獨(dú)立車輪輕軌車輛集成控制研究

孫效杰，陸正剛，楊俊起

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獨(dú)立車輪輕軌車輛集成控制研究

孫效杰1，陸正剛2，楊俊起3

(1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 軌道交通學(xué)院，上海 201418；2. 同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；3. 河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000)

運(yùn)用軌道車輛信息估計技術(shù)，獲取輪對狀態(tài)和未知線路特征信息，其中估計的左右輪轉(zhuǎn)速和線路信息，實現(xiàn)速差反饋導(dǎo)向控制；估計的搖頭角，用于穩(wěn)定性集成控制，替代一系縱向懸掛。最后，使用典型的獨(dú)立車輪輕軌車輛模型對估計與集成控制技術(shù)仿真驗證，研究結(jié)果表明：基于信息估計的集成控制，輪對導(dǎo)向性能均非常優(yōu)秀，輪緣不貼靠鋼軌，搖頭角/沖角小；集成控制系統(tǒng)對電機(jī)的功率需求最大不足60 W，電機(jī)力矩需求約為牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的1/5，實際牽引電機(jī)可以 滿足。

輕軌車輛；主動導(dǎo)向；穩(wěn)定性控制；信息估計

輪對主動控制是獨(dú)立車輪軌道車輛的核心技術(shù)，相關(guān)研究如基于搖頭反饋控制的電機(jī)驅(qū)動獨(dú)立車輪主動控制[1?2]；采用卡爾曼濾波估計的輪軌間隙作為反饋量的獨(dú)立車輪導(dǎo)向控制[3]；電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動獨(dú)立車輪的主動導(dǎo)向與牽引集成控制[4]；基于輪轂電機(jī)的獨(dú)立車輪輪對轉(zhuǎn)速差反饋導(dǎo)向技術(shù)[5]。這些主動導(dǎo)向控制一般采用車輪轉(zhuǎn)速差、橫移量(輪軌間隙)或搖頭角等作為反饋量，其中速差反饋控制因易于測量而倍受關(guān)注。但速差反饋控制存在2個方面問題：1) 需實時獲取線路曲率信息，間接測量因可靠和方便而成為研究熱點(diǎn)，MEI等[6?7]利用卡爾曼濾波器和H∞濾波器估計線路信息；王雪梅等[8]在擺式列車中使用陀螺儀和位移傳感器檢測線路超高和曲率信息，但上述方案使用傳感器數(shù)目多、費(fèi)用高；2)一系縱向懸掛對獨(dú)立車輪速差導(dǎo)向控制和輪對穩(wěn)定性的作用是彼此矛盾的，“天棚彈簧”理論被提出，通過“彈簧”產(chǎn)生正比于輪對搖頭角的約束力矩，抑制輪對的搖頭運(yùn)動，實現(xiàn)穩(wěn)定性控 制[9]。針對輪對狀態(tài)及線路信息獲取問題，筆者在孫效杰等[10]提出一種使用傳感器數(shù)量少、估計系統(tǒng)簡單的輪對狀態(tài)估計與線路信息共同估計技術(shù)。針對電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動的獨(dú)立車輪輕軌車輛，取消一系縱向懸掛而使用穩(wěn)定性控制替代?；谖墨I(xiàn)[10]的研究成果，本文探討一種通過控制左右輪牽引電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩以實現(xiàn)速差導(dǎo)向與穩(wěn)定性的集成控制技術(shù)。該技術(shù)利用牽引電機(jī)作為2種控制方法的作動器，系統(tǒng)集成度高。另外，集成控制系統(tǒng)中，速差控制需要的線路曲率和左右車輪轉(zhuǎn)速差，穩(wěn)定性控制需要輪對搖頭角，都使用觀測器估計獲得。該基于信息估計的獨(dú)立車輪集成控制，不僅進(jìn)一步提升獨(dú)立輪對導(dǎo)向控制性能，更將增強(qiáng)控制系統(tǒng)的魯棒性。

