铁道车辆半主动悬挂可行性分析报告

1、铁道车辆半半主动悬悬挂可行行性分析析报告1. 车辆辆悬挂系统概述述十年来，中中国铁路路连续实实施六次次大提速速，旅客客列车的的运行速速度不断断提高，对对车辆运运行平稳稳性的要要求也越越来越高高。铁道车车辆速度度的提高高，使其其在铁路路运行时时的振动动随之增增加，车车辆剧烈烈振动也也会损伤伤车辆结结构，轮轮轨之间间的作用用力和车车辆振动动达到一一定程度度后还会会影响行行车安全全。控制制车辆振振动是铁铁道车辆辆提速并并改善其其平稳性性的关键键技术。为为了改善善铁道车车辆的乘乘坐舒适适性和运运行平稳稳性，一方面面可以提提高线路路的质量量状况，另一方方面则可可以提高高悬挂系系统的性性能。要要提高线线路

2、的质质量状况况，需要要投入巨巨额的费费用。此此外，线线路的改改造也很很复杂，而而目前我我国一些些线路受受条件限限制难以以改造。因因此，车车辆的乘乘坐舒适适性和运运行平稳稳性只能能依靠悬悬挂系统统的减振振性能来来提高。设设计合适适的悬挂挂系统改改善车辆辆的性能能，是一一种经济济、有效效的途径径，对于于正在进进行的铁铁道车辆辆研究具具有重要要意义。铁道车辆的的悬挂系系统与两两个主要要性能即即平稳性性和稳定定性密切切相关。目前应应用的悬悬挂系统统主要有有三种：被动悬悬挂，全全主动悬悬挂和半半主动悬悬挂。传传统的被被动悬挂挂系统由由于其弹弹性元件件和阻尼尼元件的的参数不不能实时时调节，因因而不能能使铁

3、道道车辆的的乘坐平平稳性和和操作舒舒适性同同时达到到最优。全全主动悬悬挂系统统结构复复杂，成成本高，因而难以得到应用。阻尼可调的半主动悬挂系统与全主动悬挂系统相比，虽然对振动控制的性能略差，但其结构相对简单，价格低廉，同时，在控制品质上又能接近于主动悬挂，因而有着广阔的应用前景。特别是磁流变减振器的出现，加快了半主动悬挂产业化的进程。在目前铁道车辆营运速度迅速提高的情况下，采用阻尼调节的半主动悬挂系统应用前景广阔。2. 列车车的三种种悬挂方方式以及及他们之之间的分分析比较较（1）.列列车的三三种悬挂挂方式1）.被动动悬挂传统的铁路路铁道车车辆悬挂挂系统由由弹性元元件和阻阻尼元件件组成，它它们在

4、工工作时不不消耗外外界能源源，故称称为被动动悬挂。这这种悬挂挂系统简简单可靠靠，易于于实现，可可以在一一定程度度上满足足铁道车车辆对动动力学性性能的要要求，但但由于被被动悬挂挂的参数数在车辆辆运行的的过程中中无法实实时调节节，难以以解决运运行线路路断面的的多样性性和悬挂挂参数单单一性、列列车运行行速度的的不定性性与传统统悬挂参参数的一一定性之之间的矛矛盾，被被动悬挂挂系统的的适应性性比较差差，因而而无法适适应列车车高速运运行时对对动力学学性能的的更高要要求。被被动悬挂挂系统只只能根据据车体与与转向架架间的相相对速度度产生阻阻尼力，而而实际所所需阻力力应由速速度、位位移及加加速度多多种因素素决定

5、:，而且且被动悬悬挂系统统只能在在一定条条件下对对铁道车车辆作衰衰减振动动，难以以适应在在复杂多多变的线线路上高高速运行行的列车车对动力力学性能能的要求求。针对对被动悬悬挂存在在的缺陷陷，600年代提提出了铁铁道车辆辆的主动动悬挂。2）.主动动悬挂在悬挂系统统中加入入力发生生器（作动器器）的装置置称为主主动悬挂挂。主动动悬挂系系统由于于需安装装测量传传感装置置、作动动器及控控制装置置，会不不可避免免地提高高列车成成本，同同时由于于列车结结构空间间的限制制，若在在极有限限的空间间中安装装作动器器，势必必导致列列车结构构更加复复杂，复复杂的主主动作动动器和车车辆结构构可能影影响可靠靠性并带带来高昂

6、昂的维护护费用。不不仅如此此，主动动悬挂系系统无论论采用何何种形式式的作动动器，都都将大量量消耗外外界附加加能量。虽虽然设备备及结构构的复杂杂性可通通过技术术的日益益成熟来来解决，成成本高昂昂也可通通过大批批量生产产来解决决，但能能量消耗耗过大是是主动悬悬挂固有有的缺陷陷，唯有有通过原原理的改改进来解解决，因因而在普普及上尚尚有困难难。目前前，主动动悬挂主主要用于于高速列列车。3）.半主主动悬挂挂在悬挂系统统中需要要输入少少量能量量的，具具有可调调阻尼的的装置称称为半主主动悬挂挂。它是是美国加加州大学学戴维斯斯分校机机械工程程系D.E.KKamoopp教教授等人人于19974年年提出来来的11

7、,2,3。1 KKarnnoppp DCC annd TTrikkha AK. Coompaarattivee sttudyy off opptimmizaatioon ttechhniqquess foor sshocck aand vibbrattionn issolaatioon. Jouurnaal oof EEngiineeerinng ffor Inddusttry 19969,1122811332.2 KKarnnoppp DCC annd CCrossby MJ. Thhe aactiive dammperr-annew connceppt ffor shoock andd v

8、iibraatioon conntrool. Thee Shhockk annd Vibbrattionn Buulleetinn，19973，443，TThe Shoock andd viibraatioon Infformmatiion Cennterr, NNavaal RReseearcch LLaboorattoryy, WWashhinggtonn, DD. CC.3 KKarnnoppp DCC Crrosbby MM J andd Haarwoood RA .Viibraatioon cconttroll ussingg seemi-acttivee foore gennera

