计算机控制系统-高金源
计算机控制系统教材，自动控制原理学习可以参考，比较系统和工程计算杋在实时控制领域获得了广泛的应用。在国民经济及国防等各个领域中采用计算机控制是现代化的亘要标志。计算机控制学科将涉炇计算机控制的基木理论、分析、设计与工程实现等众多方面的内容。本书是依高等学校自动化专业本科及研究生的教学要求而编写的。力图使读者通过本书的学习,除了掌握一定的计算机控制的基本理论和分析、设计方法外,对计算机控制系统的工程实现技术以及近年来工业上获得广泛应用的一些新的计算机控制技术亦有所了解。仝书除第1章外主要包括四大部分内容:①计算机控制的理论基础(包括计算机控制系统内的信号、系统的描述与分析方法等),(第2章~第4章);②计算机控制系统的经典与现代设计方法(包括连续域设计离散化方法、直接离散域设计以及W、δ域设计和状态空间的极点配置LQR设计等),(第5章、第6章);③计算机控制系统工程实现技术(包括计算机控制系统的硬什、软件、控制算法的编排、总线技术、采样周期的选用以及抗干扰与可靠性技术、设计步骤与设计实例等),(第7章、第8章);④第10章~第12章重点介绍∫现代计算机控制的一些新技术(包括可编程控制器技术、分布式讣算机控制技术、集散型计算机控制等)。考虑到许多复杂的计算机控制系统是多采样速率系统,故专门用1章(第9章)概要地介绍∫多采样速率系统的分析、设计与实现方面的问题。鉴于自动化专业的学生,在选修课中已对微机原理及接口技术有了专门的学习,故木书对有关计算机硬件系统将不予专门的介绍。学习本书的知识背景是:一般连续控制理论(或信号与系统)的基本知识以及微机原理和微机接口的基本知识。根据多年的教学经验,在学习木课程时应安排必要的简单计算机控制系统设计与实现的实验内谷,或者后续课程安排专门的计算机控制系统的系列实验课,这对于巩固学习效果、对于学生将来参加计算机控制系统开发的实际工作是很有益处的考虑到本书要兼顾作为工学或工程硕士研究生的计算机控制课的教材,选用的内容多于通常本科生教学大纲所规定的内容。教学时可以根据本科生及研究生不同的教学大纲及学时要求,适当选用不同的章节。多余章节亦可作为学习的参考。本书是本教学小组在总结近20年计算机控制教学经验以及参阅了近年来国内外有关院校的教材,并结合我们的科硏实践经验编写的。全书由高金涼教授统编并负责编写第1章和第9章;王醒华教授负责编写第2章~第5章;张平副教授负责编写第6章及5.5节;夏洁副教授负责编写第7章、第8章、第10章~第12章。全书承陈忠信研究员进行了详细的审阅,并提出了许多宝贵意见,在此表示衷心的感谢本书的岀版受到了北航教材科领导的大力攴持与帮助。责任编辑张光斌先生为本书的凸版做∫大量细致工作。在此对他们的关心与支持表示衷心的谢意由于编者的知识与经验不足,时间有限,不妥之处在所难免,期望得到读者及同学们的批评指止编者2000年5月录第1章绪论1.1计算机控制系统的组成12计算机控制系统典型应用分关·:·13关于计算机控制系统的理论与设计问题第2章讣算机控制系统的信号21计算机控制系统中信号的种类22埋想采样过程的数学描述及特性分析···鲁·1323实际采样过程的数学描述及特性分析…2424采样定理及其讨论…···2725信号的恢复与重构…2926信号的整量化习题36第3章计算机控制系统的数学描述31z变换3832扩展Z变换48差分方程34脉冲传递函数·55小题第4章计算机控制系统分析4.1稳定性分析6742稳态误差分析7743时域响应特性分析…8244系统的频域分析…87习题91第5章计算机控制系统的绎典设计方法51连续域一离散化设计9452数字PID控制器设计11253Z平面根轨迹设计11954W变换及频率域设计12755δ变换及δ域设计136题142第6章计算机控制系统的状态空间设计6.1状态空间描述14562离散系统的可控、可观性……15363状态反馈控制律的极点配置设计64状态观测器设计16565调节器设计(控制律与观测器的纽合)…l712·计算机控制系统——理论、设计与实现66计算机控制系统最优二次型设计…∴1746.7最优状态估计器与二次型最优调节器…18468其他现代数字控制方法简介186鲁··、··鲁鲁………∴89第7章计算机控制系统硬件与软件7控制用计算机系统的一般要求19272计算机系统的输入输出接口……………19873实时计算机系统的总线技术………………………20674计算机控制系统的实时软件设计……………217习题225第8章计算机控制系统工程实现中的某些冋题8』计算机控制系统中测试信号的处理22682控制算法的编排实现23083量化、溢出及其量化效应分析....