基于天棚阻尼二系懸掛系統的半主動控制策略研究
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摘 要：針對半主動懸掛方式下的二系懸掛系統，采用合理的半主動控制策略，使列車在高速運行過程中保證乘客乘坐的舒適度及安全性是十分必要的。文章基于兩種典型的天棚阻尼二系懸掛系統控制策略，采用SIMULINK和SIMPACK聯合仿真，得出開關控制策略在提高列車運行舒適度和平穩性更具優勢，但連續控制策略阻尼系數連續變化，在隔振效果方面更具優勢。
關鍵詞：半主動懸掛;半主動控制;聯合仿真
中圖分類號：U270 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）10-0103-02
Abstract： For the secondary suspension system under the semi-active suspension mode， it is very necessary to adopt a reasonable semi-active control strategy to ensure the comfort and safety of passengers in the process of high-speed operation. Based on two typical control strategies of ceiling damping secondary suspension system， the joint simulation of SIMULINK and SIMPACK shows that the switching control strategy has more advantages in improving the comfort and stability of train operation， but the damping coefficient of continuous control strategy changes continuously. It has more advantages in vibration isolation effect.
Keywords： semi-active suspension; semi-active control; joint simulation
引言
現代交通運輸方式中鐵路運輸以其眾所周知的優勢，在我國交通運輸領域占據著重要地位;尤其當高速動車組技術發展起來之后，不僅帶來了十分可觀的經濟效益，而且縮短了旅途時間，提高了乘客的乘坐舒適性和安全性。但隨著鐵路運行速度的提高，軌道不平順、風阻等使列車振動加劇，降低了列車運行平穩性。列車運行平穩性主要包括舒適度及安全性兩個方面，因此有必要對軌道車輛懸掛系統進行控制，提高其運行平穩性。
目前許多學者致力于懸掛系統懸掛方式及控制策略的研究。美國學者Karnopp提出了十分有名的天棚阻尼控制策略[1];Valasek等人提出了旨在減小車輛懸掛系統簧下質量橫向振動進一步提升列車運行平穩性的地棚阻尼控制策略[2];Liu等人提出了主動跟蹤模糊輸出反饋滑膜控制方法[3];近幾十年來，神經網絡、遺傳算法等智能算法的出現，也催生出一些對應的智能懸掛系統控制策略。本文針對多種懸掛方式及控制策略進行對比分析，對我國高速列車懸掛系統的選擇提供了一定參考。
1 懸掛系統懸掛方式
列車懸掛系統可分為被動懸掛、主動懸掛、半主動懸掛方式。
（1）被動懸掛方式其系統由彈簧和阻尼等元件組成，該懸掛方式可以在一定程度上改善其運行性能，但懸掛系統各參數在設計過程中已經被確定且不可調，無法適應現在復雜的高速軌道線路條件。
（2）主動懸掛方式采用主動控制技術實時根據線路條件和運行狀態調整懸掛參數，可以很好地抑制軌道車輛的橫向振動，但需要在懸掛系統中間安裝傳感器、作動器等，使系統結構更加復雜，降低了列車運行中的可靠性，此外由于主動懸掛需要通過輸入能量來抵消外部激擾，因此需要消耗大量資源，使得列車運營成本增加，限制了其進一步的發展。
（3）半主動懸掛采用阻尼特性或剛度特性可調的可控元件作為動作器，通過實時調節可控減振器的阻尼特性和可控彈簧的剛度特性，間接獲得合理的懸掛力。剛度變化的彈簧難以實現，在實際應用中一般采用變阻尼系數減振器。即使控制系統失效，該系統的可變阻尼減振器也可使系統快速轉變為被動懸掛系統，從而保證了列車運行的平穩性指標。
