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高速列车座椅主动悬架的模糊控制与PID控制系统

郑玉强;高国生;张航星;郑玉文

【摘要】建立了基于主动悬架的的高速列车悬架—座椅—人体的四自由度动力学

模型,并对该列车模型平顺性的优化控制进行了研究.针对该座椅主动悬架模型设计

了模糊控制器、传统PID控制器与自适应的模糊PID控制器,应用

Matlab/Simulink软件在相同的工况下进行仿真实验,并将三种控制方法下的仿真

结果与被动悬架车辆模型的仿真结果进行对比分析.结果表明,相较与被动悬架车辆

模型,上述三种控制方法下的主动模型座椅处的振动特性都得到了改善,达到了预期

的控制效果,且自适应模糊PID控制下的改善程度最佳,对高速列车乘坐舒适性的提

高有着一定的理论参考意义.

【期刊名称】《承德石油高等专科学校学报》

【年(卷),期】2019(021)001

【总页数】5页(P48-52)

【关键词】座椅主动悬架;模糊控制;PID控制;仿真

【作者】郑玉强;高国生;张航星;郑玉文

【作者单位】石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043;石家庄铁道大学

机械工程学院,河北石家庄050043;石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄

050043;石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043

【正文语种】中文

【中图分类】U270.3

目前对悬架的研究多分为半主动控制策略和主动控制策略。刘永强等[1]提出了一

种基于加速度阻尼原理的改进型半主动控制方法，发现其在提高车辆运行平稳性和

抗时滞方面效果更佳；李西成等[2]在建立两种悬架的动力学模型和天棚控制系统

的基础上，利用Adams与Matlab/Simulink联合仿真，天棚控制下的悬架系统

在振幅上有了一定的改善，并增加了整个悬架系统的稳定性；郑竹安等[3]研究了

天棚阻尼并附加变刚度的半主动悬架座椅，较天棚控制进一步降低了座椅的垂向加

速度；寇发荣等[4]研发了一种用于座椅磁流变半主动悬架的减振器，座椅动态性

能改善显著，平顺性有明显的提高；但半主动控制路面不确定因素适应度偏低，反

应速率存在一定的迟滞时间，而主动悬架在行驶平顺性和操纵稳定性上可以较好的

满足上述的不足。

笔者在两者控制理论基础上进行座椅主动悬架控制器的设计，利用牛顿第二定律建

立动力学微分方程，设计了基于速度变化的模糊控制、传统PID控制和自适应的

模糊PID控制的三种控制器。

1主动座椅悬架系统动力学模型建立

1.1主动座椅悬架模型

由于人体脊椎生理结构的特点，垂直方向上的振动状态对人体乘坐满意度影响最大

[5]。车体选用1/4列车悬架模型，在宋光伟等[6]高速列车座椅半主动悬架模型的

基础上进行改进，建立悬架—座椅—人体的四自由度串联主动控制模型，设计分

别使用模糊控制器、传统PID控制器与自适应模糊PID控制器输入悬架车身与转

向架系统之间所需要的理论控制力。模型如图1所示。

由牛顿第二定律的座椅主动悬架系统运动微分方程为：

(1)

式中：ml为1/4转向架质量；mz为1/4车体质量；mr为座椅质量；mg为椅上

人员质量；kq为转向架垂向刚度；kz、cz分别为车体垂向刚度和阻尼；kr、cr分

别为座椅垂向刚度和阻尼；kg、cg分别为人体垂向刚度和阻尼；q为高速轨道的

路面不平度激励；xL、xz、xr、xg分别为垂向的转向架位移、车体位移、座椅位

移和人体位移。

1.2轨道路面不平顺激励模型

轨道接触面的几何位置在实际运行过程中，由于受众多不确定因素的干扰而表现出

随机性。且目前国内尚未形成表征轮对与踏面接触的统一轨道谱标准，所以本文采

用与我国铁路线路较为接近的德国轨道不平顺功率谱时域表达式[6]：

(2)

式中：v为列车行驶速度;Ωc、Ωr分别为水平截断空间频率与高低截断空间频

率;Av为踏面粗糙度系数;ω(t)为单位高斯白噪声。

2模糊与自适应模糊PID控制器的设计

2.1模糊控制器的设计

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一门控制理论技

术，采用由模糊语言描述的逻辑关系进行解模糊后由输入变量确定输出控制量的方

法[7]。设计主要包括选取控制器结构，输入和输出变量的论域，制定控制规则及

解模糊化策略等。本文选取误差e为车身垂向速度，误差ec为车身垂向速度变化

速率即加速度，u为控制悬架系统的输入控制力。

由被动悬架仿真得到车身垂向速度变化区间[-0.15,0.15],车身垂直加速度变化区间

[-2,2