一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法及系统

1.本发明属于铁道车辆动力学与控制技术领域，尤其涉及一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法及系统。


背景技术：

2.《中国制造2025》、《交通强国建设纲要》指出了我国高速轨道交通装备的“绿色”、“智能”和“400公里级”发展目标。我国高铁目前最高运行速度为 350km/h，绝大部分运行速度为250～300km/h，存在各高铁线路之间跨线运行、原建造等级高的线路从300km/h提速至350km/h以及研制400km/h高速列车的国民经济发展需求。然而，列车在跨线运行或轮轨维护前后，经常发生“晃车”、“报警”和“抖车”等问题动力学相关问题，只能通过缩短车轮镟修周期、频繁打磨钢轨、定期更换减振器或降速运行等措施来保障动力学性能，这严重影响了高铁运营效率，增加了车-线运维成本和难度。未来，如果列车大面积提速和跨线运行，这些问题就会更加突出。因此，需要加强高速列车动力学行为规律、劣化机理与调控方法研究。
3.主动悬挂具有减振频带宽、适应性好和控制能力强等优点，能够克服被动悬挂难以兼顾低频和中高频振动抑制、难以适应轮轨匹配状态剧烈变化和难以实现多方面动力学性能同时最优等不足，可以显著提升列车的广域适应性、运行安全性和运维经济性。日本、德国和法国等已开展了主动悬挂技术研究，如在新干线高速列车上也得到部分应用，但由于技术保密，我们无法掌握其中核心技术，我国既有高速列车也都采用被动悬挂，亟需开展主动悬挂相关理论与技术研究。相比于已有的针对轨道随机激励的车体振动半主动控制，本发明考虑轮轨激励动态演变特征的运行平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法更具有广域适应性。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法，考虑了失效安全和冗余设计而采用了主被动并联的结构形式，考虑车体的横移、摇头和侧滚运动模态，以及前后转向架构架的横移和摇头运动模态，能够在轨道不平顺激励和轮轨蠕滑导致的蛇行运动共同作用下，实现车辆的强迫振动和自激振动的协调控制，为车辆动力学性能优化设计提出了重要参考。
5.本方案提供一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法，包括以下步骤：
6.s1、确定车辆二系横向主动悬挂结构形式，将二系悬挂中的两根横向被动减振器其中一根换为主动作动器；
7.s2、建立车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型，包括：基于simpack 建立车辆系统动力学模型，包括车体、构架和轮对，考虑轮轨关系和悬挂参数非线性；基于matlab/simulink建立主动悬挂控制器模型和主动作动器的动力学模型；simpack与matlab/simulink之间通过simat接口实现数据交换；所述车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模
型还包括检测系统，所述检测系统检测车体和构架上多个测点处的振动状态反馈量，即振动加速度，将检测到的振动状态反馈量输入主动悬挂控制器模型中；
8.s3、模拟车辆以任意运行速度工况下轨道随机激励输入，通过轮轨作用对车辆施加宽频强迫振动，并经过两系悬挂系统传递至车体；
9.s4、根据所述振动状态反馈量辨识轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态；根据所述轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态，由平稳性与稳定性协调控制器确定是否需要开启主动悬挂控制器并确定主动作动器的工作模式，当确定需要开启主动悬挂控制器时，进行如下步骤，否则关闭主动悬挂控制器，主动作动器以被动控制模式工作；
