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半主动悬挂控制策略仿真及其在摆式客车上的应用分析

作　者: 陈健
导　师: 王开文
学　校: 西南交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 摆式客车半主动悬挂倾摆系统曲线通过动力学性能
分类号: U463.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 241次
引　用: 3次
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内容摘要

摆式客车可以在不降低旅客乘坐舒适度的情况下以较高的速度通过曲线，这是既有线路提速、增加铁路客运能力、提高铁路与其它交通工具竞争能力的一种有效办法。随着相关学科和高新技术的迅猛发展，对车辆悬挂振动控制系统的研究和开发成为车辆动力学和自动控制领域的国际性前沿课题。近年来，特别是高速、廉价的微处理系统的普及，使得研究实用的主动和半主动悬挂系统成为可能。将半主动控制应用到摆式客车上，作为改善乘坐舒适度的一种方法，在今后将会显得越来越重要。本文首先介绍了国内外半主动悬挂的发展和应用情况，并简要介绍了国外几种已成功开行的半主动悬挂摆式车辆。第二章分析了摆式客车提速机理，对倾摆机构进行几何运动学和动力学分析，阐述了摆式客车的组成以及作动器倾摆的实现，介绍了天棚阻尼控制原理和控制策略。研究了多种非智能和智能半主动控制策略，包括天棚阻尼控制、PID控制、模糊控制和线性二次型最优控制，分析了几种控制方式对车辆动力学性能的影响。建立了具有二系横向和垂向的半主动控制自导向式摆式客车仿真模型，考虑轮轨接触几何和蠕滑关系的非线性、轮对自由横动量和轴箱横向止挡的非线性、二系横向止挡的非线性，二系抗蛇行减振器以及部分减振器的非线性特性。将半主动悬挂和被动悬挂摆式客车的平稳性性能、蛇行运动稳定性和曲线通过性能进行对比分析；分析了倾摆系统故障对半主动悬挂摆式客车动力学性能的影响，主要包括正常倾摆、无倾摆、倾摆不复原、倾摆角度不足和反向倾摆，将这五种情况运行时的动力学性能进行对比分析，且研究了倾摆系统时滞对动力学性能的影响。最后，分析了半主动悬挂时滞对摆式客车动力学性能的影响，当时滞20ms时许多指标恶化的较为严重，半主动控制失效，说明时滞不能过大。为了突显半主动悬挂的优势，对控制系统时滞进行研究和限制显得尤为必要。将半主动控制以一定的形式应用于摆式客车使乘客在直线和曲线上都具较高的舒适性，对提高摆式客车的运行品质具有重要意义。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-16
  1.1 选题背景  8-10
  1.2 半主动悬挂控制策略的研究现状  10-12
    1.2.1 国外半主动悬挂的应用情况  10-11
    1.2.2 国内半主动悬挂在铁道车辆的研究与应用情况  11-12
  1.3 国外半主动悬挂摆式客车的研究概况  12-13
  1.4 半主动控制摆式客车研究内容和思路  13-16
    1.4.1 本文的研究内容  13-14
    1.4.2 拟采取的研究方法、可行性研究和课题的创新性  14-16
第2章半主动悬挂自导向摆式客车动力学模型建立  16-26
  2.1 模型建立  16-18
  2.2 倾摆运动规律的确定  18-20
  2.3 机电作动器动作分析  20-23
  2.4 控制方法及其原理  23-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章半主动悬挂控制策略仿真  26-68
  3.1 天棚阻尼半主动控制  27-44
    3.1.1 理想型天棚阻尼控制仿真  27-37
    3.1.2 开关阻尼型半主动控制仿真  37-44
  3.2 PID半主动控制  44-52
    3.2.1 过程控制的基本概念  44-45
    3.2.2 数字PID控制器  45-48
    3.2.3 仿真模型建立  48-50
    3.2.4 仿真分析  50-52
  3.3 模糊半主动控制  52-62
    3.3.1 模糊控制理论概述  52-54
    3.3.2 模糊控制仿真  54-62
  3.4 线性二次型最优半主动控制  62-67
    3.4.1 动力学模型建立  63-64
    3.4.2 最优输出控制器设计  64-65
    3.4.3 Simpack最优控制力仿真  65-67
  3.5 本章小结  67-68
第4章半主动悬挂摆式客车动力学性能分析  68-88
  4.1 半主动悬挂摆式客车动力学性能评定  68-70
    4.1.1 车辆运行平稳性  68-69
    4.1.2 车辆运行安全性  69-70
  4.2 半主动悬挂摆式客车平稳性分析  70-78
    4.2.1 半主动悬挂对摆式客车平稳性的影响  70-73
    4.2.2 半主动悬挂对摆枕和构架横向和垂向平稳性的影响  73-74
    4.2.3 半主动悬挂对轮对动力学性能的影响  74-78
  4.3 曲线通过性能分析  78-85
    4.3.1 无轨道谱时曲线通过性能分析  78-81
    4.3.2 具有美国V级线路谱曲线通过性能分析  81-85
  4.4 车辆运行稳定性研究  85-87
  4.5 本章小结  87-88
第5章倾摆控制系统对半主动悬挂摆式客车曲线通过性能的影响  88-96
  5.1 倾摆系统故障对动力学性能的影响  88-92
  5.2 倾摆系统时滞对动力学性能的影响  92-95
  5.3 本章总结  95-96
第6章半主动悬挂控制时滞对摆式客车直线运行性能的影响  96-103
  6.1 控制时滞对摆式客车平稳性的影响  96-97
  6.2 控制时滞对摆枕和构架横向和垂向平稳性的影响  97-99
  6.3 控制时滞对轮轨动力学性能的影响  99-102
  6.4 本章小结  102-103
结论  103-106
致谢  106-107
参考文献  107-111
附录摆式客车转向架计算原始参数  111-113
攻读硕士学位期间发表的学术论文  113

半主动悬挂控制策略仿真及其在摆式客车上的应用分析

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