考虑轮轨黏着的高速列车多目标速度曲线优化

高速列车运行环境复杂多变,现有的给定运行速度目标曲线主要考虑列车运行的安全性和正点性,难以改善列车的其他运行性能。为了满足高速列车日益增加的行车需求,并改善列车的运行性能,针对安全、节能、正点及舒适多个目标,考虑轮轨间最优黏着,提出一种改进的多目标运行速度优化方法。首先,在满足区间限速以及列车动力学模型约束的前提下,建立安全、节能、正点、舒适4个评价指标,构成高速列车运行过程多目标优化模型;其次,在节能模型中考虑轮轨间黏着的影响,优化牵引/制动力使得其保持在最优黏着范围内,节约运行能耗;最后,采用基于参考点的非支配排序的优化算法（NSGA-Ⅲ）对多目标运行速度曲线进行优化。对真实线路的仿真验证表明,本文提出的考虑轮轨黏着的优化效果显著提高,尤其在节能方面;优化算法相较于GA和NSGA-Ⅱ,NSGA-Ⅲ算法在收敛效果和收敛速度上均为更优。     

基于自抗扰技术的机械-电磁悬浮复合隔振控制

为了研究宽频带的隔振问题,以使系统具有较好的隔振效果,提出将电磁悬浮隔振与机械隔振相结合的复合隔振系统. 首先,对所设计的隔振系统进行动力学建模,分析线性化后的模型控制特性;其次,针对系统振动控制问题,提出基于自抗扰技术的控制器设计方案,并通过仿真实现了复合隔振系统的自抗扰控制;最后,在复合隔振平台上验证了该控制方案的可行性. 研究结果表明:在0~10 Hz频段控制系统能实现较好的低频跟随效果,在10~100 Hz频段幅值衰减逐渐增大,在100~300 Hz频段的隔振效果超过?14.9 dB. 本文所提出的控制方案为复合隔振系统控制提供了一种新思路.      

一种改进型自抗扰控制器在船舶电力推进中的应用

为了解决船舶电力推进中转子磁场定向矢量控制定子电压方程中耦合项的影响,获得更好的动态性能和鲁棒性,本文提出了一种改进型自抗扰控制器,对自抗控制器典型结构做了一定的简化,并将其应用于船舶电力推进中的异步电机转子磁场定向矢量控制,实现了船舶电力推进中的异步电机磁链和转矩的快速调节。仿真结果表明,该控制系统具有优异的动态控制性能,而且参数鲁棒性较强。     

高速列车的自适应容错跟踪控制

针对执行器故障下高速列车的速度和位移跟踪控制问题,考虑模型参数的不确定性,引入自适应控制技术,设计了列车的自适应容错跟踪控制器.该控制器不依赖于列车模型参数的先验知识,不需要故障检测与诊断设备,可以有效克服列车模型参数未知以及执行器故障的影响,实现执行器故障下高速列车对目标速度和位移曲线的精确跟踪.基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性.仿真结果说明该控制器具有良好的容错跟踪控制能力.     

高速列车纵向动力学模型时变参数在线辨识方法

针对高速列车纵向动力学特性, 分析了牵引力、制动力、阻力与速度和加速度的关系; 考虑了天气和线路对高速列车运行状态造成的随机干扰, 以及机械磨损和运行环境对列车模型结构参数造成的随机影响, 建立了噪声干扰下的高速列车纵向动力学参数化状态空间模型, 利用期望极大化准则, 计算了列车模型参数的条件数学期望, 并结合粒子滤波理论估计了参数粒子下的列车状态; 基于贝叶斯后验概率理论, 建立了高速列车非线性动力学模型的时变参数辨识方法, 估计了列车的实时状态, 并在噪声与参数分布均属于高斯分布、噪声属于高斯分布与参数属于指数分布、噪声属于伽玛分布与参数属于高斯分布的3种工况下, 进行了蒙特卡洛仿真试验。仿真结果表明: 在3种工况下, 高速列车位移和速度的估计值与真实值的相对误差小于5%, 列车模型参数估计值与真实值的相对误差小于10%, 满足实际系统需求, 因此, 在高斯或伽玛噪声的干扰下, 针对给定概率分布的时变参数, 本方法均能实现系统状态的估计和模型参数的辨识。     

高速列车动模型试验装置的新型加速方法研究

提出了一种高速列车动模型试验装置的新型加速方法,以期获得均匀的动模型车加速度,避免其他加速方法存在的问题;介绍了该加速方法独特的组成结构和试验原理,并进行了相应的动力学分析、数值模拟和试验验证．分析表明：该新型加速方法结构简单、可控性强、动模型车试验段出口速度高、能有效保护车载测试设备,获得了预期的加速效果,可适用于高速列车动模型试验装置模拟列车进出隧道、列车交会、列车与周围环境之间相对运动等一系列的空气动力学试验．     

