基于改进ADD控制策略的车辆半主动控制研究.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()基于改进A D D控制策略的车辆半主动控制研究张琳,王艺璇(山西开放大学,山西太原 ;中国铁路太原局集团有限公司 太原车辆段,山西太原 )摘要:随着高速动车组车速的不断提高,车辆减振的问题逐渐突显出来.为探究“O n O f f”型开关控制策略机理,基于车辆横向振动模型提出了一种改进的A D D控制策略.通过A D AM S/R a i l和MA T L A B/S i m u l i n k联合仿真实现了对半主动悬挂系统的动力学分析,结果表明:尽管A D D开关控制策略可以降低车辆横向动力学指标,但在轨道激励较大时切换开关会引起动力学指标的幅值发生突变,从而影响仿真计算结果的最大值,导致半主动悬挂系统的动力学指标反而大于被动悬挂系统的动力学指标.关键词:半主动控制;高速动车组车辆;改进A D D策略中图分类号:U 文献标识码:A山西开放大学“青年学术能力培养”专项课题(S X K D K T )收稿日期:;修订日期:作者简介:张琳(),女,河北秦皇岛人,助教,硕士,主要从事车辆动力学、轴承状态监测与故障诊断研究.引言目前高速动车组技术飞速发展,在确保列车运行安全性的基础上如何提高旅客乘坐的舒适度受到了越来越多的关注,许多科研工作者先后展开了对高速动车组车辆半主动控制的研究.K a r n o p p提出一种“天棚(S k y h o o k)”阻尼的概念,使减振器的阻尼系数由速 度 判 别 条 件 来 控 制“开 关”,简 称S H控 制;M a r g o l i s等对天棚阻尼控制策略进行改进,提出“O n O f f”控制思想;田向阳等建立了基于天棚控制的半主动悬挂系统,并分析了不同参数对控制效果的影响;随后,S a v a r e s i等提出一种基于加速度信号判别标准的控制策略;廖英英等提出了一种基于随机激励下的“S H A D D”(A c c e l e r a t i o nD r i v eD a m p i n g)混合控制转换系数参数识别方法;陈兆玮等提出基于柔性多体动力学的地铁车辆半主动控制.为进一步探究A D D控制策略原理,改进该控制策略模型,并更进一步为半主动控制的探究奠定基础,在此建立了一种更加详细的A D D开关控制策略模型,并分析了基于该控制策略的半主动悬挂车体控制效果及原因.改进的A D D开关控制模型S a v a r e s i等提出的加速度驱动控制策略为:将开关转换的判断条件定义为车体横向加速度与阻尼器活塞速度的乘积,二者方向相同为“开”,反之则为“关”,其表达式为:Fcm a x(xx)x(xx)cm i n(xx)x(xx)()其中:F为阻尼力;cm i n为最小阻尼系数;cm a x为最大阻尼系数;x和x分别为车体和构架的横向绝对速度.针对车体横向振动问题,在此通过控制两个横向减振器阻尼力来实现对车体的半主动控制.由于油压减振器的阻尼阀系统会根据活塞不同的振动速度有不同的启闭特性,因此,本文在A D D开关控制策略基础上将控制器判断条件为“开”时,根据减振器振动速度不同对减振器阻尼力分两种情况进行讨论,建立一种更加准确的开关模型,其表达式为:Fc(xx)v)Fc sxxvc(xx)vxxv,x(xx)c(xx)v)Fc sxxvcm i n(xx)x(xx)()其中:v为活塞振动速度的临界值;c为活塞振动速度在区间v,v 时横向减振器的等效阻尼系数;Fc s为当活塞振速为v时减振器的输出阻尼力.A D AM S/R a i l和MA T L A B/S i m u l i n k联合仿真 联合仿真设计思路在A D AM S/R a i l中建立某型高速车辆拖车单车 自由度模型,将两转向架横向减振器的输出阻尼力作为输入变量,将观测指标作为输出变量.联合仿真模型的建立在A D AM S/R a i l中建立某型高速车辆模型,针对车体运行过程中的横向振动,设计基于A D D控制策略的O n O f f半主动控制器,对车体横向振动过程中的关键动力学指标进行控制.关键动力学指标包括车身横向加速度、车身摇头角加速度、车身侧滚角加速度和车身横向平稳性指标.在A D AM S/R a i l和MAT L A B/S i m u l i n k中建立联合仿真模型,如图所示.图A D AM S/R a i l和MA T L A B/S i m u l i n k联合仿真模型半主动控制器模块中包含了个结构相同的子系统,即子系统、;子 系 统 输 出个 被 控 信 号O u t、O u t、O u t 和O u t,即A D AM S封装模块的个输入变量.联合仿真结果分析为研究不同车速时基于A D D控制策略的“O n O f f”半主动控制器的控制效果,分析了车速为 k m/h和 k m/h时半主动悬挂的控制效果,计算得到了车身关键动力学指标仿真结果.低速工况车速较低时以 k m/h为例进行分析,被动悬挂(未加控制器)和半主动悬挂(添加控制器)中车体关键动力 学 指 标 计 算 结 果 对 比 如 表和 图图所示.