铁道车辆半主动悬挂可行性分析报告

《铁道车辆半主动悬挂可行性分析报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铁道车辆半主动悬挂可行性分析报告（27页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、专业好文档铁道车辆半主动悬挂可行性分析报告1. 车辆悬挂系统概述十年来，中国铁路连续实施六次大提速，旅客列车的运行速度不断提高，对车辆运行平稳性的要求也越来越高。铁道车辆速度的提高，使其在铁路运行时的振动随之增加，车辆剧烈振动也会损伤车辆结构，轮轨之间的作用力和车辆振动达到一定程度后还会影响行车安全。控制车辆振动是铁道车辆提速并改善其平稳性的关键技术。为了改善铁道车辆的乘坐舒适性和运行平稳性，一方面可以提高线路的质量状况，另一方面则可以提高悬挂系统的性能。要提高线路的质量状况，需要投入巨额的费用。此外，线路的改造也很复杂，而目前我国一些线路受条件限制难以改造。因此，车辆的乘坐舒适性和运行平稳性

2、只能依靠悬挂系统的减振性能来提高。设计合适的悬挂系统改善车辆的性能，是一种经济、有效的途径，对于正在进行的铁道车辆研究具有重要意义。铁道车辆的悬挂系统与两个主要性能即平稳性和稳定性密切相关。目前应用的悬挂系统主要有三种：被动悬挂，全主动悬挂和半主动悬挂。传统的被动悬挂系统由于其弹性元件和阻尼元件的参数不能实时调节，因而不能使铁道车辆的乘坐平稳性和操作舒适性同时达到最优。全主动悬挂系统结构复杂，成本高，因而难以得到应用。阻尼可调的半主动悬挂系统与全主动悬挂系统相比，虽然对振动控制的性能略差，但其结构相对简单，价格低廉，同时，在控制品质上又能接近于主动悬挂，因而有着广阔的应用前景。特别是磁流变减振

3、器的出现，加快了半主动悬挂产业化的进程。在目前铁道车辆营运速度迅速提高的情况下，采用阻尼调节的半主动悬挂系统应用前景广阔。2. 列车的三种悬挂方式以及他们之间的分析比较（1）.列车的三种悬挂方式1）.被动悬挂传统的铁路铁道车辆悬挂系统由弹性元件和阻尼元件组成，它们在工作时不消耗外界能源，故称为被动悬挂。这种悬挂系统简单可靠，易于实现，可以在一定程度上满足铁道车辆对动力学性能的要求，但由于被动悬挂的参数在车辆运行的过程中无法实时调节，难以解决运行线路断面的多样性和悬挂参数单一性、列车运行速度的不定性与传统悬挂参数的一定性之间的矛盾，被动悬挂系统的适应性比较差，因而无法适应列车高速运行时对动力学性

4、能的更高要求。被动悬挂系统只能根据车体与转向架间的相对速度产生阻尼力，而实际所需阻力应由速度、位移及加速度多种因素决定:，而且被动悬挂系统只能在一定条件下对铁道车辆作衰减振动，难以适应在复杂多变的线路上高速运行的列车对动力学性能的要求。针对被动悬挂存在的缺陷，60年代提出了铁道车辆的主动悬挂。2）.主动悬挂在悬挂系统中加入力发生器（作动器）的装置称为主动悬挂。主动悬挂系统由于需安装测量传感装置、作动器及控制装置，会不可避免地提高列车成本，同时由于列车结构空间的限制，若在极有限的空间中安装作动器，势必导致列车结构更加复杂，复杂的主动作动器和车辆结构可能影响可靠性并带来高昂的维护费用。不仅如此，主

5、动悬挂系统无论采用何种形式的作动器，都将大量消耗外界附加能量。虽然设备及结构的复杂性可通过技术的日益成熟来解决，成本高昂也可通过大批量生产来解决，但能量消耗过大是主动悬挂固有的缺陷，唯有通过原理的改进来解决，因而在普及上尚有困难。目前，主动悬挂主要用于高速列车。3）.半主动悬挂在悬挂系统中需要输入少量能量的，具有可调阻尼的装置称为半主动悬挂。它是美国加州大学戴维斯分校机械工程系D.E.Kamopp教授等人于1974年提出来的1,2,3。1 Karnopp DC and Trikha AK. Comparative study of optimization techniques for sho

6、ck and vibration isolation. Journal of Engineering for Industry 1969,11281132.2 Karnopp DC and Crosby MJ. The active damper-anew concept for shock and vibration control. The Shock and Vibration Bulletin，1973，43，The Shock and vibration Information Center, Naval Research Laboratory, Washington, D. C.3

7、 Karnopp DC Crosby M J and Harwood RA .Vibration control using semi-active fore generatorrs. Transactions of the ASME Journal of Engineering for Industry, series B，1974，96(2): 619626半主动悬挂利用可以控制的调节阻尼器，根据预定的阻尼控制规律，实时调节阻尼力。半主动悬挂的提出晚于主动悬挂，比主动悬挂结构简单、成本低，而且性能接近于主动悬挂，另外由于不需要专用大功率能源装置，这对各种载运工具来说是一个突出的优点，因而受

8、到重视，具有较好的发展前景。（2）.悬挂系统的分析比较1）.改善系统性能原理 从系统动力学的观点来看，系统在输入的作用下存在输出。通过调整输入和（或）系统的结构参数来使系统的输出符合我们的要求，就是对系统实施控制。系统的输入是外界干扰（包括轨道不平顺、空气动力等）和控制力；研究的系统是车辆系统，包括车辆悬挂系统和车体本身；输出是表征系统振动性能的参数（如车体加速度的统计值或车辆的平稳性指标）。我们希望输出能够控制在一个合理的范围内以改善系统的振动性能，因此只能通过调整输入和（或）悬挂系统本身结构来实现。对于被动悬挂系统，当输入改变时，由于其结构本身不能改变，因此其输出必然随输入而发生变化，有时

