一种基于磁流变阻尼模型的高速列车横向振动控制方法

摘要

本发明公开了一种基于磁流变阻尼模型的高速列车横向振动控制方法，在高速列车地车身和转向架之间以差动结构地形式设置磁流变阻尼器，有效地克服了磁流变阻尼器地初始压缩或膨胀状态对列车产生的偏移量影响；在Bouc‑Wen磁流变阻尼动力模型和高速列车的动力学模型理论的基础上，加以双曲正切函数拟合的磁流变阻尼器速度与位移之间的时滞变量，提出了完整且精准的高速列车非线性电流控制变阻尼模型，并用于指导磁流变阻尼器的电流控制，与真实环境的磁流变阻尼器电控特性高度契合，最终通过具有控制精度高的二阶滑膜的控制方法对磁流变阻尼器进行电控，实现了高速列车横向振动的抑制。

说明书

技术领域

本发明涉及高速列车横向振动控制领域，具体涉及一种基于磁流变阻尼模 型的高速列车横向振动控制方法。

背景技术

高速列车以快捷性、舒适性等优点而受到人们的青睐，因此日趋渐占据运 输行业的核心地位。然而，随着高速列车速度的提升，其横向振动导致的稳定 性问题日趋严重。

列车的横向振动主要依赖于列车悬挂系统进行削弱。悬挂系统主要有被动， 半主动和主动三种悬挂形式。传统的被动悬挂系统具有结构简单，成本低廉的 优点，然而性能不足，难以满足机车车辆运行平稳性的要求；主动悬挂系统的 控制性能较好，但会耗费大量的能量；而半主动悬系统既有被动悬挂系统的结 构简单、成本低廉的优点，又具备与全主动悬挂系统接近的控制性能。因此， 半主动悬挂控制系统目前广泛运用于我国高速列车横向振动控制领域。

半主动悬挂系统主要采用可调的阻尼器作为列车的实际作动器，目前常采 用具有控制阻尼力范围大，无极可调，响应速度快，温度稳定性好等优势的磁 流变阻尼器。然而磁流变阻尼器存在速度与位移之间的时滞，由于现有技术未 能针对该特点设计有效的解决方案，因此目前基于磁流变阻尼器的半主动悬挂 系统仍具有不可忽视的缺陷。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于磁流变阻尼模型的高 速列车横向振动控制方法解决了由于现有技术未能有效克服针对磁流变阻尼器 存在速度与位移之间的时滞的特点，而存在的半主动悬挂系统方案下，列车横 向振动控制能力不足的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于磁流变阻尼 模型的高速列车横向振动控制方法，包括以下步骤：

S1、在高速列车的转向架与轮对之间以差动结构的形式连接第一一系磁流 变阻尼器和第二一系磁流变阻尼器；并在转向架与车身之间以差动结构的形式 连接第一二系磁流变阻尼器和第二二系磁流变阻尼器；

S2、根据高速列车的动力学模型理论和Bouc-Wen磁流变阻尼动力模型，并 采用双曲正切函数拟合磁流变阻尼器速度与位移之间的时滞现象，对加装了磁 流变阻尼器的高速列车进行动力学建模，得到高速列车非线性电流控制变阻尼 模型；

S3、根据高速列车非线性电流控制变阻尼模型，采用二阶滑膜控制方法构 建控制器模型，得到一系磁流变阻尼器和二系磁流变阻尼器的控制电流的最佳 调控表达式；并遵循该表达式，通过电流驱动两个一系磁流变阻尼器和两个二 磁流变阻尼器，对高速列车的横向振动进行抑制。

进一步地，步骤S1中的第一一系磁流变阻尼器的一端和第二一系磁流变阻 尼器的一端分别与高速列车的转向架固定连接；所述第一一系磁流变阻尼器的 另一端和第二一系磁流变阻尼器的另一端分别与轮对固定连接；

所述第一二系磁流变阻尼器的一端和第二二系磁流变阻尼器的一端分别与 高速列车的转向架固定连接；所述第一二系磁流变阻尼器的另一端和第二二系 磁流变阻尼器的另一端分别与车身固定连接。

进一步地，所述步骤S2得到的高速列车非线性电流控制变阻尼模型包括以 下方程：

z＝tanh(β+(δ₁i+δ₀)sign(x))(8)

α＝α₂i²+α₁i+α₀(9)

其中，x为位移状态向量，由车体位移y_c和转向架位移y_t组成；M为总质量>c为车体质量；M_t为转向架质量；C(i)为与电流i相关的阻尼矩阵；K(i)为>sy为二系横向阻尼参数；C_py为一系横向阻尼参数；c₀为阻尼粘滞偏置系数；c₁为阻尼粘滞比例系数；K_sy为二系横向刚度参数；K_py为>0为刚度偏置系数；k₁为刚度比例系数；h(x，i)为阻尼器速>w1为轮对第一位>w2为轮对第二位移；α为滞后变量；z为磁滞回线进化变量；β为第一磁滞>1为第二磁滞回线形状参数；δ₀为第三磁滞回线形状参数；α₀为第一滞后系数；α₁为第二滞后系数；α₂为第三滞后系数；tanh()为双曲正切函>

