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机车车辆系统中减振控制技术的研究

作　者: 吴学杰
导　师: 沈志云
学　校: 西南交通大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 弓网系统主动、半主动控制轨道不平顺双环控制混合模拟变结构阻尼器
分类号: U270.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 680次
引　用: 5次
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内容摘要

我国铁路已经进行了六次大提速,随着速度的提高,日益加剧的列车振动问题已严重影响到受电弓/接触网的受流质量和旅客列车运行的舒适性。就受电弓/接触网的受流问题而言,由于接触网是由接触线构成的,对这样的弹性结构很难用一套试验设备来进行其动态性能的模拟和研究,因此大部分弓网试验都是在现场进行的,一些室内试验要么太复杂而难以实现,要么太简单而无法真实模拟。计算机模拟技术的快速发展使得将接触网系统的数学模型与受电弓的实物模型结合在一起,形成一个新的混合模拟试验系统成为可能。在这个混合模拟试验系统中,受电弓是实物(可测试其动态特性),而接触网是一个理论模型,其动态特性通过一套伺服系统来实现,这样的一套混合模拟试验系统不仅可以模拟受电弓在实际运行条件下的性能,还可以分析不同接触网对受电弓动态特性的影响。而列车平稳性又分为垂向平稳性和横向平稳性两个方面,好的垂向运行平稳性相对较易实现,但横向运行平稳性往往不佳,被动悬挂系统的局限性愈来愈明显,主动悬挂和半主动悬挂控制是改善列车横向运行平稳性的有效方法。针对列车受电弓/接触网的动态特性和列车横向运行平稳性,本文主要开展了以下研究工作:(1)受电弓/接触网半实物/半虚拟混合模拟试验系统的研究:采用对接触网理论模型进行实时仿真计算的方法来虚拟接触网,将该虚拟接触网与真实受电弓通过液压伺服作动器连接在一起,组成一个虚实结合的混合模拟试验系统,采用这样的方法来开展弓/网系统的研究,为弓/网系统的动态特性研究和参数优化提供了一个崭新的研究手段。(2)受电弓/接触网振动主动控制问题的研究:针对铁路机车受电弓系统存在的振动问题,提出了一种基于模糊技术的旨在抑制振动的主动控制方案。在对弓/网系统特征进行分析的基础上,设计开发了以工控机为主控器件的受电弓主动模糊控制系统,并以SS7型机车受电弓为对象进行了试验研究。试验结果表明:采用主动控制技术以后,受电弓弓头接触压力波动值大大降低,弓网系统的运行品质得到了明显改善。(3)在对传统的以迭代为基础的道路模拟器试验方法进行分析研究基础上,提出一种“基于自适应滤波器”的模拟轨道不平顺的新方法:采用自适应有限脉冲响应滤波器的多通道逆向控制方法及其自适应滤波器的实现方法,使多通道振动台模拟试验系统的响应逼近于期望响应信号,并且给出了利用此算法进行的模拟结果曲线。试验结果表明,采用这种方法控制振动台模拟试验系统,精确地再现了期望响应信号,满足了试验系统的要求。(4)在对传统主动控制策略进行分析的基础上,提出了一种基于车体横向加速度和作用力直接反馈的双环全主动控制策略,该控制方法既克服了直接以加速度为控制目标而出现的跑偏问题,又使得控制系统具有稳定、快速的特征。(5)针对车辆系统的复杂性、非线性性和时变性,从简单实用出发,提出了基于车体质量参数在线辩识和模糊PID控制算法相结合的控制策略,使得减振控制系统能够在不同运营条件下均能够获得较好的减振效果。(6)在应用微控制技术可实现的基础上,提出变结构阻尼的概念和实现方法,并对变结构阻尼器的可实现域、示功图进行了分析、研究和仿真。(7)在半主动控制系统中引入载荷反馈回路,克服了阻尼器参数变化对减振效果的影响。(8)完成了列车横向主动、半主动悬挂控制试验系统软硬件的设计和组建工作。在牵引国家重点实验室滚动振动试验台上,对试验车进行了原车被动悬挂试验、去掉原车阻尼的被动悬挂试验、基于各种控制策略和方法以及各种执行机构条件下的对比试验研究。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
第1章绪论  13-31
  1.1 弓网系统及受电弓振动主动控制研究现状  13-17
    1.1.1 接触网和受电弓发展现状  13-16
    1.1.2 接触网/受电弓混合模拟仿真系统的提出  16-17
    1.1.3 受电弓振动抑制主动控制问题的提出  17
  1.2 机车车辆悬挂系统主动/半主动控制研究现状  17-30
