基于数据驱动的高速列车速度复合控制研究

针对高速列车在外部干扰下的速度控制问题，本文提出基于Koopman算子的高速列车高维线性模型的建模方法，并设计一种结合扩张状态观测器(ESO)与基于Koopman算子的模型预测控制(K-MPC)的复合控制器(ESO-K-MPC)。利用扩展动态模式分解算法来近似无限维线性Koopman算子，建立具有动态非线性特性的高速列车动力学高维线性模型；引入模型预测控制，设计扩张状态观测器，对系统总扰动进行估计与补偿，构建基于ESO-K-MPC的高速列车速度控制系统，再设计控制器与控制算法；结合CRH3列车参数和郑西高铁华山北站—西安北站实际线路数据，分别在没有扰动和白噪声干扰下对设计的控制方法与算法进行仿真研究。仿真结果表明：基于Koopman的高速列车建模对位移与速度的预测精度相比于线性状态空间模型分别提高了83.86%与87.40%;ESO-K-MPC可以准确估计与补偿高速列车运行中受到的干扰，控制输出曲线与期望曲线几乎重叠，实现了列车运行期望曲线的高精度跟踪。     

横风下高速列车动力学参数的多目标优化

为改善高速列车横风下运行的动力学性能, 提高运行平稳性和安全性, 以轮轴横向力和轮重减载率为优化目标, 对高速列车动力学模型的悬挂参数进行多目标优化设计; 建立高速列车多体动力学参数化模型, 依照大风限速标准, 加载列车在横风下以不同速度运行的气动力数据, 选取了止挡间隙、一系悬挂纵向和垂向刚度、二系悬挂纵向和垂向刚度、一系垂向减振器刚度、二系横向和垂向减振器刚度、抗蛇形减振器刚度及阻尼11个变量; 搭建高速列车动力学模型优化平台, 对高速列车多体动力学参数化模型的设计参数与轮轴横向力和轮重减载率的相关性进行分析, 得到列车各悬挂参数对轮轴横向力和轮重减载率的影响趋势; 基于相关性结果, 采用NCGA、AMGA和NSGA-Ⅱ遗传算法对高速列车的动力学参数进行优化设计。分析结果表明: 采用NSGA-Ⅱ算法的优化结果最为理想; 与轮轴横向力和轮重减载率相关性最大的参数为抗蛇形减振器刚度, 为反效应; 优化后列车的动力学性能得到明显的改善, 轮重减载率从原始的0.78整体优化到0.63以下, 且最小可以优化到0.49, 最高可降低37.2%;轮轴横向力从原始的16.8 kN整体优化到9.6 kN以下, 且最小可以优化到5.79 kN, 最高可降低65.5%;得到了优化目标的Pareto前沿最优解, 确定了列车各动力学参数设计变量的最优解集, 并对最优解集在其他列车速度和风速组合下的运行工况进行验证, 适用性较好。      

基于改进卡尔曼滤波锂离子电池SOC估计

为了估算锂离子电池的剩余电量，考虑估计过程中的噪声影响，采用卡尔曼滤波方式进行电池的荷电状态估计研究。以戴维南等效电路模型为基础进行了电池参数的辨识，利用Simulink建立基于卡尔曼滤波的电池荷电状态估计模型。分析了电池在不同的放电电流的工况下，测量误差对电池荷电状态估计的影响，提出了改进卡尔曼滤波算法。仿真结果表明：与拓展卡尔曼滤波算法相比，改进卡尔曼滤波算法精度更高。     

基于自适应动态面的高速列车蠕滑速度跟踪控制

为实现高速列车黏着控制中对期望蠕滑速度的精确跟踪,提出了一种新的蠕滑速度跟踪控制方法.首先考虑牵引/制动动态建立了列车黏着控制系统动力学模型,并将其描述为一个串级非线性系统;然后采用动态面控制方法,并引入自适应技术估计列车模型参数和系统集总不确定性上界,设计了基于自适应动态面的高速列车蠕滑速度跟踪控制策略.所设计的控制...     