10.s5、当确定需要开启主动悬挂控制器时，将所述振动状态反馈量通过高通滤波、积分和模态分解识别模态空间内振动状态量，所述模态空间内振动状态量包括模态振动加速度、模态振动速度和模态振动位移；依据天棚阻尼原理设计的线性阻尼、线性惯容器、线性刚度等控制方法，针对横向平稳性确定理想主动控制力f
理想1
与车体的模态空间内振动状态量之间的最优映射关系，针对蛇行稳定性确定理想主动控制力f
理想2
与构架的模态空间内振动状态量之间的最优映射关系；
11.s6、再根据所述轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态，确定当前主要控制目标是针对横向平稳性还是针对蛇行稳定性，形成横向平稳性和蛇行稳定性协调控制策略，对整车二系横向理想主动控制力f
理想
进行修正，得到经过修正的理想模态控制力，其中f
理想
＝αf
理想1
+(1-α)f
理想2
，α为平稳性与稳定性协调控制器决定的权重系数，范围为0～1，通过确定权重系数α的大小对理想主动控制力f
理想
进行修正；
12.s7、根据所述经过修正的理想模态控制力，主动作动器实际输出主动控制力f
实际
作用在车辆上。
13.进一步地，本发明还提供了一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真系统：
14.包括基于simpack建立的车辆系统动力学模型，其中二系悬挂中的两根横向被动减振器其中一根替换为主动作动器；
15.还包括检测系统，所述检测系统检测车体地板面和前后构架多个测点处的振动状态反馈量，将检测到的振动状态反馈量输入主动悬挂控制器模型中；
16.还包括基于matlab/simulink建立的主动悬挂控制器模型和主动作动器动力学模型，其中主动悬挂控制器模型包括高通滤波器、积分器、模态分解模块和天棚控制器，所述高通滤波器用于将振动状态反馈量进行高通滤波，所述积分器和模态分解模块用于根据经过高通滤波的振动状态反馈量识别出模态空间内振动状态量，所述天棚控制器针对横向平稳性和蛇行稳定性确定理想主动控制力与模态空间内振动状态量之间的最优映射关系；
17.还包括车辆运行状态辨识模块，所述车辆运行状态辨识模块根据所述振动状态反馈量辨识轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态；
18.还包括平稳性与稳定性协调控制器，所述平稳性与稳定性协调控制器根据所述轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态确定是否需要开启主动悬挂控制器并确定主动作动器的工作模式，当不需要开启主动悬挂控制器时，关闭主动悬挂控制器，主动作动器以被动模式工作，当确定需要开启主动悬挂控制器时，高通滤波器对所
述振动状态反馈量进行高通滤波，积分器和模态分解模块对根据经过高通滤波的振动状态反馈量识别出模态空间内振动状态量，天棚控制器确定理想主动控制力与所述模态空间内振动状态量之间的最优映射关系；
19.然后，平稳性与稳定性协调控制器根据所述轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态，确定当前主要控制目标是针对横向平稳性还是针对蛇行稳定性，形成横向平稳性和蛇行稳定性协调控制策略，对理想主动控制力进行修正，得到经过修正的理想模态控制力；将经过修正的理想主动控制力指令输入主动作动器动力学模型中，主动作动器实际输出主动控制力f
实际
作用在车辆上；
20.simpack与matlab/simulink之间通过simat接口实现数据交换。
21.本发明的有益效果：
22.本发明提供了一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制方法及系统，确定铁道车辆二系横向主动悬挂布置方案，辨识轨道激励状态、车辆横向平稳性状态和蛇行稳定性状态，设计横向平稳性和蛇行稳定性协调控制策略。本发明考虑了车体和转向架的振动抑制，能够在轨道不平顺激励和轮轨蠕滑导致的蛇行运动共同作用下，实现车辆的强迫振动和自激振动的协调控制，保障高速列车的运行平稳性和安全性，为其动力学性能优化设计和既有动车组运维策略优化提供了一种解决思路。