9、atorrrs. Trranssacttionns oof tthe ASMME JJourrnall off Ennginneerringg foor IInduustrry, serriess B，119744，966(2): 61996266半主动悬挂挂利用可可以控制制的调节节阻尼器器，根据据预定的的阻尼控控制规律律，实时时调节阻阻尼力。半半主动悬悬挂的提提出晚于于主动悬挂挂，比主主动悬挂挂结构简简单、成成本低，而而且性能能接近于于主动悬悬挂，另另外由于于不需要要专用大大功率能能源装置置，这对对各种载载运工具具来说是是一个突突出的优优点，因因而受到到重视，具具有较好好的发展展前景。（2）

10、.悬悬挂系统统的分析析比较1）.改善善系统性性能原理理 从从系统动动力学的的观点来来看，系系统在输输入的作作用下存存在输出出。通过过调整输输入和（或）系统的的结构参参数来使使系统的的输出符符合我们们的要求求，就是对对系统实实施控制制。系统的的输入是是外界干干扰（包括轨轨道不平平顺、空空气动力力等）和控制制力；研究的的系统是是车辆系系统，包包括车辆辆悬挂系系统和车车体本身身；输出是是表征系系统振动动性能的的参数（如车体体加速度度的统计计值或车车辆的平平稳性指指标）。我们们希望输输出能够够控制在在一个合合理的范范围内以以改善系系统的振振动性能能，因此只只能通过过调整输输入和（或）悬挂系系统本身身结

11、构来来实现。对于被动悬悬挂系统统，当输输入改变变时，由由于其结结构本身身不能改改变，因此其其输出必必然随输输入而发发生变化化，有时会会超出合合理的范范围，导致车车体振动动加剧；对于主主动控制制当系统统的激扰扰改变时时，可借助助于外部部能量产产生控制制力来改改善系统统的性能能，通过调调整控制制力以保保证输出出符合要要求，从而提提高车辆辆自身的的减振性性能；对于半半主动控控制系统统，通过过改变减减振器的的阻尼系系数或弹弹簧刚度度适应不不同的道道路和行行驶状况况的需要要，即当当输入改改变时，通通过系统统自身（悬挂元元件的参参数）调整来来改善系系统的性性能。也就是是说，半主动动悬挂是是通过系系统结构构

12、的自身身调整来来改进系系统性能能的，即当系系统的输输入改变变时，通通过调整整悬挂参参数来改改善系统统的输出出。2）.系统统组成 被被动悬挂挂系统：即传统统的悬挂挂系统，由由弹簧和和减振器器组成。被被动悬挂挂的设计计，主要要是确定定弹簧和和减振器器的参数数，使悬悬挂系统统满足平平稳性、轮轮轨动作作用力等等指标，得得到一组组最优或或次优悬悬挂参数数，能在在特定的的线路激激扰、车车辆结构构参数和和运行速速度下达达到性能能最优。 主主动悬挂挂系统：即在悬悬挂系统统中加入入力发生生器（作动器器），根据据传感器器从车体体和转向向架所获获取的信信息，按按给定的的控制规规律产生生连续可可控的悬悬挂力，使使车体

13、加加速度减减小。这这种装置置需要一一套能量量供给设设备。半主动悬挂挂系统：针对主主动悬挂挂需要较较大控制制能量和和成本较较高的作作动器，人人们想起起在悬挂挂元件弹簧簧和减振振器上做做文章（有人认认为若采采用改变变刚度：如采用用空气弹弹簧和油油气弹簧簧的方法法来减振振，因刚刚度的改改变需要要大量气气压，同同样需要要较大能能量，而而改变阻阻尼是容容易实现现的）。半主主动悬挂挂系统根根据传感感器从车车体和转转向架所所获取的的信息，通通过半主主动悬挂挂系统的的控制器器调节减减振器阻阻尼状态态，从而而达到改改善车辆辆运行平平稳性和和安全性性的目的的。车辆主动、半半主动悬悬挂系统统由传感感器测量量车辆系系

14、统的输输出信号号，如车车体绝对对速度、或或车体对对转向架架的相对对速度、车车体的加加速度等等信号，经经微处理理器发出出指令执执行实时时控制，由由执行机机构调节节阻尼力力（半主动动）或控制制力（主动）。对于于主动悬悬挂控制制系统来来说，采采用的执执行机构构有液压压伺服作作动器、机机电作动动器、伺伺服气缸缸等几种种方案。对对于半主主动控制制系统来来说，由由于减振振器较易易被控制制，采用用的执行行机构一一般是可可变阻尼尼减振器器。3）.系统统复杂度度半主动悬挂挂系统因因为需要要传感器器、控制制器等，显显然比被被动悬挂挂系统要要复杂，但但与主动动悬挂相相比，因因为其不不需要油油泵（或空气气压缩机机）、

15、过滤滤器、储储油室、冷冷却器及及输油管管（输气管管）等提供供大能量量的辅助助器件，因因而结构构简单、价价格相对对便宜得得多。4）.控制制效果主动悬挂系系统和半半主动悬悬挂系统统都可以以利用天天棚控制制来计算算控制力力，二者者都是通通过产生生减少车车体绝对对速度所所需的控控制力而而达到减减振目的的的，故故减振效效果相近近，其中中，主动动悬挂系系统的控控制力是是根据传传感器提提供的信信息由外外部能量量直接产产生的，半半主动悬悬挂系统统的控制制力是通通过调整整系统本本身结构构而近似似得到的的。而被被动悬挂挂无法调调整系统统结构，也也没有外外力来控控制车体体输出，故故而其减减振效果果不如主主动和半半主

