高速铁道车辆半主动悬挂系统动力学建模优化与仿真分析.pdf

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1、 博 士 学 位 论 文博 士 学 位 论 文 高速铁道车辆半主动悬挂系统动力学高速铁道车辆半主动悬挂系统动力学 建模优化与仿真分析建模优化与仿真分析 Modeling,Optimal Design and Simulation Analysis of Semi-Active Suspension System for High-Speed Railway Vehicle 作者：廖英英 导师：刘金喜 北京交通大学北京交通大学 2012 年 4 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据

2、库进行检索，提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年 月 日 签字日期：年 月 日 i 中图分类号：130.202；130.205 学校代码：10004 UDC：629.4 密级：公开 北京交通大学 博 士 学 位 论 文 高速铁道车辆半主动悬挂系统动力学建模优化与仿真分析 Modeling,Optimal Design and Simulation Analysis of Semi-Active Suspension System

3、 for High-Speed Railway Vehicle 作者姓名：廖英英 学 号：08115252 导师姓名：刘金喜 职 称：教授 学位类别：工学 学位级别：博士 学科专业：固体力学 研究方向：非线性动力学与控制 北京交通大学 2012 年 4 月 iii 致谢 本论文的工作是在我尊敬的导师刘金喜教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、方案的论证到论文的审阅，刘老师都付出了大量的心血。导师严谨的治学态度、深厚的理论基础和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。刘金喜教授无论在生活上还是学习上也都给予了我无微不至的关怀和帮助，我将永远铭记于心，并在此表示深深地感谢！在论文完成过程中，得到了杨

4、绍普教授和汪越胜教授的大量帮助与指导，在此向他们表示诚挚的感谢！感谢陈恩利教授、李浩玉教授、李韶华副教授、潘存治教授和徐步青副教授多年来在学习和生活上对我的关心和帮助！在实验室工作及撰写论文期间，马新娜、赵志宏、赵星、孔艳平，张乐乐等师兄弟们在学习和生活上也都给予了我很多关心和帮助，在此一并表示衷心的感谢！感谢我的父母和家人，多年来他们为我的成长和进步付出了大量的心血和无私的关爱，他们对我学习工作的鼓励和支持是我完成学业的坚实基础。特别感谢我的爱人刘永强先生，多年来在学习工作中的默默支持给我极大的鼓舞，他为我论文的撰写工作提供了许多宝贵的建议，本论文的完成浸透了他的艰辛和奉献。最后，感谢在百忙

5、中抽出时间对本论文进行评阅和评议的各位专家和学者！中文摘要 v 中文摘要 摘要：摘要：随着国内外高速铁路技术的发展，国内旅客列车的运行速度不断提高，既有线提速客车时速已超过 200 km/h，新建高速铁路列车车速已达到 300 km/h 以上。随着列车速度的提高，轮/轨间作用不断加剧，车辆运动稳定性、运行平稳性以及安全性能受到了严重威胁。如何在高速运行环境下有效抑制车体振动，减小蛇行运动幅值，提高乘客的乘坐舒适性能，增加安全裕量是一项重要的研究内容。本文以减小车体横向振动、提高非线性临界速度和增加安全裕量为目的，从高速铁道车辆建模、悬挂系统优化、磁流变阻尼器建模与半主动控制角度，全面分析了基于

6、磁流变阻尼器的半主动控制系统对高速运行状况下的车辆动力学性能的影响情况。主要研究内容如下：(1)为了找到最佳的悬挂匹配关系以同时保证铁道车辆的运动稳定性、运行平稳性和曲线通过性能，首先采用 ADAMS-Matlab 联合设计的方法建立高速铁道车辆悬挂系统参数化模型，然后采用多目标遗传算法对悬挂系统进行优化，采用平均值筛选法和容差设计方法在多组 Pareto 解中找出最优悬挂参数，使优化后的悬挂系统在保证车辆具有良好运行平稳性的同时，显著提高模型的运动稳定性和曲线通过性能。(2)在获得磁流变阻尼器力学试验数据的基础上，采用遗传算法和非线性无约束最优算法成功地对磁流变阻尼器 Bouc-Wen 模型

