信号的低通滤波处理。信号整理模块511将处理得到的模拟量信号传送至控制板52中的模拟量采集模块521，经过控制板52进行模数转换、积分计算和去除离心加速度成分，得到车体2的振动速度数据。列车转向架半主动减振器控制装置5的目标是降低振动加速度，提高舒适度。但在车上测定的加速度中，因为叠加有通过曲线时的离心加速度成分，如果只单纯的对此加速度进行积分，车体速度(横向位移)将会大幅度变动，无法实现对振动加速度的控制。因此，需要去除离心加速度。

驱动板53根据采样板51检测和控制板52处理，并向反比例溢流阀15发送控制阻尼力输出的信号的过程包括以下步骤：

控制板52根据车体振动速度数据计算得出振动速度的频率与幅值，以及计算机7通过以太网设定的参数，通过模糊高斯基神经网络算法得到并输出反比例溢流阀15的阀控制电流，从而控制阻尼力输出的大小。

列车转向架半主动减振器系统控制方法采用两架独立控制的方式，其中以1架为例，对阻尼力的控制方法进行如下具体说明：

对采样所得加速度信号进行频域0.2Hz～5Hz带通滤波、滤除离心加速度成分后，计算出振动加速度的幅值s及速度的频率f，周期T＝1/f。根据上述理想(天棚)阻尼减振器的原理公式F_r＝-C_sky*F_h*X_c(X_c控制阻尼力方向，通过高速开关阀14切换；F_h为频率系数，控制阻尼力大小)；当X_c*(X_c-X_b)≤0时，Fr＝0(通过高速开关阀14反向切换即可)。

令F_h＝c_f，其计算方法如下：依据以太网传送给控制软件的可调参数ka_100，ka_125，ka_250，ka_375，ka_500，ka_750，ka_1000，ka_1500，ka_2000，ka_2500，描绘出如附图8中所示的折线段，对比计算所得频率f与该折线即可得cf。(可调参数默认值分别为1024，800，600，500，450，320，100，320，400，500)

令C_sdy＝cs，其计算方法类似：依据以太网传送给控制软件的可调参数kb_100，kb_125，kb_250，kb_375，kb_500，kb_750，kb_1000，kb_1500，kb_2000，kb_2500，描绘出如附图9中所示的折线段，对比计算所得频率f与该折线即可得cs，cs为比例因子(可调参数默认值分别为1.1，1.0，1.2，1.3，2，0.9，0.7，0.9，0.3，1.1)

本发明列车转向架半主动减振器系统控制方法中驱动板53根据采样板51检测和控制板52处理，并向反比例溢流阀15发送控制阻尼力输出的信号的过程包括以下步骤：

控制板52根据车体振动速度数据计算得出振动速度的频率与幅值，以及计算机7通过以太网设定的参数，通过模糊高斯基神经网络算法得到反比例溢流阀15的阀控制电流。

本发明列车转向架半主动减振器系统控制方法还进一步包括以下过程：

控制板52通过处理和计算来自采样板51的加速度传感信号得到车体2的振动速度，并向采样板51的故障及自检触点检测模块512输出数字量控制信号，由故障及自检触点检测模块512对外输出故障信号和自检信号。

由于我国线路差异较大，高速列车不但要运行于高速线、客运线、同时还要运行于既有线路，而半主动减振器的减振性能是随着各种线路状况及速度等级是不同的，因此需要根据线路与速度等级进行控制阻尼参数调节。如附图7本发明列车转向架半主动减振器控制方法一种具体实施方式的参数设置界面示意图所示。安装在计算机7上的列车转向架半主动减振器监控软件模块参数设置界面以下区域包括：参数值设定区域A、参数设定分段曲线显示区域B、加速度记录分段显示区域C、加速度记录分段显示选择区域D、数据记录与加速度记录选择导出区域E、速度等级设定区域F、实时数据显示区域G和实时数据显示通道区域H。根据线路实际运行情况调整阻尼等相关参数，监控软件通过以太网UDP(User DatagramProtocol，用户数据报协议)通信协议与半主动减振器控制模块通信，将实时控制参数写入DSP芯片的RAM中；同时支持显示当前的控制参数数值；另外参数设置完成后10秒钟内禁止再次设置参数；发调节参数设定发送长度为30个字。各区域显示内容和功能说明如下：