附图说明
23.图1为铁道车辆二系横向主动悬挂结构布置方案图。
24.图2为铁道车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型。
25.图3为车体加速度测点示意图。
26.图4为构架加速度测点示意图。
27.图5为铁道车辆二系横向主动悬挂工作原理图。
具体实施方式
28.一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法，包括以下步骤：
29.s1、确定车辆二系横向主动悬挂结构形式，将二系悬挂中的两根横向被动减振器其中一根换为主动作动器；
30.s2、建立车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型，包括：基于simpack 建立车辆系统动力学模型，包括车体、构架和轮对，考虑轮轨关系和悬挂参数非线性；基于matlab/simulink建立主动悬挂控制器模型和主动作动器的动力学模型；simpack与matlab/simulink之间通过simat接口实现数据交换；所述车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型还包括检测系统，所述检测系统检测车体和构架上多个测点处的振动状态反馈量，即振动加速度，将检测到的振动状态反馈量输入主动悬挂控制器模型中；
31.s3、根据所述振动状态反馈量辨识轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态；
32.s4、根据所述轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态，由平稳性与蛇行稳定性协调控制器确定是否需要开启主动悬挂控制器并确定主动作动器的工作模式，当确定需要开启主动悬挂控制器时，进行如下步骤，否则关闭主动悬挂控制
器，主动作动器以被动控制模式工作；
33.s5、当确定需要开启主动悬挂控制器时，将所述振动状态反馈量通过高通滤波、积分和模态分解识别模态空间内振动状态量；依据天棚阻尼原理设计的线性阻尼、线性惯容器、线性刚度等控制方法，针对横向平稳性和蛇行稳定性确定理想主动控制力与所述模态空间内振动状态量之间的最优映射关系；
34.s6、再确定当前主要控制目标是针对横向平稳性还是针对蛇行稳定性，形成横向平稳性和蛇行稳定性协调控制策略，对理想主动控制力进行修正，得到经过修正的理想模态控制力；
35.s7、根据所述经过修正的理想模态控制力，主动作动器实际输出主动控制力f
实际
作用在车辆上。
36.进一步地，所述步骤s1中二系横向主动悬挂结构形式如图1所示：为实现失效安全和冗余设计，采用主被动并联的结构形式。车辆二系悬挂中一般配置两根横向被动减振器，仅将其中一根换为主动作动器。主动作动器采用一体化电动静液压作动器(electro-hydraulicactuator，eha)，主要由无刷电机、液压泵、蓄能器、作动缸和伺服控制器等部分组成；eha主动作动器集主动模式和被动模式于一体，可以根据主动悬挂控制器指令实现两种模式之间的任意切换，保障车辆系统性能、降低主动悬挂系统能耗并保障失效安全性。
37.再进一步地，所述步骤s2中建立车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型，如图2所示。基于simpack建立车辆系统动力学模型，考虑轮轨关系和悬挂参数非线性；车辆在实际运行过程中，轨道激励、运行速度和轮轨匹配关系将发生动态变化，将通过轮轨接触对车辆施加宽频强迫振动激励，并有可能引发蛇行运动失稳。检测系统检测车体和构架上多个测点处的振动状态反馈量，包括车体和前后两个构架的振动加速度，分别如图3和图4所示，将检测到的振动状态反馈量输入主动悬挂控制器模型中。基于matlab/simulink建立主动悬挂控制器模型，根据车辆运行状态辨识模块、平稳性与稳定性协调控制器确定是否需要开启主动悬挂控制器并确定主动作动器的工作模式；当确定需要开启主动悬挂控制器时，根据所述振动状态反馈量和天棚阻尼原理计算理想主动控制力，并修正该理想主动控制力。基于matlab/simulink建立主动作动器的动力学模型，考虑主动作动器动态响应特性。simpack与simulink之间通过simat 接口实现数据交换，包括振动状态反馈量和主动控制力，以实现车辆主动悬挂系统动力学与控制联合仿真建模。
