（光学工程专业论文）摆式列车倾摆系统的模糊控制器研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 据高铁路旅客列车的速度和缩短旅行时间是当今世界铁路的一个重要 发展方向，也是中国铁路交通发展的主要方向，是参与运输市场竞争的有力 手段。由于我国幅员辽阔，有相当多的铁路处于山区，线路坡度大、曲线半 径小、建设标准低，如果按照三大干线标准改造线路使之适应提速要求，铁 路的改建很困难，所需人力物力不亚于修建新铁路，不适合我国目前的国情。 为了在既有线上提高列车运行速度，或在条件较好的既有线上开行高速 列车，不少国家采用了摆式列车来达到这一要求。摆式列车倾摆控制系统是 摆式列车技术的核心环节，是摆式列车成功运营的关键，其可靠性对列车的 安全运行至关重要。由于摆式列车倾摆控制系统是一个复杂的、具有诸多不 确定性及非线性因素的动态系统，故采用常规的线性控制方法很难达到有效 的控制。模糊控制器作为一种新的方法和手段，己被广泛地应用于非线性系 统的控制中，但在机车车辆的控制中的应用少有报道。针对这一问题，本文 研究了摆式列车倾摆系统的模糊控制。 文中首先对摆式列车机电倾摆系统进行建模。然后对该系统分别设计了 模糊控制器、p i d 控制器、模糊自适应p i d 控制器，并做相应的仿真对比分 析。研究结果表明，论文提出的摆式列车倾摆系统模糊自适应p i d 控制在理 论上是可行的。 关键词摆式列车；倾摆系统：模糊自适应p i d 控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t os p e e du pp a s s e n g e rt r a i n sa n dd e c r e a s ej o u m e yt i m ea l eo n eo ft h e t a r g e t so ft h ew o r l dr a i l w a ym o d e m i z a t i o na n da l s oam e a n st oi n c r e a s e c o m p e t i t i o ni nt r a n s p o r t a t i o nm a r k e t i no u rc o u n t r y ，m a n yr a i l w a yl i n e sw h i c h w e r eb u i l ti nm o u n t a i n o u sa r e ah a v eh e a v yg r a d i e n ta n dc u r v e sw i t hs m a l lr a d i u s s oi ti sd i f f i c u l tt oi m p r o v et h e ma n dag r e a ta m o u n to fc o s ti sn e e d e di nt h e m o d i f i c a t i o n o ft h e m t h eu s eo ft i l t i n gt r a i n sc a nr a i s ec u r v i n gs p e e de f f e c t i v e l y , s os o m e c o u n t r i e st a k ea d v a n t a g eo ft h et i l t i n gp a s s e n g e rr o l l i n gs t o c kt os p e e du pt r a i n s t h a tr u no ne x i s t e n c el i n e s t h et i l t i n gc o n t r o ls y s t e mo ft i l t i n gt r a i n si st h ek e y o ft h et i l t i n gt r a i n s s u c c e s s f u la p p l i c a t i o n ，w h o s es a f e t yi sv e r yi m p o r t a n tf o r t i l t i n gt r a i nt ot r a n s p o r tn o r m a l l y 耽cr e l i a b i l i t yo ft h et i t l i n gc o n t r o ls y s t e mi s c r u c i a lt ot h et r a i ns a f e t y c o n s i d e r i n gt h