鐵道車輛主動懸掛系統(tǒng)模糊控制策略研究

摘要：車輛懸架的作用是承載車身和車輪之間的力，為車輪和車身之間的力和力矩傳遞提供渠道，避免來自路面的力直接沖擊車身，有效緩解沖擊荷載導致的振動，確保車輛安全、舒適行進，保證行車的平穩(wěn)和安全。車輛平順性和操縱穩(wěn)定性是目前車輛動力學中還沒有完全解決的問題，在鐵道車輛中，懸架電控技術可以針對該問題進行解決，目前這方面的研究備受關注，一些學者開始探究懸架模糊控制器設計和振動懸架系統(tǒng)仿真設計方案。該文以鐵道車輛為例，探究基于整車系統(tǒng)模型的新型模糊控制方法，設計模糊控制器，完善控制系統(tǒng)設計，采取有效的控制算法，確保車輛主動懸掛仿真模型構建，為整車模型模糊控制實現(xiàn)提供思路與參考。

關鍵詞：鐵道車輛 主動懸掛系統(tǒng) 模糊控制 策略

中圖分類號：U270.33? 文獻標識碼：A

Abstract： The role of the vehicle suspension is to carry the force between the body and the wheels， provide a channel for the transmission of force and torque between the wheels and the body， avoid the force from the road directly impacting the body， effectively relieve the vibration caused by the impact load， ensure that the vehicle travels safely and comfortably and ensure smooth and safe driving. Vehicle ride comfort and handling stability are problems that have not been fully solved in vehicle dynamics at present. In railway vehicles， suspension electronic control technology can solve this problem， this research has attracted much attention at present， and some scholars have begun to explore the suspension fuzzy controller design and vibration suspension system simulation design scheme. Taking the railway vehicle as an example， this paper explores a new fuzzy control method based on the vehicle system model， designs a fuzzy controller， improves the control system design， adopts an effective control algorithm， and ensures the construction of the vehicle active suspension simulation model， so as to provide ideas and references for the realization of the fuzzy control of the vehicle model.

Key Words： Railway vehicle; Active suspension system; Fuzzy control; Strategy

懸架性能優(yōu)越與否直接影響列車的操縱穩(wěn)定性以及駕駛平穩(wěn)性，傳統(tǒng)被動懸架性能上存在一定不足，要確保列車行駛中的穩(wěn)定性和安全性，需要應用到主動懸架，該文就列車主動懸架模糊控制進行研究，嘗試通過動態(tài)仿真來對被動懸架以及主動懸架對比分析。

1列車懸架動力學模型構建

列車模型結構并不復雜，設計也應該盡可能簡單化，不過其包含的列車平順分析特征，所以在進行懸架控制上有較為廣泛的應用。此次研究中通過2自由度四分之一車輛模型，構建該模型的動力學微分方程如下。

在該模型構建中，可以借助線性彈簧替換輪胎剛度，可以對輪胎阻尼忽略筆記，這里的k1表示的hi輪胎徑向剛度系數(shù)，k表示的是懸架剛度系數(shù)，c表示的是懸架阻尼系數(shù)，m表示非簧上質(zhì)量，M表示的是簧上質(zhì)量。q、z1、z2代表的是路面激勵、非簧上質(zhì)量位移和簧上質(zhì)量位移。模型中的相關參數(shù)主要來自搭建試驗平臺的相關結構參數(shù)，具體結構如表1所示。

2模糊控制理論及模糊控制器設計

2.1模糊控制理論概述

在模糊控制中，即使控制對象本身沒有準確的數(shù)據(jù)來構建三維模型，也可以結合數(shù)據(jù)模型構建問題，通過語言變量來實現(xiàn)模型構建，模糊控制中，綜合了眾多的經(jīng)驗和知識系統(tǒng)，因此這種控制行為和人的真實行為是具有統(tǒng)一性的[1]。其優(yōu)點主要是可以根據(jù)激勵以及復雜數(shù)學模型的車輛懸架系統(tǒng)應用中實現(xiàn)有效應用[2]。將模糊控制方法應用到主動空氣懸架控制中，有一定的可行性。