7、进行了参数识别，并对识别结果进行了泛化性检验。针对力学模型模拟磁流变阻尼器逆向特性困难这一问题，采用 BP 神经网络技术模拟磁流变阻尼器运行状态与所需电流强度之间的非线性映射关系，并采用遗传算法优化了逆向神经网络模型的权值和阈值。最后将磁流变阻尼器正向、逆向模型成功应用于 1/4 车半主动悬挂系统中，取得了很好的控制效果。(3)针对半主动开-关控制易导致高频颤振的缺点，分别建立了天棚阻尼控制、加速度阻尼控制、RS(Rakheja-Sankar)控制和天棚-加速度混合控制的连续型半主动控制策略，并分别采用 1/4 车模型和整车模型对高速运行状况下的几种半主动控制策略进行了仿真分析。分析结果表明：

8、天棚阻尼控制在低频区控制效果好，加速度控制在中、高频区域控制效果好，而天棚阻尼-加速度混合控制兼备天棚阻尼控制和加速度控制的优势。与普通半主动控制相比，连续型控制能将阻尼器状态转换时的大幅“跳动”现象大大减少，使不同状态之间的切换更加平滑，有效缓解高频颤振现象。(4)建立更加接近真实状况的基于磁流变阻尼器的高速铁道车辆半主动悬挂北京交通大学博士学位论文 vi 系统，分析磁流变阻尼器及半主动控制策略对车辆系统的运行平稳性、运动稳定性和曲线通能力的影响。仿真结果显示，连续型天棚加速度混合控制效果最好。(5)通过对不同信号通道内时滞对动力学性能的影响情况进行仿真分析，发现只有速度通道，尤其是构架速度

9、通道内的时滞对动力学性能的影响较大，而其他信号通道内的时滞则影响很小。随着时滞的增大，动力学性能并非单调变化，而是呈波浪形变化且具有一定的规律性。连续型半主动控制作用下的时滞对动力学性能的影响要远小于其他控制策略。图 94 幅，表 20 个，参考文献 210 篇。关键词：关键词：高速铁道车辆；半主动控制；磁流变阻尼器；神经网络模型；时滞 分类号：分类号：130.202；130.205 ABSTRACT vii ABSTRACT ABSTRACT:With the development of high-speed railway technology at home and abroad,th

10、e running speed of passenger train is in constant improvement.The velocity of Speed-raising passenger train of existing lines exceeds 200km/h,and of newly-built high-speed train 300km/h.With the increasing of train speed,the interaction between wheel and track becomes more serious,which threatens th

11、e running stability,riding quality and safety of vehicle.It is an important research subject how to effectively inhibit the vibration of car body,reduce the amplitude of hunting,improve the ride comfort and increase safety allowance under high-speed running environment.The purpose of this research i

12、s to reduce the lateral vibration of car body,to increase nonlinear critical velocity and improve safety allowance.From the perspective of building high-speed railway vehicle model,optimizing suspension system,building MR damper model and semi-active control,this paper analyzes the effects of semi-a

13、ctive control system with MR damper on the dynamic performance of vehicles under high-speed running conditions.The main work is as follows:(1)In order to find the optimal suspension matching and guarantee the running stability,riding quality and curve negotiation ability of railway vehicles,we built

14、 a parametric model of suspension system for high-speed railway vehicle,using ADAMS-Matlab method.We optimized the suspension system by adopting multi-objective genetic algorithm,and found optimal suspension parameters from multi-group Pareto solutions by utilizing average value screening method and

15、 tolerance design method.The optimized suspension system could ensure good running stability of the vehicle and significantly improve the riding quality and curve negotiation ability of model.(2)On the basis of mechanical test data of MR damper,we successfully identified the parameters of Bouc-Wen m