ef a c t t h a tt h et i l t i n gs y s t e mo ft h e t i l t i n gt r a i n i sw o r k i n gi na nu n c e r t a i ne n v i r o n m e n ta n di sn o n l i n e a ri ni t s i n t e r n a l i t y , ac o n v e n t i o n a ll i n e a rc o n t r o lm e t h o di sh a r dt op e r f o r me f f e c t i v e l y f u z z yc o n t r o lh a sb e e nw i d e l yu s e di nn o n l i n e a rc o n t r o ls y s t e m si nm a n yf i e l d s a san o v e lm e t h o d h o w e v e r , t h e r ea r ev e r yf e wp u b l i s h e ds t u d i e sc o n c e r n i n g t h i sm e t h o du s e di nt h ec o n t r o lo ft h el o c o m o t i v ea n dr o l l i n gs t o c k t h ef u z z y c o n t r o ls t r a t e g i e sf o rt i l t i n gc o n t r o ls y s t e ma r er e s e a r c h e di nt h i st h e s i s f i r s t ，t h em e e h a t r o n i ct i t l i n gs y s t e m sm a t h e m a t i cm o d e lw a ss e tu p t h e n t h ef u z z yc o n t r o l l e r , p i dc o n t r o l l e ra n df u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rw e r e d e s i g n e da n da n a l y z e dr e s p e c t i v e l yf o rt h et i l t i n gs y s t e m s 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a t t h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o lm e t h o do ft h et i t l i n gs y s t e mi s p r a c t i c a b l e t h e o r e t i c a l l y k e yw o r d s ：t i l t i n gt r a i n ；t i l t i n gs y s t e m ；f u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文。第1 页 1 1 本文的选题背景 第一章绪论 出于经济和环境因素的影响，诸多国家纷纷借助于摆式列车技术以实现 提速【1 】【2 1 1 3 1 1 4 5 】【6 】。车体倾摆控制是摆式列车的关键技术之一。倾摆控制问题 属于车辆主动悬挂理论的研究范畴。但由于其研究内容的系统性、丰富性及 研究对象的复杂性及其实际应用所取得的社会、经济效益等多方面原因，自 8 0 年代末期逐渐被人们当作专门的技术理论课题来进行研究。在车辆主动 悬挂理论研究近3 0 年研究历史上，相继出现了很多有关主动悬挂方面的新 理论，新方法【7 1 【8 1 1 9 l 【1 0 l 【1 1 1 。但有关系统论述摆式列车控制系统理论与设计方 法方面的文献却十分罕见。这种现象一方面处于商业方面的原因，另一方面 则是由于摆式列车被控对象及其运动环境的复杂性，使得摆式列车的控制系 统的设计只能局限于通过试验的方法来进行 1 2 1 。 考虑到摆式列车控制系统工作于车辆、轮轨这样一个时变的且具有诸多 不确定因素的复杂环境中，对控制系统的要求是十分严格的。首先要求车体 倾摆控制系统不仅能在正常情况下稳定工作；而且在环境参数变动及随机激 振噪声( 包括蛇行运动噪声) 频谱不固定的干扰情况下，仍然具有相当的鲁 棒性能。