2.2模糊控制器設計

首先，設計模糊控制器，具體設計要點如下。

（1）準確把握模糊控制器的輸入及輸出變量參數(shù)。

（2）精準輸入輸出變量的模糊語言值、量化因子、比例因子以及模糊變量隸屬度函數(shù)。

（3）編寫制定模糊控制規(guī)則，相應模糊控制規(guī)則可以結合理論研究和經(jīng)驗基礎來制定，值得一提的是，還需要針對部分優(yōu)劣狀況對控制效果影響開展深入分析[3]。

（4）明確模糊求解的辦法。模糊控制器將輸出數(shù)據(jù)形成一個集合，這時候的被控對象只能選擇精準控制量來控制。因此，需要提確保模糊輸出結果準確，將輸出的模糊集合快速轉(zhuǎn)化為能夠精確控制的數(shù)據(jù)即可[4]。

此外，確定模糊控制器的輸入輸出變量。在控制器水中，模糊控制器構建要遵循特定規(guī)則和標準要求，以特定的條件為基礎，目的是讓氣囊壓力調(diào)節(jié)成為可能，還要確保彈簧剛度滿足現(xiàn)實需要[5]。結合相關控制對象，可以選擇使用二維模糊控制器，并在模糊控制器輸入的誤差量中隨機取7個語言值，誤差變化率以及模糊控制器輸出都取5個語言值。這樣就可以形成模糊控制器的輸入誤差集合、誤差變化率集合以及模糊集合。

2.3主動懸架模糊控制規(guī)則

構建模糊控制規(guī)則需要將手動控制作為參考，針對被控對象開展整體觀測，結合現(xiàn)有的經(jīng)驗和知識儲備，進行綜合分析，制定有效控制措施，實現(xiàn)對被控對象的精準控制，讓系統(tǒng)設計和應用達到理想效果。模糊控制指標構建的基礎也是簧上質(zhì)量加速為負值狀態(tài)下，在加速度為負值狀態(tài)下，此時如加速度變化量是負值，簧上質(zhì)量加速度不斷增大，要想對于現(xiàn)有的負大誤差進行全面處理，強化誤差變化控制作用等，就需要切實優(yōu)化控制量選擇。在簧上質(zhì)量加速度是負值情況下且其變化量為正時，確保系統(tǒng)誤差有效控制目標實現(xiàn)，因此，要盡可能將簧上質(zhì)量加速度消除，且保證加速度在合理范圍內(nèi)，需要選擇較小的輸出控制量。在簧上質(zhì)量加速度為負小的情況下，系統(tǒng)狀態(tài)處于相對穩(wěn)定的態(tài)勢，如此時的變化量倘若是負值，選取控制量變化為正小，這對于控制指標項的發(fā)展具有一定影響；而控制指標的變化量是正值情況下，系統(tǒng)就能完成對于負小誤差的有效處理，此時選擇的控制變化量即為0[6]。

簧上質(zhì)量加速度的正負值對于控制效果的影響有一定統(tǒng)一性，在數(shù)值變化的請款修改，需要對于符號做出相關調(diào)整?？偨Y起來，就是在控制量變化選擇中，在簧上質(zhì)量加速度指標素質(zhì)較大的狀況下，可以選擇控制力對于負大誤差進行消除，在加速度指標一定的基礎上，進行控制力選擇時需要防止超調(diào)情況發(fā)生，這對于提升系統(tǒng)穩(wěn)定性至關重要。