16、动悬悬挂系统统。5）.能量量级别与主动悬挂挂系统相相比，半半主动悬悬挂系统统通过改改进系统统的结构构来衰减减振动，所所以，除除了驱动动电磁阀阀或施加加电（磁）场需要要耗能外外，并不不需要向向悬挂系系统提供供额外的的能量，因因此所需需的能耗耗与主动动悬挂系系统相比比很小，而而且远不不止一个个数量级级。Sppenccer采采用半主主动控制制方案，设设计了能能产生22000000NN力(220T力力)的磁磁流变减减振器，其其行程为为士8ccm所需需提供电电量小于于50瓦瓦特，试试验中测测得5cm/s的速速度时，磁磁流变减减振器产产生20010000N力力的控制制力，如如果该控控制力直直接由主主动控制

17、制方式产产生，则则功率为为100000 W，由由此可见见，主动动控制能能耗至少少是半主主动控制制的20000倍倍以上。车辆悬挂系系统的特特性比较较：悬挂名称被动悬挂半主动悬挂挂主动悬挂开关型连续型慢主动全主动执行元件普通液压减振器分级可控减振器连续可控减振器液压系统液压系统作用原理阻尼力不可控阻尼力分级可调阻尼力连续可调调节作动力力调节作动力力控制方式无手动调节自自动调节节电液调节自自动调节节电液调节自自动调节节电液调节自自动调节节频率范围无0-10HHz0-20HHz3-6Hzz大于15HHz改善横向动力特性无小中大大改善垂向动力特性无小中大大传感器数量量无少较少多多能量消耗无小小大大制造成

18、本最小小中大大使用程度大量采用小量小量横向、垂向向控制主动倾摆、横横向控制制（3）.铁铁道车辆辆悬挂系系统发展展趋势铁道车辆主主动、半半主动悬悬挂系统统主要是是自动控控制技术术与现代代铁道车车辆技术术成功结结合的产产物，这这体现了了主、被被动一体体化振动动控制的的思想，同同时也是是结构和和控制一一体化设设计思想想的延伸伸与发展展。根据据对铁道道车辆悬悬挂功能能原理及及特点的的分析，可可以看出出，半主主动悬挂挂旨在以以接近被被动悬挂挂的造价价和复杂杂程度来来提供接接近主动动悬挂的的性能，而而且半主主动悬挂挂系统是是通过调调整系统统的结构构来适应应外界输输入，从从而改善善系统的的性能。因因此，它它

19、是车辆辆悬挂的的主要发发展方向向之一。结结合半主主动悬挂挂系统的的特点及及我国铁铁路发展展的现状状，采用用半主动动悬挂系系统对铁铁道车辆辆进行振动动控制是是一种较较好的选选择。3. 国内内外主动动/半主主动悬挂挂研究和和应用状状况（1）.国国外主动动/半主主动悬挂挂系统的应应用状况况在20世纪纪80年年代中、后后期，日日本的三三菱汽车车公司和和Nisssann汽车公公司分别别在本公公司生产产的某些些车型的的轿车上上采用了了电子控控制半主主动悬架架系统。LLEXUUSL554000型轿车车的电子子控制悬悬架系统统是一种种较典型型的半主主动悬架架系统。该该系统采采用了充充有压缩缩空气的的空气弹弹簧

20、，弹弹簧的弹弹性可在在“软”与“硬”之间切切换，减减振器则则有三种种不同的的阻尼特特性可供供选择。轿轿车行驶驶过程中中，电子子控制单单元能够够根据各各种传感感器的输输入信号号，选择择最佳的的空气弹弹簧的弹弹性与减减振器阻阻尼特性性的组合合，从而而获得良良好的乘乘坐舒适适性和操操纵性能能4。4 梁梁杰.丰丰田LEEXUSSLS440O型型轿车的的电子控控制悬架架.汽车车技术.19997，第第9期:43481988年年，Niissaan公司司研制开开发了一一种所谓谓声纳半半主动悬悬架装置置，并首首先选装装在Maaximma型轿轿车上。其其原理就就是通过过发出的的声纳信信号进行行路面搜搜索，同同时将

21、来来自路面面的反射射波信号号进行接接收识别别5。5 孙孙求理，张张洪欣.主动悬悬架的发发展和技技术现状状.世界界汽车.19996，第第5期:4662002年年德国采采埃孚一一萨克斯斯公司宣宣布，该该公司最最近与另另一家名名为兰齐齐亚的汽汽车公司司合作，开开发出了了一种能能自动识识别道路路状况的的半主动动悬架系系统一自自动连续续调节阻阻尼控制制系统(CDCC)。据称，这这一系统统不仅可可以装配配在诸如如法拉利利等赛车车上，还还可以安安装在其其他高级级轿车上上6。6 hhttpp:/ 日本5000系为了了以提高高舒适性性为目标标，在两两头车厢厢（1，116号车车厢）安装主主动悬挂挂系统，而而在安装

22、装受电弓弓的车厢厢上（5，113号车车厢）和绿色色车厢（8，99，100号车厢厢）上安装装半主动动悬挂系系统。装装用半主主动悬挂挂装置后后，列车车的乘坐坐舒适性性从“普通”区域提提高到“良好”一“普通”区域。装装用半主主动悬挂挂系统的的5000系列新新干线动动车无论论运行在在明线或或隧道内内，都有有改善乘乘坐舒适适性的效效果。可可以确认认，这种种列车在在3000km/h速度度运行时时的乘坐坐舒适性性与以往往2700km/h速度度运行时时的一样样或者更更好。今今后将以以进一步步改善乘乘坐舒适适性为标标，继续续研究改改进半主主动悬挂挂系统的的结构和和性能7。7 则则直久，张张耀宏.5000系列动动