16、odel by using genetic algorithm and pattern search method,and made generalized inspections on the identified results.Since it was difficult for mechanical models to simulate the reverse characteristics of MR damper,the nonlinear mapping relationships between running state of MR damper and correspond

17、ing currents strength were simulated by utilizing BP neural network technology and the weight and threshold value were optimized by using genetic algorithm.At last,the forward and inverse MR damper model were successfully applied 北京交通大学博士学位论文 viii to semi-active suspension system of quarter car and

18、satisfactory control was obtained.(3)To avoid high frequency flutter caused by on/off semi-active control,the continuous semi-active control strategies of sky-hook(SH)damping control,acceleration drive damping(ADD)control,Rakheja-Sankar control and SH-ADD mix control were built respectively,and the

19、simulations of which under high-speed running state were conducted by using quarter and whole vehicle model respectively.Results showed that the effect of sky-hook control was good in low frequency area and the effect of acceleration drive damping control was better in middle and high frequency area

20、,while SH-ADD mixed control have both the advantage of sky-hook damping control and acceleration drive damping control.Compared with ordinary semi-active control,continuous control could significantly reduce the jumps when damper converts states,so the switch between different states was smoother an

21、d the high frequency flutter was reduced effectively.(4)A MR damper-based semi-active suspension system of high-speed railway vehicle was built,which is closer to the actual conditions.The effects of MR damper and semi-active control strategies on the running stability,riding quality and curve negot

22、iation ability of vehicle system were analyzed.The simulation results showed that effects of continuous SH-ADD mixed control were the best.(5)The effects of time delay in different signal channel on dynamic performance were simulated.It can be seen that effects of time delay on the dynamic performan

23、ce was bigger only in velocity channel,especially in frame velocity channel,while in others signal channels the effects were very small.With the increasing of time delay,the dynamic performance presented a regular wavelike change rather than a monotonous change.The effect of time delay on the dynami

24、c performance under continuous semi-active control was far less than the others control strategies.KEYWORDS：High-speed railway vehicle;Semi-active control;Magnetorheological damper;neural network;Time delay CLASSNO：130.202；130.205 目录 ix 目录 中文摘要.v ABSTRACT.vii 1 绪论.1 1.1 课题的背景和意义.1 1.2 国内外研究现状.2 1.2.

25、1 磁流变阻尼器的发展及研究现状.2 1.2.2 高速铁道车辆多体动力学建模与仿真技术.6 1.2.3 多目标优化技术.10 1.2.4 车辆悬挂系统半主动控制技术的研究现状.11 1.2.5 控制系统时滞问题研究现状.13 1.3 本课题的主要研究内容及技术线路.15 2 高速铁道车辆悬挂系统参数化建模与多目标优化.18 2.1 引言.18 2.2 铁道车辆多体动力学模型的建立.18 2.2.1 车辆模型.18 2.2.2 轨道模型.21 2.3 ADAMS/Rail中的轮轨接触关系.23 2.3.1 轮轨接触数学模型.23 2.3.2 线性轮轨接触关系.25 2.3.3 非线性轮轨接触关系

26、.26 2.4 铁道车辆悬挂系统参数化建模.27 2.4.1 参数化建模.27 2.4.2 参数化模型验证.31 2.5 悬挂系统多目标优化.33 2.5.1 多目标优化方法.33 2.5.2 优化目标函数的确定.34 2.5.3 悬挂系统关键参数的选择.37 2.5.4 悬挂系统多目标优化.40 2.6 本章小结.43 3 磁流变阻尼器神经网络建模.44 3.1 引言.44 北京交通大学博士学位论文 x 3.2 磁流变阻尼器力学特性试验.44 3.3 磁流变阻尼器正向模型.46 3.3.1 磁流变阻尼器Bouc-Wen模型.46 3.3.2 磁流变阻尼器模型参数识别方法.48 3.3.3 磁

