横向超静定受力虚拟轨道列车分部协调转向循迹控制方法

1.本发明涉及虚拟轨道列车技术领域，尤其是涉及一种横向超静定受力虚拟轨道列车分部协调转向循迹控制方法。


背景技术：

2.虚拟轨道交通系统是一种采用城市轨道交通运行管理模式的汽车列车系统，兼具传统有轨电车运量大、运行平稳性高以及公共汽车和brt适应性强、道路建设成本较低的优点。其中，多轮协同转向控制技术是实现车辆各个车体模块有效地跟随既有线路的核心技术。然而，多轮协同转向控制技术受制于车辆架构类型，尤其对于横向超静定受力架构的虚拟轨道列车而言，其循迹控制方法尤为关键，直接影响了车辆的动力学性能和曲线通过性能。
3.目前，针对各种架构的虚拟轨道列车的路径跟随控制已有一定的研究，如中国专利cn107963125a中公开了一种采用六轴三节编组架构的虚拟轨道列车轨迹跟随控制方法、系统及列车。中国专利cn105235758a中公开了一种采用三模块五轴架构的动力分散型轨迹跟随的胶轮低地板智能轨道列车。中国专利cn110244731a中公开了一种三节编组虚拟轨道列车主动循迹控制方法。中国专利cn109501830a中公开了一种采用四模块六轴架构的无轨电车及其转向控制铰接系统。以上专利中提到的各种车辆架构具有一个相同的特点，即横向超静定受力。这意味着以上各种车辆系统将存在一个共性问题：如果无法很好地协调各个悬架车轮的转向角度，系统内部将存在较大的内力，主要表现为安装在相邻车体之间的铰接系统横向受力较大，同时轮胎力也较大。而目前还未有一种针对虚拟轨道列车的分部协调转向循迹控制策略。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使车辆系统受力更加合理、提高车辆系统的曲线通过性能、算法结构简单、鲁棒性强的横向超静定受力虚拟轨道列车分部协调转向循迹控制方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种横向超静定受力虚拟轨道列车分部协调转向循迹控制方法，所述的分部协调转向循迹控制方法包括内嵌在循迹控制器内的第一循迹控制子方法以及内嵌在转向协调控制器内的第二循迹控制子方法；
7.所述的第一循迹控制子方法采用对角优势矩阵设计单输入单输出循迹控制算法实现循迹；
8.所述的第二循迹控制子方法以虚拟化悬架的轮胎侧偏力最小化为控制目标实现循迹。
9.优选地，所述的第一循迹控制子方法具体为：
10.步骤1：建立非虚拟化悬架与车体组成的横向静定受力车辆系统的横向动力学或
运动学微分方程，并将其转换为系统传递函数矩阵；
11.步骤2：基于系统传递函数矩阵设置分频段前馈补偿器，并将其解耦为对角优势矩阵；
12.步骤3：基于对角优势矩阵设置单输入单输出循迹控制算法。
13.更加优选地，所述的循迹控制器用于非虚拟化悬架与车体组成的横向静定受力车辆系统的解耦控制以实现列车的循迹行驶。
14.更加优选地，所述的非虚拟化悬架根据车辆系统传递函数矩阵的对角优势度选取，其数目等于虚拟轨道列车车体的横摆和横移自由度数目的总和nf。
15.更加优选地，所述的转向协调控制器用于将虚拟化悬架的轮胎侧偏力最小化控制以优化列车的受力状态。
16.更加优选地，所述的虚拟化悬架根据车辆系统传递函数矩阵的对角优势度选取，其数目nv等于虚拟轨道列车悬架数目n与车体的横摆和横移自由度数目总和nf之差，即nv＝n-nf。
17.更加优选地，所述的车辆系统传递函数矩阵由车辆横向运动微分方程通过拉氏变换获得。
18.更加优选地，所述的分部协调转向循迹控制方法还包括：
19.将车辆系统传递函数矩阵的对角优势度从小到大进行排序，其中选取前nf个对角优势度对应位置的悬架为非虚拟化悬架，选取其余nv个悬架为虚拟化悬架。
20.更加优选地，所述第一循迹控制子方法的步骤1具体为：
21.建立非虚拟化悬架与车体组成的横向静定受力车辆系统的横向运动学微分方程，并通过拉氏变换转换为系统传递函数矩阵，其中横向运动学微分方程包括各个车体的横移和横摆自由度。
22.优选地，所述的第二循迹控制子方法具体为：
23.以虚拟化悬架的轮胎侧偏力最小化为控制目标，车轮转向角的计算方法如下：
[0024][0025]
其中，δ为虚拟化悬架的车轮转向角，β为虚拟化悬架所属车体的质心侧偏角，l为虚拟化悬架所属车体的质心距离虚拟化悬架的纵向距离，若虚拟化悬架在车体质心前侧，则l为正，反之为负，u为虚拟化悬架所属车体的纵向速度，ψ为虚拟化悬架所属车体的横摆角。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0027]
一、使车辆系统受力更加合理：本发明中的分部协调转向循迹控制方法综合考虑了车辆的循迹性能和动力学性能，通过合理地协调虚拟化悬架与非虚拟化悬架的车轮转向角度，实现了虚拟化悬架轮胎侧偏力最小化，从而使横向超静定受力车辆系统近似等效为静定受力系统，进而降低了铰接受力。
[0028]
二、提高车辆系统的曲线通过性能：本发明中的分部协调转向循迹控制方法可以有效降低铰接受力，同时实现车辆系统的解耦控制，因此车辆在通过曲线(尤其是小半径曲线)过程中，相邻车体之间的运动干涉大大降低，这将有利于车辆通过曲线路径。
[0029]
三、算法结构简单，鲁棒性强：本发明中的分部协调转向循迹控制方法算法结构较