2.4自適應控制系統(tǒng)設計

此次列車主動懸掛系統(tǒng)設計中，選擇底盤車輪獨立縱臂懸掛方式，尋求著力點。在開展系統(tǒng)線路設計時，可以通過相關算法應用，提升車輛駕駛路線準確性，有效控制前進方向，把握有效距離。在開展系統(tǒng)設計的過程中，可以借助激光雷達開展定位處理，為系統(tǒng)提供必要的導航服務。通過將系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)連接，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行速度的精準控制目標，還能減少系統(tǒng)在設備中產(chǎn)生的負載問題，讓系統(tǒng)能夠高效工作，降低系統(tǒng)工作量[7]。系統(tǒng)電機全部加入速度環(huán)、電流環(huán)，這對于優(yōu)化系統(tǒng)速度誤差，實現(xiàn)高效的功率控制具有積極作用，在點位電機中，通過位置環(huán)設定，確定系統(tǒng)運動方向。在系統(tǒng)底盤以及車輪軌道面之間，要確保有一定的間距，這是為了達到對車輪轉(zhuǎn)速速率的控制，能夠有效避免系統(tǒng)在行進中不按照規(guī)定線路和方向前進。圖1為此次設計的系統(tǒng)自適應控制結構圖。

在實際的系統(tǒng)控制中，有很多控制設備以及通信模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的高效檢測目標，對相關控制效果做好控制，達到集中控制的效果。在進行具體的系統(tǒng)設計中，一般將PLC作為主控單元，將相關數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡作為基礎和前提，確保整體控制效果實現(xiàn)。在控制系統(tǒng)啟動前，可以在集控臺中進行信息發(fā)布，在現(xiàn)場條件達到啟動需求的情況下，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自主啟動[8]。在實際的系統(tǒng)控制中，主要是以自動控制為目標，相應設備的連接安裝也需要符合流程，進行中央控制臺的啟停操作，保證控制臺實現(xiàn)對設備的精準有效控制目標，可以有效防止閉鎖問題產(chǎn)生。要確保系統(tǒng)的集中監(jiān)控目標實現(xiàn)，在設備實際運行中，需要做好對異常狀態(tài)和信號的報警處理工作，以便及時提醒相關工作人員，做好對異常信號的及時正確處理。在列車主動懸掛系統(tǒng)控制系統(tǒng)設計中，借助I/O控制系統(tǒng)使用，將主控計算機應用到故障診斷系統(tǒng)中，實現(xiàn)對于相關設備實施運行參數(shù)的采集，再借助以太網(wǎng)接口和主控計算機對數(shù)據(jù)通信進行控制，為現(xiàn)場設備操作提供必要支持[9]。

前端設備數(shù)據(jù)采集也會在很大程度上影響系統(tǒng)功能，設計的系統(tǒng)中，具備數(shù)據(jù)采集功能的設備有四個，這些數(shù)據(jù)采集設備和系統(tǒng)一體化設備連接，可以完成二級分布式控制目標。此時一旦出現(xiàn)異常信號。系統(tǒng)會將故障信號和設備故障名稱傳輸?shù)接嬎銠C顯示屏中，進行故障診斷，判斷故障范圍，為故障維修提供必要的信息支持和指導[10]。

2.5系統(tǒng)建模思路

首先，針對鐵道車輛出現(xiàn)的隨機不平順的信號進行整合分析，重點對影響立車垂直振動的軌道水平不平順以及方向不平順兩種振動方式。

以功率譜密度采樣數(shù)值方法來開展低干擾高速軌道譜模擬，通過MATLAB/M文件在仿真環(huán)境中實現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)模擬的度過低干擾高速軌道譜水平不平順以及方向不平順的譜密度曲線和對應解析式曲線一致性比較高，精度也比較理想，這些為鐵道列車縱向主動懸掛控制系統(tǒng)仿真實驗提供了有效的軌道不平順的動態(tài)激勵信號[11]。

其次，進行鐵道列車運行中車輛產(chǎn)生的多自由度隨機縱向振動機理的探究，為顯影自由度列車整車縱向振動模型構建提供相關理論依據(jù)。

最后，通過鐵道立車自由度車輛動力學微分運動方程使用，基于MATLAB以及Simulink環(huán)境下構建列車車體、專項架構以及輪對模型，針對封裝組合成為相應自由度的鐵道列車縱向主動懸掛系統(tǒng)的應用仿真模型，為相應控制策略設計和應用提供有效的車輛模型支持。