27、流变阻尼器Bouc-Wen模型参数识别.49 3.3.4 参数识别结果验证.53 3.4 磁流变阻尼器逆向模型的神经网络建模.56 3.4.1 神经网络建模原理.57 3.4.2 神经网络模型的数据采集.59 3.4.3 基于遗传算法的神经网络建模与优化.61 3.4.4 模型的泛化性检验.64 3.5 磁流变阻尼器的神经网络逆向模型仿真.66 3.5.1 1/4 车悬挂模型的半主动控制系统.66 3.5.2 仿真分析.70 3.6 本章小结.71 4 高速铁道车辆悬挂系统横向半主动控制.73 4.1 引言.73 4.2 铁道车辆常见半主动控制策略.73 4.2.1 天棚阻尼控制（Sky-Ho

28、ok，SH）.73 4.2.2 加速度阻尼控制（Acceleration Drive Damping，ADD）.74 4.2.3 RS控制（Rakheja-Sankar，RS）.74 4.3 基于 1/4 车悬挂模型的半主动控制策略设计.74 4.3.1 1/4 车悬挂系统横向模型.74 4.3.2 天棚阻尼加速度控制(SH-ADD)策略.75 4.4 基于整车模型的半主动控制策略设计.81 4.4.1 整车半主动悬挂系统模型.81 4.4.2 连续阻尼控制策略.84 4.4.3 半主动控制仿真.86 4.4.4 连续天棚阻尼加速度控制(Continuous SH-ADD)策略.90 4.5

29、理想半主动控制对运动稳定性和曲线通过性能的影响.92 4.5.1 理想半主动控制对非线性临界速度的影响.92 4.5.2 理想半主动控制对曲线通过性能的影响.97 4.6 本章小结.99 5 基于磁流变阻尼器的半主动控制仿真分析.101 目录 xi 5.1 引言.101 5.2 基于磁流变阻尼器的半主动控制系统.101 5.2.1 半主动控制器.102 5.2.2 阻尼控制器.102 5.2.3 半主动控制系统.102 5.3 磁流变阻尼器对半主动控制效果的影响.105 5.3.1 横向运行平稳性.105 5.3.2 半主动控制对运动稳定性的影响.107 5.3.3 半主动控制对曲线通过性的影

30、响.108 5.4 基于磁流变阻尼器的半主动控制能力分析.111 5.4.1 横向运行平稳性能.111 5.4.2 运动稳定性能.112 5.4.3 曲线通过性能.112 5.5 本章小结.115 6 时滞对高速铁道车辆半主动控制系统的影响.117 6.1 引言.117 6.2 磁流变阻尼器的反应时滞.117 6.3 半主动控制系统中的采集时滞.119 6.4 1/4 车悬挂系统的时滞分析.119 6.5 基于磁流变阻尼器的整车半主动控制系统的时滞分析.123 6.5.1 不同信号通道时滞的影响.123 6.5.2 时滞对运行平稳性的影响.127 6.5.3 时滞对运动稳定性的影响.133 6

31、.5.4 时滞对安全性能的影响.138 6.6 本章小结.144 7 结论与展望.145 7.1 主要结论及创新点.145 7.2 展望.145 参考文献.147 作者简历.159 独创性声明.161 学位论文数据集.163 绪论 1 1 绪论 1.1 课题的背景和意义 近年来，中国铁路技术迅猛发展，我国铁路既有线提速干线的旅客列车最高运行时速达到 200 km 以上，京哈、京广、京沪、胶济等提速干线部分区段可达到时速 250 km，这标志着我国铁路既有线提速已经迈入世界先进行列。高速铁路技术也迈入了世界先进行列，我国已经拥有完全自主知识产权的 200 km/h 动车组技术，而 250、300