高速列车动模型试验装置的新型加速方法研究

提出了一种高速列车动模型试验装置的新型加速方法,以期获得均匀的动模型车加速度,避免其他加速方法存在的问题;介绍了该加速方法独特的组成结构和试验原理,并进行了相应的动力学分析、数值模拟和试验验证.分析表明:该新型加速方法结构简单、可控性强、动模型车试验段出口速度高、能有效保护车载测试设备,获得了预期的加速效果,可适用于高速列车动模型试验装置模拟列车进出隧道、列车交会、列车与周围环境之间相对运动等一系列的空气动力学试验.     

基于自回归条件异方差转换指标的非线性损伤识别

为了解决时域非线性损伤的识别问题,基于自回归条件异方差（ARCH）模型的基本理论给出了ARCH模型建模的定阶方法及模型参数估计的极大似然估计法;分析了结构非线性损伤的特性,提出了基于ARCH模型的非线性损伤识别原理;考虑到基于自由度的损伤指标难于判断损伤位置,故提出了一种自回归条件异方差转换指标;在测量误差和模型误差的影响下,使用3层框架结构的非线性损伤试验来验证该损伤指标的有效性. 试验结果表明:非线性间隙距离为0.05 mm和0.10 mm时,损伤位置第3层的自回归条件异方差转换指标值比传统的倒谱测距转化指标值高21.7%以上;当非线性间隙距离为0.20 mm时,第3层的自回归条件异方差转换指标值比倒谱测距转化指标值高3.7%.      

虚拟轨道列车超螺旋滑模自适应导向控制

为提高虚拟轨道列车在参数不确定和未知外部扰动环境中自导向控制的鲁棒性能,针对列车运行中多输入多输出的过驱动控制问题,基于拉格朗日方程建立了多铰接列车的非线性导向控制模型,将等效轮胎侧偏力作为控制输入量;利用虚拟轨道离散点坐标与列车运行速度,建立了计算列车位置、速度与加速度的参考模型,设计了独立的列车导向控制器与纵向速度控制器;利用李雅普诺夫方法,基于传统滑模控制(SMC)和自适应超螺旋滑模(ASTSM)分别设计了2种列车导向控制器,利用轮胎逆模型计算了线控转向系统的转角控制量;建立了轮速分配模型,基于参考速度矢量,将列车纵向速度控制转换为每个轮毂电机的转速与电磁转矩控制;建立了7节编组列车的动力学仿真模型,通过变速和综合线路测试分析了轮毂电机转速和电磁转矩的响应过程,研究了车辆模块之间铰接作用力的分布规律,比较了SMC和ASTSM在参数不确定和未知外部扰动工况下的鲁棒性能。研究结果表明：建立的列车导向控制模型、运动参考模型与轮速分配模型是有效的;车辆模块的纵向速度跟踪误差小于1.5 km·h^-1,车轮转速跟踪误差率小于1%;与SMC相比,当存在未建模动态、50%负载变化与未知扰动时,提出的ASTSM具有更好的自适应鲁棒性能,使车轴中心位置偏差能在有限时间内收敛至0附近;在侧向力干扰下,ASTSM的车轴中心偏差均方根与最大值分别为10和42 mm,分别降低了82%和61%;ASTSM在曲线路段中无明显的稳态偏差,且车间铰接角能一致地收敛至稳态值,保证了虚拟轨道列车的运行稳定性。     

基于自抗扰解耦的电力电子牵引变压器整流级直接功率控制

【目的】为改善电力电子牵引变压器（PETT）整流级在传统dq电流解耦双闭环控制下抗干扰能力差、对参数变化敏感、谐波含量高等问题。【方法】通过对直接功率控制（DPC）的解耦方式进行改进,提出了一种无需系统角频率和电感参数基于自抗扰控制（ADRC）的功率解耦控制器。最后,在Matlab/Simulink中搭建模型进行不同工况的仿真分析。【结果】仿真结果表明新型控制策略较传统控制策略网侧电流THD值减少5.38%,等效电感突变时电压跌落值减少48 V,电压频率偏移时电压跌落值减少14 V,新型控制策略在负载突变和负载不平衡工况下具有较好的平衡控制效果。【结论】该控制器通过解耦实现了有功功率和无功功率精确且独立的控制。仿真结果验证了所提控制策略的合理性与有效性。     

存在扰动和时滞的高速列车自适应制动控制

为了保障高速列车的安全可靠运行,文章以存在未知扰动和输入时滞的高速列车制动系统为被控对象,设计了新的高速列车制动系统模型参考自适应控制策略,实现了对给定速度曲线的渐近跟踪.首先,通过分析高速列车制动系统的原理和动态特性,建立了存在扰动和时滞的高速列车制动系统状态空间模型;其次,充分利用模型参考自适应控制善于处理系统不确...     