参数值设定：对半主动减振器的控制相关调试参数的设定，包括各频率段的控制量基准值Ue、修正比例系数K、是否切入被动减振状态、位移偏移量修正值、各转向架是否单独控制。

参数设定值曲线显示：显示前一次控制设定参数与当前控制设定参数的曲线比较。用来通过比较半主动减振器的控制效果来判定设定参数的趋势。

加速度分段最大值显示：每次从半主动减振器控制装置接收数据，对频率分段加速度绝对值比较，显示各段加速度绝对值的最大值，如此，每次设定控制参数后，通过各频率段的加速度幅值，判断参数设定后的控制效果。

加速度数据记录比较：每次调试设定参数时，在不同速度等级下，记录各频率段加速度的最大值。为了比较参数调节的效果及判定调节参数值的趋势，可以将之前记录进行比对。

速度等级设定：车辆速度不同，振动的状况不同。根据车辆运行的速度，比较各速度等级内的阻尼控制效果。

实时数据显示：为了便于了解半主动减振器控制装置的动态状态信息，实时显示半主动减振器控制装置的相关数据，诸如：当前车辆振动加速度、处理后的加速度、加速度频率、振动速度及位移偏心距。

如附图11和12所示分别为本发明列车转向架半主动减振器控制方法一种具体实施方式阻尼控制算法的系统结构图和模糊高斯基神经网络控制结构图。其中，阻尼控制算法和模糊高斯基神经网络控制的原理如下所述：

1、建立阻尼控制算法模型

时域分析是以时间轴为坐标表示动态信号的关系，而频域分析则是把动态信号变为以频率轴为坐标表示出来。频域和时域表明了动态信号的两个观察面，即这两种观察信号方法以不同的角度揭示了信号的物理特征，而傅里叶变换建立起它们之间的联系。做信号分析时，如果时域分析变得很困难，可以通过傅里叶变换将时域变换到频域分析，使之变得简单明了。该方法正是通过傅里叶变换，将上述时域计算不能得到精确结果的振动响应问题，变换到频域中去处理，进而得到精确解。

设下式为傅里叶变换的表达形式：

$>x\left(t\right)\leftrightarrow \frac{1}{\mathrm{jw}}X\left(w\right)$>

依据傅里叶变换的积分定理，则有：

$>{\int }_0^{t}x\left(t\right)\mathrm{dt}\leftrightarrow \frac{1}{\mathrm{jw}}X\left(w\right)$>

从该定理可知，在振动测试中，假定知道加速度信号，通过积分就可以得到位移频谱；相反，如果我们先通过傅里叶变换得到加速度信号的频域谱，进而利用傅里叶变换积分定理和傅里叶逆变换，就可以得到加速度在时域的积分结果，即速度或位移曲线，而积分结果的趋势项只要在频谱图中将无用的部分去掉即可。

附图11中左边的两个输入v和f分别是振动速度幅值和频率，通过微分环节Z^-1可得到采样周期内加速度幅值与频率的变化速度，右边输出抑制车体2的振动所需的阻尼力。图中的高速神经网络被用作参数整定控制器。下面的符号存在以下关系：

¹x1＝e1，¹x2＝ec1，²x1＝e2，²x2＝ec2，t1y1，t2y2。

其中，t1和t2为输出控制信号中间量，t1＝f1，t2＝f2，t1＝cf，t2＝cs。

2、建立模糊高斯基神经网络控制算法模型(1)计算输入，第1层将输入(误差、误差变化率)引入网络，每个输入的论域均为[-1，1]。

^kout_j⁽¹⁾＝^kin_j⁽¹⁾＝^kx_i；k＝1，2，i＝1，2。(1)