23、车的半半主动悬悬挂系统统.国外外内燃机机车.119988，第55期:8812日本7000系新干干线采用用了半有有源悬挂挂系统。不不仅在车车体发生生摇动时时需要使使减振器器向抑制制振动的的方向动动作，且且在由于于轨道的的影响使使转向架架发生振振动时，为为使振动动不向车车体传递递，也要要求横向向减振器器具有相相应的动动力衰减减能力。为为此，需需要测出出车辆的的横向运运动加速速度，控控制衰减减系数可可变的横横向减振振器的动动作，从从而提高高乘坐舒舒适性。与与5000系客车车一样，本本系统安安装于两两个头车车（1号、116号车车）、装有有受电弓弓的车厢厢（5号、112号车车）以及头头等车厢厢，这对对于

24、实现现“提供舒舒适性更更好的客客车”这一目目标，具具有明显显的效果果8。8 刘刘克鲜.日本新新干线7700系系客车.国外铁铁道车辆辆.19998，335(66):1141172002年年，东日日本旅客客铁道株株式会社社在其EE2系新新干线车车辆上安安装了有有源悬挂挂系统，利用气压作动器和H控制的主动悬挂装置，日本E2新干线列车部分车辆上安装的横向全主动悬挂系统由以下几个部分组成：安装在车体和转向架之间传统二系横向减振器的位置上的空气压力式作动器及其配套部件、车体上的加速度传感器、根据加速度信号处理风压伺服阀控制信号的控制元件、减振器和其它被动悬挂部件。这套系统考虑了车体的横移、摇头和测滚运动，

25、采用H控制。由于起初确定的加权函数侧重于改善车辆在线路敞开地段运行工况下的舒适度，在运行试验中发现安装该横向主动悬挂系统的车辆在线路敞开地段的乘坐舒适度比普通车辆的乘坐舒适度高59dB，但在隧道内只能提高2dB左右。在重新确定加权函数后，发现在隧道内该系统也能够将车辆的乘坐舒适度提高5dB左右。这充分说明在铁道车辆悬挂的H控制器设计过程中，合理地选取加权函数是很重要的9。9 董董锡明 高速动动车组工工作原理理与结构构特点 中国铁铁道出版版社德国ICEE2动车车组的拖拖车上采采用SGGP4000转向向架，SSGP4400具具有独特特的横向向主动控控制系统统”AQSS”，在构构架上安安装2个个水平

26、的的“空气弹弹簧风缸缸”，相当当于一个个在水平平方向起起作用的的横向位位置调整整器，使使车体在在曲线上上行驶时时，能主主动回到到中心位位置附近近，从而而大大改改善横向向舒适性性。并且且在弯道道行驶时时，具有有与直道道运行系系统一样样的舒适适性99。董锡明明 高速速动车组组工作原原理与结结构特点点 中国国铁道出出版社Siemeens公公司开发发的SFF6000型高速速转向架架（最高高运行速速度2550kmm/h），主要要运用在在ICEE-T动动车组上上。SFF6000转向架架二系横横向采用用了主动动弹簧加加半主动动阻尼器器的悬挂挂系统，这这个系统统安装在在已有车车体倾摆摆系统和和横向定定位气动动

27、系统的的转向架架上。车车体安装装在由倾倾摆系统统支承的的上摇枕枕上，二二系空气气弹簧用用以支承承下枕梁梁，扭杆杆用作抗抗侧滚装装置，一一系悬挂挂装有圆圆弹簧和和液压无无源减振振器，以以半主动动控制减减振器代代替传统统的吹响响和横向向减振器器，。每每两节车车的四台台转向架架上，与与空气弹弹簧并联联装有一一套垂向向和一套套横向半半主动减减振系统统。每节节车上装装有一套套SIBBA322诊断、控控制系统统和一套套惯性传传感系统统。每台台转向架架上的垂垂向半主主动减振振系统装装有：22个具有有连续调调节阻尼尼控制阀阀的垂向向液压减减振器、22个测量量垂向减减振器行行程的非非接触式式旋转电电位器、22个

28、安装装在转向向架下枕枕梁上的的垂向加加速度计计。每台台转向架架上的横横向半主主动减振振系统装装有2个个具有连连续调节节阻尼控控制阀的的横向液液压减振振器、22个装在在液压缸缸上的横横向行程程传感器器、1个个装在转转向架下下枕梁的的横向加加速度计计9。董锡明明 高速速动车组组工作原原理与结结构特点点 中国国铁道出出版社（2）.国国内外主动/半半主动悬悬挂系统统的研究究状况对铁道车辆辆主动悬悬挂的研研究很早早以前就就已经开开始。119844年，日日本对采采用PIID控制制的气压压式主动动悬挂装装置进行行了装车车运行试试验。据据报告，共共振区内内的车体体振动加加速度减减小了约约二分之之一。英英国国铁

29、铁也对电电磁方式式等主动动悬挂进进行了研研究。法法国也进进行了相相关研究究，拟将将主动悬悬挂装置置应用到到TGVV列车上上，使车车辆在运运行速度度为3550kmm/h时时的乘坐坐舒适度度能够控控制在运运行速度度为3000kmm/h时的水水平。然然而由于于成本问问题和无无法保证证安全性性等因素素，这些些研究未未能实现现在运营营车辆上上装车10。10 Rogger Gooodalll Acttivee Raailwway Susspennsioons:Impplemmenttatiion Staatuss annd TTechhnollogiicallTrendds VVehiiclee Syys

30、teem DDynaamiccs Voll. 228 (19997) 87-1177DaimllerCChryysleerAGG公司和和Bommbarrdieer TTrannspoortaatioon公司司研制了了一套横横向主动动悬挂系系统，该该系统已已经在慕慕尼黑通通过了滚滚动试验验台样车车试验，试试验结果果证明该该系统满满足作动动器能耗耗低、行行程小、减减振效果果明显等等要求。系系统采用用液气压压联动式式（hyddro-pneeumaaticc）作动器器，这种种作动器器的一端端是一个个气压腔腔，能够够起到类类似于空空气弹簧簧的作用用，使作作动器兼兼有被动动弹簧的的刚度和和阻尼特特性，作作