基于特征模型的高速列车自适应误差补偿控制

针对高速列车运行过程中因不确定运行阻力和模型误差等因素产生的系统误差，提出了新的基于特征模型的高速列车自适应误差补偿控制策略，实现了其对给定目标速度曲线的渐近跟踪。首先通过动力学分析，基于特征建模方法和参数辨识，建立了存在系统误差的高速列车特征模型；其次，利用扩张状态观测器对系统误差的估计能力，设计了基于特征模型的高速列车自适应误差补偿控制器，并结合广义最小方差方法对控制器参数进行了优化，使其在存在系统误差时仍能实现对给定速度曲线的渐近跟踪。该控制策略能够有效处理系统误差带来的不确定性，提高控制精度，从而保障高速列车的安全可靠运行。为了验证本文所提方法的有效性，以CRH380A型高速列车为被控对象进行仿真实验。仿真结果表明设计的补偿控制方法在列车存在未知系统误差的情况下仍能保证理想的控制性能。     

长大重载列车系统动力学

利用循环变量法解决了长大重载列车的自由度难题,考虑了列车纵向、横向和垂向性能之间的耦合关系,建立了长大重载列车三维空间耦合动力学模型,分析了牵引、制动和惰行工况下的长大重载列车在直线轨道、曲线轨道和坡道上的动力学性能.仿真结果表明:在牵引工况下,列车头部和尾部车辆比列车中部车辆的动力学性能差；在制动工况下,列车中部车辆...     

谐波转矩对高速列车齿轮箱体与牵引电机振动特性的影响

为研究机电耦合作用下齿轮箱体和牵引电机的振动幅值、频谱分布及其随高速列车行驶速度的变化趋势, 分析了三相逆变器输出电压谐波频率分布与牵引电机谐波转矩, 建立了传动系统扭振模型; 基于直接转矩控制理论与车辆系统动力学理论, 搭建了牵引电机控制模型和高速列车多体动力学模型; 通过Simulink和SIMPACK联合仿真平台对比了恒力矩输入与含有谐波转矩的力矩输入模型, 分析了不同速度下牵引电机谐波转矩对高速列车齿轮箱体和牵引电机振动特性的影响。分析结果表明: 当高速列车以250 km·h-1的速度匀速运行时, 齿轮箱体大齿轮上方纵向振动、小齿轮上方纵向与垂向振动受牵引电机谐波转矩影响显著, 在700 Hz主频处振动加速度幅值显著增大, 该频率恰为牵引电机输出转矩基波频率的6倍; 在谐波转矩的影响下, 牵引电机在52 Hz主频处横向振动加速度幅值增加52.78%, 在49 Hz主频处垂向振动加速度幅值增加18.95%;随着高速列车速度的增加, 齿轮箱体纵向与牵引电机各向振动加速度逐渐增加, 牵引电机谐波转矩对齿轮箱体纵向振动加速度均方根的影响逐渐减小, 在6倍基波频率处, 齿轮箱体小齿轮上方和牵引电机纵向与垂向振动加速度均先增大后减小, 在速度为250 km·h-1时达到极大值, 且齿轮箱体和牵引电机的垂向振动受6倍基波频率谐波转矩的影响比纵向振动更为明显, 而其横向振动特性几乎不受谐波转矩的影响。      

联合动力学与运动学的汽车状态估计

为了准确估计汽车的横向速度,利用七自由度汽车动力学模型、汽车运动学方程和Duoff非线性轮胎模型,建立包含噪声统计特性的汽车离散化动力学和运动学方程,提出2种方程联合的汽车状态联合估计算法。基于球面单形径向容积卡尔曼滤波(spherical simplex-radial cubature kalman filter,SSRCKF)和汽车动力学方程估计汽车的纵向速度和横向速度,以该纵向速度为量测输入,用容积卡尔曼滤波(cubature kalman filter,CKF)和运动学方程更精确地估计汽车的横向速度。利用CarSim及MATLAB/Simulink建立估计算法模型,并验证联合估计算法的有效性。该联合估计算法在双移线工况中横向速度的估计精度较SSRCKF提高了4.73%。     

横风下高速列车曲线通过的安全性

为研究高速列车在强横风作用下通过曲线桥梁的安全性问题,基于空气动力学和多体系统动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型.应用所建立的模型计算了不同风速、不同车速、不同线路条件下作用于车体上的气动载荷,并且以脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数、轮轴横向力和轮轨垂向力为运行安全性指标,分析了高速列车通过曲线桥梁的运行安全性.研究表明:横风下高速列车通过曲线桥梁时,列车的安全性受气动力和曲线超高双重影响.在低风速、低车速时,曲线超高对于列车安全性的影响起主要作用;随着风速变大,气动力对于列车安全性的影响远大于曲线过超高对于列车安全性的影响.在各工况中,当风从曲线桥梁的内侧吹向外侧,并且高速列车运行在曲线桥梁的迎风侧时,高速列车的最大安全风速最小,因此,在校核横风下高速列车过曲线桥梁安全性时,可以直接选用该工况来校核列车的安全性.     

