基于磁流变阻尼器高速列车半主动座椅悬架控制方法对比研究.pdf
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1、2024.3,4(2)|智能交通与数字化基于磁流变阻尼器高速列车半主动座椅悬架控制方法对比研究郭力荣1,李国顺1,陈璨1,张义超1,张红卫1,宫岛2(1.中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所,北京,100081;2.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海 201804)摘要:在建立了高速列车“座椅车体构架”三自由度模型系统基础,分别提出了基于磁流变阻尼器的 MPC 控制、天棚阻尼控制、模糊控制半主动控制策略,并进行仿真分析。研究结果表明:与被动控制相比,施加半主动控制后的座椅振动加速度均方根值均有所减小,其中采用天棚控制、模糊控制和 MPC 控制的座椅加速度均方根值分别减少了 25.3
2、7%,17.67%和 16.38%;从频域角度而言,三种控制方法都能降低座椅 5 Hz频带内的振动幅值;虽然天棚阻尼控制对座椅 5 Hz频带内的幅值降低最大,但同时会造成座椅 5 Hz以上的振动幅值增加,而 MPC 和模糊控制方法对座椅 5 Hz以上的振动幅值没有明显影响。关键词:座椅悬架;半主动控制;MPC控制;天棚阻尼控制;模糊控制Research on semiactive seat suspension control of highspeed trains based on magnetorheological dampersGUO Lirong1,LI Guoshun1,CHEN
3、Can1,ZHANG Yichao 1,ZHANG Hongwei1,GONG Dao2(1.Locomotive&Car Research Institute,CARS,Beijing 100081,China;2.Institute of Railway and Urban Rail Transit,Tongji University,Shanghai 201804,China)Abstract:In this paper,based on the three-degree-of-freedom model system of seat-body-frame of high-speed t
4、rain,semi-active control strategies based on magnetorheological dampers are proposed respectively,simulated and analyzed,such as MPC control,canopy damping control and fuzzy control.The results show that compared with the passive control,the root mean square(RMS)values of the seat vibration accelera
5、tion are reduced by using the semi-active control,in which the RMS values of the seat acceleration are reduced by 16.38%,25.37%,and 17.67%with the MPC control,canopy control,and fuzzy control,respectively.From the perspective of the frequency domain,the three control methods are able to reduce the v
6、ibration amplitude of the seat in the 5 Hz frequency band.Although the canopy damping control reduces the amplitude of the seat in the 5 Hz frequency band the most,but at the same time it causes the vibration amplitude of the seat above 5 Hz to increase,while the MPC and fuzzy control methods do not
7、 have a significant effect on the vibration amplitude of the seat above 5 Hz.中图分类号:U260.331+.7 文献标志码:A 文章编号:2097-017X(2024)02-0055-07DOI:10.3969/j.issn.2097-017X.2024.02.010收稿日期:2023-10-08基金项目:国家自然科学基金资助项目(51805373);中国铁道科学院集团有限公司重大项目(2021YJ262)。作者简介:郭力荣(1990),男,博士,助理研究员。研究方向:车辆动力学、结构强度和车辆检验检测技术。55Ke
8、y words:seat suspension;semi-active control;MPC control;canopy damping control;fuzzy control引 言随着轻量化设计在高速列车领域的普及,制造成本显著降低,但车体结构刚度可能降低,引发车体弹性振动增加的问题1-5。近年来,基于磁流变阻尼器(Magnetorhelogical Fluid Damper,MRD)的车辆悬架半主动控制研究一直是国内外学者关注的重点。Lord 公司和德尔福公司是磁流变阻尼器研究和应用的代表,分别开发了多种半主动悬架系统并申请了多项专利6-8,其中 Magneride 半主动悬架系统
9、已成功应用于多种车辆底盘。TRW 研究所和马里兰大学也分别应用磁流变阻尼器技术并开发了磁流变阻尼器。特别是马里兰大学在磁流变减振器设计方面一直处于领先地位,并成功开发了充气结构的磁流变减振器9-14。国内对磁流变液及其可控阻尼器件的研究也在广泛进行。余淼等15深入研究了磁流变阻尼器的理论以及实际应用,他们成功研制出微型车辆磁流变阻尼器,为车辆磁流变阻尼器的发展提供了基础。文献16-19对 MRD 进行了理论分析和试验研究,并对悬架的控制策略进行了深入研究。座椅上的振动情况直接影响旅客的舒适体验。目前,将磁流变阻尼器应用于座椅悬架的研究相对较少20-25。据此,本文在前人的研究基础上,以某型高速
10、列车为研究对象,在建立座椅-车体-构架的 3自由度数学模型的基础上,搭建基于磁流变阻尼器的半主动座椅悬架振动控制系统,分别运用 MPC 控制、天棚阻尼控制、模糊控制三种控制方法进行仿真研究。对比三种控制方法的控制性能差异,为高速列车座椅悬架半主动控制提供一定指导作用。1磁流变阻尼器磁流变阻尼器利用磁场作用于磁流变液,实现了从牛顿流体到黏弹性流体的转变,从而调节输出的阻尼力。其主要工作模式包括流动模式、剪切模式、挤压模式。建立能够准确反映 MRD 力学性能的数学模型,在其振动控制效果和结构设计中至关重要。MRD 的力学性能受各种因素影响,例如外部激励、外部磁场强度和阻尼器本身的位移幅度,并且有很
11、强的非线性特征,流变后的磁流变液的动态组成 十 分 复 杂,因 此,建 立 精 确 的 MRD 模 型 非 常困难。为了更准确描述 MRD 的非线性特性,因此本文采用修正双曲正切模型,具体如图 1 所示。模型公式如下:Fd=cpox+kx+fytanhax+vhsgn(x)+f0(1)式中 cpo为黏滞阻尼系数,k为弹性系数,fy磁流变液的屈服应力有关的阻尼力,f0为补偿力。z表示单位磁滞环,z=tanhax+vhsgn(x),a为曲线斜率的比例系数,vh为滞回曲线的半宽度。其中cpo,vh,f0,fy表示关于电流I的函数。其中参数k=0,a=0.18227,在振幅为 10 mm和频率为 0.