32、 公里级动车组技术也日臻完善，已经商业化运营的京津城际铁路和京沪高速铁路最高速度达到 350 km/h 以上，是世界上最高的运营速度。然而，随着铁路车辆运行速度的提高，也暴露出一些十分突出的问题。一方面，一些线路等级差异较大且受客货运输条件限制不易改造，很难适应车辆进一步提速的要求；另一方面，随着运行速度的日益提高，车辆振动日益加剧，对铁道车辆的运行平稳性、运动稳定性等动态性能及行车安全性等产生严重影响。当速度高于非线性临界速度时，会导致车辆系统发生蛇行失稳，出现 Hopf 分叉现象，车辆运行安全性降低，甚至发生脱轨危险。车辆运行速度愈高，引发的动力学与振动问题愈加突出，诸如此类的安全问题也愈

33、加严重。因此，要求高速车辆自身具有较高的改善振动性能的能力，特别是改善横向振动性能的能力，可以看出分析和研究车辆系统的动力学行为和振动控制十分必要。传统车辆系统中应用的阻尼器一经制造，其减振性能便固定不变，在不同线路状况和振动条件下的使用性能不能进行灵活调节。磁流变液是一种新型的智能材料，变化可逆且耗能很少，是性能优良的半主动控制器件原材料，然而磁流变液的动态阻尼呈现强非线性关系，使得磁流变阻尼器的力学建模困难，模型参数识别困难。而半主动控制系统在工作的过程中，在信号采集、信号传输、控制器计算、作动器作用过程中必定产生时间滞后，使得最终的输出阻尼力与实际控制状态不符，无法准确控制当前的状态，从

34、而使半主动控制效果变差。基于磁流变阻尼器的高速铁道车辆横向振动控制及时滞问题的研究可以更好的分析高速铁道车辆的动力学行为、磁流变阻尼器的特性、时滞的影响及解决方法，有利于寻求合适的安全、平稳运行的高效控制策略、理想磁流变阻尼器模型和时滞补偿方法。这是一个涉及车辆工程、动力学和自动控制等多学科相结合的课题，具有重要的理论意义和工程应用价值。本课题来源于国家自然科学基金(10902074)“高速动车组车辆系统的非线性动北京交通大学博士学位论文 2 力学与控制”、国家自然科学基金(10672108)“磁电复合材料中弹性波的传播特性及材料定征反问题研究”、国家杰出青年基金(50625518)“机械动力

35、学”、长江学者和创新团队发展计划(IRT0971)“智能材料结构的动力学与控制关键问题研究”以及北京交通大学轨道车辆结构可靠性与运用检测技术教育部工程研究中心开放课题(SROM RVG(BJTU)2010-001)“高速动车组悬挂系统的动力学与控制”。1.2 国内外研究现状 1.2.1 磁流变阻尼器的发展及研究现状 运行速度提高后，对铁道车辆的悬挂系统动力学性能提出了更高的要求，不但要求高速铁道车辆对线路的动力作用小，同时还要求具有良好的运行稳定性、乘坐舒适性和曲线通过能力。目前在铁道上普遍使用的减振器是液压减振器、橡胶减振器和空气弹簧，但大多不能实现阻尼力快速连续调节，无法达到最优性能，影响

36、了主动/半主动控制在车辆悬挂系统中的推广应用。1.2.1.1 力学模型及参数识别方法 磁流变液是一种新型的智能材料，是由可磁化的微小颗粒分散于载液中形成的稳定悬浮液，其粘度可随外加磁场的改变在瞬间发生变化，这种变化是可逆的，且耗能很少；其工作温度范围大，基本上不受杂质的影响；另外，由于采用了低电压(1224 伏)，因而使用更安全，功能更强大，适合于实时控制。然而，由于磁流变液的动态本构关系比较复杂，动态阻尼力呈现强非线性关系，给建立准确的减振器阻尼力数学模型带来了一定困难。目前在应用上主要存在两个方面的问题：力学模型的选取和力学模型参数的辨识。随着磁流变技术的不断进步，国内外学者对磁流变阻尼器