9、会超出合理的范围，导致车体振动加剧；对于主动控制当系统的激扰改变时，可借助于外部能量产生控制力来改善系统的性能，通过调整控制力以保证输出符合要求，从而提高车辆自身的减振性能；对于半主动控制系统，通过改变减振器的阻尼系数或弹簧刚度适应不同的道路和行驶状况的需要，即当输入改变时，通过系统自身（悬挂元件的参数）调整来改善系统的性能。也就是说，半主动悬挂是通过系统结构的自身调整来改进系统性能的，即当系统的输入改变时，通过调整悬挂参数来改善系统的输出。2）.系统组成 被动悬挂系统：即传统的悬挂系统，由弹簧和减振器组成。被动悬挂的设计，主要是确定弹簧和减振器的参数，使悬挂系统满足平稳性、轮轨动作用力等指标

10、，得到一组最优或次优悬挂参数，能在特定的线路激扰、车辆结构参数和运行速度下达到性能最优。 主动悬挂系统：即在悬挂系统中加入力发生器（作动器），根据传感器从车体和转向架所获取的信息，按给定的控制规律产生连续可控的悬挂力，使车体加速度减小。这种装置需要一套能量供给设备。半主动悬挂系统：针对主动悬挂需要较大控制能量和成本较高的作动器，人们想起在悬挂元件弹簧和减振器上做文章（有人认为若采用改变刚度：如采用空气弹簧和油气弹簧的方法来减振，因刚度的改变需要大量气压，同样需要较大能量，而改变阻尼是容易实现的）。半主动悬挂系统根据传感器从车体和转向架所获取的信息，通过半主动悬挂系统的控制器调节减振器阻尼状态，

11、从而达到改善车辆运行平稳性和安全性的目的。车辆主动、半主动悬挂系统由传感器测量车辆系统的输出信号，如车体绝对速度、或车体对转向架的相对速度、车体的加速度等信号，经微处理器发出指令执行实时控制，由执行机构调节阻尼力（半主动）或控制力（主动）。对于主动悬挂控制系统来说，采用的执行机构有液压伺服作动器、机电作动器、伺服气缸等几种方案。对于半主动控制系统来说，由于减振器较易被控制，采用的执行机构一般是可变阻尼减振器。3）.系统复杂度半主动悬挂系统因为需要传感器、控制器等，显然比被动悬挂系统要复杂，但与主动悬挂相比，因为其不需要油泵（或空气压缩机）、过滤器、储油室、冷却器及输油管（输气管）等提供大能量的

12、辅助器件，因而结构简单、价格相对便宜得多。4）.控制效果主动悬挂系统和半主动悬挂系统都可以利用天棚控制来计算控制力，二者都是通过产生减少车体绝对速度所需的控制力而达到减振目的的，故减振效果相近，其中，主动悬挂系统的控制力是根据传感器提供的信息由外部能量直接产生的，半主动悬挂系统的控制力是通过调整系统本身结构而近似得到的。而被动悬挂无法调整系统结构，也没有外力来控制车体输出，故而其减振效果不如主动和半主动悬挂系统。5）.能量级别与主动悬挂系统相比，半主动悬挂系统通过改进系统的结构来衰减振动，所以，除了驱动电磁阀或施加电（磁）场需要耗能外，并不需要向悬挂系统提供额外的能量，因此所需的能耗与主动悬挂

13、系统相比很小，而且远不止一个数量级。Spencer采用半主动控制方案，设计了能产生200000N力(20T力)的磁流变减振器，其行程为士8cm所需提供电量小于50瓦特，试验中测得5cm/s的速度时，磁流变减振器产生201000N力的控制力，如果该控制力直接由主动控制方式产生，则功率为10000 W，由此可见，主动控制能耗至少是半主动控制的2000倍以上。车辆悬挂系统的特性比较：悬挂名称被动悬挂半主动悬挂主动悬挂开关型连续型慢主动全主动执行元件普通液压减振器分级可控减振器连续可控减振器液压系统液压系统作用原理阻尼力不可控阻尼力分级可调阻尼力连续可调调节作动力调节作动力控制方式无手动调节自动调节电

14、液调节自动调节电液调节自动调节电液调节自动调节频率范围无0-10Hz0-20Hz3-6Hz大于15Hz改善横向动力特性无小中大大改善垂向动力特性无小中大大传感器数量无少较少多多能量消耗无小小大大制造成本最小小中大大使用程度大量采用小量小量横向、垂向控制主动倾摆、横向控制（3）.铁道车辆悬挂系统发展趋势铁道车辆主动、半主动悬挂系统主要是自动控制技术与现代铁道车辆技术成功结合的产物，这体现了主、被动一体化振动控制的思想，同时也是结构和控制一体化设计思想的延伸与发展。根据对铁道车辆悬挂功能原理及特点的分析，可以看出，半主动悬挂旨在以接近被动悬挂的造价和复杂程度来提供接近主动悬挂的性能，而且半主动悬挂

15、系统是通过调整系统的结构来适应外界输入，从而改善系统的性能。因此，它是车辆悬挂的主要发展方向之一。结合半主动悬挂系统的特点及我国铁路发展的现状，采用半主动悬挂系统对铁道车辆进行振动控制是一种较好的选择。3. 国内外主动/半主动悬挂研究和应用状况（1）.国外主动/半主动悬挂系统的应用状况在20世纪80年代中、后期，日本的三菱汽车公司和Nissan汽车公司分别在本公司生产的某些车型的轿车上采用了电子控制半主动悬架系统。LEXUSL5400型轿车的电子控制悬架系统是一种较典型的半主动悬架系统。该系统采用了充有压缩空气的空气弹簧，弹簧的弹性可在“软”与“硬”之间切换，减振器则有三种不同的阻尼特性可供选

16、择。轿车行驶过程中，电子控制单元能够根据各种传感器的输入信号，选择最佳的空气弹簧的弹性与减振器阻尼特性的组合，从而获得良好的乘坐舒适性和操纵性能4。4 梁杰.丰田LEXUSLS40O型轿车的电子控制悬架.汽车技术.1997，第9期:43481988年，Nissan公司研制开发了一种所谓声纳半主动悬架装置，并首先选装在Maxima型轿车上。其原理就是通过发出的声纳信号进行路面搜索，同时将来自路面的反射波信号进行接收识别5。5 孙求理，张洪欣.主动悬架的发展和技术现状.世界汽车.1996，第5期:462002年德国采埃孚一萨克斯公司宣布，该公司最近与另一家名为兰齐亚的汽车公司合作，开发出了一种能自