…………………23484采样频峯的选取24485计算机控制系统的抗千扰及可靠性抆术24886计算机控制系统的设计与实现258与题268第9章多采样速率系统91多采样速率的配置………27092多速率系统的等效变换27193多速率系统性能分析28194多速率系统的设计方法28595多速率系统的实现·鲁287习题a:..··4·294第10章可编程控制器及应用101概述296102可编程控制器的结构和工作原理299103可编程控制器常用编程语言303104常用可编程控制器及其选用308105应用举例…习题312第11章分布式计算机控制系统111概述313112分布式计算机控制系统控制方案316113分布式计算机控制系统的硬件组成…32014分布式计算机控制系统的通讯322329第12章集散型计算机控制系统及其应用12Ⅰ集散型计算机控制系统概述…∴330122软件模块的纠态原埋………335123集散系统的可扩展性..4““4:.·.338124集散系统应用举例鲁··、··鲁鲁341习题345附录拉普拉斯变换和Z变换表参考文献第1章绪论数字计算机的出现和发展,在科学技术上引起了一场深刻的革命。数字计算机不仅在科学计算、数据处理等方面获得了广泛的应用,而且在自动控制领域也得到了越来越广泛的应用。数字计算机在自动控制中的基本应用就是直接参与控制,承担∫控制系统中控制器的任务,从而形成了计算机控制系统。它的参与对控制系统的性能、系统的结构以及控制理论等多方闻都产生了极为深刻的影响。木章简要介绍计算机控制系统的组成、工作原理以及它的特点,并着重说明计算机参与控制后给控制埋论及控制系统设计所带来的新问题l.1计算机控制系统的组成1.1.1计算机控制系统的组成图1-1为一个典型的雷达天线位置伺服控制系统。为了改善系统的特性,该系统采用了滞后ˉ超前岀联校正网络,该校正网络是利用常规的有源模拟运算放大器实现的。如果系统的恔正网络非常复杂,釆用这种模拟运算放大器的有源网终实现将是非常困难的。如果将系统中对信号的这种变换和处理利用数字计算机来实现,那么就构成了常规的计算机控制系统。M校正网络指令信号电位计反馈电位计图雷达天线位置伺服控制系统这里计算机实现了原控制系统中控制器的作用。由于数字计算机工作的特点,为了使计算机能接收系统的模拟信号,并输岀迕续的模拟信号给大线的拖动机构,所以,除∫要引入数字计算机外,还要加入其他的外部设备,如AD、DA转换器,从而形成了如图|-2所示的计算机控制系统的组成框图从图1-2可见,计算机控制系统的组成与连续模拟控制系统组成类似,是由下述几部分构成的2·计算机控制系统——理论、设计与实现MGAD计算机DA指令信号1A/D电位计1计算机系统反馈电位计图1-2天线位置计算机控制系统1.被控对象:本例为雷达天线2.执行机构:木例为直流电机叫路3.测量装置:本例为测量电位计;4.指令给定装置∴木例为天线指令发生器(指令信号电位计);5.计算机系统:包括下述主要部件。ΔD变换器,将直流模拟信号转换为断续的数字二进制信号,送入计算机DA变换器,将计算机产生的数宇指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件数字计算机(包括硬件及柑应软件),实现信号的变换处埋,按给定的算法产生相应的挖制指令。如同连续控制系统一样,讣算机控制系统亦可分为闭环控制、开环控制以及复合控制等不同的控制类型计算机控制系统主要特点和优点相对连续控制系统而言,计算机控制系统的主要特点可以归纳为以下几点系统结构特点计算机控制系统必须包括有计算机,它是一个数字式离散处理器;此外,由于多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的,因此,还必须加入信号变换装置(如ΔD炇DA变换器)。所以,计算机控制系统通常是模拟与数字部件的混合系统。若系统中各部件全为数字部件,则称为全数字式控制系统。本书主要研究混合系统。信号形式上的特点迕续系统中各氐信号均为连续模拟信号,而计算机控制系统有多种信号形式。由于计算机是串行工作的,必须按一定的采样间隔(称为采样周期)对连续信号进行采样,将其变成时间上是断续的信号才能进入计算机。所以,它除有连续模拟信号外,还冇离散模拟、离散数字、连续数字等信号形式,是一种混合信号形式系统(详细分析见第2章)系统工作方式上的特点在迕续控制系统中,控制器通常都是由不同的电路构成,并且一台控制器仅为一个控制回路服务。在计算机控制系统中,一台计算机可冋时控制多个被控量或被控对象,即可为多个控制回路服务。