基于天棚阻尼二系懸掛系統(tǒng)的半主動控制策略研究

閆紅衛(wèi) 張政

摘? 要：針對半主動懸掛方式下的二系懸掛系統(tǒng)，采用合理的半主動控制策略，使列車在高速運(yùn)行過程中保證乘客乘坐的舒適度及安全性是十分必要的。文章基于兩種典型的天棚阻尼二系懸掛系統(tǒng)控制策略，采用SIMULINK和SIMPACK聯(lián)合仿真，得出開關(guān)控制策略在提高列車運(yùn)行舒適度和平穩(wěn)性更具優(yōu)勢，但連續(xù)控制策略阻尼系數(shù)連續(xù)變化，在隔振效果方面更具優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：半主動懸掛;半主動控制;聯(lián)合仿真

中圖分類號：U270? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0103-02

Abstract： For the secondary suspension system under the semi-active suspension mode， it is very necessary to adopt a reasonable semi-active control strategy to ensure the comfort and safety of passengers in the process of high-speed operation. Based on two typical control strategies of ceiling damping secondary suspension system， the joint simulation of SIMULINK and SIMPACK shows that the switching control strategy has more advantages in improving the comfort and stability of train operation， but the damping coefficient of continuous control strategy changes continuously. It has more advantages in vibration isolation effect.

Keywords： semi-active suspension; semi-active control; joint simulation

引言

現(xiàn)代交通運(yùn)輸方式中鐵路運(yùn)輸以其眾所周知的優(yōu)勢，在我國交通運(yùn)輸領(lǐng)域占據(jù)著重要地位;尤其當(dāng)高速動車組技術(shù)發(fā)展起來之后，不僅帶來了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且縮短了旅途時(shí)間，提高了乘客的乘坐舒適性和安全性。但隨著鐵路運(yùn)行速度的提高，軌道不平順、風(fēng)阻等使列車振動加劇，降低了列車運(yùn)行平穩(wěn)性。列車運(yùn)行平穩(wěn)性主要包括舒適度及安全性兩個(gè)方面，因此有必要對軌道車輛懸掛系統(tǒng)進(jìn)行控制，提高其運(yùn)行平穩(wěn)性。

目前許多學(xué)者致力于懸掛系統(tǒng)懸掛方式及控制策略的研究。美國學(xué)者Karnopp提出了十分有名的天棚阻尼控制策略[1];Valasek等人提出了旨在減小車輛懸掛系統(tǒng)簧下質(zhì)量橫向振動進(jìn)一步提升列車運(yùn)行平穩(wěn)性的地棚阻尼控制策略[2];Liu等人提出了主動跟蹤模糊輸出反饋滑膜控制方法[3];近幾十年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能算法的出現(xiàn)，也催生出一些對應(yīng)的智能懸掛系統(tǒng)控制策略。本文針對多種懸掛方式及控制策略進(jìn)行對比分析，對我國高速列車懸掛系統(tǒng)的選擇提供了一定參考。

1 懸掛系統(tǒng)懸掛方式

列車懸掛系統(tǒng)可分為被動懸掛、主動懸掛、半主動懸掛方式。

（1）被動懸掛方式其系統(tǒng)由彈簧和阻尼等元件組成，該懸掛方式可以在一定程度上改善其運(yùn)行性能，但懸掛系統(tǒng)各參數(shù)在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)被確定且不可調(diào)，無法適應(yīng)現(xiàn)在復(fù)雜的高速軌道線路條件。

（2）主動懸掛方式采用主動控制技術(shù)實(shí)時(shí)根據(jù)線路條件和運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整懸掛參數(shù)，可以很好地抑制軌道車輛的橫向振動，但需要在懸掛系統(tǒng)中間安裝傳感器、作動器等，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，降低了列車運(yùn)行中的可靠性，此外由于主動懸掛需要通過輸入能量來抵消外部激擾，因此需要消耗大量資源，使得列車運(yùn)營成本增加，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。

（3）半主動懸掛采用阻尼特性或剛度特性可調(diào)的可控元件作為動作器，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可控減振器的阻尼特性和可控彈簧的剛度特性，間接獲得合理的懸掛力。剛度變化的彈簧難以實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用變阻尼系數(shù)減振器。即使控制系統(tǒng)失效，該系統(tǒng)的可變阻尼減振器也可使系統(tǒng)快速轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍討覓煜到y(tǒng)，從而保證了列車運(yùn)行的平穩(wěn)性指標(biāo)。

由于半主動懸掛方式相較于被動懸掛和主動懸掛的明顯優(yōu)勢，近幾年高速軌道列車懸掛方式多采用半主動懸掛方式，為了在保證軌道列車運(yùn)行安全性和乘客的舒適性的前提下，進(jìn)一步提高列車運(yùn)行速度，還應(yīng)采用與半主動懸掛方式匹配的半主動控制策略?；谔炫镒枘岬陌胫鲃涌刂撇呗园l(fā)展較早且較為成熟，廣泛應(yīng)用于各種高速軌道列車。