17、动识别道路状况的半主动悬架系统一自动连续调节阻尼控制系统(CDC)。据称，这一系统不仅可以装配在诸如法拉利等赛车上，还可以安装在其他高级轿车上6。6 http:/ www.sachs.de/日本500系为了以提高舒适性为目标，在两头车厢（1，16号车厢）安装主动悬挂系统，而在安装受电弓的车厢上（5，13号车厢）和绿色车厢（8，9，10号车厢）上安装半主动悬挂系统。装用半主动悬挂装置后，列车的乘坐舒适性从“普通”区域提高到“良好”一“普通”区域。装用半主动悬挂系统的500系列新干线动车无论运行在明线或隧道内，都有改善乘坐舒适性的效果。可以确认，这种列车在300km/h速度运行时的乘坐舒适性与以往

18、270km/h速度运行时的一样或者更好。今后将以进一步改善乘坐舒适性为标，继续研究改进半主动悬挂系统的结构和性能7。7 则直久，张耀宏.500系列动车的半主动悬挂系统.国外内燃机车.1998，第5期:812日本700系新干线采用了半有源悬挂系统。不仅在车体发生摇动时需要使减振器向抑制振动的方向动作，且在由于轨道的影响使转向架发生振动时，为使振动不向车体传递，也要求横向减振器具有相应的动力衰减能力。为此，需要测出车辆的横向运动加速度，控制衰减系数可变的横向减振器的动作，从而提高乘坐舒适性。与500系客车一样，本系统安装于两个头车（1号、16号车）、装有受电弓的车厢（5号、12号车）以及头等车厢，

19、这对于实现“提供舒适性更好的客车”这一目标，具有明显的效果8。8 刘克鲜.日本新干线700系客车.国外铁道车辆.1998，35(6):14172002年，东日本旅客铁道株式会社在其E2系新干线车辆上安装了有源悬挂系统，利用气压作动器和H控制的主动悬挂装置，日本E2新干线列车部分车辆上安装的横向全主动悬挂系统由以下几个部分组成：安装在车体和转向架之间传统二系横向减振器的位置上的空气压力式作动器及其配套部件、车体上的加速度传感器、根据加速度信号处理风压伺服阀控制信号的控制元件、减振器和其它被动悬挂部件。这套系统考虑了车体的横移、摇头和测滚运动，采用H控制。由于起初确定的加权函数侧重于改善车辆在线路

20、敞开地段运行工况下的舒适度，在运行试验中发现安装该横向主动悬挂系统的车辆在线路敞开地段的乘坐舒适度比普通车辆的乘坐舒适度高59dB，但在隧道内只能提高2dB左右。在重新确定加权函数后，发现在隧道内该系统也能够将车辆的乘坐舒适度提高5dB左右。这充分说明在铁道车辆悬挂的H控制器设计过程中，合理地选取加权函数是很重要的9。9 董锡明 高速动车组工作原理与结构特点 中国铁道出版社德国ICE2动车组的拖车上采用SGP400转向架，SGP400具有独特的横向主动控制系统”AQS”，在构架上安装2个水平的“空气弹簧风缸”，相当于一个在水平方向起作用的横向位置调整器，使车体在曲线上行驶时，能主动回到中心位置

21、附近，从而大大改善横向舒适性。并且在弯道行驶时，具有与直道运行系统一样的舒适性9。董锡明 高速动车组工作原理与结构特点 中国铁道出版社Siemens公司开发的SF600型高速转向架（最高运行速度250km/h），主要运用在ICE-T动车组上。SF600转向架二系横向采用了主动弹簧加半主动阻尼器的悬挂系统，这个系统安装在已有车体倾摆系统和横向定位气动系统的转向架上。车体安装在由倾摆系统支承的上摇枕上，二系空气弹簧用以支承下枕梁，扭杆用作抗侧滚装置，一系悬挂装有圆弹簧和液压无源减振器，以半主动控制减振器代替传统的吹响和横向减振器，。每两节车的四台转向架上，与空气弹簧并联装有一套垂向和一套横向半主动

22、减振系统。每节车上装有一套SIBA32诊断、控制系统和一套惯性传感系统。每台转向架上的垂向半主动减振系统装有：2个具有连续调节阻尼控制阀的垂向液压减振器、2个测量垂向减振器行程的非接触式旋转电位器、2个安装在转向架下枕梁上的垂向加速度计。每台转向架上的横向半主动减振系统装有2个具有连续调节阻尼控制阀的横向液压减振器、2个装在液压缸上的横向行程传感器、1个装在转向架下枕梁的横向加速度计9。董锡明 高速动车组工作原理与结构特点 中国铁道出版社（2）.国内外主动/半主动悬挂系统的研究状况对铁道车辆主动悬挂的研究很早以前就已经开始。1984年，日本对采用PID控制的气压式主动悬挂装置进行了装车运行试验

23、。据报告，共振区内的车体振动加速度减小了约二分之一。英国国铁也对电磁方式等主动悬挂进行了研究。法国也进行了相关研究，拟将主动悬挂装置应用到TGV列车上，使车辆在运行速度为350km/h时的乘坐舒适度能够控制在运行速度为300km/h时的水平。然而由于成本问题和无法保证安全性等因素，这些研究未能实现在运营车辆上装车10。10 Roger Goodall Active Railway Suspensions:Implementation Status and TechnologicalTrends Vehicle System Dynamics Vol. 28 (1997) 87-117Daiml

24、erChryslerAG公司和Bombardier Transportation公司研制了一套横向主动悬挂系统，该系统已经在慕尼黑通过了滚动试验台样车试验，试验结果证明该系统满足作动器能耗低、行程小、减振效果明显等要求。系统采用液气压联动式（hydro-pneumatic）作动器，这种作动器的一端是一个气压腔，能够起到类似于空气弹簧的作用，使作动器兼有被动弹簧的刚度和阻尼特性，作动器输出力由油压伺服阀控制11。11 Dr. Ralph Streiter Active Lateral Suspension for High Speed Trains, 2001控制器的设计采用传统的传递函数综合法