其次，控制系统要能给出优化的控制策略，满足旅客舒适度指标。 摆式列车运行环境的不确定性主要包括被控对象模型的不精确性。轮轨蛇行 运动特性及轨道不平顺激振噪声等：模型参数变动主要来自硬件系统的参数 飘逸，车体载荷时变特性等。而旅客舒适度指标本身则具有统计的特性，随 地区、个体而有差异，通常是通过试验统计的方法来确定u 别【1 4 j l ”l 。 模糊控制在处理不确定性问题上具有很强的优势i - 6 1 t 7 1 1 t q 。对此，本文在 概述摆式列车基本控制原理的基础上，探讨模糊控制方法在摆式列车倾摆控 制系统设计中的应用问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 摆式列车提速原理 1 2 1 常规车辆通过曲线时的离心力和离, b 力r j 速度 车辆以速度v 通过半径为r 的曲线时，旅客将受到离心力的作用。离 心加速度的大小对旅客的乘坐舒适度有直接的影响。铁路上采用设置外轨超 高的办法来减小旅客所受的离心加速度，其原理如图1 - 1 所示。设置超高以 后，旅客本身重力在轨道平面内将有一个指向曲线内侧的分量。由于这个分 量的作用，旅客所受的横向离心力将有所降低。 不难求得在设置超高以后，旅客所承受的离心加速度为 ”睁鲁) g 。 式中：v _ 车辆通过曲线时的速度，m s r 曲线半径，m s 轨距，m m b 外轨超高，m m g 一重力加速度，9 g l m s 2 图1 - 1 曲线有超高时作用于旅客身上的力 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 式( 1 1 ) 两端同乘以s 并令k - a 。s g 则得： 丸一等一 z ， 如果) 0 即离心加速度大于重力加速度横向分量，则称为欠超高。 kt 0 即离心加速度小于重力加速度横向分量，则称为过超高。 ：o 即离心加速度等于重力加速度横向分量，此时称列车的运行 速度为平衡速度( 或均衡速度) 。 由于客、货运列车的行车速度不同，因此在设置线路超高时要两者兼顾。 在实际运用中这就很容易出现旅客列车出现欠超高而货运列车出现过超高 的情况。有关资料【1 9 】表明最大欠超高值的确定取决于以下三个因素： ( 1 ) 不因超高值过大而导致车轮爬上钢轨。 ( 2 ) 不因横向力太大而使轨道失去稳定。 ( 3 ) 保证旅客一定的乘坐舒适度。 资料f 冽研究表明未被平衡的离心加速度与旅客的感觉可分为如下几种 情况： ( 1 ) a ，如0 4 9 ，旅客对未被平衡的离心加速度无感觉。 ( 2 ) a ，= o 0 5 9 ，旅客能察觉未被平衡的离心加速度，但无不舒服感觉。 ( 3 ) a = o 0 7 7 9 ，一般旅客能长时间承受的未被平衡加速度。 ( 4 ) a ，= 0 1 9 ，一般旅客能承受的不频繁的未被平衡的离心加速度。 国外铁路大多采用按未被平衡的离心加速度作为评价旅客舒适度的标 准，规定： 在较好的线路上，旅客列车的未被平衡加速度a t 0 0 5 9 。 在山区和提速线路上，口0 0 7 7 9 ，最大不超过0 1 9 。 我国铁路采用限制最大欠超高的方法来保证车辆过曲线时旅客所要求 的舒适度，按铁路设计规定： ( 1 ) 在等级较高的线路上，旅客列车的欠超高 0 、比0 ，由于在。点时，偏差e 很大，为使系 统输出趋向稳态值的速度应越快越好，即以消除偏差为主， 取较大的蜀、较小的群和较大的砀。当p 较小时，为了使 系统的超调量减小和保证定的响应速度，应取较小的墨， k ，和k 。的数值大小要适中。 ( 2 )当接近a 点时，e 很小。为使系统具有较小的超调量。比例 值要增大、积分值要减小，而微分量要取适中。当离开a 点 时，e o ，系统向偏差大的方向变化，此时比例值要减小、 积分值要增大，而微分量要取适中。 ( 3 )当e 等于零且e c 较小时，为使系统具有良好的稳态性能，比 例值和积分值要取中等大小。同时为了避免系统在设定点出 现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，微分值的大小应视偏差 变化率卵的值而定。 