1 獨(dú)立車輪主動導(dǎo)向與穩(wěn)定性集成控制

1.1 獨(dú)立車輪輕軌車輛系統(tǒng)建模

本文研究的重點(diǎn)是獨(dú)立車輪輕軌車輛的主動導(dǎo)向與穩(wěn)定性集成控制，為了簡化建模與降低仿真難度，模型采用輕軌列車中常見的單車型車輛，只包含一個兩軸轉(zhuǎn)向架和一個車體。該車輛橫向動力學(xué)方程如式(1)~(7)，其中輪對考慮橫移，搖頭和左右車輪相對轉(zhuǎn)動3個自由度，而構(gòu)架和車體只考慮橫移和搖頭2個自由度。

輪對橫移：當(dāng)=1或2,=1；

輪對搖頭：當(dāng)=1或 2,=1；

左右車輪相對轉(zhuǎn)動：=1或2

轉(zhuǎn)向架橫移：

轉(zhuǎn)向架搖頭：

車體橫移：

車體搖頭：

將獨(dú)立車輪輕軌車輛橫向動力學(xué)方程寫成狀態(tài)方程形式，且令方程中的狀態(tài)為：

將車輛模型的軌道輸入(包括線路曲率，超高角以及軌道不平順)作為系統(tǒng)未知輸入，則未知輸入為：

令補(bǔ)充線路曲線信息的輪對橫向速差導(dǎo)向控制力矩為可測輸出，則可測輸出為：

針對系統(tǒng)狀態(tài)的估計，因為部分狀態(tài)已經(jīng)測得，利用降維觀測器估計獲得余下未測系統(tǒng)狀 態(tài)[11]；基于降維觀測器獲取的狀態(tài)漸近估計后，再使用系統(tǒng)狀態(tài)重構(gòu)出系統(tǒng)未知輸入，其中可測輸出的微分使用高階、高增益滑模觀測器估計[12]。

系數(shù)矩陣，和可通過方程獲得，限于篇幅不再列出。

1.2 牽引、導(dǎo)向與穩(wěn)定性集成控制策略

將主動穩(wěn)定性控制應(yīng)用到電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動的獨(dú)立車輪輕軌車輛，同時使用獨(dú)立車輪牽引與導(dǎo)向控制技術(shù)，最終電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動的獨(dú)立車輪實現(xiàn)牽引、速差導(dǎo)向和穩(wěn)定性的集成控制。左右車輪牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩方程為[13]：

其中：tract表示電機(jī)牽引轉(zhuǎn)矩；和分別表示速差控制和穩(wěn)定控制函數(shù)；表示高通濾波器。式(8)中，牽引控制是通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨給定轉(zhuǎn)速實現(xiàn)車輛行駛；速差主動導(dǎo)向控制是以左右車輪轉(zhuǎn)速差與理想速差的偏差作為反饋；穩(wěn)定性控制是根據(jù)輪對搖頭角反饋控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩差。

利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立輪對牽引、主動導(dǎo)向與穩(wěn)定集成控制，其關(guān)鍵在于實時獲取車輛運(yùn)行速度，左右車輪轉(zhuǎn)速差，當(dāng)前線路曲率和輪對搖頭角等信息。其中車輛運(yùn)行速度易于檢測，當(dāng)前車輛信息系統(tǒng)可提供；左右車輪轉(zhuǎn)速差可通過安裝轉(zhuǎn)速或位置傳感器測得。當(dāng)傳感器故障或者不使用傳感器時，使用觀測器估計獲得。輪對搖頭角或沖角信息，使用降維狀態(tài)觀測器進(jìn)行估計獲得；而軌道線路的曲率則基于系統(tǒng)狀態(tài)和可測輸出的微分信號通過重構(gòu)獲得。本文提出的基于觀測器的輪對集成控制策略如圖1所示。

2 集成控制仿真研究

因重點(diǎn)關(guān)注獨(dú)立車輪車輛導(dǎo)向與穩(wěn)定性控制問題，所以不考慮電機(jī)牽引而讓車輛以恒速運(yùn)行。主動控制策略中，速差控制函數(shù)和穩(wěn)定控制函數(shù)均采用經(jīng)典的比例積分控制方法，其中速差控制函數(shù)的比例系數(shù)k與積分系數(shù)k均為1×106；穩(wěn)定性控制高通濾波器截止頻率為1 Hz，系數(shù)k=1.5×107。仿真線路選用典型的低速曲線，曲線半徑為200 m，車輛運(yùn)行速度為20 m/s。