由于半主動懸掛方式相較于被動懸掛和主動懸掛的明顯優勢，近幾年高速軌道列車懸掛方式多采用半主動懸掛方式，為了在保證軌道列車運行安全性和乘客的舒適性的前提下，進一步提高列車運行速度，還應采用與半主動懸掛方式匹配的半主動控制策略?；谔炫镒枘岬陌胫鲃涌刂撇呗园l展較早且較為成熟，廣泛應用于各種高速軌道列車。
2 基于天棚阻尼的半主動控制策略
天棚阻尼懸掛系統，美國學者Karnopp所創。工作原理為其減振器一端與減振對象相連，另一端與假象的慣性空間相連，這樣車輛振動時任何運動方向均可有效起到減振效果，從而改善其舒適性[1]。由不同性質的可調阻尼器，半主動控制策略可分為：
2.1 “開-關型”控制策略
使用開關型可調減振器并與彈簧并聯成懸掛系統時，該阻尼器作用在彈簧上的力為：
2.2 半主動懸掛的連續可調型控制策略
阻尼系數可調并與彈簧并聯成懸掛系統，區別是該減振器阻尼系數在一定范圍內連續變化，并最大限度的接近天棚阻尼力[5]，各參數含義上與開關型相同。
3 SIMULINK與SIMPACK聯合仿真
3.1 聯合仿真 聯合仿真過程中，SIMPACK為從執行軟件，MATLAB為主執行軟件，SIMPACK輸入、輸出變量以SIMAT封裝形式與MATLAB進行數據交換，仿真運行速度為200km/h。其中，開關型和連續型半主動控制過程基本一致，區別在于開關型的設置端口號為20004，而連續型的設置端口號為20010，即二者的控制規則不同。為了驗證聯合仿真平臺的準確性，將聯合仿真結果與SIMPACK單獨仿真結果進行對比，由SIMULINK控制下的軌道列車橫向振動加速度與SIMPACK單獨仿真時的時域加速度曲線可知，兩者的波形基本一致;聯合仿真時與SIMPACK單獨仿真時列車運行平穩性指標十分接近，故聯合仿真控制使該懸掛系統具有較高的準確性。
3.2 兩種控制策略對比
聯合仿真得不同控制策略下舒適度及平穩性指標，見表1。從不同控制策略下舒適度、平穩性指標可以得出：在車速200km/h時，開關型控制對車輛平穩性的改善率高于連續型控制，但是開關型控制由于阻尼力不連續，會產生沖擊和系統噪聲，并且減振器節流閥一直處于高頻開關狀態，還會導致系統顫振。而若采用連續型控制策略，阻尼系數可以連續變化，這樣連續型控制策略在隔振效果上明顯優于開關型。
4 結論
針對具有明顯優勢的半主動懸掛方式，為了滿足進一步提速的需要，需采用相匹配的半主動控制策略，而基于天棚阻尼的控制策略發展已有一段時間，比較成熟。針對兩種典型的基于天棚阻尼的控制策略，采用SIMULINK與SIMPACK聯合仿真的方式，仿真得被動懸掛、開關型、連續型控制策略下的列車運行平穩性、舒適度指標，仿真分析得開關控制策略下的各指標均低于連續控制下的各指標，但開關型由于其阻尼力不連續，會產生十分嚴重的沖擊及噪聲，而連續型的隔振效果明顯優于開關型。綜上，連續控制多適用于準高速客車及高速動車組;而開關控制多適用于貨車及中低速客車等。
參考文獻：
[1]Karnopp D. Design principles for vibration control systems using semi-active dampers[J]. Journal of Dynamic Systems， Measurement and Control，1990，112（3）：448-55.
[2]Valasek M， Novak M， Sika， Z， et al. Extended ground-hook-new concept of semi-active control of truck's suspension[J]. Vehicle System Dynamics，1997，27（5-6）：289-303.
[3]Liu H， Nonami K， Hagiwara T. Active following fuzzy output feedback sliding mode control of real-vehicle semi-active suspensions[J].Journal of Sound and Vibration，2008 314（1）：39-52.
[4]張成功.高速車輛柔性車體動力學及懸掛系統半主動控制研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2015.
[5]胡用生.現代軌道車輛動力學[M].北京：中國鐵道出版社，2009：61-95.
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