第 5 卷 第 3 期 2005 年 9 月
交 通 运 输 工 程 学 报
Journal of T raffic and T ransportation Engineering
Vo l. 5 No. 3 Sept . 2005
文章编号 : 16711637(2005)03 0008 06
车辆主动悬挂最优预见控制模型
, 其横向模型
在只考虑了车体 、 前、 后转向架侧滚的情况下(共 3 个 自由度), 略去了横移 、摇头等自由度 , 而垂向模型则 考虑了车体浮沉 、 点头( 1 ×2), 及前后转向架浮沉 、 点 头(2 × 2), 共 6 个自由度的运动 , 因此 , 本研究中用于 设计主动悬挂控制器的单节车辆系统的设计模型共 考虑了 9 个自由度 。 这种设计的好处是将该设计模 型的控制器接入实际系统后 , 能使设计模型和实际系 统的动态稳定性能更加接近 。 系统模型的复杂化导致了与之对应的实验系统 的复杂程度也提高了 , 众多的元件在实时控制过程 中由于存在着一定的响应滞后 , 很难对反馈信号及 时产生足够大的控制力 , 从而限制了系统的主动隔 振效果 , 因而在该模型中 , 预先通过某种传感器 (如 超声波传感器或红外线传感器)测定未来的目标信 号或外扰 , 系统在决定控制指令时 , 不仅考虑系统当 时的状态 , 而且还可以根据已确认的未来目标值和 外扰信息的变化趋势作出即时的控制决策 , 称这种 控制决策为预见控制 。 它在形式上属于最优控制 , 所以也可称为最优预见控制策略 。 用该控制方法作 为主动悬挂的控制策略 , 以期弥补因系统能源的沿 程损失和元件的响应滞后使得减振效果不明显 , 提 高控制质量 , 降低系统控制能量的峰值 , 减少能量消 耗 , 达到理想的控制效果 。
a17 a27 0 0 0 0 a77 0 0 b17 b27 0 0 0 0 b77 0 0
0 0 a39 0 0 0 0 0 a99 0 0 b39 0 0 0 0 0 b99
θ 1 z1
′
1
θ 2 z2
θ 1 z1
′
1
θ 2]
T
0 0 a41 A0 = 0 0 a71 0 0 b11 0 0 b41 B0 = 0 0 b71 0 0
图 3 单节车辆侧滚分析模型 Fig. 3 R olling analysi s model of sin gal rai l vehicle
为节省篇幅 , 该设计模型的 9 个自由度的振动 方程就不一一列出 , 下面采用状态方程来描述该系
10 统 。 首先 , 对系统取状态变量为
x =[ z 2 θz 1
0 0 0 1 /m
a14 a24 0 a44 0 0 0 0 0 b14 b24 0 b44 0 0 0 0 0
0 0 0 1 /m
0 0 0 0 a55 0 0 0 0 0 0 0 0 b55 0 0 0 0
0 0 a36 0 0 a66 0 0 0 0 0 b36 0 0 b66 0 0 0
0 0 0 1 /m l1 /J 2 - a /J 3 0 0 0
图 1 传统分析模型 Fi g. 1 Traditi onal analysis model

9
量(kg); m 为转向架构架质量 (kg ); c 2 为二系垂向 减振器阻尼(N s /m ); l 为二系悬挂到车体质心的 纵向距离之半(m ); a 为一系垂向减振器的横向距 离之半(m ); b 为二系垂向减振器的横向距离之半 (m ); k 2 为二系悬挂弹簧垂向刚度 (N /m ); c1 为一 系垂向减振器阻尼(N
收稿日期 : 200505 15 基金项目 : 教育部科技研究重点项目(01131) 作者简介 : 朱 浩(1972 ), 男 , 湖南株洲人 , 中南大学博士研究生 , 从事车辆主动减振技术与智能控制策略研究 .