主動控制中需要的輪對狀態(tài)信息，如穩(wěn)定性控制中的輪對搖頭角或沖角信息，速差導(dǎo)向控制中需要獲得左右車輪的轉(zhuǎn)速差，均使用狀態(tài)觀測器估計獲得；理想速差計算中的軌道線路的曲率，則基于系統(tǒng)狀態(tài)和可測輸出的微分信號通過重構(gòu)獲得。最終在MATLAB/Simulink環(huán)境搭建的基于觀測器的獨(dú)立輪對車輛主動集成控制模型見圖2。

圖1 基于觀測器的輪對主動集成控制策略

圖2 基于觀測器的輪對導(dǎo)向與穩(wěn)定性集成控制

模型中，基于觀測器的車輛狀態(tài)估計與線路特征重構(gòu)子系統(tǒng)的原理如圖3。由于傳感器已經(jīng)測定輪對、構(gòu)架和車體的橫移速度以及輪對的搖頭速度共計6個系統(tǒng)狀態(tài)，狀態(tài)估計使用降維觀測器(維數(shù)為?=14)估計14個未測的運(yùn)動狀態(tài)。因輪對橫移量，輪對搖頭角或沖角以及左右車輪相對轉(zhuǎn)速等輪對狀態(tài)，可直接用于獨(dú)立輪對的主動導(dǎo)向反饋控制和系統(tǒng)性能評估，所以狀態(tài)估計中重點(diǎn)考察輪對狀態(tài)。然后，利用降維觀測器估計的車輛狀態(tài)信息，再根據(jù)高階滑模觀測器估計出可測輸出(維數(shù)為6)的微分信號。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)降維觀測器估計的車輛系統(tǒng)狀態(tài)和高階滑模觀測器估計的可測輸出之微分，重構(gòu)出線路的曲率和超高信息。

一系縱向定位彈簧與輪對曲線導(dǎo)向能力矛盾，縱向剛度越大，過曲線時越容易出現(xiàn)輪緣接觸和較大的輪軌噪聲。因此取消一系縱向彈簧，基于輪對主動懸掛的穩(wěn)定性控制被提出來，利用主動懸掛能夠靈活地選擇懸掛系統(tǒng)的頻率特性的優(yōu)點(diǎn)，可克服被動懸掛對高頻的蛇行運(yùn)動和低頻的導(dǎo)向運(yùn)動具有同樣的抑制作用的缺陷。

圖3 基于觀測器的車輛狀態(tài)估計與線路特征重構(gòu)原理圖

首先比較取消一系縱向定位剛度的穩(wěn)定性集成控制和一系被動懸掛2種模式下的導(dǎo)向性能和導(dǎo)向力矩需求。其中輪對搖頭剛度在被動懸掛系統(tǒng)中和穩(wěn)定性控制取值相同，均為15 MN/rad。

穩(wěn)定性集成控制與被動懸掛的仿真結(jié)果如圖4所示：穩(wěn)定性控制和被動懸掛的速差導(dǎo)向車輛，輪對1和2的導(dǎo)向性能均非常優(yōu)秀，橫移量小于0.3 mm，沖角小于0.5 mrad；穩(wěn)定性控制相對于被動懸掛，輪對的導(dǎo)向性能更優(yōu)，輪對1和2的沖角和橫移量均小于被動懸掛；穩(wěn)定控制的輪對1和2電機(jī)所需導(dǎo)向力矩不足20 N?m，遠(yuǎn)小于被動懸掛(特別是輪對2接近600 N?m)。因此獨(dú)立輪對穩(wěn)定性控制具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