结合上述控制规律，建立合适的模糊控制规则表，如表4 3 、表4 - 4 、 表4 - 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 表4 - 3 丛p 的模糊控制规则表 长 n bn mn sz o p sp mp b n bp bp bp mp m p sz 0z o n mp bp bp m p sp sz 0n s n sp mp mp m p sz on sn s z op mp m p sz on sn mn m p sp sp sz 0n sn sn mn m p mp sz on sn mn mn mn b p bz oz on mn m n mn bn b 表4 - 4a k l 的模糊控制规则表 e cn bn mn sz o p sp mp b 八 n bn bn bn m n mn sz oz o n mn bn bn mn sn sz oz o n sn bn mn sn sz op sp s z on mn mn sz 0 p sp mp m p sn mn sz 0p sp sp mp b p mz oz op sp sp mp bp b p bz 0z 0p sp mp mp bp b 表4 - 5 斌d 的模糊控制规则表 影 n bn mn sz op sp mp b 卜 n bp sn sn bn bn bn mp s n mp sn sn bn m n mn sz 0 n sz 0n sn sn sn sn sz o z oz on sn sn sn sn sz o p sz oz 0z 0z oz oz oz o p mp bn sp sp sp sp sp b p bp bp mp mp mp sp sp b 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 4 4 3 量化因子及比例因子确定 如前所述，在模糊控制器中，误差不能直接输入给模糊控制器。同样生 成的模糊控制量也不能直接输出作用于系统，而应该通过模糊量化与比例放 大后才能作用于系统。这就涉及到如何选取误差、误差变化率输入量化因子 k 、疋及输出变换比例因子k 。、瓦、瓦问题。 输入量化因子及输出比例因子的选取具有一定的主观性，其选取原则如 3 4 4 节模糊控制器的相应因子的选择。一般地：输入量化因子取决于响应 曲线中的最大超调量：输出比率因子取决于初始p i d 参数，同时还与希望 达到的响应性能有关，须不断试凑。通过对比仿真，取误差、误差变化率范 围为【一2 ，2 】、【一5 0 ，5 0 】；取比例、积分、微分输出控制量范围分别为【一0 3 ，0 3 1 、 - o 0 6 ，0 0 6 、【- 3 ，3 】- 由计算得： 尼p b - n b 6 - ( - 6 ) 3a i - 展一q2 - ( - 2 ) 一篙。丽6 - ( 丽- 6 ) - 0 1 2 靠一船f 1 3 一- - 舾c l 业一睾等一o 0 5 k。上_至o06-(-o06)001 一j 留一n b 6 一【一6 ) 瓦一而- - 1 3 i 一面3 - ( 丽- 3 ) o 5 式中邸、吗分别为偏差的最小值、偏差变化率的最小值、输出控制量的 最小值。展、绞、岛分别为偏差的最大值、偏差变化率的最大值、输出控制 量的最大值。 4 5 倾摆系统模糊自适应p i d 控制器仿真建摸 将模糊自适应p i d 控制算法应用于倾摆控制系统中。模糊自适应p i d 倾摆控制系统的s i m u l i n k 仿真模型如图4 - 6 所示1 7 3 1 。在系统运行过程中， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 根据偏差e 、偏差变化率贸模糊化后，在模糊控制决策表中实时地查出 丛p 、蝎、脚( d ，再分别乘以各自的比例系数得到、局、。利用式 ( 4 4 ) 、( 4 5 ) 、( 4 - 6 ) ，即可计算出实时的p i d 控制参数。 4 6 本章小结 图4 6 模糊自适应p i d 倾摆控制系统仿真模型 本章首先介绍了传统p i d 控制的原理，并利用先前实验研究所得的结 果建立倾摆p i d 控制系统仿真模型。然后，介绍了模糊自适应p i d 控制的 原理，并针对模拟车体倾摆系统设计了其模糊自适应控制器。最后，建立了 模糊p i d 倾摆控制系统的仿真模型。本章所建立的两种控制器仿真模型为 第五章的对比仿真分析做了充分的准备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 第五章摆式列车倾摆控制系统仿真分析 5 1 控制系统动态性能仿真分析 仿真模型分别如图3 2 、4 2 、4 - 6 所示。仿真参数：输入信号为阶越输 入、采样周期取0 0 1 秒、设定仿真时间为1 0 秒、允许误差为o 0 0 1 。仿真 时分别考虑了系统中无反馈滤波器、有反馈滤波器两种情况【6 9 】。 5 1 1 系统作动器位移输出无滤波器 | f 图5 - 1 倾摆系统模糊控制阶越响应( 无滤波器) 在该种情况下，仿真结果分别如图5 1 、图5 2 、图5 3 所示。