37、的模型进行了大量的研究。常用模型有Bingham模型、Bouc-Wen数学模型、多项式模型等。基于电流液的磁性特性，Stanway1在 1985 年提出一种理想化的力学模型Bingham模型，该模型是由一个库伦摩擦力单元和一个粘性阻尼单元并联组成的。Bingham模型的特点是简单且易于分析，描述了磁流变液的一个主要特征，磁流变液可发生剪切流动，磁流变液的主要工作在后屈服阶段，它的关键参数是动态屈服力。Bingham模型的缺点是不能描述磁流变阻尼器的前屈服特性，即滞后特性、双粘性特性和剪切变稀现象。后来，Gamota和Filisko2提出了Bingham模型的扩展型粘弹塑性模型，是Bingham

38、模型与一个线性实体串联而成。鉴于Bingham模型不能描述磁流变液在低速时的剪切行为，国外的Pang3，以 绪论 3 及国内的汪建晓等4用一个有三段的分段函数来描述磁流变阻尼器的双粘性特性，但由于三段函数非光滑连续性以及函数中系数是通过实验数据来确定的，而且低速剪切流动范围很窄，加上实验数据受到外部因素影响，因此很难确定各参数，同样修正的Bingham模型中的Bingham单元位移也是很难确定的。为了描述磁流变液剪切变稀现象，杨广强5采用了Herschel-Bulkley粘塑性模型来描述磁流变液剪切应力与剪切率之间的关系。易成建6也对剪切条件下的磁流变液动态微结构的演化规律进行了研究。在阻尼器

39、主要的特性中，滞后特性是一个很重要的特征，阻尼器就是通过滞后特征来消耗能量从而达到减振的目的，由于Bingham模型不能表达阻尼器的滞后特征，所以Li等7提出了双粘性滞后模型的建模思路并建立了双粘性滞后模型，其用一个有六段的分段函数来进行表示，该模型的复杂程度显著增加且不光滑，所以不常用。虽然非线性滞回双粘性模型反映了阻尼力-速度关系的屈服前滞后现象，但是它不是光滑的分段连续曲线，和在试验中观察得到的比较光滑的阻尼力-速度关系曲线相比仍有一定差距。在此基础上，许多专家学者提出了一些具有光滑过渡曲线的模型对试验结果进行拟合，Bouc-Wen模型就是其中的一种。Bouc-Wen模型最早由Wen8提

40、出，其优点是在数值上易于计算、通用性强，因此在描述滞回系统方面应用最为广泛，缺点是在加速度和速度转向时以及速度幅值很小时，该模型的非线性力-速度响应无法滚降。Yan.、Jansen、徐赵东等人911分别提出了修正的Bouc-Wen模型。Spencer12提出了一种Bouc-Wen模型改进型，将原Bouc-Wen模型与一个阻尼单元串联后，再与一个弹簧元件并联。该模型能很好地反映磁流变阻尼器的动态性能，与试验结果较吻合，且比较灵活，其有效性已经在Lord公司的RD2100 型磁流变阻尼器上得到验证。此模型适用于阀式磁流变阻尼器，目前许多控制方法和理论数据的采集都是基于此模型。此模型的缺点是非常复杂

41、，加了两个微分方程来描述磁流变阻尼器的滞后特征，且用了数个绝对值函数，增加了数学上的困难，模型缺乏统一性，只适合实验研究和理论计算13。针对Bouc-Wen模型的参数过多，难以在实际中得到真正应用缺点，Li pang7提出了修正的Dahl模型，但采用修正的Dahl模型来完整描述磁流变阻尼器在时变电流强度下的动态模型，则需要确定 8 个参数。为了表示磁流变液屈服前的非刚体特征和磁流变阻尼器的非线性滞回特性，翁建生等14 提出了一种非线性滞回模型。该模型虽然避免了bouc-wen修正模型和Dahl模型参数过多的缺点，但由于它是专门针对某一型号结构尺寸的减振器通过实验数据得出的，如果结构尺寸变化，那