38.所述步骤s3-s7如图5所示，模拟车辆以任意运行速度工况下轨道随机激励输入以及轮轨关系匹配状态，通过轮轨作用对车辆施加宽频强迫振动和自激振动激扰，并经过两系悬挂系统传递至车体。首先，所述振动状态反馈量输入至车辆运行状态辨识模块，用于辨识轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态；平稳性与稳定性协调控制器根据轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态确定是否需要开启主动悬挂控制器并确定主动作动器的工作模式，当不需要开启主动悬挂控制器时，主动作动器以被动控制模式工作，当需要开启主动悬挂控制器时，将所述振动状态反馈量通过高通滤波、积分和模态分解识别模态空间内振动状态量，即模态振动加速度、模态振动速度或模态振动位移；然后，依据天棚阻尼原理设计的线性阻尼、线性惯容器、线性刚度等控制方法，针对横向平稳性和蛇行稳定性确定理想主动控制力与所述模态空间内振动状态量之间的最优映射关系；然后，平稳性与稳定性协调控制器决定当前主要控制目标是针对
横向平稳性还是针对蛇行稳定性，形成横向平稳性和蛇行稳定性协调控制策略，对理想主动控制力进行修正，得到经过修正的理想主动控制力；最后，主动作动器跟随主动悬挂控制器输出的经过修正的理想主动控制力，但可能有相位延迟即时滞，实际输出主动控制力f
实际
作用在车辆上。
39.所述步骤s5中识别模态空间内振动状态量原理如下。根据图3，a1和a2为 gb/t5599-2019标准中规定的机车车辆的横向平稳性测点，即前后转向架上方的车体地板面中心线左右距离w(例如1m)处的振动加速度，包括横向和垂向加速度。根据多体系统动力学理论，地板面前端右测点a1、后端左测点a2、后端右测点a3的横向和垂向加速度，可以表示为车体的横移、摇头、侧滚、浮沉、点头刚体运动模态振动的叠加，即：
[0040][0041]
式中，a
1y
和a
1z
表示测点a1的横向和垂向加速度；a
2y
和a
2z
表示测点a2的横向和垂向加速度；a
3z
表示测点a3的垂向加速度；分别为车体的横移、摇头、侧滚、浮沉和点头模态振动加速度；w表示测点a1、a2和a3距车体中心线的横向距离，例如取值1m；l1为测点a3距离后转向架中心的纵向距离，且要求0＜l1＜2lc；x1和x2分别为测点a1和a2距离车体最后端的纵向距离，且满足x1＝l/2+lc和x2＝l/2-lc，x3为测点a3距离车体最后端的纵向距离，并满足x3＝ x2+l1；l为车体长度；w表示测点与车体地板面中心线的横向距离；lc表示车辆定距(前后转向架中心的纵向距离)之半；h1表示车体质心距离地板面的垂向高度。
[0042]
根据上式可以求解出车体的各个运动模态振动加速度：
[0043][0044]
根据图4，b1和b2为构架左前侧和右后侧端部的振动加速度测点，距离转向架中心纵向距离均为lb。根据多体系统动力学理论，构架前后端测点b1和b2的横向加速度可以表示为构架的横移和摇头模态振动加速度的叠加，即：
[0045][0046]
式中，b
1y
和b
2y
表示测点b1和b2的横向加速度；和分别为构架的横移和摇头模态振动加速度。
[0047]
根据上式可以求解出构架的横移和摇头模态振动加速度：
[0048][0049]
前后构架的模态空间内振动状态量识别方法相同，由此，得出另一构架横移和摇头模态振动加速度：
[0050][0051]
式中，b
3y
和b
4y
表示测点b3和b4的横向加速度；和分别为另一构架的横移和摇头模态振动加速度。
[0052]
通过对测点处的振动加速度进行高通滤波和积分，获取振动速度和位移，然后通过模态分解获得模态振动速度和模态振动位移；或者对振动加速度进行高通滤波，通过模态分解识别出模态空间内振动状态量即模态振动加速度，然后对模态振动加速度进行积分，获得模态振动速度和模态振动位移。