可见，此 时，模糊控制器的动态响应速度最慢；模糊自适应p i d 自适应控制的系统 反应速度最快，但与采用传统的p i d 控制相比相差很小。可见，传统p i d 控制在此时已能达到很好的效果。除此之外，还可以看出文中所建的倾摆系 统的p i d 控制仿真结果与车体倾摆实验台的系统阶跃响应试验结果比较接 近1 7 ”，说明文中所建的系统模型基本正确。 商南交通大学硕士研究生学位论文第4 6 页 图5 - 2 倾摆系统p i d 控制阶越响应( 无滤波器) 图5 - 3 倾摆系统模糊自适应p i d 控制阶越响应( 无滤波器) 5 1 2 系统作动器位移输出有滤波器 仿真结果分别如图5 4 、图5 5 、图5 6 所示。可见，在考虑反馈滤波时， 模糊自适应p i d 控制性能明显优于传统p i d 控制：在响应时间相差不大的 情况下，模糊自适应p i e ) 控制的系统的超调量远小于传统p i d 控制。且传 统p i d 控制存在稳态误差。而模糊p i d 控制通过自整定参数，增加积分比 例系数的数值，最终消除该误差。图5 7 、5 - 8 、5 - 9 即为各参数的自适应调 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 7 页 整曲线图。 相对于p i d 控制及模糊自适应p i d 控制，模糊控制的系统超调量最小， 但也存在稳态误差。 i - j ，一 、 k 图5 4 倾摆系统模糊控制阶越响应( 有滤波器) 厂厂 了锣q 丁一 v v j 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 8 页 ，、 a ：2 涟泠恕 导h o ，舄。 二守 图5 - 6 倾摆系统模期自适应p i d 控制阶越响应( 有滤波器) 八 正 妒洽 。f 、? - - - 毽 图5 - 7 巧的自适应调整 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 9 页 八 滁& 晦k ：，“ w v 图5 - 8k 的自适应调整 坠 一 _ 。 - 即 - f - 厂盼 t 7 “ 八 y 6 、 酊 、 7 图5 - 9 岛的自适应调整 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 0 页 5 2 控制系统随动性能仿真分析 前面对系统的仿真分析，只是为了对比验证系统的动态性能。由于实车 参考输入在每一个通信周期内更新次，相当于一通信周期为周期的方波信 号，而对控制器的要求就是：在每一个通信周期内跟踪上给定值。因此，数 值仿真时，还应取方波信号作为参考输入。 以方波信号作为参考输入，对图3 5 、4 2 、4 - 6 所示的仿真模型进行数 字仿真，仿真时分别以下列三种情况进行1 7 5 】： 1 无摄动情况下的数字仿真 2 被控对象有随机噪声输入 3 被控对象存在摄动同时有随机噪声输入 对于上述系统仿真模型，主要考虑其跟踪性能和噪声抑制能力。由一般 跟踪系统的性能要求可知，控制的目的是要求被控对象输出能较好鲍跟踪参 考输入，尤其是在被控对象数学模型不精确或被控对象存在摄动及有噪声输 入时，仍能使跟踪效果达到要求。 5 2 1 无噪声输入无摄动时 图5 1 0 、5 1 1 、5 - 1 2 分别是上述三个倾摆控制系统对参考输入方波信 号的跟踪输出，其中方波信号的周期为2 秒，幅值为1 ，各图中时同单位为 秒。此时闭环仿真系统没有量测噪声输入，被控对象也没有摄动即被控对象 的传递函数是我们在第二章中采用的模型，我们视此模型为名义对象模型。 由三个图可以看出，在该种情况下，模糊自适应p i d 控制器与传统p i d 控 制器的跟踪性能大致相当，都没有超调。且调整时间都很短。相对来说，倾 摆系统的模糊控制所需调整时间较长，且跟踪效果不及前面两种控制器。图 5 1 3 、5 1 4 、5 1 5 分别为各系统中仿真输出控制量大小的示图。由各图可以 看出，模糊控制系统与p i d 及模糊自适应p i d 控制系统相比，所需的控制 量较小。