25、。需要对车辆系统动力学方程进行简化，以得到适合于控制器设计的简化模型，将得到的简化模型和原模型进行仿真比较，确定了简化模型的有效性。利用简化模型和相关控制理论确定了控制器的阶数，然后根据减少车体横向振动和相关性能的要求（作动器冲程、限界等）确定控制器传递函数的各个系数。控制器需要测量到下面的信息：车体重心处的横向惯性加速度和摇头加速度，车体相对于两个转向架的横向位移以及两个转向架的相对摇头角和侧滚角。其中有些量（如车体重心处的横向加速度）并不能直接测量到，需要通过测量其它量间接得到。此外，还需要在作动器上安装液压传感器，以增强对作动器的控制，避免控制失效。值得关注的是以上所介绍的横向主动悬挂系

26、统是作为“主动转向架”项目的一部分研究开发的，“主动转向架”研究项目由Daimler Chsler AG公司和Bombardier Transportation公司合作完成，旨在研制出代表转向架发展趋势的机械电子式（Mechatronic）转向架，这种新型转向架具有一系、二系主动悬挂系统和倾摆系统，并具有故障检测和诊断功能。机械电子式转向架包括机械、电子、控制三个部分，这三个部分的设计并不是逐一独立进行的，而是在设计开发初期就充分考虑到三者之间的相互作用和影响，从整体上同步研究开发，这种设计理念能够最大限度地发挥各个部件的作用。德国的西门子公司研制了一套用于摆式列车上的半主动悬挂系统，该系统采

27、用天钩阻尼控制，包含横向半主动悬挂系统和垂向半主动悬挂系统。每个可控减振器上都安装了位移传感器，控制器对位移传感器测出的位移信号进行微分运算，得到相对速度信号。在车体上靠近每个可控减振器的地方安装了加速度传感器，车体相应的绝对速度信号由对各加速度传感器测得的加速度信号进行积分获得。实车试验表明在运行速度为1 SOkm/h时，和垂向被动悬挂系统相比，该系统中的垂向半主动悬挂能够将车体共振点处的幅值降低85%12。12 ANTON STRIBERSKY, ANDREAS KIENBERGER, GUNTHER WAGNER Design and Evaluation of a Semi-Activ

28、e Damping System for Rail Vehicles Vehicle System Dynamics supplement 28 (1998)669-681日本基于一种内置可变阻尼油压减振器空气弹簧研制出了一套列车垂向半主动悬挂系统，该系统采用天钩阻尼控制，现已完成实车运行试验。内置可变阻尼油压减振器空气弹簧内部装有一个节流孔可调的油压减振器，主要面向于列车垂向半主动悬挂方面的应用，目前已申请专利13。13 原能生旧等“垂向半主动悬挂装置性能试验”国外铁道车辆 2002年5月第39卷第3期3236日本国内有人目前在研制一种能源再生半主动悬挂系统，该系统能够将可控减振器吸收的能量

29、转化为电能储存起来，然后反过来再利用这些电能实现对可控减振器的控制14。14 Yoshihiro Suda, Shigeyuki Nakadal, Kimihiko Nakano Hybrid Suspension System with Skyhook Control and Energy Regeneration Vehicle System Dynamics supplement 28 (1998),619-634针对天钩阻尼控制不能有效地衰减车体振动加速度的缺点，西南交大研制了基于加速度反馈的自校正横向半主动悬挂系统。控制器中包含一个参数估计环节，对车体质量进行在线辨识，根据车体质量的

30、变化确定出最优的加速度反馈系数，确定出理想的目标力值。减振器分别采用了可调节节流孔大小的快速调节减振器和磁流变减振器，近似实现目标力值。减振器活塞相对于缸体的运动速度由加速度信号积分得到。在机车车辆振动试验台上的试验结果表明，采用这套横向半主动悬挂系统，能够将车辆的横向乘坐舒适度指标改善10%18%15。15 吴学杰，王月明，张立民，戴焕云，陈春俊.高速成列车横向悬挂主动、半主动控制技术的研究，铁道学报J，2006, 28(1): 50-54.中南大学的熊勇刚等人对采用天钩阻尼控制的机车车辆横向半主动悬挂系统进行了研究，开发出了一套电子控制系统，该系统的处理器选用89C52单片机，整个系统由采

31、样滤波、运算处理、功率放大、可调节流孔减振器等几个部分组成。初步的试验结果表明该系统能够提高车辆的平稳性指标，可靠性较高16。16 熊勇刚，谢勇，丁问司等.机车车辆半主动悬挂控制系统的研究J.中南大学学报.2005，36(4),678682西南交大的张开林等对采用LQG控制的铁道车辆横向主动悬挂系统进行了试验研究。试验采用1：8的半车模型，线路激扰为简单的正弦激扰，试验结果表明车体的横向共振振幅相对于被动悬挂能够减少80%。控制器假设车体的状态信号均可以测量，对转向架的状态则采用卡尔曼滤波进行估计获得。由于试验采用正弦激振，没有对被动悬挂的阻尼进行优化匹配，因此试验结果并不能如实反映主动悬挂的

32、减振效果17,18。17 张开林.机车车辆横向平稳性主动控制的研究.西南交通大学博士研究生学位论文，1997 18 张开林，米彩盈.铁道车辆主动减振控制系统的开发.铁道车辆.1998.36(9):2830西南交通大学的戴焕云教授对铁道车辆横向主动悬挂采用随机最优控制进行了仿真研究，采用简单的两自由度车辆模型。控制器设计的目标是尽可能地同时减小车体最大横向加速度、二系悬挂的最大静挠度和主动悬挂力，为此，选用车体最大横向加速度、二系悬挂的最大静挠度、主动悬挂力三个量的加权平方和作为目标优化函数。仿真计算的结果表明，通过调整优化目标函数中各个项的加权系数，可以侧重于提高车辆的某项性能。其中减小车体最

33、大横向振动加速度和减小二系悬挂的最大静挠度是相互矛盾的19,20,21,22。19 戴焕云.车辆主动悬挂的鲁棒控制研究.西南交通大学博士研究生学位论文.1998 20 戴焕云.铁道车辆主动悬挂随机最优控制研究.铁道机车车辆.1997，第1期:1425 21 戴焕云，张汉全.车辆主动悬挂的鲁棒稳定性及鲁棒性能研究.铁道车辆，1998,20(4): 5055.22张汉全，戴焕云，周斌，杨名利. H与u鲁棒控制方法在车辆主动悬挂中的应用 铁道学报，1997,15(S),121128.中南大学的朱浩等研究了采用预见控制的铁道车辆垂向主动悬挂，计算机仿真结果表明垂向主动悬挂采用预见控制能够分别将车体垂向

