基于天棚阻尼二系悬挂系统的半主动控制策略研究

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　　摘  要：针对半主动悬挂方式下的二系悬挂系统，采用合理的半主动控制策略，使列车在高速运行过程中保证乘客乘坐的舒适度及安全性是十分必要的。文章基于两种典型的天棚阻尼二系悬挂系统控制策略，采用SIMULINK和SIMPACK联合仿真，得出开关控制策略在提高列车运行舒适度和平稳性更具优势，但连续控制策略阻尼系数连续变化，在隔振效果方面更具优势。
　　关键词：半主动悬挂;半主动控制;联合仿真
　　中图分类号：U270         文献标志码：A         文章编号：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
　　现代交通运输方式中铁路运输以其众所周知的优势，在我国交通运输领域占据着重要地位;尤其当高速动车组技术发展起来之后，不仅带来了十分可观的经济效益，而且缩短了旅途时间，提高了乘客的乘坐舒适性和安全性。但随着铁路运行速度的提高，轨道不平顺、风阻等使列车振动加剧，降低了列车运行平稳性。列车运行平稳性主要包括舒适度及安全性两个方面，因此有必要对轨道车辆悬挂系统进行控制，提高其运行平稳性。
　　目前许多学者致力于悬挂系统悬挂方式及控制策略的研究。美国学者Karnopp提出了十分有名的天棚阻尼控制策略[1];Valasek等人提出了旨在减小车辆悬挂系统簧下质量横向振动进一步提升列车运行平稳性的地棚阻尼控制策略[2];Liu等人提出了主动跟踪模糊输出反馈滑膜控制方法[3];近几十年来，神经网络、遗传算法等智能算法的出现，也催生出一些对应的智能悬挂系统控制策略。本文针对多种悬挂方式及控制策略进行对比分析，对我国高速列车悬挂系统的选择提供了一定参考。
　　1 悬挂系统悬挂方式
　　列车悬挂系统可分为被动悬挂、主动悬挂、半主动悬挂方式。
　　（1）被动悬挂方式其系统由弹簧和阻尼等元件组成，该悬挂方式可以在一定程度上改善其运行性能，但悬挂系统各参数在设计过程中已经被确定且不可调，无法适应现在复杂的高速轨道线路条件。
　　（2）主动悬挂方式采用主动控制技术实时根据线路条件和运行状态调整悬挂参数，可以很好地抑制轨道车辆的横向振动，但需要在悬挂系统中间安装传感器、作动器等，使系统结构更加复杂，降低了列车运行中的可靠性，此外由于主动悬挂需要通过输入能量来抵消外部激扰，因此需要消耗大量资源，使得列车运营成本增加，限制了其进一步的发展。
　　（3）半主动悬挂采用阻尼特性或刚度特性可调的可控元件作为动作器，通过实时调节可控减振器的阻尼特性和可控弹簧的刚度特性，间接获得合理的悬挂力。刚度变化的弹簧难以实现，在实际应用中一般采用变阻尼系数减振器。即使控制系统失效，該系统的可变阻尼减振器也可使系统快速转变为被动悬挂系统，从而保证了列车运行的平稳性指标。
　　由于半主动悬挂方式相较于被动悬挂和主动悬挂的明显优势，近几年高速轨道列车悬挂方式多采用半主动悬挂方式，为了在保证轨道列车运行安全性和乘客的舒适性的前提下，进一步提高列车运行速度，还应采用与半主动悬挂方式匹配的半主动控制策略。基于天棚阻尼的半主动控制策略发展较早且较为成熟，广泛应用于各种高速轨道列车。
　　2 基于天棚阻尼的半主动控制策略
　　天棚阻尼悬挂系统，美国学者Karnopp所创。工作原理为其减振器一端与减振对象相连，另一端与假象的惯性空间相连，这样车辆振动时任何运动方向均可有效起到减振效果，从而改善其舒适性[1]。由不同性质的可调阻尼器，半主动控制策略可分为：
　　2.1 “开-关型”控制策略
　　使用开关型可调减振器并与弹簧并联成悬挂系统时，该阻尼器作用在弹簧上的力为：
　　2.2 半主动悬挂的连续可调型控制策略
　　阻尼系数可调并与弹簧并联成悬挂系统，区别是该减振器阻尼系数在一定范围内连续变化，并最大限度的接近天棚阻尼力[5]，各参数含义上与开关型相同。
　　3 SIMULINK与SIMPACK联合仿真
　　3.1 联合仿真 　　联合仿真过程中，SIMPACK为从执行软件，MATLAB为主执行软件，SIMPACK输入、输出变量以SIMAT封装形式与MATLAB进行数据交换，仿真运行速度为200km/h。其中，开关型和连续型半主动控制过程基本一致，区别在于开关型的设置端口号为20004，而连续型的设置端口号为20010，即二者的控制规则不同。为了验证联合仿真平台的准确性，将联合仿真结果与SIMPACK单独仿真结果进行对比，由SIMULINK控制下的轨道列车横向振动加速度与SIMPACK单独仿真时的时域加速度曲线可知，两者的波形基本一致;联合仿真时与SIMPACK单独仿真时列车运行平稳性指标十分接近，故联合仿真控制使该悬挂系统具有较高的准确性。
　　3.2 两种控制策略对比
　　联合仿真得不同控制策略下舒适度及平稳性指标，见表1。从不同控制策略下舒适度、平稳性指标可以得出：在车速200km/h时，开关型控制对车辆平稳性的改善率高于连续型控制，但是开关型控制由于阻尼力不连续，会产生冲击和系统噪声，并且减振器节流阀一直处于高频开关状态，还会导致系统颤振。而若采用连续型控制策略，阻尼系数可以连续变化，这样连续型控制策略在隔振效果上明显优于开关型。
　　4 结论
　　针对具有明显优势的半主动悬挂方式，为了满足进一步提速的需要，需采用相匹配的半主动控制策略，而基于天棚阻尼的控制策略发展已有一段時间，比较成熟。针对两种典型的基于天棚阻尼的控制策略，采用SIMULINK与SIMPACK联合仿真的方式，仿真得被动悬挂、开关型、连续型控制策略下的列车运行平稳性、舒适度指标，仿真分析得开关控制策略下的各指标均低于连续控制下的各指标，但开关型由于其阻尼力不连续，会产生十分严重的冲击及噪声，而连续型的隔振效果明显优于开关型。综上，连续控制多适用于准高速客车及高速动车组;而开关控制多适用于货车及中低速客车等。
　　参考文献：
　　[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]张成功.高速车辆柔性车体动力学及悬挂系统半主动控制研究[D].兰州：兰州交通大学，2015.
　　[5]胡用生.现代轨道车辆动力学[M].北京：中国铁道出版社，2009：61-95.
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