这在工程应用中是十分有利的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 1 页 r r ， f 图5 1 0 闭环系统跟踪输出结果( p m 控制器) 厂厂厂厂 厂 l ， 1i 1i j lllll 图5 1 1 闭环系统跟踪输出结果( 模糊控制器) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 2 页 ， f f li 图5 1 2 两环系统鼹踪输出结果o 映糊自适应p m 控制器) l fl i i 圈5 - 1 3 闭环系统控制量大小( p m 控制器) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 ( ：j k l ；一 ， (ff ， 图5 1 4 闭环系统控制量大小( 模糊控制嚣) i f f f f 图5 1 5 钉环系统控钢量大小( 模糊自适应p i d 控制器) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 4 页 5 2 2 系统有随机噪声输入时 为了考察所设计的各控制系统的干扰抑制性能，在系统数字仿真中加入 随机干扰白噪声。其中自噪声的强度为0 0 0 0 1 ，采样时间为0 0 1 秒。通过仿 真可知设置为此参数时白噪声绝大部分在o 2 _ - o 2 之间，如图5 1 6 所示， 其单位与参考输入的量纲相同，如输入为位移，则噪声输入单位也为位移单 位。可以认为此时白噪声的幅值即为o 2 。在图3 5 、4 - 2 、4 6 所示的仿真系 统中保持对象模型不变，加入白噪声输入后所得的仿真结果如图5 1 7 、s 1 8 、 5 1 9 所示。由各图可看出，p i d 控制系统及模糊自适应p i d 控制系统在有 噪声输入时其跟踪输出振荡显著、超调大。模糊控制系统输出平稳，无显著 振荡，显示出了较好的干扰抑制能力。 图5 - 1 6 白噪声幅值 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 5 页 舢牲舳w 6 舯 i 蚋 埽 脚 甲 图5 - 1 7 有噪声时的系统跟踪输t b ( p m 控制器1 r r ff 厂 o kl 1e 图5 1 8 有噪声时的系统跟踪输出( 模糊控制器) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 6 页 瑚 出山地 晰 v 。”旷1 印 i 。肿“山，h 枷 脚 y w lw 图5 1 9 有噪声时的系统跟踪输出( 模糊自适应p m 控制器) 5 2 ，3 被控对象存在摄动同时有随机噪声输入 由于摆式列车倾摆控制系统结构复杂，其物理机理繁琐，因此只能采取 理论模型作为名义对象模型。同时由于无法从机理上来研究其系统内部的摄 动情况，所以文中在考虑被控对象的摄动情况时，是从对象的传递函数上入 手的。尽管这与实际的系统模型摄动可能有差别，但也从一些方面反映了被 控对象模型的变化以及系统内部参数的改变，仍然具有参考价值和意义1 7 4 。 在仿真中，仍以方波为参考输入信号，分别考察三个闭环仿真系统的跟踪输 出。改变被控对象传递函数参数时，以分母系数( 0 0 2 0 7 3 s 2 + 6 2 8 3 s ) 为主。 同时为了综合反映模型的摄动，文中主要考虑参数同时变化的情况，力争对 模型摄动有最接近的反映。在此情况下对各系统进行仿真即为考查各系统在 模型摄动时的干扰抑制性能。将对象传递函数的分母参数综合改变，取其中 几组值来验证各仿真系统的干扰抑制性能。 ( 1 ) 将一次、二次项系数分别变为0 0 1 0 7 3 、5 8 8 3 。各控制系统的仿真 结果分别如图5 2 0 、5 2 1 、5 2 2 所示。由各图可见，在有随机噪声输入的情 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 7 页 况下，模糊控制系统对高频噪声的隔离作用比模糊自适应p i d 控制系统及p i d 控制系统要好一些。p i d 控制系统和模糊自适应p i d 控制系统的跟踪输出振动 更加频繁且振动幅度很大；而模糊控制系统输出振幅很小。 础 。“& t 脚 _ n 1 j6 聃 虬 u 蜥。 w 帅 甲w 1m ” 图5 - 2 0 有摄动有噪声时系统跟踪输出( p m 控制器) 。7 v w ? 一。rrr ， f ； l il 一kl l v , o 图5 2 1 有摄动有噪声时系统跟踪输出( 模糊控制器) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 8 页 瑚小瀚m 。土。 扩p 、j 黼 泐 枞 i _ 蜘 v 叫” ”叮甲 图5 2 2 有摄动有噪声时系统跟踪输出( 模期自适应p i d 控制器) ( 2 ) 将一次、二次项系数分别变为0 0 3 0 7 、7 2 8 3 。各系统的仿真结果 分别如图5 2 3 、5 2 4 、5 2 5 所示。