摆式列车机电耦合系统动力学及控制研究

【摘要】： 摆式列车是既有线路上列车提速的重要手段，尤其适合小半径曲线较多的线路，也可用于高速线路上列车的进一步提速。国外摆式列车已经进入了成熟的商业运营阶段，我国在上世纪90年代以后对摆式列车进行了大量研究，但还没有完全掌握其关键技术。本文对摆式列车机电耦合系统动力学问题进行了深入研究，可为我国今后摆式列车的研制提供理论基础。本文的主要工作如下： (1)建立了由多节动车和拖车组成的摆式列车机电耦合系统非线性数学模型，该模型包括车辆子系统、车间连接子系统、弓网子系统、倾摆控制和机电作动器子系统以及制动防滑控制子系统，能够模拟摆式列车的动态运行过程。 (2)首先研究了摆式列车曲线信号的检测方法、倾摆控制指令生成方法和倾摆控制规律。详细讨论了采用线性预测法和神经网络预测法来进行头车倾摆控制信号延时的补偿问题，研究了车体倾摆的P控制和H_∞鲁棒控制方法。仿真分析表明，采用超高时变率能较好地判别摆式列车进出曲线的情况；应用预测方法可有效地补偿头车的倾摆延时，在预测时间较短时线性预测效果较好，而在预测时间较长时神经网络预测效果更好；P控制方法和鲁棒控制方法都能及时准确地跟踪倾摆控制信号，鲁棒控制器有更好的鲁棒性能且控制效果比P控制略好。然后采用本文的曲线检测方法和倾摆控制信号生成方法，对列车线路试验的曲线检测数据进行了处理，并应用本文的摆式列车模型对试验曲线线路工况进行了仿真，通过仿真结果和试验结果的对比，对本文提出的曲线检测方法进行了验证。 (3)对摆式列车的曲线通过动力学进行了深入研究，分析了三类径向转向架曲线通过性能、倾摆时车体的扭转振动对倾摆控制性能的影响以及摆式列车的道岔通过性能。 (4)对摆式列车直线轨道运行平稳性和蛇行运动稳定性进行了仿真研究，分析了列车编组形式、车间连接刚度和阻尼对运行平稳性和蛇行失稳临界速度的影响。通过研究可知，单节车辆模型的横向平稳性要差于列车模型，而列车模型头尾车的横向平稳性要差于中间车辆；适当的车间横向连接阻尼能够改善列车横向运行平稳性；列车模型的临界速度与单车模型相差不大，可以采用单车模型来进行列车运动稳定性的研究。 (5)采用接触网有限元模型和非线性受电弓模型，研究了摆式列车的弓网耦合振动，对摆式列车受电弓横向(倾摆)被动和主动控制进行了分析，设计了受电弓导轨形状，研究了控制信号和控制策略。 (6)建立了制动防滑控制模型，进行了摆式列车制动动力学问题的研究，深入研究了制动过程中轮对的抱死过程和防滑控制以及粘滑颤振问题，并分析了颤振对制动防滑控制的影响。