高速列车牵引电机自适应故障诊断研究

为保证高速列车的安全高效运行,设计一种基于多模型方法的高速列车故障诊断与调节策略,实现了对未知牵引电机故障的准确诊断和给定速度曲线的渐近跟踪。首先,通过分析常见的牵引电机故障,建立故障模式集,得到每种故障模式下的高速列车参数化模型;再基于每种故障模式下的参数化模型设计自适应估计器,得到估计器集,并基于估计误差设计性能损失函数进行高速列车牵引电机自适应故障诊断;最后根据诊断出的故障模式和大小等信息设计高速列车自适应故障调节控制器,保证系统稳定和对给定速度曲线的渐近跟踪。仿真结果表明,设计的高速列车自适应故障诊断与调节策略能有效地实现对未知牵引故障的诊断和补偿。     

高速列车振动舒适度测试方法研究

随着列车的提速,车体的动力学性能,特别是振动性能发生了很大的变化,低速不能激发的模态在高速情况下几乎全部被激发,并出现了二次振动,此外,高速动车客室装饰和布局也完全改变。原有的车体振动舒适度测试方法是以中低速振动参数为依据的,测试内容和测试方法不能体现或不能全面反映高速动车组的振动情况,论文针对高速列车的振动特性,对振动舒适度的测试方法和分析内容进行了详细的研究,通过实测数据,分析了同车厢中不同位置的车体加速度值的分布特点,分析了不同速度下的高速列车的加速度值的变化趋势,分析了明线和隧道工况下的振动舒适度值的变化,提出了高速列车振动舒适度的改进测试方案。     

高速综合检测列车车体与车下设备耦合振动分析

针对时速400km高速检测列车,建立了刚柔耦合的车辆非线性系统动力学模型,探讨了车下弹性悬挂系统的振动特性．通过仿真和理论分析,研究了检测列车整备状态车体结构模态参数与车下悬挂设备模态参数间的匹配关系,给出整备状态车体与车下有源设备最佳模态参数匹配原则,确定了车体与车下设备悬挂件最佳匹配参数．研究结果表明：该方法可以根据车下悬挂系统的动态响应,有效确定时速400km高速检测列车的最佳车下悬挂方案．     

基于多重分形与SVM的高速列车运行状态识别方法

为了评估高速列车服役性态问题,提出基于多重分形与支持向量机(SVM)的高速列车状态识别新方法.该方法计算了高速列车振动信号的多重分形谱,分析了多重分形谱参数与列车状态之间的关联关系,提取了多重分形谱宽度、分形维数差和谱偏斜度作为高速列车状态的特征,使用支持向量机来对高速列车状态进行识别.获取了某型列车的正常状态、抗蛇行减震器失效、空簧失效3种典型的多重分形特征,训练了不同速度下的SVM和单一速度为160 km/h的SVM,并进行了工况识别实验.所提方法对高速列车的状态识别率大于88.8%,表明了该方法的有效性.      

高速列车滑模自抗扰黏着控制方法

为解决高速列车运行过程中因轨面情况改变，导致列车没有达到最大黏着利用而出现空转或滑行等问题，设计了一种基于最大黏着系数的滑模自抗扰(SM-ADRC)黏着控制器；考虑轮轨间黏着特性的复杂、时变与非线性等特点，基于黏着机理分析，建立了轮轨间牵引系统的力学模型；采用极大似然估计(MLE)方法对不同轨面的相关参数进行辨识，计算了当前轨面的最大黏着系数，保证列车始终能达到最大黏着利用；通过引入滑模算法改进了自抗扰控制(ADRC)中非线性误差反馈控制律部分，设计了一种SM-ADRC黏着控制算法，利用Levant跟踪微分器减小初始跟踪误差，利用扩张状态观测器(ESO)估计和补偿系统总的外部扰动，由滑模控制提高系统的鲁棒性；采用MATLAB软件对CRH380A型高速列车进行仿真，在轨面情况改变时，由SM-ADRC黏着控制器控制列车跟踪设定速度，并将其与比例积分微分(PID)控制器、滑模控制器、ADRC的仿真结果进行对比。仿真结果表明：干燥轨面的最大黏着系数是0.160,16 s时辨识出真值；潮湿轨面的最大黏着系数是0.106,18 s时辨识出真值；ADRC的速度跟踪误差范围为±1 km·h^-...     

基于改进安全域的轴箱轴承状态监测

为了提高高速列车轴箱轴承的运行可靠性，将安全域理论引入到轴承的状态监测，并将传统安全域估计转化为确定安全域的边界值来避免复杂模型参数的影响；利用归一化内禀模态分量的能量距构建轴承运行的状态特征向量，根据关联函数建立轴承安全域边界值估计模型，采用粒子群优化算法进行寻优求解；基于求解结果，结合关联函数定量分析轴承的运行状态，利用轴承全寿命疲劳试验进行验证，并将该方法应用于轴箱轴承的状态监测. 研究结果表明:全寿命试验的轴承运行状态的检出率和分类正确率分别为0.951和0.939；高速列车轴箱轴承运行状态的分类正确率为0.935，轴承运行正常，与其实际状态相一致.      