由图可见，f i d 控制系统和模糊自 适应p i d 控制系统的输出振动幅度大且频率快，而模糊控制系统对随 机噪声有着很好的隔离效果，且振动幅度较小a 4 h 幽 -肌 懈r v 。1 厂v j 心 山。 锻 脚 5 - 2 3 有摄动有噪声时系统跟踪输出( p m 控制器) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 9 页 f 厂”f广厂 f o气l 1c 1 t t 5 - 2 4 有摄动有噪声时系统跟踪输出( 模糊控制器) ，懒壮似懈 肿 汹， h 蛐 坼 脚 盯1r 。i f 【l 图5 2 5 有摄动有噪声时系统跟踪输出( 模糊自适应p m 控制器) 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 5 3 本章小节 本章首先对比仿真分析了三种倾摆控制系统的动态性能。这一部分分为 两种情况进行讨论，即系统中无反馈滤波和有反馈滤波器。分析结果为，在 无反馈滤波器的情况下，模糊自适应p i d 控制系统的动态响应速度最快，但 与采用传统的p i d 控制相比相差很小。故此时采用传统p i d 控制已能达到很好 的性能。在有反馈滤波器的情况下，模糊p i d 控制的系统的超调量远小于传 统p i d 控制。且传统p i d 控制存在稳态误差。而模糊自适应p i d 控制通过自整 定参数，最终消除该误差。此种情况下，模糊控制的系统超调量虽然也最小， 但是也存在稳态误差。 其次，对比分析了三种倾摆控制系统的随动性能。该部分分为三种情况 加以讨论，即无噪声无摄动、系统有随机噪声输入、被控对象存在摄动同时 有随机噪声输入。在没有噪声输入的情况下，模糊自适应p i d 的方波跟随性 能最好，其次是传统p i d 控制，但两者相差不大。相比而言，模糊控制的方 波跟随性能最差。三种控制器中，模糊控制所需的控制量较小，这在工程上 是有利的。在存在噪声输入及模型摄动的情况，可以看出，模糊控制系统具 有良好的跟踪动态特性和优良的干扰抑制性能，对系统的外部随机干扰输入 具有良好的隔离效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 1 页 结论 倾摆控制系统是摆式列车的关键技术之一。其可靠性对列车的安全运行 至关重要。由于摆式列车倾摆控制系统是一个复杂的、具有诸多不确定性及 非线性因素的动态系统，故采用常规的线性控制方法很难达到理想的控制效 果。本文对摆式列车倾摆系统的模糊控制、传统p i d 控制、模糊自适应p i d 控制进行了对比分析研究。研究结果表明： ( 1 ) 针对摆式列车倾摆控制系统这样一个复杂的、具有诸多不确定性和参 数易变的对象环境，为了要使系统良好地工作，满足各种工作性能指 标和要求，应当研究优良的控制策略。 ( 2 ) 在不考虑反馈滤波器的情况下，模糊控制器的动态响应速度最慢。模 糊自适应p i d 控制的系统反应速度最快，但与采用传统的p i d 控制 相比相差很小。可见，传统p i d 控制在此时已能达到很好的效果。 ( 3 ) 在考虑反馈滤波器的情况下，模糊自适应p i d 控制性能明显优于传统 p i d 控制：在响应时间相差不大的情况下，模糊自适应p i d 控制的系 统的超调量远小于传统p i d 控制。且传统p i d 控制存在稳态误差。 而模糊自适应p i d 控制通过自整定参数，最终消除该误差。模糊控制 的系统超调量虽然也最小，但是也存在稳态误差。 ( 4 ) 在没有噪声输入的情况下，模糊自适应p i d 的方波跟随性能最好，其 次是传统p i d 控制，但两者相差不大。相比而言，模糊控制的方波跟 随性能最差。三种控制器中，模糊控制所需的控制量较小，这在工程 上是有利的。 ( 5 ) 在存在噪声输入及模型摄动的情况，可以看出，模糊控制系统具有良 好的跟踪动态特性和优良的干扰抑制性能，对系统的外部随机干扰输 入具有良好的隔离效果。 由于本文所针对的对象只是一个模拟装置模型，因此其本身就具有一定 的不确定性：同时在仿真构造模型摄动时仅仅是改变其传递函数的某些参 数，因而在仿真当中有一定的局限性，与实际的系统不论是在数学模型还是 在构造上都可能有差别。但作为一种控制策略的研究，本文所做的工作不但 具有理论意义，对实际控制系统的设计也具有很好的参考价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 2 页 致谢 作者首先想感谢机车车辆研究所及z f s a c h s 奖学金三年来对我的资 助。 在此作者还要感谢“三情”： 其一日师情。 