3仿真分析

該文選擇使用聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)?？紤]到汽車的行駛地面不平度具有隨機性，汽車行駛速度快慢也有不同原因，行駛過程比較復雜，是動態(tài)系統(tǒng)。其中包含非線性特征，也包含未知變化特征。因此，對于主懸架的控制實際上是比較復雜的。要構建一個精準的地面汽車模型并不容易，懸架系統(tǒng)是非線性機、電、液一體化的動力系統(tǒng)。在電子技術、計算機技術、機械動機學科不斷發(fā)展的進程中，結合現(xiàn)代控制理論，通過合理的選擇控制變阻尼減震器，能夠?qū)⒄駝涌刂圃谧畹退?，促進汽車檔次升級。此外，需要注意的是，懸架系統(tǒng)是強非線性，多自由度系統(tǒng)，其精確建模難度也非常大，所以更適用于模糊控制。這種控制模式就是專門針對非線性系統(tǒng)使用的。其主要特點是允許控制對象沒有精確數(shù)字模型，可以通過語言變量替代數(shù)字變量，在控制中包含大量控制經(jīng)驗和知識，和人的智能行為比較接近?；贏DAMS軟件自身提供的控制工具箱功能單一，對有復雜控制裝置的機械系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)設計需要借助外部控制系統(tǒng)設計軟件來實現(xiàn)。此外，一些控制軟件控制中要構建一個整車模型對于食用者而言是比較艱巨的任務，且難以保證精確度。在科學技術不斷發(fā)展進步的過程中，可以嘗試使用不通過軟件分別在各自使用中的優(yōu)勢發(fā)揮，構建一種集成環(huán)境——聯(lián)合仿真方法。現(xiàn)階段，能夠應用于控制系統(tǒng)計算輔助設計的軟件較多，包含MATLAB/MATRIX等，在眾多仿真語言以及仿真軟件包中，MATLAB通過模塊化計算方法應用，實現(xiàn)可視化與智能化的人機交互，具備豐富的矩陣運算功能，能夠進行數(shù)據(jù)處理函數(shù)以及圖形繪制，是目前控制系統(tǒng)設計和仿真領域比較受歡迎的一種軟件[12]。

在進行仿真訓練中，假設軌道條件為B級，車速為60 km/h，研究模糊控制策略下的控制效果，對于車輛控制前后的車身垂直及速度響應、車身俯仰角加速度響應、車身側(cè)傾角就讀響應等參數(shù)進行記錄。在仿真實驗中，需要對多種不同的模糊控制模式下的車輛穩(wěn)定性指標進行記錄。從仿真結果來看，通過模糊控制措施的有效實施，整車車身垂直加速度響應、車身俯仰角加速度響應以及車身側(cè)傾角加速度響應的衰減效果都比較理想，且實驗中的車輪胎動變形的情況也得到了明顯緩解，懸架動行程效果不是十分突出，但是也有一定作用。

通過構建相應的列車整車懸架模型，構建對垂直運動的模糊控制器以及其他的模糊控制器，車體采用不同方式的控制規(guī)則，結合相應力學合成，對于促進列車主動懸掛系統(tǒng)優(yōu)化，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和舒適性有很好的效果。構建的不同運動的模糊控制器，要比單一的使用同一類型的模糊控制器控制效果明顯更好，以此構建的主動懸掛控制系統(tǒng)的舒適性以及操縱穩(wěn)定性也更優(yōu)良。

4結語

該文探究鐵道列車主動懸掛系統(tǒng)的模糊控制策略，研究一種模糊控制器設計，通過構建整車模型，通過一種控制策略應用，在仿真模擬中發(fā)現(xiàn)，這種控制模式下的鐵道列車車身垂直加速度有顯著改善作用，相應懸架動行程變化不明顯，但是車輛車輪變動改善效果突出。研究發(fā)現(xiàn)，垂直振動模糊控制器、俯仰振動模糊控制器、傾角振動模糊控制器以及邏輯控制器的綜合使用，可以有效促進控制效果的改善。綜合使用相關模糊控制器，可以促進在相同的仿真背景下，鐵道車輛的平順性、舒適度以及操作穩(wěn)定性都有明顯改善。

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作者簡介：李丹丹（1988—），女，碩士，工程師，研究方向為機械—鐵道車輛。