42、么此模型就不再适用，因此该模型缺乏通用性。由于Bingham、非线性双粘性模型和非线性双粘性滞回模型都只是分段连续地表示非线性特性，而不是光滑连续的，Gamota和Fillisko15在对电流变液的研究中北京交通大学博士学位论文 4 改进了Bingham粘塑性模型，建立了包含Bingham粘塑性模型的粘弹塑性模型，克服了Bingham模型的缺点，可以反映磁流变液的滞回特性，力-速度曲线中在零速度是光滑连续且接近实验的非线性特性。此模型的优点是简单明了，不像Spencer提出的基于Bouc-Wen滞回模型的现象模型，增加了两个微分方程来描述磁流变阻尼器的滞后特征，而且用了多个绝对值函数，增加了数

43、学上的困难。Choi和Lee16把阻尼器滞回环曲线分成两个部分：正加速度曲线和负加速度曲线，然后用活塞的速度值分别对上下两个曲线进行多项式拟合，从而形成了多项式模型。多项式模型是对阻尼力的实验数据用活塞的速度和电流来拟合曲线，强行使阻尼力是电流和活塞速度的二元函数，而且其滞回特性表达式类似于前面提到的所有滞回模型，即上下两曲线组合而成的。目前国内外所研究的磁流变阻尼器参数化模型大部分都是通过对某一种型号的磁流变阻尼器在某一确定频率的激励下进行多次试验，然后再根据实验所得数据，采用优化方法对试验曲线(力-速度曲线、应力-应变曲线和示功曲线)进行曲线拟合以得到相应的模型参数。通过试验发现阻尼器的输

44、出特性不仅和电压(或者电流)有关，而且与激振频率有关。所以若将这样得出的模型用于实际振动控制会存在很多不足。1.2.1.2 逆向模型 虽然磁流变阻尼器的力学模型多种多样，甚至有些能够很精确模拟阻尼器的动态特性，但是却不能直接反映阻尼器的逆向动态特性。对磁流变阻尼器的研究涉及到流体力学、热力学、电磁学以及机械学等多个学科领域，这些学科之间的交叉和融合为研究带来了挑战，但这些相关研究是磁流变阻尼器在工程应用中不可或缺的关键技术。鉴于磁流变阻尼液的滞回特性等，磁流变阻尼器逆向模型的建立一直以来都是研究的难点，在磁流变阻尼器正向力学模型中只有多项式模型可以求得逆向模型，但多项式模型通过参数识别后并不能

45、很好地预测其他电流/电压状况下的力学特性，因此近年来应用的不多。而随着人工神经网络的进步，越来越多的专家学者开始注意到采用神经网络来建立磁流变阻尼器的逆向模型。周丽、张志成等17利用神经网络技术建立神经网络模型来模拟磁流变阻尼器的逆向动力学特性，神经网络的输出信号为产生理想阻尼力所需的电压值，最后将建立的逆向模型应用到了结构振动控制中。湖南大学的王修勇等18采用BP神经网络建立了磁流变阻尼器的正向和逆向模型，结果显示神经网络技术能准确地预测磁流变阻尼器的阻尼力和控制电流，与已有的模型相比精度更高。石家庄铁道大学的闫明明和陈恩利等人19通过在MTS机上进行磁流变阻尼器动态特性神经网 绪论 5 络