34、振动加速度和转向架垂向振动加速度的幅值减少30%23,24。23 朱浩，刘少军，黄中华，蔡月一。铁道车辆垂向主动悬挂的预见控制.中国铁道科学，vol.26(2)2005:9095.24 朱浩，刘少军，邱显众。车辆主动悬挂最优预见控制模型.交通运输工程学报，vol.5(3)2005: 813.西南交通大学的王月明博士研究了阻尼控制策略的两种实现方式：一是开关型阻尼控制规律，二是连续型阻尼控制规律。通过对采用无摇枕转向架的高速客车悬挂系统横向模型的仿真实验，研究了半主动阻尼控制改善车辆运行平稳性的有效性。结果数据表明，与阻尼最优的被动悬挂相比，采用连续型阻尼控制策略，车体横向加速度响应的均方根值能

35、降低20-25%，加速度最大值能降低40-50%，横向平稳性指标降低约10-15%25。25王月明. 高速客车半主动悬挂控制技术研究. 西南交通大学博士研究生学位论文.2002，4铁道科学研究院的姚建伟等对铁道机车车辆半主动控制减振器进行了模糊控制理论研究和产品研制，完成了半主动控制减振器的理论分析、仿真计算、作动器研制、示意图和阻尼特性试验、控制策略的研究、控制器软硬件的研制等工作26,27。26 姚建伟，孙琼，章润鸿，叶柏洪等.铁路机车车辆半主动控制减振器的理论研究和产品研制.铁道机车车辆.2004，24(增刊):6927 姚建伟，孙琼，李国顺，金炜，舒兴高.提速机车动力学性能测试及安全性

36、和平稳性评估指标的探讨.铁道机车车辆.2002，增刊:164,165172清华大学丁问司博士后针对国内的实际情况，研究了我国高速列车横向半主动悬挂系统控制策略、高速开关阀控制的横向半主动减振器28,29,30。28 丁问司，卜继玲，刘友梅.我国高速列车横向半主动悬挂系统控制策略及控制方式. 中国铁道科学.2002，23(4):1729 丁问司，刘少军，卜继玲.高速列车横向悬挂控制方式及半主动减振器.中国机械工程.2003，14(12):99599830 丁问司.高速列车横向半主动油压减振器研究.液压与气动，2003，第8期:45西南交通大学的曾京、戴焕云教授等对开关阻尼控制的铁道客车系统的动力

37、学性能进行了研究，主要包括半主动减振器的阻尼参数和半主动悬挂系统的时滞对客车系统临界速度和随机响应的影响。计算表明，尽管半主动悬挂使客车系统的临界速度低于被动悬挂，构架的横向加速度和轮轨横向力也要大于被动悬挂，但它能够大大减小车体的横向振动加速度，改善旅客的乘坐舒适性31。31 曾京，戴焕云，邬平波.基于开关阻尼控制的铁道客车系统的动力学性能研究J.中国铁道科学.2004.25(6):2731总体上说，国内对于铁道车辆主动/半主动悬挂的研究大都限于理论研究和计算机仿真研究，所采用的车辆模型一般为较为简单的线性模型。4. 半主动悬挂的关键技术决定半主动悬挂能否应用于实际的主要因素有两个：一是控制

38、策略的研究，一个是可控阻尼器的研制。（1）.半主动悬挂的控制策略半主动悬挂实际就是在被动悬挂的基础上，增加阻尼力自动调节装置。因此半主动悬挂的设计任务最终归结为：寻求合适的控制算法，使之能够根据铁道车辆的运行工况，自动地跟踪调节悬挂系统的阻尼力使悬挂系统隔振缓冲性能达到最佳状态，以保证铁道车辆在任意工况下都具有最佳的动力学胜能。铁道车辆横向振动系统是十分复杂的非线性动力系统，根据国内外已开展的技术研究和工程应用现状，半主动悬挂控制主要采用的方法可以归纳如下：1）.最优控制线性最优控制方法（LQG/LQR）以成本函数在无穷时间内积分，得到在不同权重系数情况下，系统能量和控制耗能最小为目标的悬挂系

39、统主动和半主动控制算法。线性最优控制方法是半主动悬挂设计者使用最多的设计方法。它以被研究的车辆系统较为理想的模型作基础，采用受控对象的状态响应于控制输入的加权二次型为性能指标，同时在保证受控结构动态稳定的条件下实现最优控制。此控制方法中一般应用LQ（Liner Quadratic线性二次型）调节器控制理论或LQG（Liner Quadratic Gaussian 线性二次高斯型）控制理论对悬挂系统实行最优控制。采用LQR控制方法实施控制时，需将列车系统视为确定系统，而忽略其固有的不确定性,即忽略随机激扰，因此这种控制方法无需用计算机进行在线计算。采用LQG控制策略实施控制比LQR控制更为完善，

40、这种控制策略充分考虑了在确定的系统模型的条件下的环境不确定性，这种不确定性包括轨道随机激扰和测量噪声。2）.鲁棒控制鲁棒控制就是试图描述被控对象的模型不确定性，并估计在某些特定界限下达到控制目标所留有的裕度。由于车辆半主动悬挂装置所处的环境以及自身的特点，在系统建模时总会引入建模误差,在设计控制器时必须考虑到各种不确定因素。不确定性会破坏系统的稳定性及性能，而不确定性又是不可避免的。因此,设计控制器时必须考虑不确定性对系统稳定性的影响，必须使设计的系统具有鲁棒性，即不仅对名义对象能具有要求的稳定性和性能，而且在参数变化和摄动下仍要保持其稳定性和性能。鲁棒控制是在保证闭环系统各回路稳定的条件下，

