高速列车时滞、饱和非线性悬挂系统多速率控制方法研究

Chinese railway is in a period of high-speed and great-leap forward development, therefore, it's very important to ensure the high-speed, safety operation and comfortableness of the railway. The study of suspension control system is one of the necessities to guarantee safety operation of railway. Aiming at high-speed railway active or semi-active suspension system with characteristics of time-delay, saturation and multi-rate, this project will study the multi-rate control method of suspension system. Coupled time-delay and multi-rate of suspension to mathematical models of the systems, and constrained the actuator saturation and control constraints, we can take stability, ride quality and safety as examination index, and then construct mathematics input and output model of high-speed train horizontal and vertical suspension of multi-rate system with time-delay. The unity step-sized discrete state equation is established by lifting scheme. Optimal control is to be realized using robust performance test method in each step and predictive control strategy. Studying impacts of time-delay, saturation and milt-rate on the safety, stability and comfortableness of train and comparing with the performance index of traditional continuous system model, we can make a further evaluation of ultimate multi-rate range, maximum delay value and saturation value of the system when it is deteriorating. The possibility and practicability of nonlinear multi-rate suspension control system are to be verified combining the theory and simulation with practice. We can provide new ideas and lay a theoretical foundation for the safety operation of the high speed train from this project.

我国正处于铁路高速化、跨越式发展时期，车辆高速、安全与舒适就显得尤为重要，悬挂控制系统的研究是保证平稳安全运行的必要条件之一。本项目针对高速列车主动或半主动悬挂系统的时滞、饱和及多速率特性，研究悬挂系统的多速率控制方法。将悬挂系统时滞与多速率现象耦合至系统数学模型，由作动器饱和与控制受限形成约束条件，稳定性、平稳性和安全性作为考查指标，建立高速列车横向及垂向悬挂系统的时滞多输入多输出多速率数学模型。利用提升技术建立统一步长离散状态方程，各步长内采用鲁棒性能方法，结合预测控制策略实现优化控制。考察多速率、时滞与饱和特性对高速列车安全性舒适性等性能影响，并与传统连续系统模型下的性能指标进行比较，进一步评估系统性能恶化时的极限多速率范围、最大时滞量与饱和值。理论、仿真与实验相结合，全面证实多速率非线性悬挂控制系统的可行性与实用性。本研究的开展有望为列车高速安全运行提供新思路和奠定理论基础。

我国正处于铁路高速化、跨越式发展时期，车辆高速、安全与舒适就显得尤为重要，悬挂控制系统的研究是保证平稳安全运行的必要条件之一。本项目针对高速列车主动或半主动悬挂系统的时滞、饱和及多速率特性，研究悬挂系统的多速率控制方法。将悬挂系统时滞与多速率现象耦合至系统数学模型，由作动器饱和与控制受限形成约束条件，稳定性、平稳性和安全性作为考查指标，建立高速列车横向及垂向悬挂系统的时滞多输入多输出多速率数学模型。利用提升技术建立统一步长离散状态方程，各步长内采用鲁棒性能方法，结合预测控制策略实现优化控制。考察多速率、时滞与饱和特性对高速列车安全性舒适性等性能影响，并与传统连续系统模型下的性能指标进行比较，进一步评估系统性能恶化时的极限多速率范围、最大时滞量与饱和值。对比分析车体质心垂向、点头角和侧滚角加速度等输出时域响应结果，多速率比单速率系统具备更好的响应性能，其减振效果优于单速率系统。采用鲁棒预测控制后，多速率控制前后控制效果相差3倍以上，验证了所设计的控制器效果，并且能在一定程度上验证鲁棒预测控制实时优化特性的优越性。在基本采样周期一定的情况下，利用遗传算法得到多速率主动悬挂系统性能最优的采样周期：为基本采样周期的5倍，并采用这一最优采样周期优化了列车在运行时的控制性能。理论、仿真与实验相结合，全面证实多速率非线性悬挂控制系统的可行性与实用性。在主动悬挂系统建模、鲁棒预测控制器设计及仿真等理论研究基础上，按比例研制搭建基于磁流变阻尼器主动悬挂试验系统装置，在试验台上开展振动实验，实验验证了试验台的振动效果和鲁棒预测算法对车体振动的控制效果，从振动响应频率与输出特性曲线对比分析了单速率和多速率系统，验证了理论分析结果。本研究的开展有望为列车高速安全运行提供新思路和奠定理论基础。