31、动器输输出力由由油压伺伺服阀控控制111。11 Dr. Raalphh Sttreiiterr Acttivee Laaterral Susspennsioon ffor Higgh SSpeeed TTraiins, 20001控制器的设设计采用用传统的的传递函函数综合合法。需需要对车车辆系统统动力学学方程进进行简化化，以得得到适合合于控制制器设计计的简化化模型，将将得到的的简化模模型和原原模型进进行仿真真比较，确确定了简简化模型型的有效效性。利利用简化化模型和和相关控控制理论论确定了了控制器器的阶数数，然后后根据减减少车体体横向振振动和相相关性能能的要求求（作动器器冲程、限限界等）确定控控

32、制器传传递函数数的各个个系数。控控制器需需要测量量到下面面的信息息：车体重重心处的的横向惯惯性加速速度和摇摇头加速速度，车车体相对对于两个个转向架架的横向向位移以以及两个个转向架架的相对对摇头角角和侧滚滚角。其其中有些些量（如车体体重心处处的横向向加速度度）并不能能直接测测量到，需需要通过过测量其其它量间间接得到到。此外外，还需需要在作作动器上上安装液液压传感感器，以以增强对对作动器器的控制制，避免免控制失失效。值得关注的的是以上上所介绍绍的横向向主动悬悬挂系统统是作为为“主动转转向架”项目的的一部分分研究开开发的，“主动转向架”研究项目由Daimler Chsler AG公司和Bombard

33、ier Transportation公司合作完成，旨在研制出代表转向架发展趋势的机械电子式（Mechatronic）转向架，这种新型转向架具有一系、二系主动悬挂系统和倾摆系统，并具有故障检测和诊断功能。机械电子式转向架包括机械、电子、控制三个部分，这三个部分的设计并不是逐一独立进行的，而是在设计开发初期就充分考虑到三者之间的相互作用和影响，从整体上同步研究开发，这种设计理念能够最大限度地发挥各个部件的作用。德国的西门门子公司司研制了了一套用用于摆式式列车上上的半主主动悬挂挂系统，该该系统采采用天钩钩阻尼控控制，包包含横向向半主动动悬挂系系统和垂垂向半主主动悬挂挂系统。每每个可控控减振器器上都安

34、安装了位位移传感感器，控控制器对对位移传传感器测测出的位位移信号号进行微微分运算算，得到到相对速速度信号号。在车车体上靠靠近每个个可控减减振器的的地方安安装了加加速度传传感器，车车体相应应的绝对对速度信信号由对对各加速速度传感感器测得得的加速速度信号号进行积积分获得得。实车车试验表表明在运运行速度度为1 SOkkm/hh时，和和垂向被被动悬挂挂系统相相比，该该系统中中的垂向向半主动动悬挂能能够将车车体共振振点处的的幅值降降低855%12。12 ANTTON STRRIBEERSKKY, ANDDREAAS KKIENNBERRGERR, GGUNTTHERR WAAGNEER Dessignn

35、 annd EEvalluattionn off a Semmi-AActiive Dammpinng SSysttem forr Raail Vehhiclles VVehiiclee Syysteem DDynaamiccs ssuppplemmentt 288 (119988)6669-6681日本基于一一种内置置可变阻阻尼油压压减振器器空气弹弹簧研制制出了一一套列车车垂向半半主动悬悬挂系统统，该系系统采用用天钩阻阻尼控制制，现已已完成实实车运行行试验。内内置可变变阻尼油油压减振振器空气气弹簧内内部装有有一个节节流孔可可调的油油压减振振器，主主要面向向于列车车垂向半半主动悬悬挂方面面的应

36、用用，目前前已申请请专利13。13 原能生生旧等“垂向半半主动悬悬挂装置置性能试试验”国外铁铁道车辆辆 20002年年5月第第39卷卷第3期期3236日本国内有有人目前前在研制制一种能能源再生生半主动动悬挂系系统，该该系统能能够将可可控减振振器吸收收的能量量转化为为电能储储存起来来，然后后反过来来再利用用这些电电能实现现对可控控减振器器的控制制144。14 Yosshihhiroo Suuda, Shhigeeyukki NNakaadall, KKimiihikko NNakaano Hyybriid SSusppenssionn Syysteem wwithh Skyyhoook CCon

37、ttroll annd EEnerrgy Reggeneerattionn Veehiccle Sysstemm Dyynammicss suuppllemeent 28 (19998),6199-6334针对天钩阻阻尼控制制不能有有效地衰衰减车体体振动加加速度的的缺点，西西南交大大研制了了基于加加速度反反馈的自自校正横横向半主主动悬挂挂系统。控控制器中中包含一一个参数数估计环环节，对对车体质质量进行行在线辨辨识，根根据车体体质量的的变化确确定出最最优的加加速度反反馈系数数，确定定出理想想的目标标力值。减减振器分分别采用用了可调调节节流流孔大小小的快速速调节减减振器和和磁流变变减振器器，近似似

38、实现目目标力值值。减振振器活塞塞相对于于缸体的的运动速速度由加加速度信信号积分分得到。在在机车车车辆振动动试验台台上的试试验结果果表明，采采用这套套横向半半主动悬悬挂系统统，能够够将车辆辆的横向向乘坐舒舒适度指指标改善善10%18%15。155 吴学学杰，王王月明，张张立民，戴戴焕云，陈陈春俊.高速成成列车横横向悬挂挂主动、半半主动控控制技术术的研究究，铁道道学报J，220066, 228(11): 50-54.中南大学的的熊勇刚等人人对采用用天钩阻阻尼控制制的机车车车辆横横向半主主动悬挂挂系统进进行了研研究，开开发出了了一套电电子控制制系统，该该系统的的处理器器选用889C552单片片机，整

