高速列车横向半主动悬挂自适应PID控制研究

发布时间：2020-09-27 12:57

　　近年来,在我国高速铁路建设快速发展以及列车行驶速度大幅提升的背景下,人们对高速列车运行安全性和舒适性要求也在不断提高。而由于高速列车存在轨道不平顺激扰、外部环境干扰等因素,导致高速列车的横向悬挂减振控制问题日益突出。本文建立了更为精确的高速列车横向半主动悬挂系统模型,并考虑了执行器可能出现的非完全失效故障情况,设计了自适应PID控制和自适应容错PID控制两种策略。本文主要的工作如下:(1)叙述了悬挂系统的分类和发展历史,比较了被动悬挂、主动悬挂及半主动悬挂系统的特点,阐明了我国高速列车采取横向半主动悬挂方式的必要性,并分析探讨了多种主流的半主动悬挂控制策略。(2)分析了列车在现实行驶过程中的振动方式和振动类型,考虑了列车悬挂系统参数的时变性、轨道不平顺激扰、外部环境干扰等因素,通过动力学分析建立了高速列车轮对、转向架构架、车体的横移、侧滚、摇头振动等十四自由度的横向半主动悬挂系统模型。(3)针对建立的高速列车横向半主动悬挂系统模型,研究并设计了自适应PID控制策略。该方法充分利用了系统模型自身的特点,通过引入符号矩阵,解决了系统增益矩阵的非对称正定带来的问题,且对建模时所考虑的系统参数时变性和外部环境干扰等因素具有良好的鲁棒性。借助Lyapunov稳定性理论,分析和证明系统稳定性。最后,通过MATLAB计算机仿真验证了所设计的控制算法能够有效地衰减列车振动,并且,相较于经典PID控制,该控制算法具有更好的减振效果。(4)考虑了高速列车横向半主动悬挂系统中执行器可能出现的非完全失效故障情况,建立了执行器故障的系统模型,研究并设计了自适应容错PID控制策略。该方法具备较好的鲁棒性及容错能力,更具有实用性。通过选取合适的Lyapunov函数进行了稳定性证明。最后,通过MATLAB计算机仿真验证了所设计控制算法的有效性。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U463.33
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 研究背景和选题意义
    1.2 悬挂系统的分类及特点
        1.2.1 被动悬挂系统
        1.2.2 主动悬挂系统
        1.2.3 半主动悬挂系统
    1.3 高速列车横向半主动悬挂的必要性分析
    1.4 半主动悬挂的研究现状
        1.4.1 国外半主动悬挂的研究现状
        1.4.2 国内半主动悬挂的研究现状
    1.5 本文的主要内容和章节安排
2 半主动悬挂控制策略和Lyapunov稳定性理论
    2.1 半主动悬挂控制策略
        2.1.1 天棚阻尼控制
        2.1.2 线性最优控制
        2.1.3 经典PID控制
        2.1.4 鲁棒控制
        2.1.5 自适应控制
        2.1.6 模糊控制
        2.1.7 神经网络控制
        2.1.8 控制策略对比
    2.2 Lyapunov稳定性理论
        2.2.1 Lyapunov稳定性
        2.2.2 Lyapunov第二法
    2.3 本章小结
3 高速列车横向半主动悬挂系统模型的建立
    3.1 引言
    3.2 半主动悬挂系统的控制特性分析
    3.3 列车随机振动的分析
    3.4 高速列车横向半主动悬挂系统模型
        3.4.1 十四自由度的横向半主动悬挂系统模型
        3.4.2 动力学方程的改进
    3.5 本章小结
4 自适应PID控制策略的研究和设计
    4.1 引言
    4.2 控制目标
    4.3 假设分析
    4.4 自适应PID控制策略的分析与设计
        4.4.1 自适应PID控制策略的设计
        4.4.2 稳定性证明
    4.5 仿真分析和对比
        4.5.1 仿真结果及分析
        4.5.2 自适应PID控制与经典PID控制对比
    4.6 控制策略的优点
    4.7 本章小结
5 自适应容错PID控制策略的研究和设计
    5.1 引言
    5.2 控制目标
    5.3 执行器故障的系统模型的建立
    5.4 自适应容错PID控制策略的分析与设计
        5.4.1 自适应容错PID控制策略的设计
        5.4.2 稳定性证明
    5.5 仿真分析
    5.6 控制策略的特点
    5.7 本章小结
6 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 工作展望
参考文献
作者简历
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