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原文传递一种基于LQG控制的高速列车半主动悬挂控制系统及方法

专利名称：	一种基于LQG控制的高速列车半主动悬挂控制系统及方法
摘要：	本发明公开了一种基于LQG控制的高速列车半主动悬挂控制系统及方法，包括车身横向振动加速度传感器、控制器、电流控制器、磁流变阻尼器；列车车身横向振动加速度传感器实时采集车身的横向振动信号，LQG控制器根据传感器采集到的横向振动信号和高速列车模型计算出所需要的主动力，并发出控制指令；电流控制器根据控制器的控制指令实时控制执行器所需要的电流，磁流变阻尼器在电流控制的作用下输出相应的阻尼，使半主动悬挂始终工作在最佳状态。本发明首次研究该控制器在17自由度全尺寸车辆模型上的应用，不仅能够提高车辆的操纵性，还能保证其稳定性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	四川;51
申请人：	西南交通大学
发明人：	祝乔;倪俊;杨璐萍
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-27T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-23T00:00:00+0800
申请号：	CN201910445536.7
公开号：	CN110155103A
代理机构：	成都信博专利代理有限责任公司
代理人：	刘凯
分类号：	B61F5/24(2006.01);B;B61;B61F;B61F5
申请人地址：	610031 四川省成都市二环路北一段111号西南交通大学科技处
主权项：	1.一种基于LQG控制的高速列车半主动悬挂控制系统，其特征在于，包括车身垂向振动加速度传感器、悬挂控制器、电流控制器、磁流变阻尼器；所述车身垂向振动加速度传感器固定于车身上，实时采集车身的垂向振动加速度信号；悬挂控制器根据列车全尺寸模型和LQG控制理论计算出所需要的增益，并根据车身垂向振动加速度传感器采集到的车身垂向振动加速度信号，计算出悬挂半主动控制所需主动力，并向电流控制器发出控制指令；电流控制器根据悬挂控制器的控制指令实时控制执行器所需电流；磁流变阻尼器固定于前后转向架上，在电流控制的作用下向转向架输出所需的阻尼。 2.一种如权利要求1所述的基于LQG控制的高速列车半主动悬挂控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取系统计算参数；步骤2：获得列车全尺寸模型：利用牛顿定律，建立关于车身、转向架和轮对的动力学方程；根据所述动力学方程，设置系统的测量输出，计算平顺性指标的控制输出，通过定义状态分量和控制输出，构建系统动力学方程的状态空间模型；用功率谱密度表示随机横向对准和轨道不平顺，引进周期不平度；步骤3：列出基于LQG反馈输出控制器方程，计算控制器增益，考虑干扰和测量噪声，计算其观测器增益；步骤4：通过电流控制器控制磁流变阻尼器：电流控制器根据悬挂控制器的控制指令实时控制执行器所需要的电流，使磁流变阻尼器在电流控制的作用下输出所需的阻尼到转向架上；步骤5：半主动悬挂输出所需阻尼。 3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体为： 