(a), (c), (e) 輪對1；(b), (d), (f) 輪對2

主動導(dǎo)向與穩(wěn)定性集成控制仿真時，考慮無軌道不平順和有軌道不平順(美國六級譜)2種情況，輪對狀態(tài)估計與主動控制仿真結(jié)果如圖5和圖6。從估計效果來看，無論軌道不平順是否存在，輪對狀態(tài)估計結(jié)果與實際值均非常接近，偏差極小，觀測器效果良好。從主動控制效果來看，無軌道不平順輸入時，輪對橫移量最大值僅為0.05 mm，十分接近為0，與理論分析結(jié)果一致，輪對沿著軌道中心線運(yùn)行；輪對沖角最大為0.4 mrad，接近完全徑向位置；實際左右相對轉(zhuǎn)速與理論值幾乎重合。有軌道不平順時，集成控制的曲線輪對橫移小于6 mm，沖角仍然較小，最大值不足6 mrad，左右車輪相對轉(zhuǎn)速在理論值附近波動。

(a), (c), (e) 輪對1；(b), (d), (f) 輪對2

從主動控制時電機(jī)耦合力矩需求和功率需求看(圖7)，無軌道不平順時，主動控制下電機(jī)最大需求力矩僅為10 N·m，最大功率需求僅為3 W；而有軌道不平順時，電機(jī)瞬時最大需求力矩254 N·m，最大功率為53 W。一般輕軌車輛直接驅(qū)動獨(dú)立車輪的牽引電機(jī)，其額定功率在50~60 kW，額定力矩不低于1 200 N?m。主動控制下的電機(jī)功率和力矩需求相對于牽引電機(jī)的額定值，在不考慮軌道不平順時幾乎可以忽略；考慮軌道不平順的影響，電機(jī)功率需求依然可忽略，電機(jī)力矩需求約為牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的1/5，相當(dāng)于牽引電機(jī)過載20%，該技術(shù)要求在實際牽引電機(jī)上可以滿足。

(a), (c), (e) 輪對1；(b), (d), (f) 輪對2

(a1), (a2) 無軌道激擾；(b1), (b2) 考慮軌道激擾

3 結(jié)論

1) 集成控制的導(dǎo)向性能優(yōu)于一系縱向懸掛的速差導(dǎo)向控制，無軌道不平順時，輪對實現(xiàn)了沿著軌道中心線運(yùn)行的目標(biāo)，輪對接近徑向位置；考慮軌道不平順，集成控制下輪對橫移量不會造成輪緣貼靠鋼軌，輪對沖角仍然很小。

2) 無論是否存在軌道不平順，集成控制系統(tǒng)對電機(jī)的功率需求均不足60 W，相對于牽引電機(jī)的額定值幾乎可以忽略?？紤]軌道不平順，電機(jī)力矩需求約為牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的1/5，相當(dāng)于要求牽引電機(jī)最大過載20%，牽引電機(jī)可以滿足。

3) 集成控制進(jìn)一步提升主動控制效果，且對控制系統(tǒng)的力矩和功率需求明顯下降。

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Combined control research on LRV with independently rotating wheels

SUN Xiaojie1, LU Zhenggang2, YANG Junqi3

(1. School of Railway Transportation, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China;2. Railway and Urban Mass Transit Research Institute, Tongji University, Shanghai 201804, China;3. College of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

An information estimation technique for rail vehicle is used to get the wheelset station and unknown track characteristics. Using the estimated wheel rotating speed and track curvature, the active steering control via the speed differential feedback is realized; based on the estimated yaw angle, the integrated stability control is used to replace the longitudinal suspension. Finally, the typically LRV with independently rotating wheels is applied to verify the proposed methods. The results show that the integrated control technology based on the estimation information are very good in steering performance, flange is not close to rail, yaw /attack angle is small; the maximum power demand is 60 W, and torque demand is about 1/5 of the rated torque for each traction motor. The traction motor can completely satisfy the demand.

LRV; active steering; stability control; information estimation

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.030

TM351；U270.33

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 2972 ? 08

2017?09?19

中央財政支持地方高校發(fā)展專項資金資助項目(4521ZK160013002)；上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃項目(ZZZZyyx16023)

陸正剛(1966?)，男，江蘇新沂人，教授，博士，從事軌道車輛系統(tǒng)集成與控制研究；E?mail：luzhenggang@#edu.cn

(編輯 陽麗霞)