[0053]
再进一步地，所述步骤s5中确定理想主动控制力与模态空间内振动状态量之间的最优映射关系包括：以车辆横向平稳性为控制目标，根据天棚阻尼原理设计的线性阻尼、线性惯容器或线性刚度控制方法计算得到针对横向平稳性的理想主动控制力f
理想1
，分析车体横移、摇头、侧滚模态对横向平稳性指标的影响，确定对横向平稳性有主要影响的车体振动模态振型，采用遗传算法分析对横向平稳性影响比较大的模态的控制增益进行优化，确定有效控制参数范围；以蛇行稳定性为控制目标，根据天棚阻尼原理设计的线性阻尼、线性惯容器或线性刚度控制方法计算得到针对蛇行稳定性的理想主动控制力f
理想2
，分析前后构架横移和摇头模态对蛇行稳定性指标的影响，确定对蛇行稳定性有主要影响的构架振动模态振型，采用遗传算法分析对蛇行稳定性影响比较大的模态的控制增益进行优化，确定有效控制参数范围。
[0054]
其中，线性阻尼控制方法如下：为兼顾车辆横向平稳性和蛇行稳定性，以基于模态振动速度反馈的线性控制为例，对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的振动加速度进行高通滤波和积分，获取振动速度，然后通过模态分解识别模态空间内振动状态量，即模态振动速度；或者对车体地板面3 个测点和前后构架端部共4个测点处的振动加速度进行高通滤波，通过模态分解识别模态空间内振动状态量，即模态振动加速度，然后对模态振动加速度进行积分得到模态振动速度。由此确定针对横向平稳性和蛇行稳定性的理想
主动控制力一般表达式为：
[0055][0056][0057]
式中，f
理想1
为针对横向平稳性的理想控制力；f
理想2
为针对蛇行稳定性的理想控制力；u1'为车体的模态空间内振动状态量，包括车体的横移模态振动速度摇头模态振动速度和侧滚模态振动速度u2'为构架的模态空间内振动状态量，包括前、后构架的横移模态振动速度和摇头模态振动速度 a1和a2为控制增益系数矩阵，a
11-a
27
为控制增益系数，通过遗传算法或单变量分析法确定控制增益系数的最优范围。
[0058]
线性惯容器控制方法：为兼顾车辆横向平稳性和蛇行稳定性，采用基于模态振动加速度反馈的线性惯容器控制，对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的振动加速度，通过模态分解识别模态空间内振动状态量，即模态振动加速度，确定针对横向平稳性和蛇行稳定性的理想主动控制力一般表达式为：
[0059][0060][0061]
式中，f
理想1
为针对横向平稳性的理想控制力；f
理想2
为针对蛇行稳定性的理想控制力；u
1”为车体的模态空间内振动状态量，包括车体的横移模态振动加速度摇头模态振动加速度和侧滚模态振动加速度u
2”为构架的模态空间内振动状态量，包括前、后构架的横移模态振动加速度和摇头模态振动加速度b1和b2为控制增益系数矩阵，b
11-b
27
为控制增益系数，通过遗传算法或单变量分析法确定控制增益系数的最优范围。
[0062]
线性刚度控制方法：为兼顾车辆横向平稳性和蛇行稳定性，采用基于模态振动位移反馈的线性刚度控制，对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的振动加速度，通过高通滤波和两次积分获得振动位移；通过模态分解识别模态空间内振动状态量，即模态振动位移；或者对车体地板面3个测点和前后构架端部共4个测点处的振动加速度进行高通滤波，通过模态分解识别模态空间内振动状态量，即模态振动加速度，然后对模态振动加速度进行两次积分得到模态振动位移。由此确定针对横向平稳性和蛇行稳定性的理想主
动控制力一般表达式为：
[0063][0064][0065]
式中，f
理想1
为针对横向平稳性的理想控制力；f
理想2
为针对蛇行稳定性的理想控制力；u1为车体的模态空间内振动状态量，包括车体的横移模态振动位移yc、摇头模态振动位移ψc和侧滚模态振动位移φc；u2为构架的模态空间内振动状态量，包括前、后构架的横移模态振动位移y
b1
、y
b2
和摇头模态振动位移ψ
b1
、ψ
b2