2 基于天棚阻尼的半主動控制策略

天棚阻尼懸掛系統(tǒng)，美國學(xué)者Karnopp所創(chuàng)。工作原理為其減振器一端與減振對象相連，另一端與假象的慣性空間相連，這樣車輛振動時(shí)任何運(yùn)動方向均可有效起到減振效果，從而改善其舒適性[1]。由不同性質(zhì)的可調(diào)阻尼器，半主動控制策略可分為：

2.1 “開-關(guān)型”控制策略

使用開關(guān)型可調(diào)減振器并與彈簧并聯(lián)成懸掛系統(tǒng)時(shí)，該阻尼器作用在彈簧上的力為：

2.2 半主動懸掛的連續(xù)可調(diào)型控制策略

阻尼系數(shù)可調(diào)并與彈簧并聯(lián)成懸掛系統(tǒng)，區(qū)別是該減振器阻尼系數(shù)在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，并最大限度的接近天棚阻尼力[5]，各參數(shù)含義上與開關(guān)型相同。

3 SIMULINK與SIMPACK聯(lián)合仿真

3.1 聯(lián)合仿真

聯(lián)合仿真過程中，SIMPACK為從執(zhí)行軟件，MATLAB為主執(zhí)行軟件，SIMPACK輸入、輸出變量以SIMAT封裝形式與MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，仿真運(yùn)行速度為200km/h。其中，開關(guān)型和連續(xù)型半主動控制過程基本一致，區(qū)別在于開關(guān)型的設(shè)置端口號為20004，而連續(xù)型的設(shè)置端口號為20010，即二者的控制規(guī)則不同。為了驗(yàn)證聯(lián)合仿真平臺的準(zhǔn)確性，將聯(lián)合仿真結(jié)果與SIMPACK單獨(dú)仿真結(jié)果進(jìn)行對比，由SIMULINK控制下的軌道列車橫向振動加速度與SIMPACK單獨(dú)仿真時(shí)的時(shí)域加速度曲線可知，兩者的波形基本一致;聯(lián)合仿真時(shí)與SIMPACK單獨(dú)仿真時(shí)列車運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)十分接近，故聯(lián)合仿真控制使該懸掛系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性。

3.2 兩種控制策略對比

聯(lián)合仿真得不同控制策略下舒適度及平穩(wěn)性指標(biāo)，見表1。從不同控制策略下舒適度、平穩(wěn)性指標(biāo)可以得出：在車速200km/h時(shí)，開關(guān)型控制對車輛平穩(wěn)性的改善率高于連續(xù)型控制，但是開關(guān)型控制由于阻尼力不連續(xù)，會產(chǎn)生沖擊和系統(tǒng)噪聲，并且減振器節(jié)流閥一直處于高頻開關(guān)狀態(tài)，還會導(dǎo)致系統(tǒng)顫振。而若采用連續(xù)型控制策略，阻尼系數(shù)可以連續(xù)變化，這樣連續(xù)型控制策略在隔振效果上明顯優(yōu)于開關(guān)型。

4 結(jié)論

針對具有明顯優(yōu)勢的半主動懸掛方式，為了滿足進(jìn)一步提速的需要，需采用相匹配的半主動控制策略，而基于天棚阻尼的控制策略發(fā)展已有一段時(shí)間，比較成熟。針對兩種典型的基于天棚阻尼的控制策略，采用SIMULINK與SIMPACK聯(lián)合仿真的方式，仿真得被動懸掛、開關(guān)型、連續(xù)型控制策略下的列車運(yùn)行平穩(wěn)性、舒適度指標(biāo)，仿真分析得開關(guān)控制策略下的各指標(biāo)均低于連續(xù)控制下的各指標(biāo)，但開關(guān)型由于其阻尼力不連續(xù)，會產(chǎn)生十分嚴(yán)重的沖擊及噪聲，而連續(xù)型的隔振效果明顯優(yōu)于開關(guān)型。綜上，連續(xù)控制多適用于準(zhǔn)高速客車及高速動車組;而開關(guān)控制多適用于貨車及中低速客車等。

參考文獻(xiàn)：

[1]Karnopp D. Design principles for vibration control systems using semi-active dampers[J]. Journal of Dynamic Systems， Measurement and Control，1990，112（3）：448-55.

[2]Valasek M， Novak M， Sika， Z， et al. Extended ground-hook-new concept of semi-active control of truck's suspension[J]. Vehicle System Dynamics，1997，27（5-6）：289-303.

[3]Liu H， Nonami K， Hagiwara T. Active following fuzzy output feedback sliding mode control of real-vehicle semi-active suspensions[J].Journal of Sound and Vibration，2008 314（1）：39-52.

[4]張成功.高速車輛柔性車體動力學(xué)及懸掛系統(tǒng)半主動控制研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2015.

[5]胡用生.現(xiàn)代軌道車輛動力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，2009：61-95.