    1.2.1 悬挂系统系统的分类及特点  17-20
    1.2.2 主动/半主动悬挂控制策略的研究  20-27
    1.2.3 主动/半主动控制执行机构的研究  27-29
    1.2.4 主动/半主动控制的研究手段和方法  29
    1.2.5 半主动控制的应用研究情况  29-30
  1.3 本文的主要研究工作  30-31
第2章受电弓/接触网半实物半虚拟混合模拟系统  31-54
  2.1 受电弓/接触网混合动态模拟系统的构成  31-32
  2.2 接触网简化模型及接触网动态模拟仿真软件  32-34
  2.3 实时通讯模块  34-35
  2.4 接触网运动状态模拟伺服系统  35-38
  2.5 受电弓底部激扰的动态模拟  38-39
  2.6 混合模拟试验系统的调试  39-40
  2.7 混合模拟系统的应用研究  40-54
    2.7.1 株洲电力机车厂受电弓动态性能试验研究  41-50
    2.7.2 韩国受电弓系统的动态性能和跟随性试验研究  50-54
第3章受电弓振动主动控制问题的研究  54-63
  3.1 主动控制系统的构成及相关系统的数学模型  54-56
  3.2 模糊控制器的设计  56-59
    3.2.1 模糊化  57-58
    3.2.2 隶属函数  58
    3.2.3 模糊控制规则表  58-59
    3.2.4 比例因子的自调节及控制量的计算  59
  3.3 试验和结论  59-63
第4章基于加速度和作用力双反馈的主动/半主动控制策略的研究  63-79
  4.1 列车横向运行平稳性评定指标  64
  4.2 基于加速度和作用力双反馈的主动控制策略的研究  64-67
  4.3 半主动控制策略的研究  67-79
    4.3.1 基于闭环控制的新型阻尼器半主动减振方法的研究  67-73
    4.3.2 半主动控制方法的研究  73-79
第5章列车横向主动、半主动试验系统研究  79-99
  5.1 列车横向主动、半主动试验系统构成  79
  5.2 列车横向主动、半主动测控系统研究  79-96
    5.2.1 测控系统构成  80-81
    5.2.2 测控系统数据采集和输入通道的建立  81-86
    5.2.3 执行结构和相应输出通道的建立  86-96
  5.3 可控减振器性能测试装置和相应的测试结果  96-99
第6章车辆横向悬挂主动、半主动控制技术的试验研究  99-120
  6.1 横向主动模糊控制策略的研究  100-103
    6.1.1 主动控制系统的构成  100-102
    6.1.2 模糊PID控制器的设计  102-103
  6.2 原车被动悬挂试验和原车无横向阻尼器被动悬挂试验  103-105
  6.3 采用气缸作为主动悬挂执行机构的试验研究  105-109
    6.3.1 可控气弹簧方案  105
    6.3.2 车体绝对位置控制方案  105-106
    6.2.3 车体加速度直接控制方案  106-107
    6.3.4 复合控制指标的单闭环控制方案  107
    6.3.5 车体加速度和车体与构架之间作用力双闭环控制方案  107-109
  6.4 采用机电作动器作为主动悬挂执行机构的试验研究  109-110
  6.5 采用液压作动器作为主动悬挂执行机构的试验研究  110-112
  6.6 横向半主动控制系统的研究  112-117
    6.6.1 半主动控制系统的构成  112-114
    6.6.2 半主动控制系统的试验研究  114-117
  6.7 不同悬挂、不同控制方式下试验结果比较  117-120
第7章轨道不平顺模拟试验技术的研究  120-129
  7.1 传统轨道不平顺的模拟方法及特点  120-122
  7.2 轨道不平顺的模拟新方法  122-129
    7.2.1 伺服FIR滤波器的设计  123-124
    7.2.2 解耦FIR滤波器的设计  124-125
    7.2.3 多通道振动台模拟试验系统的设计  125-127
    7.2.4 多通道振动台模拟试验系统的仿真  127-129
结论与展望  129-132
致谢  132-133
参考文献  133-146
附录(试验数据通道记录表)  146-147
读博士学位期间发表的论文及科研成果  147-149

机车车辆系统中减振控制技术的研究

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