高速列车过隧道耳感不适性的连续性评估方法

基于Sandra Schwanitz等人采用连续性评估方法所做的实车试验和压力舱试验,介绍了试验方法、试验结果、两种试验条件下结果的差异以及采用广义估计方程模型分析压力变化特性对不舒适性的影响,总结了连续性评估方法的特点及适用性.期望为相关研究人员的研究工作以及工程设计师在高速列车及隧道设计方面提供参考.     

系统参数对高速列车车轮踏面凹陷磨耗的影响

为了探明高速列车车轮踏面凹陷的原因, 建立了以车辆-轨道系统动力学模型与磨耗模型为一体的磨耗预测模型, 在轮轨法向接触中采用Herz接触理论进行接触斑形状和法向力分布的计算, 在轮轨切向接触中采用Kalker简化理论计算切向力, 采用Achard磨耗模型计算磨耗量。为了修正磨耗预测模型, 仿真分析了CRH₃型高速列车在武广线上运行时的车轮踏面磨耗形状, 并与实测车轮踏面磨耗形状进行了对比。为了得到与实测结果比较接近的磨耗规律, 考虑磨耗系数的不确定性, 在磨耗预测时初始的磨耗系数应除以10。利用修正的理论模型, 研究了钢轨型面、车轮型面、运行速度、轨道不平顺、线路条件、转向架结构和悬挂参数对高速列车车轮踏面磨耗规律的影响。研究结果表明: 车轮型面和钢轨型面影响车轮踏面磨耗位置、磨耗深度与磨耗宽度, 运行速度影响车轮踏面磨耗深度, 轨道不平顺影响车轮踏面磨耗深度和宽度, 线路曲线半径影响车轮踏面磨耗深度和宽度, 过高的运行速度、不合理的轮轨匹配关系和过高的轨道平直度容易引起车轮集中磨耗, 导致车轮踏面出现凹陷, 转向架悬挂和结构参数对踏面凹磨产生的影响较小。     

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。     

干摩擦自激振动系统的滑模变结构控制

研究两自由度于摩擦自激振动系统的解耦和主动控制.首先利用平均法计算系统的定常解,分析纯滑动形式的干摩擦自激振动特性,然后采用非线性控制的微分几何方法设计解耦规律,对解耦得到的线性子系统,应用滑模变结构控制理论设计控制器,分析控制器参数和系统参数对控制效果的影响.仿真结果表明该控制器可以有效地抑制系统的摩擦颤振.     

具有输入时滞的二轮自平衡车自适应滑模控制

对具有输入时滞的二轮自平衡车系统, 设计了一种自适应滑模控制算法; 采用拉格朗日函数建立二轮自平衡车系统的动力学数学模型, 并在系统模型中考虑实际中存在输入时滞, 以及在处理输入时滞时所引入的未知扰动; 对变换后的输入矩阵做奇异值分解, 进一步设计了对扰动参数具有自适应估计能力的自适应滑模控制器; 基于Lyapunov稳定性理论, 保证了闭环系统鲁棒渐近稳定; 试验采用陀螺仪MPU-6050以及加速度传感器构成小车姿态检测装置。分析结果表明: 当控制参数较小时, 系统的超调量较小, 然而系统的调节时间较长; 当控制参数较大时, 系统产生了较明显的超调量, 然而系统的调节时间缩短了; 当外加扰动较小时, 车体速度变化小于0.08 m·s^-1, 倾角角速度变化小于0.6°·s^-1; 当外加扰动较大时, 车体速度变化小于0.10 m·s^-1, 倾角角速度变化小于0.8°·s^-1; 初始倾角为5°时, 车体速度保持在0.005 m·s^-1范围内, 倾角角速度保持在0.022°·s^-1范围内; 初始倾角为10°时, 车体速度保持在0.007 m·s^-1范围内, 倾角角速度保持在0.031°·s^-1范围内。可见, 自适应滑模控制算法能在引入适量干扰和不同初始车体倾角的情况下, 使小车自主调整并迅速恢复稳定状态。     

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。     

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.