1)建立关于车身、转向架和轮对的动力学方程：车身动力学方程为：式中，mc为车身质量，yc为车身横向位移，yti为转向架横向位移，i＝1,2；ksx、ksy和ksz分别为二级悬挂双倍主纵向刚度、双倍侧向刚度和双倍垂向刚度；hcs为车身重心到二级悬挂的垂直距离，hts为车架重心到二级悬挂的垂直距离；θc和θti分别为车身和转向架的侧倾角；csx、csy和csz分别为二级悬挂双倍主纵向阻尼、双倍侧向阻尼和双倍垂向阻尼；fi为安装在前后转向架上的致动器产生的前后作用力，i＝1,2；Icz为转向架侧滚转动惯性量，Icx为车体侧滚转动惯性量；ψc和ψti分别为车身和转向架横摆角；ds为二级悬挂半间距；l为车身半间距；转向架动力学方程为：式中，mt为转向架质量，kpx、kpy和kpz分别为主悬挂双倍主纵向刚度、双倍侧向刚度和双倍垂向刚度；htp为车架重心到主悬挂的垂直距离；ywj为轮对横向位移，j＝2i,2i-1；i＝1,2；cpy和cpz分别为主悬挂双倍侧向阻尼和双倍垂向阻尼；Itz为转向架摇头转动惯性量，Itx为车体摇头转动惯性量；ψwj为轮对横摆角，j＝2i,2i-1；i＝1,2；b为半轴距；dp为主悬挂半间距；轮对动力学方程为：式中，mw轮对质量；ywi为轮对横向位移，ytj为转向架横向位移，yai为转向架横向定位，yaj为轮对横向定位；ψtj为转向架偏转角，ψwi为轮对偏转角；θtj为转向架侧滚角；f11和f22分别为纵向蠕变系数和侧向蠕变系数；V为车速，Va为其理想车速；σ为车轮卷轴；r0为车轮滚动半径；θcli四轮的轨道不平顺横向校正；Kgy和Kgψ分别为一个轮对的重力刚度和重力角刚度，Iwz为轮对惯性偏转力矩；cpx为主悬挂双倍主纵向阻尼；λc为有效轮锥度；a为半轮对接触距离；j＝1,2当i＝1；j＝3,4当i＝2； 2)建立状态空间模型令q＝[yc,ψc,θc,yt1,ψt1,θt1,yt2,ψt2,θt2,yw1,ψw1,yw2,ψw2,yw3,ψw3,yw4,ψw4]， d1＝[ya1,ya2,ya3,ya4,θcl1,θcl2,θcl3,θcl4]T，d＝[d1,d1]T，以及f＝[f1,f2]T；则将方程(1)-(8)写成其中，M,C,K分别是17×17的列车系统质量、阻尼和刚度矩阵；f是由执行器产生的控制力矩阵；d是代表路面不平的干扰矩阵；Ff是17×2的控制系数矩阵，Fd是17×16的干扰系数矩阵；为实现该半悬挂控制系统，系统的测量输出矩阵设置为其中，yc1,yc2是前后转向架上方的车身横向位移，并且满足以下关系：根据铁路车辆标准，用来估计平顺性；那么平顺性指标的控制输出矩阵为定义其中，u,w分别表示归一化控制输入矩阵和干扰矩阵，zv2是相对于约束的控制输出矩阵；fmax为最大输出作用力；dmax为最大不平顺距离；smax为最大振动偏转；通过定义状态分量和控制输出铁路车辆系统动力学方程在状态空间中表示为：其中A,B1,B2,C1,D11,D12,C2,D12,D22是由方程(9)-(13)导出的动力学矩阵。 3)计算周期不平度根据美国五级谱轨道不平顺功率谱密度函数，得到如下方程其中V是速度；令其中，和分别为τ1τ2τ3的e指数函数；则 N(s)＝Gwn(s)W(s) (16) 其中，N(s)和W(s)分别为传递函数方程；随机横向对准和轨道不平顺用其功率谱密度表示为：其中，此外，ω和Ω分别是角频率和空间频率；Ωc,Ωr,Ωs是截断波数；V是速度；L∈[Lmin,Lmax]是路径的空间波长范围；b是半轴距；Λa,Λv是侧向对齐的标量因子；最后，引进周期不平度其中，ya为轮对轨道不平顺横向定位；θcl为轮对轨道不平顺横向校正；Λvp是修正余弦波的幅值，Λap是周期不平度的幅值。 4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体为：列出基于LQG反馈输出控制器方程：其中，是xv估计值，Lg是观测器增益，Kg为控制器增益；系统模型在没有干扰w情况下，表示为：假定该状态可使用，则LQG控制器表示为： u＝-Kgxv (23) 其中，Kg是最小化二次成本函数的增益矩阵；其中，J(u)为控制器权函数积分方程；Q,R为加权矩阵，令：其中，Qg、Sg和Rg分别为理想加权矩阵；基于LQG理论，控制器增益Kg得出：其中，P为代数黎卡堤方程式(26)的解；设计观测器估计不可测的状态xv，考虑测量噪声v，将式(13)写为：干扰w和测量噪声v被假设为白噪声，也即观测器增益为：
所属类别：	发明专利