列车主动悬挂预测控制算法研究

结果表明：设计的预测控制器能够优化高速列车在运行时的振动主动控制性能，改善列车的乘坐舒适性。
关键词：振动与波；轨道干扰激励；主动悬挂；正交基函数；状态空间模型；预测控制器
中文分类号：U270.1+.6；TP273
文献标识码：A
DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.005
Keywords : vibration and wave; track interference incentive; active suspension; orthogonal base functions; state space model; predictive controller
随着列车速度不断提升 ，导致振动量也随之增 加 [1, 2]。这不仅影响了乘客乘坐舒适性，也会对列车 上使用的一些精密仪器设备性能产生较大的影响。 悬挂系统的减振性能是保证列车的舒适性、安全性 和运行平稳性的重要指标，因此，人们对其提出了更 高的要求。被动、半主动和（全）主动等三种悬挂方 式 ，是当前铁道车辆采用的主要悬挂形式。被动悬 挂系统只是按照人们一些相关经验和简单的优化方 法进行参数设定，对外界环境变化适应性能较差，不
第 36 卷 第 1 期 2016 年 2 月
噪声与振动控制 NOISE AND VIBRATION CONTROL
文章编号：1006-1355(2016)01-0021-05
列车主动悬挂预测控制算法研究
Vol 36 No.1 Feb. 2016
曹青松，王明翔，陶 晶
（ 华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013 ）
摘 要：为有效抑制列车车体的振动，针对列车在运行时受到的不确定轨道干扰激励等影响因素，开展一种基于标
准正交基函数 Laguerre 的主动悬挂预测控制算法研究。首先建立列车主动悬挂系统的状态空间模型，再以此作为预测
控制模型，结合预测控制中的滚动优化等基本原理，为高速列车连续时域主动悬挂系统设计相应的预测控制器。仿真
Study on the Predictive Control Algorithm for Train’s Active Suspension Systems
CAO Qing-song , WANG Ming-xiang , TAO Jing
( School of Mechanical and Electrical Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China )
Abstract : In order to effectively reduce the vibration of high- speed trains due to uncertain track interference incentives, an algorithm for active suspension prediction control based on a typical orthonormal base function, the Laguerre function, was proposed and studied. The state space model of the train’s active suspension system was set up. Regarding this model as a predictive control model and combined with the basic principle of rolling optimization in predictive control, the predictive controller for the active suspension system of the high-speed train in continuous time domain was designed. The simulation results show that the designed predictive controller can optimize the active vibration control performance of the high-speed train and improve the ride comfort of vehicles.
近些年来，基于状态空间模型的预测控制 算 [9] 法的研究已日趋成熟。本文开展高速列车主动悬挂 预测控制算法的研究 ，利用轨道垂向不平顺随机激 扰模型，将其作为列车轨道干扰激励，采用标准正交 基函数（Laguerre 函数）的方法进行预测控制算法研 究 [10]，为连续时域系统设计预测控制器。
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收稿日期：2015-05-20 基金项目 ：国家自然科学基金（51265009）；华东交通大学研
究生创新专项资金项目（YC2014-S265） 作者简介：曹青松（1978- ），男，安徽无为人，博士，副教授，研
究方向：无损检测、机电一体化以及振动控制 E-mail: 2000cqs@
能够对实际情况进行参数实时调节 ，已经难以适用 于现代各项性能指标要求更高的高速列车 [3, 。 4] 半 主动悬挂系统具备结构简易、造价较低、不需要大功 率能源装置的优点，是 Kamopp 等提出的，根据既定 的阻尼控制规律 ，可以实现阻尼力的实时调节 。 [5] 悬挂系统对于改善车辆行驶平顺性和提高操纵稳定 性起着重要作用。相对于被动悬挂 ，主动悬挂可以 明显改善车辆的乘坐舒适性 [6，7]，并且能较好地解决 高速列车较为突出的横向振动控制问题 [8]，已经越 来越受到学者们的关注。
噪声与振动控制
第 36 卷
1 列车主动悬挂模型
研究对象为单节车辆动力学模型 ，因此仅考虑 车辆的横向侧滚振动与垂向点头、浮沉等振动。此 外，对车辆动力学模型来说，研究车辆对各种轨道不 平顺的系统响应特性仅需建立车辆的横向和垂向动 力学模型 [11]。为精确反映实际情况，避开传统的简 单建模方式，以单节四轴车辆为研究对象，建立包含 车体以及前后转向架的侧滚、沉浮和点头等九自由 度的横向-垂向耦合列车主动悬挂系统动力学模型， 见图 1。