表车速为 k m/h时的仿真结果类型车身横向加速度(m/s)车身摇头角加速度(r a d/s)车身侧滚角加速度(r a d/s)RM SM a xRM SM a xRM SM a x横向平稳性指标被动悬挂 半主动悬挂 变化量()图车速为 k m/h时车身图车速为 k m/h时车身图车速为 k m/h时车身横向加速度摇头角加速度侧滚角加速度由表和图图可知:在车速为 k m/h时,采用“O n O f f”控制策略后车身横向加速度、车身侧滚角加速度的均方根值和横向平稳性指标有略微降低,分别降低了 、和 .为更加 年第期张琳,等:基于改进A D D控制策略的车辆半主动控制研究清楚地分析“O n O f f”控制策略对车身横向加速度的控制效果,特将图中A、B两处局部放大,得到图和图.图图A处局部放大图图B处局部放大由图和图可知:在基于“O n O f f”控制策略建立的半主动悬挂中,尽管车身横向加速度的控制效果不太明显,但在较大的峰值处振动幅值有减小趋势,整体来看有一定效果,采用该控制策略后均方根值降低 .如图所示,在模型施加控制后,车身的横向加速度在 s时振动幅值发生突变,横向加速度的最大值在控 制 后 反 而 增 加.分 析 其 原 因 是“O n O f f”控制策略的弊端导致的,是横向减振器开关切换瞬间阻尼力突变的体现.求得的横向减振器添加控制前、后输出的阻尼力如图所示,图为图C处局部放大图.在图中,根据基于A D D的“O n O f f”控制策略,当车身加速度与活塞运动速度方向相反时,减振器取最小阻尼系数,在此将最小阻尼系数设置为,即输出阻尼力为,因此在模型添加控制器后,减振器输出阻尼力为间断不连续的.由图可以看出:在 s之前的一段时间内,半主动悬挂的横向减振器的输出阻尼力几乎为,直到 s时减振器才恢复阻尼力;从被动 悬挂横向减 振器输出 的 阻 尼 力 来 看,在 s附近(t s)时,输出阻尼力峰值为k Nk N之间,但在此之后,无论是被动悬挂还是半主动悬挂,横向减振器输出的阻尼力均达到了k Nk N,说明此时列车可能遇到了轨道上较大的横向激励,所以,推断在此时基于A D D的“O n O f f”开关控制的切换过程中,车身的横向加速度幅值发生了突然变大的情况.图车速为 k m/h时控制前、后横向减振器输出的阻尼力图图C处局部放大 高速工况车速较高时以 k m/h为例进行分析,得到的结果如表和图图 所示.图的局部放大如图 所示.表车速为 k m/h时的仿真结果类型车身横向加速度(m/s)车身摇头角加速度(r a d/s)车身侧滚角加速度(r a d/s)RM SM a xRM SM a xRM SM a x横向平稳性指标被动悬挂 半主动悬挂 变化量()图车速为 k m/h时车身图 车速为 k m/h时车身图 车速为 k m/h时车身横向加速度摇头角加速度侧滚角加速度机 械 工 程 与 自 动 化 年第期由表可知:车速为 k m/h时,采用“O n O f f”控制策略后车身横向加速度的均方根值和最大值分别降低了 和 ;车身侧滚角加速度的均方根值和最大值分别降低了 和 .由图 可以看出,在D、E、F、G、H、I和J处车身横向加速度的幅值均有突然变化的情况.高速车辆添加“O n O f f”控制策略后的动力学指标控制效果随车速的变化情况如图 所示.图 中,控 制 效 果控制前指标控制后指标控制前指标 .由图 可以看出:随着车速的增加,车身关键动力学指标的控制效果越来越好,但随之而来的是动力学指标在横向减振器开关切换时的突变情况并没有减少,反而愈加频繁.图 图局部放大图图 高速车辆添加“O n O f f”控制策略后动力学指标控制效果随车速变化情况综上,在列车横向振动过程中,基于A D D开关控制策略设计半主动悬挂,可以降低列车横向动力学指标,但也存在一些缺陷.结论通过A D AM S MAT L A B联合仿真方法,对基于改进A D D开关控制策略的半主动悬挂模型进行了不同速度工况下的控制效果分析,得出结论如下:()在轨道激励较大时,切换开关可能引起动力学指标的幅值发生突变,从而影响仿真计算结果统计的最大值,导致半主动悬挂车体动力学指标大于被动悬挂车体动力学指标,此时半主动悬挂车体会受到刚性冲击.()由于动力学指标突变导致半主动悬挂部分指标的最大值超过了被动悬挂,但A D D开关控制策略仍然可以降低车身横向平稳性指标.()随着车速的增加,动力学指标的突变情况变得愈加频繁,但半主动悬挂的控制效果也更加明显,动力学各指标的控制效果均随车速的增大而增加.参考文献:K a r n o p pD D e s i g n p r i n c i p l e s f o r v i b r a t i o n c o n t r o ls y s t e m s u s i n g s e m i a c t i v e d a m p e r sJJ o u r n a l o fD y n a m i cS y s t e m s,M e a s u r e m e n t a n dC o n t r o l,():M a r g o l i sDL,T y l e e J L,H r o v a t D H e a v e m o d ed y n a m i c so f at r a c k e da i rc u s h i o nv e h i c l ew i t hs e m i a c t i v ea i r b a gs e c o n d a r y s u s p e n s i o nJJ o u r n a lo f D y n a m i cS y s t e m,M e a s u r e m e