12、25 Hz 的正弦激励下,改变电流,根据上述 公 式 采 用 Matlab/Simulink 对 修 正 双 曲 正 切 的MRD 模型进行数值仿真,以正弦输入时,固定正弦输入的特性(振幅、频率不变),改变控制电流大小,可以观察到修正双曲正切模型的特性曲线,如图 2所示。由仿真结果可知,当正弦输入一定,增大电流时,阻尼器输出阻尼力也随之增大。这是因为电流增大,磁场强度增大,进而阻尼力增加。由此可图 1MRD的修正双曲正切模型Fig.1Modified hyperbolic tangent model for MRD图 2阻尼力-速度关系曲线Fig.2Damping force-velocity
13、 relationship curve 56基于磁流变阻尼器高速列车半主动座椅悬架控制方法对比研究 郭力荣 等见,该模型能较好地描述磁流变液滞后特性,且曲线 相 对 光 滑 和 圆 整,故 采 用 该 模 型 来 进 行 仿 真研究。2“座 椅-车 体-构 架”垂 向 动 力 学模型由于本文研究的重点是座椅悬架系统,所以选择较为简单的 1/4 车体模型;然后将单自由度的座椅模型和 1/4 车体模型串联,构成座椅悬架系统的三自由度模型,如图 3所示。图中ms,mv,mt分别代表座椅(包括人体)、1/4车体质量、1/4转向架构架质量;ks,kv,kt分别为与之对应的等效弹簧刚度;cs,cv分别为座
14、椅垂向阻尼、车体垂向阻尼;zs,zv,zt和zr分别为座椅的垂向位移、车体的垂向位移、转向架的垂向位移、轨道的垂向激励位移(假设轮对紧贴钢轨);F 为磁流变阻尼器的输出力。根据图 3可以建立其动力学微分方程:mszs=-cs()zs-zv-ks()zs-zv-Fmvzv=cs()zs-zv+ks()zs-zv+F-cv()zv-zt-kv()zv-ztmtzt=cv()zv-zt+kv()zv-zt-kt()zt-zr(2)3轨道垂向激励位移数学模型以德国高速轨道高低不平顺功率谱密度作为模型的输入激励,其空间频率解析表达式为:Sv()=Av2c()2+2r()2+2c(3)式中 Sv()为高低
15、不平顺功率谱密度;为轨道不平顺的空间频率;Av为轨道粗糙度系数;c,r为截断空间频率。本文仿真采用德国轨道不平顺低干扰谱,其主要适合 250 km/h 及以上车速,具体参数值如表 1所示。4座椅悬架系统的控制策略4.1天棚控制策略天棚阻尼控制的思想是:在簧载与虚拟的天棚空间之间连接一个阻尼器,并将其在垂直方向上的振动速度作为研究对象,阻尼器产生阻尼力(与速度方向相反),从而降低簧载质量垂直方向上的振动。具体如图 4所示。图 4中,理想天棚阻尼控制力为:Fsky=-cskyzs(4)式中 csky代表天棚阻尼系数。由图 4 可知,期望的控制力方向要与zs方向相反。当zs(zs-zv)0,MRD
16、输出的阻尼力与期望方向相同,此时 MRD 输出的阻尼力应为 Fmax(对应MRD 半主动车辆座椅悬架系统控制策略的控制电流为 Imax);若zs(zs-zv)0F=Fmin,zs()zs-zv 0(5)这种控制算法计算简单、控制也比较方便,十分容易理解。根据天棚控制策略搭建了座椅悬架仿真框图,如图 5所示。图 5 中,“轨道激励”是激励信号模块,“天棚控制算法”是根据式(4)编写的控制算法,其输入是座椅垂向速度zs和车体垂向速度zv,输出是控制 MRD的期望力;“双曲正切模型”是第一节搭建的 MRD双曲正切模型。其输入包含两个:一个是控制 MRD的电流,另一个是车体和座椅的位移之差;输出是阻尼
17、力。4.2模糊控制策略模糊控制器选取座椅的加速度实际值和期望值之间的误差 e 和误差的变化率 de 作为输入量;选择控制电流大小作为输出量 u。同时基于 MRD 的车辆座椅半主动悬架的结构特性,选定了一个双输入、单输出二维控制器结构。本文设定输入变量 e,de 均选取 5 个模糊语言描述它们的模糊状态,为负大,负 小,零,正 小,正 大,即NB,NS,Z,PS,PB。所以 e 和 de 的模糊状态均为:NB,NS,Z,PS,PB。对输出变量 U 选取 6 个模糊语言描述它的模糊状态,为零,小,中小,中,中大,大,即Z,S,SM,M,MB,B。利用三角函数表示控制规则的输入输出部分的隶属函数,并
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