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第32卷第期河北工业科技Vol.32,No.2015年月HebeiJournalofIndustrialScienceandTechnology2015收稿日期：2014-03-11；修回日期：2014-04-06；责任编辑：陈书欣基金项目：国家自然科学基金（61134002）作者简介：金光大（1986—），男，辽宁新民人，硕士研究生，主要从事电气系统控制及信息技术方面的研究。通讯作者：金炜东教授，博士生导师。E-mail:[e-mail]金光大，金炜东，李明.基于极点配置算法的列车横向半主动悬挂自适应PID控制系统设计[J].河北工业科技，2015，32（1）：JINGuangda,JINWeidong,LIMingl.DesignofadaptivePIDcontrolsystemofvehiclelateralsemi-activesuspensionbasedonpoleplacementalgorithm[J].HebeiJournalofIndustrialScienceandTechnology,2015，32（1）：基于极点配置算法的列车横向半主动悬挂自适应PID控制系统设计金光大，金炜东，李明（西南交通大学电气工程学院，四川成都610031）摘要：为了使PID控制器具备自适应能力，以适应列车受到外部环境扰动时产生的结构参数变化，使用了增量式数字PID控制器，将PID控制器与极点配置控制算法结合，利用极点配置算法在线实时优化KP，KI，KD参数，设计了自适应极点配置PID控制器，实现了KP，KI，KD参数的自动校正。给出了基于极点配置自适应PID的高速列车半主动悬挂控制系统的设计方案，利用MATLAB-Simulink搭建仿真平台，进行了仿真。仿真结果表明：基于极点配置算法的列车半主动悬挂自适应PID控制系统能够有效降低列车横向振动。关键词：自适应；PID；悬挂系统；控制中图分类号：TP29文献标志码：Adoi:10.7535/hbgykj.2015yxDesignofadaptivePIDcontrolsystemofvehiclelateralsemi-activesuspensionbasedonpoleplacementalgorithmJINGuangda,JINWeidong,LIMing(SchoolofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan610031,China)Abstract:InordertoletthePIDcontrollertohavetheability,suitingtochangingstructuralparameterswhenthetrainisinterferedbytheexternalenvironment,incrementaldigitalPIDcontrollerisused.TheadaptivepoleplacementPIDcontrollerisdesignedbycombiningPIDcontrollerandthepoleplacementalgorithmtooptimizetheKP,KIandKDparametersonlineandcorrectthemselvesautomatically.Then,basedonthepoleplacementalgorithmadaptivePIDcontroller,thesemi-activesuspensioncontrolsystemofthehigh-speedtrainsispresented.ThesimulationresultsbyusingMATLAB-Simulinkshowthatlateralvibrationofthetrainiseffectivelyreducedbythesemi-activesuspensionadaptivePIDcontrolsystem.Keywords:adaptive;PID;suspensionsystem;control列车在国内及国外均是人员出行和货物运输的非常重要且不可或缺的交通工具，由于列车的广泛应用性，对列车运行的稳定性和舒适性提出了较高的要求，而横向振动正是这一问题的关建所在[1-2]。在列车的运行中横向振动幅值的大小与轨道不平顺，牵引力和制动力都有着直接和间接的关系，克服和减小列车的多自由度随机振动一直以来是一个备受关注的问题[3-4]。随着中国铁路运输的发展，列车逐步提高运行速度，这个问题变得更加重要，悬挂系统正是解决该问题的设备与装置。悬挂系统是一系列装置的组合体，包括文章编号:1008-1534(2015)00-0001-002015年河北工业科技第32卷轮对与构架，构架与车体之间多个弹性元件和阻尼元件，起到减小振动的作用[5-6]。1列车半主动悬挂系统的提出列车的悬挂系统分为被动悬挂，半主动悬挂和全主动悬挂，其中被动悬挂系统通过弹性元件和阻尼元件储存和耗散振动能量，不需要外界提供能源，其参数和性能是不可调节的。同样不需要外界提供能源，但是将被动悬挂中不可调的阻尼原件替换为阻尼值可调节的可变阻尼器，根据不同的路况和外界条件能够实时改变阻尼值，这种悬挂系统称为半主动悬挂[7-10]。将被动悬挂系统中的不可变的弹性原件和阻尼原件替换为可主动产生阻尼力的作动器，这种作动器需要额外提供能源才能工作，根据不同的路况提供给列车不同的阻尼力，已达到最优的减振效果，这种悬挂系统称为全主动悬挂[11]。被动悬挂、半主动悬挂和全主动悬挂系统的示意图如图1所示。