； c1和c2为控制增益系数矩阵，c
11-c
27
为控制增益系数，通过遗传算法或单变量分析法确定控制增益系数的最优范围。
[0066]
步骤s6中，平稳性与稳定性协调控制器确定整车二系横向理想主动控制力 f
理想
一般表达式为：f
理想
＝αf
理想1
+(1-α)f
理想2
，α为平稳性与稳定性协调控制器决定的权重系数，范围为0～1；f
理想
中两个元素值分别为两个作动器的理想主动控制力。由平稳性与稳定性协调控制器根据所述轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态确定当前主要控制目标是针对横向平稳性还是针对蛇行稳定性，形成横向平稳性和蛇行稳定性协调控制策略，通过确定权重系数α的大小对理想主动控制力进行修正，得到经过修正的理想模态控制力。

技术特征：
1.一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法，包括以下步骤：s1、确定车辆二系横向主动悬挂结构形式，将二系悬挂中的两根横向被动减振器其中一根换为主动作动器；s2、建立车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型，包括：基于simpack建立车辆系统动力学模型，包括车体、构架和轮对，考虑轮轨关系和悬挂参数非线性；基于matlab/simulink建立主动悬挂控制器模型和主动作动器的动力学模型；simpack与matlab/simulink之间通过simat接口实现数据交换；所述车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型还包括检测系统，所述检测系统检测车体和构架上多个测点处的振动状态反馈量，即振动加速度，将检测到的振动状态反馈量输入主动悬挂控制器模型中；s3、模拟车辆以任意运行速度工况下轨道随机激励输入，通过轮轨作用对车辆施加宽频强迫振动，并经过两系悬挂系统传递至车体；s4、根据所述振动状态反馈量辨识轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态；然后根据所述轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态，确定是否需要开启主动悬挂控制器并确定主动作动器的工作模式，当确定需要开启主动悬挂控制器时，进行如下步骤，否则关闭主动悬挂控制器，主动作动器以被动模式工作；s5、当确定需要开启主动悬挂控制器时，根据所述振动状态反馈量识别出模态空间内振动状态量；依据天棚阻尼原理设计的线性阻尼、线性惯容器或线性刚度等控制方法，针对横向平稳性和蛇行稳定性确定理想主动控制力与所述模态空间内振动状态量之间的最优映射关系；s6、再确定当前主要控制目标是针对横向平稳性还是针对蛇行稳定性，形成横向平稳性和蛇行稳定性协调控制策略，对理想主动控制力进行修正，得到经过修正的理想模态控制力；s7、根据所述经过修正的理想模态控制力，主动作动器实际输出主动控制力f
实际
作用在车辆上。2.根据权利要求1所述的一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法，其特征在于：主动作动器采用一体化电动静液压作动器，具有主动和被动两种控制模式。3.根据权利要求1所述的一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法，其特征在于：所述振动状态反馈量为位于车体地板面中心线横向距离w处的前端右测点a1、后端左测点a2、后端右测点a3处的横向和垂向加速度，以及距离前转向架中心纵向距离l
b
的前构架左前侧测点b1和右后侧测点b2的振动加速度，距离后转向架中心纵向距离l
b
的后构架左前侧测点b3和右后侧测点b4的横向加速度。4.根据权利要求3所述的一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法，其特征在于：步骤s5中，模态空间内振动状态量为模态振动加速度、模态振动速度或模态振动位移，其中模态振动加速度采用如下公式进行识别：
