论文题目：基于直接力矩驱动的高速列车侧滚动态行为新型主动控制系统及其相关理论与试验研究
摘要：随着振动控制技术的发展,主动控制、半主动控制等技术在土木工程、轨道车辆、机械工程以及航空航天等领域得到了广泛的发展和应用。结构振动控制技术通过在结构特定位置安装控制装置,能够有效降低结构的振动响应,提高结构的安全性和耐久性。主动力矩控制系统具有稳定性好、控制效果显著、控制精度高和适应性强等特点,现已大量应用于振动控制领域。高速列车在实际运行过程中具有非常复杂的动态行为。大量的研究和试验证明,悬挂系统中的阻尼器、作动器等液压执行元件的出力方式为直线形式,在控制列车具有平动成分的动态行为（横摆、浮沉和伸缩）能够发挥良好的控制效果;然而在控制列车具有转动成分的动态行为（摇头、点头和侧滚）时,并不能发挥理想的控制效果。因此,本文提出了抑制高速列车侧滚动态行为的主动力矩控制系统,通过控制系统产生有效的控制力矩并直接施加到车体上,实现有效抑制高速列车侧滚动态行为的目的,以提升高速列车运行的平稳性、安全性和舒适性。本文主要研究工作如下:（1）从高速列车动力学分析模型和轨道不平顺研究入手,针对高速列车的振动特征,通过对高速列车系统合理简化,建立了高速列车动力学分析模型,并推导了高速列车运动学方程。（2）提出了主动力矩控制系统抑制高速列车侧滚动态行为的方法,基于高速列车动力学分析模型上,结合主动控制原理,建立了高速列车侧滚动态行为主动力矩控制系统的动力学分析模型,对系统的控制效果进行分析,并从能量角度对主动力矩控制系统的控制机理进行深入分析,验证了主动力矩控制系统对高速列车侧滚动态行为的良好控制性能。（3）研究了主动力矩控制系统的各参数对控制效果、控制力矩、控制代价和能量的影响规律,并得到了控制算法参数的最优取值区间,为主动控制系统在高速列车侧滚动态行为的应用和设计提供了重要的参考指标。（4）设计并制作了小型高速列车主动力矩控制试验系统,并对其进行了不同激励类型下的性能试验,验证了主动力矩控制系统直接对车体施加控制力矩来抑制车辆侧滚动态行为的有效性。（5）对高速列车主动力矩系统的转动惯量、功率、力矩、装置几何尺寸等参数进行工程化分析和设计,说明了新型主动力矩控制系统在高速列车应用的可行性,为实际应用奠定基础。
关键词：振动控制;高速列车侧滚动态行为控制;主动力矩控制系统;控制性能试验;工程化设计
学科专业：建筑与土木工程（专业学位）
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的背景和意义
1.2 高速列车基本动态行为
1.3 高速列车振动控制技术的研究现状
1.3.1 被动悬挂系统的研究概况
1.3.2 半主动悬挂系统的研究概况
1.3.3 主动悬挂系统的研究概况
1.4 高速列车振动控制技术的分析比较
1.4.1 车辆悬挂系统的基本概况
1.4.2 车辆悬挂系统的特征对比
1.4.3 车辆悬挂系统的应用现状
1.5 本文的主要工作
1.5.1 主要研究内容
1.5.2 研究技术路线
1.5.3 研究主要创新点
第2章 高速列车动力学模型构建及分析
2.1 引言
2.2 高速列车动力学模型的建立
2.3 轨道不平顺激励的分析与模拟
2.3.1 轨道不平顺激励的分类
2.3.2 轨道不平顺激励的数值模拟
2.4 高速列车动力学模型仿真分析
2.4.1 脉冲型激励下车体振动仿真分析
2.4.2 轨道不平顺激励下车体振动仿真分析
2.5 本章小结
第3章 高速列车侧滚动态行为主动力矩控制系统的理论建模及分析
3.1 引言
3.2 高速列车侧滚动态行为主动力矩控制系统概念提出
3.3 高速列车侧滚动态行为主动力矩控制系统理论建模
3.4 基于LQR算法求解主动力矩控制系统的控制力矩
3.5 高速列车侧滚动态行为主动力矩控制系统有效性验证分析
3.5.1 高速列车主动力矩控制系统LQR算法合理性验证
3.5.2 高速列车主动力矩控制系统的控制效果分析
3.6 本章小结
第4章 高速列车侧滚动态行为主动力矩控制系统的参数分析研究
4.1 引言
4.2 LQR控制算法参数对控制效果影响
4.3 激励频率比和转动惯量比对控制效果影响
4.4 激励频率比和转动惯量比参数耦合分析
4.5 控制算法参数和控制力矩参数耦合分析
4.6 控制效果和控制代价参数分析
4.7 本章小结
第5章 高速列车侧滚动态行为主动力矩控制系统的性能试验
5.1 引言
5.2 高速列车主动力矩控制系统设计
5.2.1 主动力矩控制系统驱动装置设计
5.2.2 主动力矩控制系统转动惯量设计
5.2.3 主动力矩控制系统传感装置设计
5.3 主动力矩控制系统电路设计及实现方式
5.3.1 主动力矩控制系统电路设计
5.3.2 主动力矩控制系统工作原理
5.4 试验激励装置设计及实现方式
5.5 高速列车主动力矩控制系统性能验证
5.5.1 脉冲激励下的控制性能试验及控制效果分析
5.5.2 轨道不平顺激励下的控制性能试验及控制效果分析
5.5.3 不同转动惯量比的控制性能试验及控制效果分析
5.6 本章小结
第6章 高速列车主动力矩控制系统工程化设计分析
6.1 引言
6.2 高速列车主动力矩控制系统工程化设计
6.3 高速列车主动力矩控制系统工程化参数分析
6.3.1 转动惯量工程化参数分析
6.3.2 驱动电机工程化参数分析
6.3.3 控制效果和控制代价工程化参数分析
6.4 高速列车动力学参数工程化影响分析
6.5 本章小结
第7章 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
参考文献
致谢