46、辨识试验，建立了MR阻尼器的动态神经网络逆向模型，并应用于结构的半主动控制中，仿真结果表明所建模型及控制方案能够有效降低结构的振动响应。涂建维等人20在研究磁流变阻尼器的磁滞效应对控制效果的影响时，提出了采用神经网络预测的方法来减小磁滞效应对振动控制的不利影响。夏品奇21利用神经网络技术建立了正向和逆向模型，能精确地预测磁流变阻尼器的阻尼力和电压，最后采用ARX模型和优化神经网络技术对磁流变阻尼器的性能进行仿真。李宏男等22通过训练神经网络将半主动控制系统输出与控制信号之间的数值对应关系存储于神经网络的权值中，并在地震输入下使用。Chang和Roschke等人23,24采用多层感知器神经网络模

47、型建立了磁流变阻尼器的逆向模型，该模型有 6 个输入神经元，1 个输出神经元，隐层有 12 个神经元。Guo等人25采用多层前馈神经网络技术建立了磁流变阻尼器的动力学逆向模型，并应用于半主动控制系统中。Wang和Liao26利用复现神经网络技术建立了磁流变阻尼器的逆向动力学模型，并应用于车辆悬架的半主动控制系统中。Zapateiro等人27采用神经网络技术建立了磁流变阻尼器的逆向模型用于预测输入到磁流变阻尼器模型中的控制电压的大小，结果显示该半主动控制系统能准确地计算优化阻尼力，有效地减小振动。1.2.1.3 磁流变阻尼器在铁道车辆悬挂系统中的应用 磁流变减振器应用于高速铁道车辆的悬挂系统中，

48、能够根据运行情况的要求对各个减振器的阻尼进行实时控制，优化悬挂系统的动力学性能，解决铁道车辆的运行稳定性、曲线通过能力和乘坐舒适性这些性能指标的要求。与目前的主动控制悬挂系统相比，以磁流变可控流体器件为作动器的主动/半主动悬挂系统是一个全新概念的可控悬挂系统，它具有结构简单、耗能低、反应迅速等优点，具有广阔的应用前景和实用价值，成为解决高速铁道车辆振动控制的有效途径。倪平涛、王开文等28分析了抗蛇行减振器对磁流变耦合轮对车辆的临界速度与高速曲线通过性能的影响。高国生、杨绍普等29针对磁流变阻尼器的高速铁道横向半主动悬架系统，设计并制作了一个剪切阀式磁流变阻尼器（MRD），建立了采用MRD 的高

49、速铁道横向半主动悬架系统模型，运用中心流形定理分析了半主动悬架系统的稳定性。陆正刚等30在建立铁道车辆柔-刚体系统垂直动力学模型的基础上，采用磁流变阻尼器作为作动器，以降低车体垂直加速度进而改善车体第一阶弯曲模态的结构振动。池茂儒等31分析了磁流变耦合轮对车辆动力学性能，并讨论了遗传算法在轮对耦合优化控制上的应用。Atray32,33对用于铁道车辆振动控制的大型磁流变减振器从设计、制造到测试、模糊建模等进行了一系列的研究，结果表明，MRD的模糊建模技术可以用最少的时间达到理想的精度。Lai和Liao34北京交通大学博士学位论文 6 研究了一种配备减振用磁流变阻尼器（MRD）的单自由度悬挂系统，

50、提出一种MRD数学模型，利用考虑动载荷的滑模控制器，从时域和频域两种角度研究两种激励下悬挂系统的性能。为了研究配备磁流变阻尼器的半主动悬挂系统在提高铁道车辆乘坐舒适性的效果，Wang 和Liao35,36提出了一种考虑车体、转向架构架、轮对的横移、摇头和侧滚运动的配备半主动磁流变控制器的 17 自由度整车模型，研究模型在轨道不平顺激励下采用加速度反馈的线性二次型高斯控制策略（LQG）的减振效果。仿真结果表明，在构架和轮对振动加速度增加不大的前提下，车体的振动加速度大幅降低。但是，目前采用的磁流变阻尼器数学力学模型还有很多不完善的地方，模型复杂、系数的物理意义不明显，使得理论分析结果很难用于实际