高速列车抗蛇行减振器参数的多目标优化研究

为了研究抗蛇行减振器参数匹配规律以兼顾不同轮轨接触状态下高速列车横向稳定性,针对国内运行典型结构参数的高速列车,建立车辆横向动力学简化模型,分别考虑到高、低锥度两种轮轨接触状态下车辆的横向稳定性,采用多目标优化方法对抗蛇行减振器刚度和阻尼值进行多参数优化,并分析最优抗蛇行减振器参数的影响因素. 结果表明:优化的抗蛇行减振器阻尼值主要取决于车辆二系横向阻尼,得出了两类阻尼值的抗蛇行减振器选配类型,即当二系横向阻尼较小时,转向架单侧需匹配较小阻尼值600～1000 kN?s?m?1,或当二系横向阻尼较大时,匹配大于4 000 kN?s?m?1的抗蛇行减振器;抗蛇行减振器刚度显著影响不同轮轨接触状态下的车辆稳定性,减小抗蛇行减振器刚度有利于低锥度状态车辆稳定性,反之亦然.      

基于ANSYS的高速列车塞拉门可靠性研究

以高速列车塞拉门为研究对象,研究塞拉门的结构特点和力学特性并对塞拉门进行静态分析。基于空气动力学理论,对列车塞拉门进行在不同工况下的对比分析,验证了所建立模型的合理性,并着重研究了列车在隧道中高速行驶的情况下空气对列车塞拉门可靠性的影响。可以为高速列车塞拉门的设计提供理论依据。     

基于随机微分方程的高速列车轮对预防性维护模型分析

预防性维护策略近年来在工业企业中得到了广泛应用,它对于提高高速列车的可靠性和安全性起着至关重要的作用.针对高速列车轮对磨耗的现象,以及由此引起轮对故障的问题,建立一种基于随机微分方程的状态预防性维修模型.该模型由车轮内部退化模型和外界干扰引起的波动模型两部分组成.首先,利用威布尔模型和多项式逼近函数构造综合故障率函数,从而建立基于状态和时间的车轮内部退化模型;其次,采用布朗运动来模拟外界随机干扰对状态转化过程中的影响,进而建立波动率模型,同时,利用牛顿-拉佛森迭代法求解模型中的参数;最后,对高速列车轮对磨耗检测数据进行了算例分析,验证了该模型的有效性.     

基于频域平稳性的高速机车悬挂参数优化匹配

为合理优化匹配悬挂参数以提升高速机车动力学性能，针对某高速机车，采用虚拟激励法计算频域横向平稳性指标，提出了考虑频域横向平稳性和稳定性多目标性能的关键悬挂参数多参数协同优化方法；分别以2种抗蛇行减振器布置方式和3种轮轨接触状态运行工况为例，验证了该方法对机车横向动力学性能的提升效果. 结果表明:低轮轨接触锥度工况机车一次蛇行稳定性较差，尤其采用抗蛇行减振器斜对称布置方式，机车后司机室横向平稳性显著变差；对于低锥度工况，需以提高机车稳定性为优化目标，而高锥度工况则更需关注其横向平稳性；为兼顾不同轮轨接触条件下机车动力学性能，以提高线路适应性，机车一系纵向刚度、抗蛇行减振器阻尼和二系横向减振器阻尼值在文中给定的优化范围内应尽量选取较小值，建议分别选取12 kN/mm、600 kN·s/m和25 kN·s/m.      

基于半模型的高速列车远场气动噪声计算方法

随着高速列车运行速度的提高，其气动噪声问题逐渐凸显，如何准确快速预测高速列车的远场气动噪声成为关键.利用半自由空间的Green函数求解FW-H方程，推导了考虑半模型时的远场声学积分公式，提出通过半模型的数值计算结果预测全模型高速列车远场气动噪声的方法；建立了全模型和半模型高速列车的气动噪声数值计算模型，应用改进延迟的分离涡模拟方法对不同模型高速列车表面的气动噪声源进行求解；通过风洞试验进行了全模型高速列车的数值仿真计算方法验证；对比分析了全模型和半模型高速列车周围的流场结构、气动噪声源和远场气动噪声特性.结果表明：半模型高速列车数值计算得到的列车周围流场结构、气动噪声源以及远场气动噪声特性与全模型的一致；采用半模型计算会过高估计列车尾车流线型区域表面压力的波动程度和噪声源的辐射强度，但通过半模型预测整车模型的远场噪声平均声压级误差小于1 dBA；相比于全模型高速列车，半模型计算时的网格总量减少一半.