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原文传递单轴转向架跨座式单轨车辆稳定性主动控制研究

论文题名：	单轴转向架跨座式单轨车辆稳定性主动控制研究
关键词：	单轴转向架跨座式单轨车辆;主动控制;动力学模型;姿态稳定性
摘要：	跨座式单轨交通作为一种特色鲜明的城市轨道交通制式，具有广阔的应用前景。跨座式单轨车辆主要有两种结构类型，即双轴转向架跨座式单轨车辆和单轴转向架跨座式单轨车辆。与双轴转向架跨座式单轨车辆相比，单轴转向架跨座式单轨车辆主要针对中小运量城市的轨道交通，具有轻量化、低地板、转弯半径小等优点，实车运行发现，单轴转向架跨座式单轨车辆的稳定性比双轴差，尤其是摆振问题突出，俯仰振动和垂向振动不易控制，小曲线通过姿态稳定性需要提高，这些问题都会对行车安全、结构疲劳和乘坐舒适产生重要影响。因此，为了提升单轴转向架跨座式单轨车辆的运行品质，提高单轴转向架跨座式单轨车辆的稳定性，开展单轴转向架跨座式单轨车辆稳定性主动控制十分必要。　　本文以单轴转向架跨座式单轨车辆为研究对象，进行了单轴转向架跨座式单轨车辆的失稳机理分析，建立了基于主动控制的单轴转向架跨座式单轨车辆动力学模型，开展了单轴转向架跨座式单轨车辆稳定性主动控制系统和相关控制算法的研究，形成了设计方案。本文的主要研究内容和结论如下：　　（1）对单轴转向架跨座式单轨车辆失稳机理进行了分析。建立了基于多体动力学理论的单轴转向架跨座式单轨车辆的车辆-轨道耦合动力学模型，通过实车振动试验验证了本文所建立的动力学模型的准确性，分析了单轴转向架跨座式单轨车辆失稳的结构原因和力学成因，通过仿真实验将单轴和双轴转向架跨座式单轨车辆进行了对比，仿真结果表明：相对于双轴转向架跨座式单轨车辆，单轴转向架跨座式单轨车辆的稳定性较差，尤其是摆振特别剧烈。　　（2）对单轴转向架跨座式单轨车辆稳定性主动控制方案及评价指标进行了研究。分析了汽车和铁道车辆当前的控制方案和相关研究，提出了基于主动控制的单轴转向架跨座式单轨车辆稳定性控制方案，建立了单轴转向架跨座式单轨车辆主动控制动力学模型，并给出了单轴转向架跨座式单轨车辆稳定性评价指标，为后续进行单轴转向架跨座式单轨车辆稳定性主动控制深入研究奠定了基础。　　（3）对单轴转向架跨座式单轨车辆稳定性控制电液伺服作动器进行了研究。针对电液作动器的非线性控制问题，分析了其动态特性，建立了电液作动器的非线性模型，设计了线性自抗扰控制器用于作动器的力跟踪，通过仿真分析验证了该算法在提高作动器跟踪精度和响应速度的有效性。　　（4）对单轴转向架跨座式单轨车辆摆振的主动控制进行了研究。提出了一种车体的横向控制器和横摆控制器并联的摆振协调控制策略，将两个期望力分解到四个横向电液伺服作动器上。结合滑模控制理论，基于天棚阻尼控制的主动控制模型，设计了基于参考模型的滑模控制器，对单轴转向架跨座式单轨车辆的横向加速度和横摆角加速度进行了控制。研究结果表明：相比于被动控制，滑模控制的单轨车辆的横向加速度均方根值降低了62.63%，横摆角加速度均方根值降低了58.15%，横向平稳性指标降低了27.88%，所设计的控制算法有效地提高了单轴转向架跨座式单轨车辆的稳定性。采用卡尔曼滤波算法对控制后的振动状态进行估计，验证了本文所提出的控制算法的有效性。　　（5）对单轴转向架跨座式单轨车辆多维振动的主动控制进行了研究。提出了一种车体的横向控制器、垂向控制器、侧倾控制器、俯仰控制器和横摆控制器并联的多维振动控制策略，将五个期望力分解到四个横向和四个垂向电液伺服作动器上。将模糊控制、神经网络控制和PID控制相结合，设计了单轨车辆的ANFIS-PID控制器，实现了单轴转向架跨座式单轨车辆的横向振动、垂向振动、侧倾振动、俯仰振动和横摆振动的多维振动控制，研究了在随机不平顺激励和指形板激励下，不同车速对单轴转向架跨座式单轨车辆多维振动控制的影响。　　（6）对单轴转向架跨座式单轨车辆曲线通过姿态稳定性的主动控制进行了研究。建立了单轴转向架跨座式单轨车辆的曲线线路模型，提出了一种曲线通过姿态稳定性控制的策略，设计了单轨车辆的串联线性自抗扰控制器，对单轴转向架跨座式单轨车辆的侧倾角进行了控制。研究结果表明：相对于被动控制，在空载工况下，串联线性自抗扰控制的单轨车辆最大侧倾角降低了22.67%；在满载工况下，串联线性自抗扰控制的单轨车辆最大侧倾角降低了24.80%。所设计的控制算法能有效提高单轴转向架跨座式单轨车辆的曲线通过姿态稳定性。
作者：	辛亮
专业：	交通运输工程;载运工具运用工程
导师：	杜子学
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2021