浮置板軌道磁流變隔振系統(tǒng)自適應(yīng)控制

1、浮置板軌道磁流變隔振系統(tǒng)自適應(yīng)控制【摘要】隔振器的阻尼可變對(duì)地鐵浮置板軌道在低 頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)隔振具有重要意義。本文建立了浮置板隔振的 動(dòng)力學(xué)模型，提出使用阻尼可調(diào)的磁流變脂阻尼器和剛度可 調(diào)的磁流變彈性體元件構(gòu)成短型浮置板并聯(lián)隔振器，以垂向 力合力最小為主要隔振目標(biāo)。設(shè)計(jì)出遺傳算法，以此來優(yōu)化 并自動(dòng)匹配各個(gè)磁流變器件的阻尼。搭建了自適應(yīng)控制系 統(tǒng)，采用磁流變并聯(lián)隔振器配合橡膠隔振器，利用matlab 進(jìn)行模擬激振條件下的隔振效果對(duì)比分析。結(jié)果表明，遺傳 算法較好地解決浮置板低頻隔振不理想的難題，并抑制了浮 置板軌道的振動(dòng)傳遞?！娟P(guān)鍵詞】浮置板；磁流變技術(shù)；隔振器；遺傳算法； 仿真試驗(yàn)0引言近

2、年來，磁流變減振器因其耗能低、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 而被應(yīng)用在汽車工程1上，采用了磁流變技術(shù)的高檔減振 轎車在國(guó)外已經(jīng)面世2,而對(duì)于用于地鐵減震方面，將磁 流變智能材料和相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)隔振的實(shí)例很少， 但是由于其良好的隔振性能和在其它領(lǐng)域也有廣泛研究，在 對(duì)隔振要求比較高的地鐵軌道上，利用磁流變材料來開展軌 道半主動(dòng)隔振研究3是具有較高的理論基礎(chǔ)和可行性的， 也是地鐵軌道隔振的一個(gè)必然方向。使用磁流變隔振器之后，軌道基座振動(dòng)的剛度阻尼變成 可調(diào)，這點(diǎn)已與傳統(tǒng)的剛彈簧情況有極大的不同。如何在列 車經(jīng)過軌道實(shí)時(shí)優(yōu)化剛度阻尼使得軌道振動(dòng)最小，傳遞到地 基的振動(dòng)最小，傳遞到地基的力較小以減少對(duì)附近

3、環(huán)境和居 民的影響。控制策略的選取是一個(gè)亟待解決的問題。磁流變 半主動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)存在時(shí)滯與不確定因素的復(fù)雜非線性動(dòng) 力學(xué)系統(tǒng)，控制策略的設(shè)計(jì)極富挑戰(zhàn)性，從經(jīng)典的天棚控 制、最優(yōu)控制到智能控制如模糊控制、神網(wǎng)絡(luò)控制不斷地 被應(yīng)用于仿真研究，但在實(shí)際使用中往往不能取得仿真中所 預(yù)言的控制效果。1車輛-軌道非線性動(dòng)力學(xué)模型隔振系統(tǒng)模型化：由于實(shí)際的軌道振動(dòng)系統(tǒng)非常的復(fù)雜，本文將以短型浮 置板的軌道為代表來加以理論建模分析。主要研究在動(dòng)態(tài)可 變激振力的條件下的磁流變隔振器的瞬時(shí)控制問題。本文將 車輛一軌道一浮置板一地面看做一個(gè)整體系統(tǒng)，通過移動(dòng)輪 經(jīng)過軌道對(duì)浮置板施加激振力影響，對(duì)1塊短型浮置板軌道

4、(實(shí)物圖如圖1(a)可等效為等價(jià)機(jī)械系統(tǒng)如圖12隔振控制算法設(shè)計(jì)為了使軌道隔振性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，需要對(duì)隔振系統(tǒng)進(jìn) 行理論分析和試驗(yàn)研究，根據(jù)磁流變隔振器的特性改變到最 佳的剛度阻尼。但是把實(shí)際的地鐵工程搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn) 基本是不可能的。為了校正試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)際工程系統(tǒng)真實(shí)參 數(shù)上的差距，因此我們模型數(shù)據(jù)采用實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，既能夠 反映出工程的客觀規(guī)律，又能夠節(jié)約試驗(yàn)成本。本文研究平 直軌道隔振系統(tǒng)垂向振動(dòng)優(yōu)化模型的通用性。2.1優(yōu)化隔振目標(biāo)函數(shù)和約束條件的確定目標(biāo)函數(shù)：隔振的最終目的就是要減小振動(dòng)能量的傳遞，而參數(shù)優(yōu) 化的首要目的就是使優(yōu)化后的隔振器參數(shù)能夠最大程度提 高浮置板軌道系統(tǒng)的隔振效率