其中，^kx_i代表第k个子网的第i个输入。

2)模糊化。第2层对输入进行模糊化，对应于每个输入有3个模糊语言词集{NET0，NET1，NET2，NET3，NET4，NET5，NET6，NET7，NET8，NET9，NET10}＝{“低于0.25Hz阻尼基准输出”，“0.25Hz-0.8Hz阻尼基准输出”，“0.8Hz-1.1Hz阻尼基准输出”，“1.1Hz-1.6Hz阻尼基准输出”，“1.6Hz-1.9Hz阻尼基准输出”，“1.9Hz-2.1Hz阻尼基准输出”，“2.1Hz-2.5Hz阻尼基准输出”，“2.5Hz-3.0Hz阻尼基准输出”，“3.0Hz-4Hz阻尼基准输出”，“5Hz-5Hz阻尼基准输出”，“高于5Hz阻尼基准输出”}。与{NET0，NET1，NET2，NET3，NET4，NET5，NET6，NET7，NET8，NET9，NET10}对应的中心值分别为{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，宽度为{0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5}。隶属函数的形状与分布如如附图12中所示。

$>{\mathrm{out}_j^k}^{\left(2\right)}={\mathrm{in}_j^k}^{\left(2\right)}={\mu }^{\kappa }{A}_i^j\left({\mathrm{out}_j^k}^{\left(1\right)}\right)=e^{\frac{-{({\mathrm{out}_j^k}^{\left(1\right)}-a_{\mathrm{ij}}^k)}^2}{{b_{\mathrm{ij}}^k}^2}}$>

k＝1，2；i＝1，2；j＝1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11(2)

式中，代表第k个子网中第i个输入对应的第j个语言词集，^ka_ij，^kb_ij分别为的中心值和宽度。

(3)交叉相乘。第3层代表“and”操作，在此网络中用乘法代替取小运算。

^kout_j⁽³⁾＝^kin_j⁽³⁾＝^kout_1i⁽²⁾.^kout_2j⁽²⁾

k＝1，2；i＝1，2，3；j＝1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11(3)

(4)去模糊化。第4层代表去模糊化过程，在这里采用权值平均判决法。

$>{\mathrm{in}_j^k}^{\left(4\right)}=\underset{i,j=1}{\overset{3}{\Sigma }}({\mathrm{out}_j^k}^{\left(3\right)}·{w_{\mathrm{ij}}^k}^{\left(3\right)}),k=1---\left(4\right)$>

$>u_k={\mathrm{out}_j^k}^{\left(4\right)}={\mathrm{in}_j^k}^{\left(4\right)}/\underset{i,j=1}{\overset{3}{\Sigma }}\left({\mathrm{out}_j^k}^{\left(3\right)}\right),k=1---\left(5\right)$>

在式中，^kw_ij⁽³⁾为网络的权值，其物理意义是各控制规则的输出对应的语言词集的中心值。

(5)耦合处理，第5层代表关节之间的耦合作用。

$>y_l=\underset{k=1}{\overset{2}{\Sigma }}(u_k\times w_{\mathrm{kl}}^{\left(4\right)}),l=\mathrm{1,2}---\left(6\right)$>

其中，为网络权值，它反映了各关节之间的耦合作用。

3、网络学习算法

网络采用BP算法进行学习，分为离线学习和在线学习两个阶段。其中离线学习对网络权值和高斯基函数的参数进行学习；考虑到系统运行的实时性，在线学习仅对网络权值进行微调。

本发明所描述的技术方案由于将半主动控制减振器不需要外界空气压力等动力源应用在铁路机车车辆振动控制产品开发方面，所以可靠性较高，成本较低，可以获得接近于主动控制的效果。同时，整个系统可小型化和轻量化，通过采用半主动控制可变阻尼减振器，合理地调节液压减振器的阻尼系数来抵制外来激扰，使减振效果处于较佳状态，有效地减小了机车车辆车体的振动，提高了机车车辆的动力学性能，成为改善提速机车车辆运行平稳性和提高车辆运行品质的有效手段之一。从控制角度看，被动悬挂属于开环系统，而本发明采用的半主动控制悬挂属于闭环反馈控制系统。半主动控制不需要外界动力源，通过控制系统使可控阻尼器产生连续可调的阻尼力，从而达到改善机车车辆动力学性能的目的。通过调节控制参数，预知判定参数调节趋势，缩短调试周期，可使半主动减振器的减振性能使用于不同线路路况，不同速度等级发挥到最佳。满足提速与乘坐舒适度的要求。应用本发明列车转向架半主动减振器控制装置和系统及其控制方法的我国最新型一代实验提速机车车辆在内部保密的牵引动力整车滚动振动试验台动力学试验中，故障工况最高速度达到380km/h，非故障工况达到440km/h，效果明显优于传统的被动减振器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。