为简单，通过系统解耦将多输入多输出控制系统转换为多个单输入单输出系统，降低了算法的复杂度，降低了各个单变量控制系统之间的交连作用，提高了控制系统的鲁棒性。
附图说明
[0030]
图1为本发明中分部协调转向循迹控制方法的流程示意图；
[0031]
图2为本发明实施例中三模块六轴虚拟轨道列车的结构示意图；
[0032]
图3为本发明实施例中解耦控制原理示意图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0034]
适用于一类横向超静定受力虚拟轨道列车的分部协调转向循迹控制方法，如图1所示：
[0035]
循迹控制过程分为两个子任务：1)非虚拟化悬架与车体组成的横向静定受力车辆系统的解耦控制以实现列车的循迹行驶；2)虚拟化悬架的轮胎侧偏力最小化控制以优化列车的受力状态；
[0036]
因此，本实施例中的分部协调转向循迹控制方法包括内嵌在循迹控制器内的第一循迹控制子方法以及内嵌在转向协调控制器内的第二循迹控制子方法；第一循迹控制子方法采用对角优势矩阵设计单输入单输出循迹控制算法实现循迹；第二循迹控制子方法以虚拟化悬架的轮胎侧偏力最小化为控制目标实现循迹；
[0037]
非虚拟化悬架是根据车辆系统传递函数矩阵的对角优势度选取的，其数目等于虚拟轨道列车车体的横摆和横移自由度数目的总和nf；
[0038]
虚拟化悬架是根据车辆系统传递函数矩阵的对角优势度选取的，其数目nv等于虚拟轨道列车悬架数目n与车体的横摆和横移自由度数目总和nf之差，即nv＝n-nf；
[0039]
车辆系统传递函数矩阵由车辆横向运微分方程通过拉氏变换获得。
[0040]
车辆系统传递函数矩阵的对角优势度通过对角优势理论进行计算，需要对车辆系统传递函数矩阵的对角优势度从小到大进行排序，其中选取前nf个对角优势度对应位置的悬架为非虚拟化悬架，选取其余nv个悬架为虚拟化悬架。
[0041]
本实施例中，车辆系统动力学方程为：
[0042][0043]
其中：
[0044][0045][0046]
其中，m为车体质量，iz为车体横摆惯量，k为各轴轮胎等效侧偏刚度，和为铰接横向力，kh为铰接横向刚度。δ1～δ6为各轴车轮等效转角，u1～un为各车体纵向速度，为各车体横向速度，β1～β3为各车体质心侧偏角为各车体横摆角速度，l为轴距之半，l为铰接中心与其相邻轴的纵向距离。
[0047]
通过拉氏变换转换为系统传递函数矩阵为：
[0048][0049]
其中：
[0050]
[0051][0052][0053]
与系统传递函数矩阵匹配的系统输出和输出向量分别为：
[0054][0055]
其中，y1～y6为各悬架中心的横向位置。
[0056]
通过对角优势理论，可计算各轴优势度nd1～nd6。根据附图2所示的车辆结构示意图易判断，本实施例中n＝6，nf＝4，nv＝2。
[0057]
将常规的工程应用参数代入以上所有方程中，可计算得到在常规速度和频率范围内，nd3,nd5＜nd1,nd2,nd4,nd6普遍成立。因此，选择3，5悬架为虚拟化悬架，选择1，2，4，6悬架为非虚拟化悬架。
[0058]
子任务1)以非虚拟化悬架与车体组成的横向静定受力车辆系统为控制主体，第一循迹控制子方法中的解耦控制包括以下步骤：
[0059]
步骤1：建立非虚拟化悬架与车体组成的横向静定受力车辆系统的横向动力学或运动学微分方程，并通过拉氏变换转换为系统传递函数矩阵。动力学或运动学微分方程包括各个车体的横移和横摆自由度；
[0060]
采用与上述相同的建模方法，可以获得系统传递函数矩阵：
[0061][0062]
与系统传递函数矩阵匹配的系统输出和输出向量分别为：
[0063][0064]
步骤2：针对步骤1中所述系统传递函数矩阵设计分频段前馈补偿器，使其解耦成为对角(优势)系统；
[0065]
考虑高、低频的前馈补偿器为：
[0066][0067]
其中，是w-1
(s)的列次系数矩阵，mh和m
l
为任意的实常数对角矩阵。tj为时间常数。
[0068]
补偿后的系统传递函数矩阵为：
[0069]
g(s)＝w
′
(s)k
phl
(s)
[0070]
步骤3：针对步骤2中所述的补偿后的具有对角优势的系统传递函数矩阵设计单输入单输出循迹控制算法，可以是现有成熟的控制算法也可以是自行设计的新控制算法，控制器的输入和输出依据控制算法的要求来确定。
[0071]
本实施例以pi控制算法为例，其结构可表示为：
[0072][0073]
其中，k
cp1
～k
cp4
和k
ci1
～k
ci4
为pi控制器参数。
[0074]
第二循迹控制子方法具体为：
[0075]
以虚拟化悬架的轮胎侧偏力最小化为控制目标，车轮转向角的计算方法如下：
[0076][0077]
其中，δ为虚拟化悬架的车轮转向角，β为虚拟化悬架所属车体的质心侧偏角，l为虚拟化悬架所属车体的质心距离虚拟化悬架的纵向距离，若虚拟化悬架在车体质心前侧，则l为正，反之为负，u为虚拟化悬架所属车体的纵向速度，ψ为虚拟化悬架所属车体的横摆角。
[0078]
本实施例中的子任务2)以虚拟化悬架的轮胎侧偏力最小化为控制目标，3、5悬架车轮转向角的计算方法如下：
[0079][0080]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何
熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。