39、整个系统统由采样样滤波、运运算处理理、功率率放大、可可调节流流孔减振振器等几几个部分分组成。初初步的试试验结果果表明该该系统能能够提高高车辆的的平稳性性指标，可可靠性较较高116。16 熊勇刚刚，谢勇勇，丁问问司等.机车车车辆半主主动悬挂挂控制系系统的研研究JJ.中中南大学学学报.20005，336(44),66786822西南交大的的张开林林等对采采用LQQG控制制的铁道道车辆横横向主动动悬挂系系统进行行了试验验研究。试试验采用用1：8的半半车模型型，线路路激扰为为简单的的正弦激激扰，试试验结果果表明车车体的横横向共振振振幅相相对于被被动悬挂挂能够减减少800%。控控制器假假设车体体的状态态

40、信号均均可以测测量，对对转向架架的状态态则采用用卡尔曼曼滤波进进行估计计获得。由由于试验验采用正正弦激振振，没有有对被动动悬挂的的阻尼进进行优化化匹配，因因此试验验结果并并不能如如实反映映主动悬悬挂的减减振效果果177,188。17 张开林林.机车车车辆横横向平稳稳性主动动控制的的研究.西南交交通大学学博士研研究生学学位论文文，19997 18 张开林林，米彩彩盈.铁铁道车辆辆主动减减振控制制系统的的开发.铁道车车辆.119988.366(9):288300西南交通大大学的戴戴焕云教教授对铁铁道车辆辆横向主主动悬挂挂采用随随机最优优控制进进行了仿仿真研究究，采用用简单的的两自由由度车辆辆模型。

41、控控制器设设计的目目标是尽尽可能地地同时减减小车体体最大横横向加速速度、二二系悬挂挂的最大大静挠度度和主动动悬挂力力，为此此，选用用车体最最大横向向加速度度、二系系悬挂的的最大静静挠度、主主动悬挂挂力三个个量的加加权平方方和作为为目标优优化函数数。仿真真计算的的结果表表明，通通过调整整优化目目标函数数中各个个项的加加权系数数，可以以侧重于于提高车车辆的某某项性能能。其中中减小车车体最大大横向振振动加速速度和减减小二系系悬挂的的最大静静挠度是是相互矛矛盾的19,20,21,22。19 戴焕云云.车辆辆主动悬悬挂的鲁鲁棒控制制研究.西南交交通大学学博士研研究生学学位论文文.19998 20 戴焕云

42、云.铁道道车辆主主动悬挂挂随机最最优控制制研究.铁道机机车车辆辆.19997，第第1期:1425 21 戴焕云云，张汉汉全.车车辆主动动悬挂的的鲁棒稳稳定性及及鲁棒性性能研究究.铁道道车辆，119988,20(4): 50055.22张张汉全，戴戴焕云，周周斌，杨杨名利. H与u鲁棒控控制方法法在车辆辆主动悬悬挂中的的应用 铁道学学报，119977,155(S),12111288.中南大学的的朱浩等等研究了了采用预预见控制制的铁道道车辆垂垂向主动动悬挂，计计算机仿仿真结果果表明垂垂向主动动悬挂采采用预见见控制能能够分别别将车体体垂向振振动加速速度和转转向架垂垂向振动动加速度度的幅值值减少330

43、%23,24。23 朱浩，刘刘少军，黄黄中华，蔡蔡月一。铁铁道车辆辆垂向主主动悬挂挂的预见见控制.中国铁铁道科学学，vool.226(22)20005:9095.24 朱浩，刘刘少军，邱邱显众。车车辆主动动悬挂最最优预见见控制模模型.交交通运输输工程学学报，vvol.5(33)20005: 813.西南交通大大学的王王月明博博士研究究了阻尼尼控制策策略的两两种实现现方式：一是开开关型阻阻尼控制制规律，二二是连续续型阻尼尼控制规规律。通通过对采采用无摇摇枕转向向架的高高速客车车悬挂系系统横向向模型的的仿真实实验，研研究了半半主动阻阻尼控制制改善车车辆运行行平稳性性的有效效性。结结果数据据表明，与

44、与阻尼最最优的被被动悬挂挂相比，采采用连续续型阻尼尼控制策策略，车车体横向向加速度度响应的的均方根根值能降降低200-25%，加速速度最大大值能降降低400-50%，横向向平稳性性指标降降低约110-15%255。25王王月明. 高速客客车半主主动悬挂挂控制技技术研究究. 西南南交通大大学博士士研究生生学位论论文.220022，4铁道科学研研究院的的姚建伟伟等对铁铁道机车车车辆半半主动控控制减振振器进行行了模糊糊控制理理论研究究和产品品研制，完完成了半半主动控控制减振振器的理理论分析析、仿真真计算、作作动器研研制、示示意图和和阻尼特特性试验验、控制制策略的的研究、控控制器软软硬件的的研制等等工

45、作26,27。26 姚建伟伟，孙琼琼，章润润鸿，叶叶柏洪等等.铁路路机车车车辆半主主动控制制减振器器的理论论研究和和产品研研制.铁铁道机车车车辆.20004，224(增增刊):6927 姚建伟伟，孙琼琼，李国国顺，金金炜，舒舒兴高.提速机机车动力力学性能能测试及及安全性性和平稳稳性评估估指标的的探讨.铁道机机车车辆辆.20002，增增刊:1164,16551722清华大学丁丁问司博博士后针针对国内内的实际际情况，研研究了我我国高速速列车横横向半主主动悬挂挂系统控控制策略略、高速速开关阀阀控制的的横向半半主动减减振器28,29,30。28 丁问司司，卜继继玲，刘刘友梅.我国高高速列车车横向半半主

46、动悬悬挂系统统控制策策略及控控制方式式. 中国铁铁道科学学.20002，223(44):11729 丁问司司，刘少少军，卜卜继玲.高速列列车横向向悬挂控控制方式式及半主主动减振振器.中中国机械械工程.20003，114(112):9955998830 丁问司司.高速速列车横横向半主主动油压压减振器器研究.液压与与气动，220033，第88期:445西南交通大大学的曾曾京、戴戴焕云教教授等对对开关阻阻尼控制制的铁道道客车系系统的动动力学性性能进行行了研究究，主要要包括半半主动减减振器的的阻尼参参数和半半主动悬悬挂系统统的时滞滞对客车车系统临临界速度度和随机机响应的的影响。计计算表明明，尽管管半主