n ta n dC o n t r o l,():田向阳,曾京,汪群生车下悬吊系统耦合振动的半主动控制研究J机车电传动,():S a v a r e s i SM,S i l a n iE,B i t t a n t i SA c c e l e r a t i o n D e r i v e n D a m p e r(A D D):A n o p t i m a l c o n t r o l a l g o r i t h m f o rc o m f o r t o r i e n t e ds e m i a c t i v es u s p e n s i o n sJ J o u r n a lo fD y n a m i cS y s t e m s,M e a s u r e m e n t,a n dC o n t r o l,():廖英英,刘永强,杨绍普一种新型混合半主动控制策略在高速铁道车辆 振 动控 制中 的应 用 J振动 与冲 击,():陈兆玮,朱国基于柔性多体动力学的地铁车辆半主动控制J交通运输工程学报,():R e s e a r c ho fV e h i c l eS e m i A c t i v eC o n t r o lB a s e do nI m p r o v e dA D DC o n t r o l S t r a t e g yZ H A N GL i n,WA N GY i x u a n(S h a n x iO p e nU n i v e r s i t y,T a i y u a n ,C h i n a;T a i y u a nD e p o t,C h i n aR a i l w a yT a i y u a nG r o u pC o,L t d,T a i y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h e s p e e do f h i g hs p e e dEMUi n c r e a s i n g,t h ep r o b l e mo f v e h i c l ev i b r a t i o nr e d u c t i o n i sg r a d u a l l yh i g h l i g h t e d I no r d e rt oe x p l o r e t h em e c h a n i s mo f t h e O n O f f s w i t c hc o n t r o l s t r a t e g y,a n i m p r o v e dA c c e l e r a t i o nD r i v eD a m p i n g(A D D)c o n t r o l s t r a t e g yw a sp r o p o s e db a s e do nt h ev e h i c l el a t e r a lv i b r a t i o n m o d e l T h r o u g h A D AM S/R a i la n d MA T L A B/S i m u l i n kc o s i m u l a t i o n,t h ed y n a m i ca n a l y s i so f t h es e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mi sr e a l i z e d T h e r e s u l t ss h o wt h a t:a l t h o u g ht h eA D Ds w i t c hc o n t r o l s t r a t e g yc a nr e d u c e t h e l a t e r a l d y n a m i c s i n d e xo f t h ev e h i c l e,w h e nt h et r a c ke x c i t a t i o ni sl a r g e,t h es w i t c hw i l l c a u s et h ea m p l i t u d eo ft h ed y n a m i c s i n d e xt oh a v eam u t a t i o n,w h i c hw i l l a f f e c t t h em a x i m u mv a l u eo f t h e s i m u l a t i o nr e s u l t s,r e s u l t i n g i nt h ed y n a m i c i n d e xo ft h es e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mi sg r e a t e r t h a nt h a to f t h ep a s s i v es u s p e n s i o n K e y w o r d s:s e m i a c t i v ec o n t r o l;h i g h s p e e dEMU sv e h i c l e;i m p r o v e dA D Ds t r a t e g y 年第期张琳,等:基于改进A D D控制策略的车辆半主动控制研究