第 3 期 朱 浩 ,等: 车辆主动悬挂最优预见控制模型 棒性降低 , 因此根据此 模型设计的控制器在实 际的车辆系统上会产生 较大的系统误差 , 甚至 会使主动控制失效 。 为 此本文提出了车辆悬挂 最优预见控制模型 。 该 模型与传统的简化模型
朱 浩1 , 刘少军1 , 邱显焱2
(1 . 中南大学 机电工程学院 , 湖南 长沙 410083 ; 2. 株 洲工学院 机械系 , 湖南 株洲 412000)
摘 要 : 以复杂多自由度的车辆系统设计模型代替传统的简化模型 , 建立了主动悬挂控制车辆系统 模型 , 设计了最优预见控制器 , 研究了车体的浮沉 、 点头 、 侧滚 3 种运动状态在加控制和未加控制时 的路面激扰响应 。 仿真计算结果表明在最优控制下车体的浮沉响应降低了 27 %, 点头响应降低了 30 %, 侧滚响应降低了 30 %; 在预见控制二次加权矩阵的作用下 , 车体的浮沉响应降低了 54 %, 点 头响应降低了 50 %, 侧滚响应降低了 45 %; 根据预见控制的提前预见可适时响应的特点 , 系统可按 设定目标预见步数提前作出响应 , 由此验证了最优预见控制在复杂多自由度的车辆主动悬挂设计 模型中应用的可行性和有效性 。 关键词 : 车辆工程 ; 多自由度 ; 主动悬挂 ; 最优预见控制 中图分类号 : U270 . 32 文献标识码 : A
控制变量为
u= [ u1
′ u1
u2
′ u2
u3
′ u3
u4
′ u4
u5
′ u5
u6
′ T u6 ]
系统输出为 y= [ z 2 θ ]T 外部激励为 zv = [ z v 1 z v 1 z v 2 z v2 z v 3 z v 3 z v4 z v4 ] x = Ax +Bu +Ez v y = Cx A= B= E=
Abstract : Based o n t he desi gn model of multideg rees of f reedom , a new modelling method of rail vehicle sy st em wi th active suspensio n w as put f orw ard , a kind of optim umpreview cont ro ller w as desig ned to rest rain the vertical vibratio n , no ddi ng and ro lli ng of carbody , t he system respo nd wi th cont roller w as analy sed. Sim ulation resul ts indicat e t hat the verti cal vibratio n , noddi ng and rolling levels of carbody are reduced by about 27 %, 30 %, 30 % respectively using optim um cont rol met ho d , and the levels o f carbody are reduced by about 54 %, 50 %, 45 % respectiv ely usi ng preview cont rol met hod , preview cont rol st ra tegy can m ake vehicle system respo nd ahead acco rding to t arget value. It is feasible t ha t the optimumpreview cont ro ller is used in desig nning the active suspension of rail vehicle system based on complex multideg rees of f reedom model. 1 tab , 15 f igs , 8 ref s. Key words : vehicle engineering ; multideg rees of freedom ; active suspension ; optimumpreview cont rol Author resume : Zhu H ao(1972 ), male , doctoral st udent , 86 7318832710 , zhu1201_ 1 @ 163. com.
Optimumpreview control model of rail vehicle active suspension
Zhu H ao 1 , Liu Shaojun 1 , Qiu Xiany an2
(1. Schoo l of M echanics and Electricity Engineering , Centr al South U niver sity , Chang sha 410083 , China ; 2 . Department of M echanics , Zhuzhou Institute of T echno lo gy , Zhuzhou 412000 , China )
[ 4]
(kg m );为车体点头角位移(rad); 1 、 2 分别为 前、 后转向架点头角位移(rad); θ 为车体侧滚角位移 (rad); θ 1 、 θ 2 分别为前 、后转向架侧滚角位移(rad); z 2 为车体浮沉位移(m ); z1 、 z′ 1 分别为前 、后转向架 浮沉位移(m ); z v 1 、z′ v 1 、z v 2 、z′ v 2 、z v 3 、z′ v 3 、z v 4 、z′ v4 分 别为前 、 后转向架各轮对由于轨道高低不平顺所引 起的轨面激励(m ); u1 、u ′ 1 、u2 、u ′ 2 、u3 、u ′ 3 、u4 、u ′ 4 、 u5 、 u′ 5 、u6 、u ′ 6 为作动器的输出控制力(N)。
2