47、动动悬挂使使客车系系统的临临界速度度低于被被动悬挂挂，构架架的横向向加速度度和轮轨轨横向力力也要大大于被动动悬挂，但但它能够够大大减减小车体体的横向向振动加加速度，改改善旅客客的乘坐坐舒适性性31。31 曾京，戴戴焕云，邬平波.基于开关阻尼控制的铁道客车系统的动力学性能研究J.中国铁道科学.2004.25(6):2731总体上说，国国内对于于铁道车车辆主动动/半主主动悬挂挂的研究究大都限限于理论论研究和和计算机机仿真研研究，所所采用的的车辆模模型一般般为较为为简单的的线性模模型。4. 半主主动悬挂挂的关键键技术决定半主动动悬挂能能否应用用于实际际的主要要因素有有两个：一是控控制策略略的研究究，

48、一个个是可控控阻尼器器的研制制。（1）.半半主动悬悬挂的控控制策略略半主动悬挂挂实际就就是在被被动悬挂挂的基础础上，增增加阻尼尼力自动动调节装装置。因因此半主主动悬挂挂的设计计任务最最终归结结为：寻求合合适的控控制算法法，使之之能够根根据铁道道车辆的的运行工工况，自自动地跟跟踪调节节悬挂系系统的阻阻尼力使使悬挂系系统隔振振缓冲性性能达到到最佳状状态，以以保证铁铁道车辆辆在任意意工况下下都具有有最佳的的动力学学胜能。铁道车辆横横向振动动系统是是十分复复杂的非非线性动动力系统统，根据国国内外已已开展的的技术研研究和工工程应用用现状，半主动动悬挂控控制主要要采用的的方法可可以归纳纳如下：1）.最优优

49、控制线性最优控控制方法法（LQGG/LQQR）以成本本函数在在无穷时时间内积积分，得得到在不不同权重重系数情情况下，系系统能量量和控制制耗能最最小为目目标的悬悬挂系统统主动和和半主动动控制算算法。线线性最优优控制方方法是半半主动悬悬挂设计计者使用用最多的的设计方方法。它以被被研究的的车辆系系统较为为理想的的模型作作基础，采用受受控对象象的状态态响应于于控制输输入的加加权二次次型为性性能指标标，同时在在保证受受控结构构动态稳稳定的条条件下实实现最优优控制。此控制制方法中中一般应应用LQQ（Linner Quaadraaticc线性二二次型）调节器器控制理理论或LLQG（Linner Quaadr

50、aaticc Gaausssiann 线性性二次高高斯型）控制理理论对悬悬挂系统统实行最最优控制制。采用LQQR控制制方法实实施控制制时，需将列列车系统统视为确确定系统统，而忽略略其固有有的不确确定性,即忽略略随机激激扰，因此这这种控制制方法无无需用计计算机进进行在线线计算。采采用LQQG控制制策略实实施控制制比LQQR控制制更为完完善，这种控控制策略略充分考考虑了在在确定的的系统模模型的条条件下的的环境不不确定性性，这种不不确定性性包括轨轨道随机机激扰和和测量噪噪声。2）.鲁棒棒控制鲁棒控制就就是试图图描述被被控对象象的模型型不确定定性，并估计计在某些些特定界界限下达达到控制制目标所所留有的

51、的裕度。由由于车辆辆半主动动悬挂装装置所处处的环境境以及自自身的特特点，在系统统建模时时总会引引入建模模误差,在设计计控制器器时必须须考虑到到各种不不确定因因素。不不确定性性会破坏坏系统的的稳定性性及性能能，而不确确定性又又是不可可避免的的。因此此,设计控控制器时时必须考考虑不确确定性对对系统稳稳定性的的影响，必须使使设计的的系统具具有鲁棒棒性，即不仅仅对名义义对象能能具有要要求的稳稳定性和和性能，而且在在参数变变化和摄摄动下仍仍要保持持其稳定定性和性性能。鲁棒控制是是在保证证闭环系系统各回回路稳定定的条件件下，利用所所设计的的控制器器使干扰扰噪声对对系统输输出影响响最小的的一种控控制方法法。

52、鲁棒棒控制在在设计中中综合考考虑系统统的建模模误差、非非线性、抗抗干扰等等因素，鲁棒控控制方法法适用于于稳定性性和可靠靠性作为为首要目目标的应应用，同时过过程的动动态特性性已知且且不确定定因素的的变化范范围可以以预估。利用鲁鲁棒控制制方法设设计的控控制器可可保证列列车悬挂挂控制系系统有较较强的稳稳定鲁棒棒性和性性能鲁棒棒性。由于鲁鲁棒控制制在设计计中强调调不确定定性对悬悬挂系统统的影响响，需要在在稳定鲁鲁棒性和和性能鲁鲁棒性之之间作折折中选择择，所得的的控制效效果是保保守的。在在建立悬悬挂鲁棒棒控制模模型时，应充分分估计模模型误差差范围，从而使使控制性性能的保保守性最最小，以保证证悬挂系系统的

53、设设计指标标。3）.H控制方方法H控制理理论是880年代代出现的的新理论论。它是是在多变变量系统统频域法法与鲁棒棒稳定性性奇异值值分析法法基础上上建立的的最优控控制理论论。其研研究对象象主要是是多变量量线性定定常系统统。它给给出了控控制系统统的一种种崭新的的综合方方法基于H最优指指标的系系统化设设计方法法。H方法的的主要优优点是： = 1 * GB3 .它可以将将各种典典型控制制问题（如干扰扰抑制、鲁鲁棒镇定定、跟踪踪和模型型匹配等等问题）都归结结为标准准H问题，从而给给出一种种系统化化设计方方法。 = 2 * GB3 .H方法利利用了输输入输出模模型，又利用用了状态态空间法法的计算算机辅助助