41、利用所设计的控制器使干扰噪声对系统输出影响最小的一种控制方法。鲁棒控制在设计中综合考虑系统的建模误差、非线性、抗干扰等因素，鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估。利用鲁棒控制方法设计的控制器可保证列车悬挂控制系统有较强的稳定鲁棒性和性能鲁棒性。由于鲁棒控制在设计中强调不确定性对悬挂系统的影响，需要在稳定鲁棒性和性能鲁棒性之间作折中选择，所得的控制效果是保守的。在建立悬挂鲁棒控制模型时，应充分估计模型误差范围，从而使控制性能的保守性最小，以保证悬挂系统的设计指标。3）.H控制方法H控制理论是80年代出现的新理论。它是在多变量系统

42、频域法与鲁棒稳定性奇异值分析法基础上建立的最优控制理论。其研究对象主要是多变量线性定常系统。它给出了控制系统的一种崭新的综合方法基于H最优指标的系统化设计方法。H方法的主要优点是：.它可以将各种典型控制问题（如干扰抑制、鲁棒镇定、跟踪和模型匹配等问题）都归结为标准H问题，从而给出一种系统化设计方法。.H方法利用了输入输出模型，又利用了状态空间法的计算机辅助设计手段。而且，象经典方法那样，设计者可对所得频率响应形状寻求理想控制。.更重要的是，它既便于处理对象具有不确定性时的鲁棒控制问题，又能在干扰频率谱不确定情况下得到满意的控制性能。目前，H控制策略在车辆的悬挂控制方面己经有了应用，然而基于H理

43、论的鲁棒控制等在理论上尚未成熟。H能反映哪些指标，其实质内容如何，实际问题怎样转化成H优化问题等一些关键问题到目前为止还没有统一的说明；另外H控制的算法复杂，计算量大，必须在简化算法上作大量工作，才能在悬挂系统控制上应用。4）.预测控制预测控制是指利用安装在机车或控制车上的信号收集系统来预估轨道的输入，并把所采集到的状态变量反馈给各车辆控制器以实施最优控制的一种控制策略。由于预测控制是一类基于模型的计算机控制算法，因此它是基于离散控制系统的。预测控制不但利用当前的和过去的偏差值，而且用预测模型来预估过程未来的偏差值,以滚动确定当前的最优输入策略。预测控制具有以下特点：.对数学模型要求不高；.能

44、直接处理具有纯滞后的过程；.具有良好的跟踪性能和较强的抗干扰能力；.对模型误差具有较强的鲁棒性。因此，更加符合工业过程的实际要求。由于列车大多是在同一轨道上反复行驶，基于以往的、既有的或实测的运行信息，结合传统的LQG/LQR控制方法可以实现预测控制，并达到较好的控制效果。施行预测控制时,为使执行机构能在预测点产生相应的动作，对行车速度的测量要求很高，很小的误差将会导致系统性能的急剧恶化。目前，预测控制正受到更多的关注，发表的研究报告较多，但预测控制方法的关键技术是信号精度不受干扰，并能精确反映轨道不平顺的真实信5）.决策控制这种控制方法是预先测量对不同的轨道和行驶条件下车辆的振动响应，并通过

45、优化计算得到所需的最佳悬挂刚度和阻尼，存入主动悬挂控制系统ECU的ROM中，在进行实时控制悬挂系统时，ECU不断检测车辆行驶过程中的振动响应，通过决策判断查出对应工况下应选的最优或次优悬挂的K和C，控制执行机构做出响应。6）.自适应控制自适应控制方法是一种拥有实时调节控制器的控制算法。列车悬挂振动系统是含有许多不确定因素的非线性动力系统，总是存在非线性、时变等因素，难以用线性时不变的定常反馈控制器达到预定的性能要求。由于自适应控制能够处理小范围缓变系统问题，因此，对于悬挂系统表现出来的非线性和老化问题，采用自适应控制十分合适。目前的自适应控制是在假定缺乏完整的系统动态信息和工作环境未知的条件下

46、进行控制的。应用于列车悬挂系统振动控制的自适应控制方法主要有自校正控制和模型参考自适应控制两种。自校正控制是一种将受控对象参数在线识别与控制器参数实时整定相结合的控制方法。采用自校正控制方法能适应悬挂载荷及元件特性的变化，并自动调整悬挂系统的控制器来降低车辆的振动。模型参考自适应控制是当外界激励条件和车辆自身参数变化时，被控车辆的振动输出仍能跟踪理想的参考模型，从而获得预期性能的控制方法。有关资料表明，采用自适应控制的悬挂阻尼减振系统,能较好地改善车辆行驶性能。在自适应控制方面研究不少，但自校正控制需要在线辨识大量的结构参数，因而计算量大，实时性不好；模型参考控制同样涉及轨道不平顺信息的精度问

47、题。另外，当悬挂系统参数由于突然的冲击而在较大的范围变化，自适应控制的鲁棒性将降低。7）.神经网络控制人工神经网络是一个由大量处理单元(神经元)所组成的高度并行的非线性动力系统。它能对非线性特性进行学习和记忆，能以任意精度反映被学习对象的特征。采用神经网络控制无需对实际的悬挂作线性化处理，所控制的悬挂系统具有较强的适应能力，与用传统的LQ 控制器控制的悬挂相比性能更加优越。神经网络控制的基本思想是从仿生学的角度模拟人脑神经系统的运作方式，使机器具有人脑那样的感知、学习和推理能力。对控制科学而言，神经网络的巨大吸引力在于以下几点：.神经网络本质上是非线性系统，能够充分逼近任意复杂的非线性关系；.