进一步地，所述步骤S3中的控制器模型包括以下方程：

其中τ为时间变量；sech()为双曲正割函数；式(10)、式(11)、式(12)、 式(13)构成一系磁流变阻尼器的控制电流最佳调控表达式，i_t为一系磁流变阻>t、H_t和G_t为一系磁流变阻尼方程组的三个中间变量，μ_t为一>t为一系形状因子；λ_t为一系比例因子；式(14)、式(15)、式(16)、>c为二系磁流变阻>c、H_c和G_c为二系磁流变阻尼方程组的三个中间变量，μ_c为>c为二系形状因子；λ_c为二系比例因子。

本发明的有益效果为：在高速列车地车身和转向架之间以差动结构地形式 设置磁流变阻尼器，有效地克服了磁流变阻尼器地初始压缩或膨胀状态对列车 产生的偏移量影响；在Bouc-Wen磁流变阻尼动力模型和高速列车的动力学模型 理论的基础上，加以双曲正切函数拟合的磁流变阻尼器速度与位移之间的时滞 变量，提出了完整且精准的高速列车非线性电流控制变阻尼模型，并用于指导 磁流变阻尼器的电流控制，与真实环境的磁流变阻尼器电控特性高度契合，最 终通过具有控制精度高的二阶滑膜的控制方法对磁流变阻尼器进行电控，实现 了高速列车横向振动的抑制。

附图说明

图1为一种基于磁流变阻尼模型的高速列车横向振动控制方法流程示意图；

图2为磁流变阻尼器安装示意图；

其中，1、车身；2、转向架；3、轮对；4、第一二系磁流变阻尼器；5、第 二二系磁流变阻尼器；6、第一一系磁流变阻尼器；7、第二一系磁流变阻尼器。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的 普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精 神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保 护之列。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种基于磁流变阻尼模型的高速 列车横向振动控制方法，包括以下步骤：

S1、在高速列车的转向架2与轮对3之间以差动结构的形式连接第一一系 磁流变阻尼器6和第二一系磁流变阻尼器7；并在转向架2与车身1之间以差动 结构的形式连接第一二系磁流变阻尼器4和第二二系磁流变阻尼器5；

如图2所示，步骤S1中的第一一系磁流变阻尼器6和第二一磁流变阻尼器 的一端均与高速列车的转向架2固定连接，其另一端均与高速列车的轮对3固 定连接；所述第一二系磁流变阻尼器4和第二二磁流变阻尼器的一端均与高速 列车的转向架2固定连接，其另一端均与高速列车的轮对3固定连接。

S2、根据高速列车的动力学模型理论和Bouc-Wen磁流变阻尼动力模型，并 采用双曲正切函数拟合磁流变阻尼器速度与位移之间的时滞现象，对加装了磁 流变阻尼器的高速列车进行动力学建模，得到高速列车非线性电流控制变阻尼 模型；

S3、根据高速列车非线性电流控制变阻尼模型，采用二阶滑膜控制方法构 建控制器模型，得到一系磁流变阻尼器和二系磁流变阻尼器的控制电流的最佳 调控表达式；并遵循该表达式，通过电流驱动两个一系磁流变阻尼器和两个二 磁流变阻尼器，对高速列车的横向振动进行抑制。

步骤S2得到的高速列车非线性电流控制变阻尼模型包括以下方程：

z＝tanh(β+(δ₁i+δ₀)sign(x))(8)

α＝α₂i²+α₁i+α₀(9)

其中，x为位移状态向量，由车体位移y_c和转向架2位移y_t组成；M为总质>c为车体质量；M_t为转向架2质量；C(i)为与电流i相关的阻尼矩阵；>sy为二系横向阻尼参数；C_py为一系横向阻尼>0为阻尼粘滞偏置系数；c₁为阻尼粘滞比例系数；K_sy为二系横向刚度参>py为一系横向刚度参数；k₀为刚度偏置系数；k₁为刚度比例系数；h(x，i)为>w1为轮>w2为轮对3第二位移；α为滞后变量；z为磁滞回线进化变量；β为第一磁滞回线形状参数；δ₁为第二磁滞回线形状参数；δ₀为第三磁滞回线形>0为第一滞后系数；α₁为第二滞后系数；α₂为第三滞后系数；tanh()为>

步骤S3中的控制器模型包括以下方程：

其中τ为时间变量；sech()为双曲正割函数；式(10)、式(11)、式(12)、 式(13)构成一系磁流变阻尼器的控制电流最佳调控表达式，i_t为一系磁流变阻>t、H_t和G_t为一系磁流变阻尼方程组的三个中间变量，μ_t为一>t为一系形状因子；λ_t为一系比例因子；式(14)、式(15)、式(16)、>c为二系磁流变阻>c、H_c和G_c为二系磁流变阻尼方程组的三个中间变量，μ_c为>c为二系形状因子；λ_c为二系比例因子。

本发明在高速列车地车身1和转向架2之间以差动结构地形式设置磁流变 阻尼器，有效地克服了磁流变阻尼器地初始压缩或膨胀状态对列车产生的偏移 量影响；在Bouc-Wen磁流变阻尼动力模型和高速列车的动力学模型理论的基础 上，加以双曲正切函数拟合的磁流变阻尼器速度与位移之间的时滞变量，提出 了完整且精准的高速列车非线性电流控制变阻尼模型，并用于指导磁流变阻尼 器的电流控制，与真实环境的磁流变阻尼器电控特性高度契合，最终通过具有 控制精度高的二阶滑膜的控制方法对磁流变阻尼器进行电控，实现了高速列车 横向振动的抑制。