54、设计手手段。而而且，象经典典方法那那样，设计者者可对所所得频率率响应形形状寻求求理想控控制。 = 3 * GB3 .更重要要的是，它既便便于处理理对象具具有不确确定性时时的鲁棒棒控制问问题，又能在在干扰频频率谱不不确定情情况下得得到满意意的控制制性能。目前，H控制策策略在车车辆的悬悬挂控制制方面己己经有了了应用，然然而基于于H理论的的鲁棒控控制等在在理论上上尚未成成熟。HH能反映映哪些指指标，其其实质内内容如何何，实际际问题怎怎样转化化成H优化问问题等一一些关键键问题到到目前为为止还没没有统一一的说明明；另外H控制的的算法复复杂，计计算量大大，必须须在简化化算法上上作大量量工作，才才能在悬悬挂

55、系统统控制上上应用。4）.预测测控制预测控制是是指利用用安装在在机车或或控制车车上的信信号收集集系统来来预估轨轨道的输输入，并把所所采集到到的状态态变量反反馈给各各车辆控控制器以以实施最最优控制制的一种种控制策策略。由由于预测测控制是是一类基基于模型型的计算算机控制制算法，因此它它是基于于离散控控制系统统的。预测控控制不但但利用当当前的和和过去的的偏差值值，而且用用预测模模型来预预估过程程未来的的偏差值值,以滚动动确定当当前的最最优输入入策略。预测控控制具有有以下特特点： = 1 * GB3 .对数学学模型要要求不高高； = 2 * GB3 .能直接接处理具具有纯滞滞后的过过程； = 3 *

56、GB3 .具有良良好的跟跟踪性能能和较强强的抗干干扰能力力； = 4 * GB3 .对模型型误差具具有较强强的鲁棒棒性。因此，更加符符合工业业过程的的实际要要求。由于列车大大多是在在同一轨轨道上反反复行驶驶，基于以以往的、既既有的或或实测的的运行信信息，结合传传统的LLQG/LQRR控制方方法可以以实现预预测控制制，并达到到较好的的控制效效果。施施行预测测控制时时,为使执执行机构构能在预预测点产产生相应应的动作作，对行车车速度的的测量要要求很高高，很小的的误差将将会导致致系统性性能的急急剧恶化化。目前，预测测控制正正受到更更多的关关注，发发表的研研究报告告较多，但但预测控控制方法法的关键键技术

57、是是信号精精度不受受干扰，并并能精确确反映轨轨道不平平顺的真真实信5）.决策策控制这种控制方方法是预预先测量量对不同同的轨道道和行驶驶条件下下车辆的的振动响响应，并并通过优优化计算算得到所所需的最最佳悬挂挂刚度和和阻尼，存存入主动动悬挂控制制系统EECU的的ROMM中，在在进行实实时控制制悬挂系系统时，EECU不不断检测测车辆行行驶过程程中的振振动响应应，通过过决策判判断查出出对应工工况下应应选的最最优或次次优悬挂挂的K和和C，控控制执行行机构做做出响应应。6）.自适适应控制制自适应控制制方法是是一种拥拥有实时时调节控控制器的的控制算算法。列列车悬挂挂振动系系统是含含有许多多不确定定因素的的非

58、线性性动力系系统，总是存存在非线线性、时时变等因因素，难以用用线性时时不变的的定常反反馈控制制器达到到预定的的性能要要求。由由于自适适应控制制能够处处理小范范围缓变变系统问问题，因此，对于悬悬挂系统统表现出出来的非非线性和和老化问问题，采用自自适应控控制十分分合适。目前的的自适应应控制是是在假定定缺乏完完整的系系统动态态信息和和工作环环境未知知的条件件下进行行控制的的。应用于列车车悬挂系系统振动动控制的的自适应应控制方方法主要要有自校校正控制制和模型型参考自自适应控控制两种种。自校校正控制制是一种种将受控控对象参参数在线线识别与与控制器器参数实实时整定定相结合合的控制制方法。采采用自校校正控制

59、制方法能能适应悬悬挂载荷荷及元件件特性的的变化，并自动动调整悬悬挂系统统的控制制器来降降低车辆辆的振动动。模型型参考自自适应控控制是当当外界激激励条件件和车辆辆自身参参数变化化时，被控车车辆的振振动输出出仍能跟跟踪理想想的参考考模型，从从而获得得预期性性能的控控制方法法。有关资资料表明明，采用自自适应控控制的悬悬挂阻尼尼减振系系统,能较好好地改善善车辆行行驶性能能。在自适应控控制方面面研究不不少，但但自校正正控制需需要在线线辨识大大量的结结构参数数，因而而计算量量大，实实时性不不好；模型参参考控制制同样涉涉及轨道道不平顺顺信息的的精度问问题。另另外，当当悬挂系系统参数数由于突突然的冲冲击而在在

60、较大的的范围变变化，自自适应控控制的鲁鲁棒性将将降低。7）.神经经网络控控制人工神经网网络是一一个由大大量处理理单元(神经元元)所组成成的高度度并行的的非线性性动力系系统。它它能对非非线性特特性进行行学习和和记忆，能以任任意精度度反映被被学习对对象的特特征。采采用神经经网络控控制无需需对实际际的悬挂挂作线性性化处理理，所控制制的悬挂挂系统具具有较强强的适应应能力，与用传传统的LLQ 控控制器控控制的悬悬挂相比比性能更更加优越越。神经网络控控制的基基本思想想是从仿仿生学的的角度模模拟人脑脑神经系系统的运运作方式式，使机器器具有人人脑那样样的感知知、学习习和推理理能力。对对控制科科学而言言，神经网