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第8讲 车辆主动控制技术 本章内容 悬挂控制系统 振动评价指标 控制理论 悬挂控制系统基本原理 传统铁道车辆的振动控制可分为被动控制、半主动控制后和主动控制三种基本的类型。 通常认为没有外部能量输入的振动控制称为被动控制； 短暂输入能量调节系统刚度阻尼的振动控制称为半主动控制； 需要持续输入外部能量并采用一定控制策略给悬挂系统施加控制的振动控制称为主动控制。 传统轮轨车辆的一系悬挂由轮对和转向架之间的弹簧阻尼系统构成，二系悬挂由转向架和车体之间的弹簧阻尼系统构成。 S表示传感器，C表示控制器，E表示执行装置 当在一个较小范围内振动时，控制力的等效阻尼为c3，等效刚度为k3，则执行装置产生的控制力可表示为： 整个系统的运动方程： 位移对u的传递函数为： 对于该两级振动控制系统： 1）两级振动控制系统会有两个共振区间，分别对应上下两层系统的固有频率。 2）如果参数合适，低频段与高频段的振动抑制效果都会优于单级系统。 3）两级系统的设计较为复杂，系统传递函数与上下两层系统的质量、阻尼、刚度、控制算法等因素都有关系。 4）按照反馈控制方式的不同，振动效果会有较大不同。显然，如果两级振动控制系统设计合理，必然能使效果远好于单级被动控制系统。 5）该振动控制为多目标控制，对于车体而言，希望乘坐的舒适性得到改善；对于转向架架而言，希望车辆的安全性得到保证。 振动评价指标 铁道车辆振动特性关系到车辆行走的品质及其乘坐的舒适性，前者的对象是车辆本身，后者的对象是人。 经过多年的研究发现，车辆行走的品质不仅与其振动加速度大小有关，还与振动的频率密切相关；而乘坐的舒适性与人体曾受全身振动的能力有关，是人的主观感受，与人体对于不同频率振动的感知相关。 欧洲铁路联盟（UIC）及前社会主义国家铁路合作组织（OCKⅡ）采用了Sperling平稳性指数来评定车辆。把车辆振动中的最大加速度及振动动能结合起来作为衡量标准，通过单一的判据评估铁路车辆的“行走品质”和“舒适度”。Sperling平稳性指标Wz的基本公式如下。 用于车辆行走品质的评价： 用于舒适度的评价： a表示加速度（cm/s2） f表示振动频率（Hz） F(f)表示与振动频率相关的加权函数 以上公式只适用于单一振动频率的评价，而事实上铁路车辆振动是随机的，包含有多重频率成分，并且人体对于横向和垂向振动的敏感频率也各不相同，由此我国铁路推荐的加权函数如下： 垂向振动 横向振动 f=0.5～5.9 Hz，F(f)=0.325f2 f=0.5～5.4 Hz，F(f)=0.8f2 f=5.9～20 Hz，F(f)=400/f2 f=5.4～26 Hz，F(f)=650/f2 f20 Hz，F(f)=1 f20 Hz，F(f)=1 可以把测量到的车辆振动加速度记录下来，按照频率进行分解，求出每段频率范围内的加速度，然后求出每一段各自的平稳性指数Wzi 平稳性等级 评定 客车平稳性指标 货车平稳性指标 1级 优 W2.5 W3.5 2级 良好 2.5W2.75 3.5W4 3级 合格 2.75W3 4W4.25 我国铁路平稳性的评定等级分为3级： 控制理论 PID 最优控制 天钩控制 假设沿着列车运行线路的上方有一个虚拟的固定天棚，在虚拟天棚与车体之间有一个虚拟的减震器来减少车体的垂向振动。在车辆运行过程中，当收到地面不平顺的激扰，通过悬挂系统，车体会产生上下的振动。此时，如果存在一个虚拟减震器，他始终处于工作状态：当车体有上升趋势时他将提供一个向下的力来抵御车体的向上运动；当车体有下降趋势时，他将提供一个向下的力使得车体不会向下运动。 从理论上讲，只要这个虚拟的减振器有足够快的动态响应，无论地面的激扰有多大，他总是可以保持车体处于平衡位置不动。他好像从天而降的一个巨大钩子将车体悬挂起来，因此称为天钩控制。虚拟的减震器称为天钩减震器。并且由于这个虚拟的减震器是安装在虚拟的天棚上，所以天钩控制也称为天棚控制。 由于天棚本身是虚拟的，对于垂向天钩减震器，其实际上只能由安装在车体与悬浮架之间的实际垂向减震器来模拟实现，其模型如图：图中Csky表示虚拟的天钩阻尼，Cretain表示保留的常规阻尼。