作者从选题，到论文的撰写评阅，导师的心血历历在目。因此，作者首 先要向导师陈康老师表示真诚的感谢! 古人有训，一字可成师。三年来，由于作者痴顽愚钝，为完成学业凡事 向人求教的数不胜数，其中既包括研究所的各位老师，还有研究所的全体同 学们、师兄弟们。作者特别想感谢罗世辉老师。 其二是友情。 这里作者主要由衷地感谢那些曾经和正在仍然勤奋地奋斗在自己的科 研岗位上的同学、师兄弟姐妹们! 是和他们在一起的共同努力才使我今天顺 利地完成了学业，他们所共同营造的团结、友爱、乐观、向上的氛围，是作 者进行科研创作的土壤。 三年来，和不少老师的交往中，作者也亲身地感受到了很多朋友般的体 贴，因此，相对于老师，作者更愿意把他们看作朋友。 朋友如一杯醇酒，弥久愈香! 三年来，和各位同学、师兄弟、室友、老 乡们、老师们朝夕相处的故事，既有初识寒暄之涩，又有相聚畅谈之快，既 有同室苦读之辛，又有偶有所成之趣，既有琐事烦心之苦，又有互幽一默之 乐，既有抒发郁闷之优，又有杯酒相聚之畅，点点滴滴都会让作者终身 回味! 其三乃亲情。 作者要在这里特别地深深地感谢自己的父母、弟弟，虽然遥隔千里，但 正是他们的关怀、爱护和支持，才是作者前进的无穷动力! “慈母手中线， 游子身上衣。”作者他乡求学，赖以陪伴的亲情，是超越时空，超越地域， 最让人感动的! 因此，作者由衷地向自己的父母、弟弟送去最美好最崇高的 敬意、感谢和祝福。“谁言寸草心，报得三春晖”，作者的成绩深信将是他们 最好的慰籍和骄傲! 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 3 页 作者还要尤其地感谢自己的女友薛莲女士! 是她拂去了作者科研中 的辛酸和困惑，使作者能以放松的心态，清醒的头脑投入到紧张的工作之中。 患难与共，才能现真情! 她对作者的帮助和鼓励是无以替代的。 三年寒窗，披星戴日，匆匆而过。想来要感谢的人实在太多! 虽然没有 从俗地将他们的名姓一一列志在此，但作者深信，但凡读至于此，必定知之。 求知是无止境的，这种师情、友情、亲情必将延续，永远 刘后广于成都 2 0 0 7 年5 月1 6 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 4 页 参考文献 【1 】h e i n i s c h ， r d b s t i l t i n g f l e e tw i l lb e e u r o p e sl a r g e s t i n t e n a t i o n a lr a i l w a y j o u r n a l 2 0 2 1 ( 1 9 9 5 ) 【2 】k n u t t o n ，m j a p a n s f i r s ts h i n k a n s e nt r a i nw i t ha c t i v e t i l t i n g ：a n e w g e n e r a t i o no fj a p a n e s eh i g h - s p e e dt r a i n ，t h e3 0 0 k m hn t 0 0 ，w i l lb e g i nt e s t r u n sn e x ty e a r ：i n t e r n a t i o n a lr a i l w a yj o u r n a l ( 2 0 0 4 ) 【3 】r o d e n ，a v i r g i ng e t st og r i p sw i t hi t sn e wt r a i nf l e e t ：t h ei n t r o d u c t i o no f 2 0 0 k m hp e n d o l i n oo m u so nv i r g i nw e s tc o a s t ，b r i t a i n ，p o s e dh u g e t e c h n i c a la n dt r a i n i n gc h a l l e n g e s - - b u tt h e5 3 - t r a i nf l e e ti sf i n a l l yp r o v i n g i t sr e l i a b i l i t y i n t e n a t i o n a lr a i l w a y j o u r n a l ( 2 0 0 5 ) 【4 】c h e n a i s ，j - e h ，l a u r e n t ；p a l a i s ，g e o r g e s a m 6 1 i o r a t i o n d uc o n