48、具有高度的自适应性和自组织性，能够学习和适应严重不确定性系统的动态特性；.系统信息等势分布存贮在网络的各神经元及其连接权中，故有很强的鲁捧性和容错能力；.信息的并行处理方式使得快速进行大量运算成为可能。这些特点说明，神经网络在解决高度非线性和严重不确定性系统的控制方面有巨大潜力。可以说，采用传统控制理论解决的各种实际问题，几乎都可以用神经网络控制技术来解决，而许多传统控制技术不能解决的问题也可以用神经网络方法来解决。目前，神经网络控制领域许多成功的应用实例使人们看到了智能控制时代的到来。车辆半主动悬挂系统是一非线性系统，采用常规的控制方式有一定的局限性。为了更好地逼近实际，获得更佳控制效果，近

49、年来神经网络的控制方法越来越受到重视，由于神经网络可以逼近任意非线性函数，具有较强的学习功能，用做控制器和辨识器具有自适应能力，因此适用于车辆悬挂系统的建模和控制。由于受到当前神经网络硬件发展的制约，大规模应用的时代尚待时日；但具备简单功能的神经芯片的成功研制已经使人们受到了很大的鼓舞。由此可见，神经网络具有并行计算、分布式信息存储、容错能力强以及具备自适应学习功能等一系列优点。但神经网络不适于表达基于规则的知识，因此在对神经网络进行训练时，由于不能很好地利用已有的经验知识，只能将初始权值取为0或随机数,从而增加了网络的训练时间或者陷入非要求的局部限值，这是神经网络的一个不足。同时，神经网络控

50、制只能描述大量数据之间的复杂函数关系，难于理解，而且不能直接处理结构化的知识，它需要大量的训练数据，通过自学习的过程，并以并行分布结构来估计输入输出的映射关系。8）.模糊控制模糊控制(Fuzzy Control)是把控制知识表示成语言变量的控制规则，再用这些规则去控制系统，适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制。它避开问题的数学模型，对人们关于某个控制问题成功或失败的经验进行加工，总结出知识，从中提炼出控制规则，用一系列的模糊条件语句构造系统的模糊语言变量模型，应用模糊推理方法，可以得到适合要求的控制量。因此，模糊控制器是一种语言变量的控制器。模糊控制主要是依据人工操作员的经验，应用Fu

51、zzy 集合理论进行控制。它具有以下特点：.不需已知被控对象的精确数学模型，一般只需提供现场操作人员的经验知识及操作数据。这样对一些复杂系统，如电液伺服系统，因难以建立精确数学模型，故不宜用经典或现代控制方法，更适用于采用模糊控制。.控制规则用语言变量表达，代替常规的数学变量，用简单的软硬件即可实现，较易建立语言变量规则，同时易于实现实时控制，控制方法简单。.控制系统的鲁棒性强，对过程参数的变化很不敏感，尤其适于时变的、非线性及滞后系统。另外,对于滞后系统能对纯滞后给予补偿。.模糊控制推理采用不精确推理，推理过程模仿人的思维过程，由于介入了人类的经验,因而能够处理复杂甚至“病态”的系统。由上述

52、可以看出，模糊控制不需要系统的精确数学模型，且具有较强的鲁棒性，有资料表明采用模糊控制的悬挂阻尼减振系统能较好地改善车辆运行性能，它在具有随机激励和复杂数学模型的车辆悬挂系统的应用中表现出了极强的优势。但是，模糊控制的精度低，算法过于复杂，使模糊控制方式暂时难以在工程应用中实现。要把它引入高速可靠的车辆悬挂控制中，需要对常规模糊控制器进行改进，或将其与现代控制理论的某些长处结合起来，构成复合控制策略。9）.小结半主动控制技术是近年来铁道车辆研究领域发展的新兴学科，其为解决铁道车辆动力学性能的互不相容特性开辟了新的途径。半主动悬挂控制系统已经实现了商品化，因其结构、传感器、电子控制单元、执行机构

53、和控制方法都比较简单目前具有广泛的应用前景。自适应控制、神经网络控制和模糊控制目前正广泛地被研究，但由于算法过于复杂，且需有超强计算能力的控制器来解决实时控制的问题，使其控制方式暂时难以在工程应用中实现。基于H理论的鲁棒控制等在理论上尚未成熟，H控制的算法复杂，计算量大，必须在简化算法上作大量工作。预见控制、决策控制由于对线路信号系统的依赖性过高而无法大规模地实施。最优控制由于其简单实用性，可获得好的系统性能指标，系统抗干扰能力强，在现有的半主动悬挂系统的工程应用设计中已被采用，在工程实际中也有所运用。国内铁道车辆半主动悬挂系统的研究工作刚刚起步，从实用性和可靠性考虑，而根据最优控制的优点，可

54、以选择最优控制作为悬挂系统控制策略的首选方案。（2）.半主动悬挂可控阻尼器的研究可控阻尼器是指减振器的阻尼系数可通过外加控制信号进行调节，可分为有级型和无级型减振器。有级可调减振器阻尼可在2到3档之间切换，切换时间通常为10至20ms。其减振器结构采用较为简单的控制阀，使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应车辆行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性。无级可调减振器的阻尼调节通常又分两种。一种是节流孔径调节，通过电机驱动减振器阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其它形式的驱动阀来实现。节流口可调式减振器

55、，结构相对简单、性能稳定可靠、成本低廉、应用前景广阔。另一种为电流变阻尼器或者磁流变阻尼器。电流变阻尼器采用电流变液作为阻尼器工作液体，通过施加外电场改变电流变液的抗剪应力和粘度，实现阻尼可调，其特点是阻尼力由电场快速无级调节，功耗很小。在国内己有电流变液汽车减振器的专利，北京理工大学魏窿官等对电流变液减振器的结构、性能进行了研究，但还处于实验阶段。电流变液阻尼器的问题在于，需要较高的控制电压(2-3kV)，流变效应低于磁流变液，阻尼变化范围小。磁流体是一种非牛顿流体，其剪切应力由液体的粘性和屈服应力两部分组成。通常流变特性的改变表现为剪切应力随外加磁场的增加而增大。磁流变液体的屈服应力比电流

56、变液体大一个数量级，且与数千伏电压用以改变电流变体的粘度相比较，磁流变液体粘度的变化由交变电流产生交变磁场而引起，具有良好的动力学特性和安全性。因此，由磁流变液体制成的阻尼器，比电流变阻尼器在实际进行减振控制中具有更大的优势。Lord公司生产的磁流变阻尼器，在半主动车辆悬挂振动控制的应用中，可用来实现可控阻尼力，它主要由活塞上具有节流小孔的单筒阻尼器构成。节流孔两侧装有线圈，通过电流以控制磁场强弱。缸体底部为一橡胶密封的氮气蓄压器，主要用来缓冲活塞运动时，活塞两端液体的体积差造成的冲击，同时作为一个气囊，还能起到减振作用。可见磁流变阻尼器的主要部分是一个具有节流孔的活塞。节流孔的两侧装有线圈，