5、。因此，隔振器參數(shù)的優(yōu)化是 與浮置板軌道的振動(dòng)評(píng)價(jià)互相聯(lián)系。參數(shù)優(yōu)化要結(jié)合磁流變 軌道并聯(lián)隔振器的實(shí)際情況來實(shí)時(shí)制定優(yōu)化策略，實(shí)時(shí)地改 變隔振器的剛度、阻尼參數(shù)3。選取一個(gè)好的參數(shù)優(yōu)化目 標(biāo)函數(shù)，對(duì)最終振動(dòng)效果的評(píng)價(jià)和參數(shù)優(yōu)化過程求解的方便 性來說十分重要。輪軌振動(dòng)是多方向的耦合振動(dòng)，當(dāng)列車運(yùn)行在平直路段 時(shí)，垂向振動(dòng)是其最主要的激振形式，振動(dòng)通過鋼軌傳遞到 浮置板，浮置板再將振動(dòng)通過隔振器傳遞到地基。以建立的 浮置板軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為參考，振動(dòng)最終通過浮置板下 四個(gè)隔振器向外界傳播。因此，這里將傳遞到六個(gè)隔振器的 力之和與激振力的比值最小作為對(duì)垂向振動(dòng)的參數(shù)優(yōu)化目 標(biāo)函數(shù)不失為一個(gè)適合的選

6、擇，即以力絕對(duì)傳遞率最小作為 目標(biāo)函數(shù)，而且在后期的臺(tái)架試驗(yàn)中也可以在隔振器下安裝 力傳感器來方便地獲取傳遞力。力絕對(duì)傳遞率公式如下：式中，tf為力絕對(duì)傳遞率；max (a)表示求取函數(shù)a的 最大值；min (a)表示求取函數(shù)a的最小值；zi為隔振器i 的位移量，i為1, 2, 3, 4, 5, 6； ki為隔振器i的剛度值; ci為隔振器i的阻尼值；f (t)是輪軌激振力。2.2隔振系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)在列車行駛的過程中，激振力除了在典型頻率下的振動(dòng) 外，還有在其他頻率下的振動(dòng)，只是相對(duì)于在典型頻率下振 動(dòng)比較小，對(duì)隔振系統(tǒng)的影響較小。但為了表示頻域下的整 體隔振效果，本文通過比較各頻率下的浮

7、置板振動(dòng)相對(duì)力傳 遞率，用來判斷在典型頻率下計(jì)算的優(yōu)化剛度阻尼和不變剛 度阻尼條件下隔振系統(tǒng)的優(yōu)劣性。力傳遞率越小，表示列車 對(duì)地面?zhèn)鬟f的振動(dòng)越小。3優(yōu)化隔振在實(shí)際工程中的應(yīng)用仿真當(dāng)前世界上地鐵列車一般均為電力機(jī)車，運(yùn)行速度不超 過120km/h,通過查閱相關(guān)鐵路、機(jī)車技術(shù)手冊(cè)、浮置板軌 道相關(guān)研究資料，得到單個(gè)短型浮置板軌道隔振系統(tǒng)的一般 平臺(tái)參數(shù)，如圖2所示。運(yùn)用matlab7. 9. 0 (r2009b)對(duì)其 進(jìn)行優(yōu)化仿真。3.1浮置板軌道隔振系統(tǒng)的模型參數(shù)3.2優(yōu)化隔振系統(tǒng)與被動(dòng)隔振系統(tǒng)性能對(duì)比分析對(duì)于整個(gè)隔振的系統(tǒng)，被動(dòng)隔振與優(yōu)化隔振在各個(gè)頻率 下的相對(duì)加速度傳遞率對(duì)比如圖3所示。從

8、圖3可以看出，優(yōu)化隔振系統(tǒng)的相對(duì)加速度傳遞率在 較低頻(730hz)時(shí)的隔振效果明顯好于被動(dòng)隔振系統(tǒng)； 對(duì)于環(huán)境的垂向振動(dòng)，人體感覺較明顯的是在低頻范圍內(nèi)振 動(dòng)，并且在非典型頻率下的振動(dòng)較弱，因此遺傳算法的優(yōu)化 隔振系統(tǒng)減少了對(duì)周圍環(huán)境的影響和提高了列車的舒適性。 通過圖3可以看出：優(yōu)化隔振可以明顯的改善整個(gè)隔振系統(tǒng) 在低頻下的隔振效果，解決了被動(dòng)隔振不能有效改良低頻隔 振效果的缺點(diǎn)。4結(jié)論(1) 由評(píng)價(jià)指標(biāo)建立多目標(biāo)優(yōu)化，配合磁流變隔振器 和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，使用遺傳算法參數(shù)優(yōu)化對(duì)磁流變隔振器 阻尼進(jìn)行全局尋優(yōu)的方式，使隔振系統(tǒng)適應(yīng)不同的激勵(lì)情 況，提高低頻隔振效率。(2) 通過仿真和臺(tái)架試驗(yàn)的相互驗(yàn)證，證明了基于遺 傳算法參數(shù)優(yōu)化方法在單個(gè)短型浮置板軌道隔振系統(tǒng)中的 可行性和有效性。同時(shí)，基于遺傳算法的磁流變隔振系統(tǒng)控 制優(yōu)化方法，能夠提高隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和降低工程試驗(yàn) 成本?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1陳世嵬，蹇開林，李銳，等.車用發(fā)動(dòng)機(jī)磁流變懸 置的剛度優(yōu)化j重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2011, 34 (12)： 29-34.2 孫增圻智能控制理論與技術(shù)m.北京：清華大學(xué)出 版社，19973 rao m d, wirkner k j, gruenberg s. dynamic characterization of automotive exhaust isolators