1K0Kyt传感器（a）被动悬挂CM车体tM构架cyK1C0CwM轮对ywyt（b）半主动悬挂CM车体tM构架cy1K1C0K0CwM轮对yw测量系统控制器传感器yt（c）全主动悬挂CM车体tM构架cy1K0K0CwM轮对yw测量系统作动器F图1列车悬挂系统示意图Fig.1Trainsuspensionsystemdiagram由上述的3种悬挂系统的工作原理可知，全主动悬挂由于能够主动提供可控的阻尼力，可达到最优的减振效果，但是全主动悬挂系统需要耗费额外的大量能源，使用价格昂贵的作动器，结构较为复杂，一旦发生故障，则会严重影响列车的运行。半主动悬挂的减振效果不如全主动悬挂，但是优于被动悬挂，可以说半主动悬挂的目的就是能够通过调节阻尼器的阻尼值来尽量模拟全主动悬挂的控制效果，而且不需要额外提供能源，不需要作动器，造价较低，当系统发生故障时可方便地转变为被动悬挂，能够保证列车的安全运行，所以尽管半主动悬挂系统的减振效果不如全主动悬挂系统，但是仍然获得了较为广泛的认可和关注[12-14]。2列车自适应半主动悬挂控制系统设计2.1极点配置自适应PID控制结构极点配置自适应PID控制系统是一种应用广泛的自适应控制方法，这种方法与系统辨识是密不可分的[15]。极点配置自适应PID的控制思想是通过系统辨识在线的估计和拟合未知被控对象的模型，根据在线辨识的结果优化自校正控制器的参数，使系统达到预先设想的目标。该系统一般是双控制环结构，外环是常规的反馈控制环，内环有2个作用：系统辨识和控制器参数的校正与优化。图2即为极点配置自适应PID控制系统的基本原理图。由图2中可以看出，本文采用17自由度列车横向半主动悬挂模型作为被控对象，17自由度分别为车体和2台转向架的横移，侧滚和摇2015年河北工业科技第32卷头以及4个轮对的横移和摇头，通过在线辨识得到被控对象的输入输出模型，针对该模型进行极点配置，使配置后的极点在期望的位置上，进而改善系统的动态和静态性能。PID控制器有较强的鲁棒性和广泛的应用，如果能够根据一定的策略自动校正PID控制器的参数，不失为一种好的控制方法，列车的运行线路很长，常常会遇到不同的扰动和路况，单一不变的PID参数不能使列车在任何路况下都运行在最优状态下，所以需要根据不同的扰动和路况对PID参数进行实时调节，才能取得较好的控制效果。图2极点配置自适应PID控制结构图Fig.2PoleplacementadaptivePIDcontrolstructurediagram2.2极点配置的实现使用在自适应控制中应用较为广泛的CARMA(controllerauto-regressiveintegratedmovingaverage)模型：)()()()()()(111kvqCkuqBqkyqAd（1）其中221112211014433221111)()(1)(qcqcqCqbqbbqBqaqaqaqaqA1q为延迟算子，先使用增广递推最小二乘法对CARMA模型中的未知参数进行辨识，再将系统的反馈控制律设计为)()()()(11kyqFqGku。（2）式中：ffnnqfqfqF1111)(，（3）ggnnqgqggqG1101)(。（4）将式（2）代入式（1），整理得：)()()()()]()()()([111111kvqFqCkyqGqBqqFqAd)()()()()()()()(111111kvqGqBqqFqAqFqCkyd（5）可见，通过在线辨识得到的系统输入输出模型的特征多项式为)()()()(11110qGqBqqFqAAd。（6）设系统期望的特征多项式为17自由度列车模型辨识PID参数计算器y扰动u可调参数PID控制器re+-2015年河北工业科技第32卷)()(11qTqCAm，（7）其中tniiqtqT111)1()(。（8）式（8）中，it/1为相应的稳定极点，本文中考虑到最佳二阶工程参数，将期望的闭环系统设计为自然振荡频率为srad/10和阻尼系数7.0的二阶系统，超调量约为4.3%，调整时间st约为0.42s（%5），其闭环特征多项式为100142)(222sssssT。（9）对式（9）使用反向差分进行离散化，这里的延迟算子1q和离散时间系统常用的1z是具有同样意义的，根据拉式变换和Z变换的关系有：Tseq1，T为采样周期，再将Tse展开为无穷级数得：TseqTs11。（10）对式（10）取一阶近似得Tsq11，则有Tqs11。（11）将式（11）代入式（9），并取1.0T得式（9）的离散化为2112929.01)(qqqT。（12）由式（12）可知期望的闭环极点为1207.05.02071.05.021jpjp为了实现极点配置，就要使系统的特征多项式与期望的特征多项式相等，综合式（6）、（7）和（12）得到)()()()()()(111111qTqCqGqBqqFqAd（13）式（13）的解法与丢番图方程的解法是类似的，通过令等号两边1q同次幂的项系数相等即可确定)(1qF和)(1qG中的未知系数，为了保证式（13）有解，需要使)()(11qFqA与)()(11qGqBqd阶次相等，)()(11qTqC的阶次小于或等于)()(11qFqA和)()(11qGqBqd的阶次，即111cbatbfagndnnndnnnn（14）把式（13）代入式（5）整理简化，即可得到系统经过极点配置后的闭环方程：)()()()(11tvqTqFty。(15)由式（15）可见，系统的特征多项式为期望的特征多项式)(1qT2.3PID参数的优化首先介绍一下本文所使用的增量式PID控制器，增量式PID算法如式（16）所示：)]}2()1([)]1()({[)()]1()([)(kekekekekkekkekekkudip（16）其中KP，KI和KD分别为比例，积分和微分参数，并且