式中，a
1y
表示测点a1的横向加速度；a
2y
和a
2z
表示测点a2的横向和垂向加速度；a
3z
表示测点a3的垂向加速度；分别为车体的横移、摇头和侧滚模态振动加速度；w表示测点a1、a2和a3距车体中心线的横向距离；l1为测点a3距离后转向架中心的纵向距离，且要求0＜l1＜2l
c
；x1和x2分别为测点a1和a2距离车体最后端的纵向距离，且满足x1＝l/2+l
c
和x2＝l/2-l
c
，x3为测点a3距离车体最后端的纵向距离，并满足x3＝x2+l1；l为车体长度；w表示测点与车体地板面中心线的横向距离；l
c
表示车辆定距之半；h1表示车体质心距离地板面的垂向高度；b
1y
、b
2y
、b
3y
和b
4y
表示测点b1、b2、b3和b4的横向加速度；和分别为前、后构架的横移模态振动加速度，和分别为前、后构架的摇头模态振动加速度；通过对测点处的振动加速度进行高通滤波和积分，获取振动速度和位移，然后通过模态分解获得模态振动速度和模态振动位移；或者对振动加速度进行高通滤波，通过模态分解识别出模态空间内振动状态量即模态振动加速度，然后对模态振动加速度进行积分，获得模态振动速度和模态振动位移。5.根据权利要求4所述的一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法，其特征在于：所述步骤s5中，依据线性阻尼控制方法，针对横向平稳性和蛇行稳定性确定理想主动控制力与所述模态空间内振动状态量之间的最优映射关系具体包括：针对横向平稳性确定理想主动控制力f
理想1
与车体的模态空间内振动状态量之间的最优映射关系，针对蛇行稳定性确定理想主动控制力f
理想2
与构架的模态空间内振动状态量之间的最优映射关系，
式中，f
理想1
为针对横向平稳性的理想控制力；f
理想2
为针对蛇行稳定性的理想控制力；u1'为车体的模态空间内振动状态量，包括车体的横移模态振动速度摇头模态振动速度和侧滚模态振动速度u2'为构架的模态空间内振动状态量，包括前、后构架的横移模态振动速度和摇头模态振动速度a1和a2为控制增益系数矩阵，a
11-a
27
为控制增益系数，通过遗传算法或单变量分析法确定控制增益系数的最优范围。6.根据权利要求4所述的一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法，其特征在于：所述步骤s5中，依据线性惯容器控制方法，针对横向平稳性和蛇行稳定性确定理想主动控制力与所述模态空间内振动状态量之间的最优映射关系具体包括：针对横向平稳性确定理想主动控制力f
理想1
与车体的模态空间内振动状态量之间的最优映射关系，针对蛇行稳定性确定理想主动控制力f
理想2
与构架的模态空间内振动状态量之间的最优映射关系，与构架的模态空间内振动状态量之间的最优映射关系，式中，f
理想1
为针对横向平稳性的理想控制力；f
理想2
为针对蛇行稳定性的理想控制力；u
1”为车体的模态空间内振动状态量，包括车体的横移模态振动加速度摇头模态振动加速度和侧滚模态振动加速度u
2”为构架的模态空间内振动状态量，包括前、后构架的横移模态振动加速度和摇头模态振动加速度b1和b2为控制增益系数矩阵，b
11-b
27
为控制增益系数，通过遗传算法或单变量分析法确定控制增益系数的最优范围。7.根据权利要求4所述的一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法，其特征在于：所述步骤s5中，依据线性刚度控制方法，针对横向平稳性和蛇行稳定性确定理想主动控制力与所述模态空间内振动状态量之间的最优映射关系具体包括：针对横向平稳性确定理想主动控制力f
理想1
与车体的模态空间内振动状态量之间的最优映射关系，针对蛇行稳定性确定理想主动控制力f
理想2
与构架的模态空间内振动状态量之间的最优映射关系，
式中，f
理想1
为针对横向平稳性的理想控制力；f
理想2
为针对蛇行稳定性的理想控制力；u1为车体的模态空间内振动状态量，包括车体的横移模态振动位移y
c
、摇头模态振动位移ψ
c
和侧滚模态振动位移φ
c
；u2为构架的模态空间内振动状态量，包括前、后构架的横移模态振动位移y