57、当场强变化时，磁流变体的粘性发生变化、阻尼器的剪切应力相应变化，从而调节阻尼器的阻尼值。在铁道部科技发展基金项目资助下，张利民教授设计出了步进电机调节流孔的液压减振器，王月明教授设计出了磁流变液减振器，并在牵引国家重点实验室的实验台上，对试验车分别进行试验32。32 王月明.车辆半主动悬挂开关控制特性的研究.机械工程学报，2002, 38 (6): 4851（3）.磁流变阻尼器的应用前景磁流变液具有优良的可控性、很宽的动态范围、较高的响应速度，很低的功耗，相对简单的控制方式，因此它在结构振动控制、车辆工程中具有广阔的应用前景，尤其是在汽车半主动悬架领域，它已经成为竞相研究的热点，世界发达国家的

58、研究机构和企业投入大量人力物力利用磁流变液开发阻尼器件及相关技术。美国Lord公司是世界上最大的磁流变液供应商，也是磁流变技术商业开发的先驱，拥有磁流变阻尼器、制动器、离合器及其控制系统的多项专利，其中Pinkos等设计了转盘式磁流变主动悬架系统，并完成了汽车半主动悬架的控制实验，这种悬架系统大大地提高了汽车的安全性和舒适性33。33 Lou,Z.Ervin, R.D., Filisko,AE., A Preliminary Parametric Study of Electrorheological Damper, Trans .ASME, Journal of Fluid Engineer

59、ing(J，Vo1.116,1994,570577世界最大汽车零部件制造和系统集成商美国德尔夫(Delphi)公司与Lord公司合作开发了汽车磁流变半主动悬架系统阵，并获得了1999年度世界一百大科技成果奖，该项目的研制成功对汽车减振系统而言是革命性的进步34。34 美国维吉尼业工学院车辆动力学高级实验室(AVDL)也在汽车磁流变半主动悬架研究中做了大量工作哪。他们利用Lord公司提供的磁流变阻尼器设计了半主动悬架控制系统，并在VolvoVN重型卡车和Futureca轿车的悬架上进行道路试验，试验结果说明该系统对汽车俯仰和侧倾运动有明显抑制，而对车身振动没有明显效果，因此阻尼器和控制算法有待进

60、一步提高35。35 http: /www. Avdl.me.vt.edu/在国内，磁流变半主动悬架的研究已经起步，其中香港中文大学、西安交通大学和重庆大学等高校的工作比较有代表性。香港中文大学智能材料与结构实验室的C.Y.Lai和W.H.Laio利用Lord公司开发的磁流变阻尼器研究了单自由度悬架系统的振动控制，其控制算法为滑模控制，与传统的被动悬架相比，采用磁流变阻尼器可控悬架的簧载质量的垂直加速度得到大幅度降低36。36 C.Y Lai and W.H.Laio, Vibration Control of A Suspension System via AMagnetorheologica

61、l Fluid DamperJ, SPIE, Vol. 4073, 2000, 240-251西安交通大学在磁流变阻尼器和通用振动控制器设计、磁流变阻尼器控制方法等方面取得了一些成果。重庆大学对磁流变阻尼器的流变理论和设计方法进行了深入的研究，解决了磁流变阻尼器磁路设计和结构设计中的相关技术问题，研制出了微型汽车磁流变阻尼器，并在国家客车质量监测中心进行了测试，为汽车磁流变阻尼器的开发和应用奠定了理论和技术基础37。37 廖昌荣、陈伟民、余森、黄尚廉，基于混合工作模式的汽车磁流变减振器阻尼特性研究，机械工程学报J 2001.37 511尽管磁流变液用于振动控制领域取得一定的成绩，但目前仍没有达

62、到商业实用化程度。磁流变液的流变特性较复杂，应深人研究磁流变液减振器的非线性行为，为磁流变液减振器工程应用提供可靠的理论基础，为此还需进行以下研究。对已有的磁流变减振器可以利用稳健设计结合优化设计方法，在保证性能或提高性能的前提下降低其成本，才能在商业应用方面赶上美日英等的步伐。在现有的应用领域中要有突破，须立足创新思想，根据基本功能原理设计出结构新颖，性能卓越的减振设备，这也正是日本学者的做法。从一些成功的研究结果可以看出磁流变液在减振控制领域有广阔的应用前景，应积极进行可能应用领域的理论研究，并开发新的工程应用领域。因为现有的建模过程都需进行参数识别，所以设计合理有效的实验，并利用数学工具

63、充分挖掘实验数据中所隐含的各种有用信息，确定出精确的数学模型，才能为后续控制器设计的鲁棒性提供保证。从对减振器参数化模型和非参数化模型的优劣分析可发现，应综合发挥两种模型各自的优势，进而深人研究总结精确实用的数学模型，以利于减振器设计与控制器设计。可以结合材料特性的研究成果通过优化减振设备的性能来反求所需材料的特性，进而向材料研究者提出可以满足的要求，比如根据颗粒尺寸、微粒占总体积比等与磁场强度的关系来反求磁流变液应有的组份特征。美、日等工业发达国家磁流变液的实验研究与工程应用都取得了一定的成绩，而我国对磁流变液的研究才刚刚开始，与发达国家相比还有很大差距，应在实验研究的同时就有针对性地着眼于

64、工程应用，尽可能缩短研究周期，实现这自适应系统所必须依赖的三大智能材料之一的磁流变流体早日在我国减振控制设备中实用化，争取在这国际前沿领域占有一席之地。（4）.半主动悬挂目前存在的问题总体来说，对半主动悬挂及其阻尼控制的研究存在以下问题：在理论研究方面，对线性系统控制理论研究较多，对非线性系统的控制理论研究的相对较少。阻尼器研究从设计、加工、试验，到结构改进、实车试验，需要较长的周期，因此实用的可控阻尼器不多。新型可控阻尼器及控制系统大多存在成本较高的问题，在公路车辆上应用需要进一步降低成本，在铁道车辆上虽不突出，但影响试验研究。阻尼器的可靠性对应用是至关重要的，一般要完成近百万次的耐久试验，才能发现结构在性能以外的其它方面存在的问题，如磨损、密封、散热等，更加长了实用化的进程。各种因素引起的时