b1
、y
b2
和摇头模态振动位移ψ
b1
、ψ
b2
；c1和c2为控制增益系数矩阵，c
11-c
27
为控制增益系数，通过遗传算法或单变量分析法确定控制增益系数的最优范围。8.根据权利要求5-7任一项所述的一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法，其特征在于：所述步骤s6具体包括：根据所述轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态，确定当前主要控制目标是针对横向平稳性还是针对蛇行稳定性，形成横向平稳性和蛇行稳定性协调控制策略，对整车二系横向理想主动控制力f
理想
进行修正，得到经过修正的理想模态控制力，其中f
理想
＝αf
理想1
+(1-α)f
理想2
，α为平稳性与稳定性协调控制器决定的权重系数，范围为0～1，通过确定权重系数α的大小对理想主动控制力f
理想
进行修正。9.一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真系统，其特征在于：包括基于simpack建立的车辆系统动力学模型，其中二系悬挂中的两根横向被动减振器其中一根替换为主动作动器；还包括检测系统，所述检测系统检测车体地板面和前后构架多个测点处的振动状态反馈量，将检测到的振动状态反馈量输入主动悬挂控制器模型中；还包括基于matlab/simulink建立的主动悬挂控制器模型和主动作动器动力学模型，其中主动悬挂控制器模型包括高通滤波器、积分器、模态分解模块和天棚控制器，所述高通滤波器用于将振动状态反馈量进行高通滤波，所述积分器和模态分解模块用于根据经过高通滤波的振动状态反馈量识别出模态空间内振动状态量，所述天棚控制器针对横向平稳性和蛇行稳定性确定理想主动控制力与模态空间内振动状态量之间的最优映射关系；还包括车辆运行状态辨识模块，所述车辆运行状态辨识模块根据所述振动状态反馈量辨识轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态；还包括平稳性与稳定性协调控制器，所述平稳性与稳定性协调控制器根据所述轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态确定是否需要开启主动悬挂控制器并确定主动作动器的工作模式，当不需要开启主动悬挂控制器时，关闭主动悬挂控制器，主动作动器以被动模式工作，当确定需要开启主动悬挂控制器时，高通滤波器对所述振动状态反馈量进行高通滤波，积分器和模态分解模块对根据经过高通滤波的振动状态反馈量识别出模态空间内振动状态量，天棚控制器确定理想主动控制力与所述模态空间内振动状态量之间的最优映射关系；然后，平稳性与稳定性协调控制器根据所述轨道激励状态、车辆运行速度、横向平稳性状态和蛇行稳定性状态，确定当前主要控制目标是针对横向平稳性还是针对蛇行稳定性，形成横向平稳性和蛇行稳定性协调控制策略，对理想主动控制力进行修正，得到经过修正的理想模态控制力；将经过修正的理想主动控制力指令输入主动作动器动力学模型中，主
动作动器实际输出主动控制力f
实际
作用在车辆上；simpack与matlab/simulink之间通过simat接口实现数据交换。

技术总结
本发明提供了一种车辆横向平稳性和蛇行稳定性协调控制仿真方法及系统，设计铁道车辆二系横向全主动悬挂布置方案，建立车辆主动悬挂系统动力学与控制仿真模型，考虑了车辆系统多个振动模态的抑制，检测车体和构架上多个测点处的振动加速度，提出横向平稳性和蛇行稳定性的协调控制策略，能够显著改善铁道车辆的横向平稳性并兼顾蛇行稳定性，实现车辆的强迫振动和自激振动的协调控制，保障铁道车辆的运行平稳性和安全性，为其动力学性能优化设计和既有动车组运维策略优化提供了一种解决思路。有动车组运维策略优化提供了一种解决思路。有动车组运维策略优化提供了一种解决思路。


技术研发人员：石怀龙 曾京 邬平波 戴焕云
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2022.07.08
技术公布日：2022/12/26