每个控制回路的控制方式由软件来形成。同一台计算机可以采用串行或分时并行方式实现控制。尽管由常规仪表组成的连续控制系统巳获得了广泛的应用,并具有可靠、易维护操作等优点,但随着生产的发展、技术的进步,对自动化的要求越来越晑,这种常规连续控制系统的应用受到了极大的限制。例如,难于实现多变量复杂的控制,难于实现自适应控制等等。与连续控第1章绪论·3制系统相比,计算机控制系统除∫能完成常规连续控制系统的功能外,还表珝」如下一些独特的优点。由丁计算机的运算速度快、精度高、县冇极丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能力,因此,能实现复狝的控制规律,如最优控制、自适应控制及自学习等,从而可达到较高的控制质量。计算机控制系统的功能价格比值高。尽管一台计算机最初投资较大,但增加一个控制回路的费用却很少。对亍连续系统,模拟硬件的成木几乎和控制规律复杂程度、控制回路多少成正比;而计算机控制系统中的一台计算机却可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路,因此,它的功能价格比值较高。由于计算机控制系统的控制规律是由软件程序实现的,并且计算机其有强大的记忆和判断功能,所以,极易实蚬工作状态的转换,实现不同的控制功能,因此,它的适应性强,灵活性高。此外,计算机是一种可编程的智能元件,易丁修改系统功能和特性,构成∫一种柔性(弹性)系统。随着徵电子技术的发展,大规模集成电路的出现,计算机体积减小,重量轻、成木下降。与连续控制系统相比,计算机控制系统也有一些缺氐与不足。例如,抗干扰能力较低,特别是由于系统中插入数字部件,信号复杂,给设计实现带来一定困难。但全面比较起来,随着对自动控制系统功能要求的不断提高,计算机控制系统的优越性表现得越来越突出。现代的控制系统不管是筲单的,还是复杂的,几乎都是采用计算机进行控制的。12计算机控制系统典型应用分类根据应用特点及控制目的和系统构成的不同,计算机控制系统在工业中的典型应用大致可分为下述几类。21数据采集处理系统数据采集处理系统结构如图Ⅰˉ3所示。严格说,这种系统不属于计算机控制,计算机并不直接参与控制。这种系统的主要作用是信号测试模拟量输入显示被控对象计算打印机数字量输入告警图1-3数据采集处理系统结构生产过程的集中监视计算机对生产过程(被监视对象)的不同变量参数进行巡回检测,并将采集到的数据以一定格式在监视器上显示或通过打印机打印出来,实现对生产过程的4·计算机控制系统——理论、设计与实现集中监视操作指导计算机对采集到的数据进行分析处理,并给出对生产过程控制的建议,由过程的操纵者依给定的建议实现对过程的控制122直接数字控制系统(DDC系统)直接数字控制系统结构如图Ⅰ-4所示。计算杋通过输入通道进行实时数捃采集,并按已给定的控制规律进行实吋决策,产生控制指令,通过输岀通道,对生产过程(被控对象)实直接控制。这种控制方式是应用最普遍的一种方式。由于这种系统中的计算机直接参与生产过桯的控制,所以,要求实时性好、可靠性高和环境适应性强。本书主要硏究这种系统的设计与实现问题。信号测试}模拟、数字量输入显示被控对象打印机执行部件模拟、数字量输出操纵台图1-4直接数字控制系统结构123监督计算机控制系统(SCC系统)监督计算杋控制系统结构如图1-5所示。该系统是2级计算柷控制。其中直接数字控制完成生产过程的直接控制;而监督计算机则根据生产过程工况和已知的数学模型,进行优化分析,产生最优设定值,作为直接数字控制的指令信号,由直接数字控制系统执行。监督计算机由亍承担上一级控制与管理任务,要求其数据处理功能强,存储容量大等控制DDdSCC工业数据被控对象测量计算机系统计算机系统品示打印状态信息记录图1-5监督计算机控制系统结构124分散型计算机控制系统(DCS)随着工业生产过程规模的扩大和综合管理与控制要求的提高,人们开始应用以多台计算机为基础的分散型控制系统,如图1-6所示。该系统采用分散控制原理、集中操作、分级管理与控制和综合协调的设计原则,把系统从上而下分成生产管理级、控制管理级和过程控制级等,形成分布式控制。各级之间通过数据传输总线及网终相互连接起来。系统中的过程控制级完成过程的检测任务。控制管理级通过协调过程控制器工作,实现生产过程的动态优化。
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最新的simpack学习资料！包括了铁路模块建模的较详细描述！为数不多的simpack学习资料！参考文献…316第1章绪论11背景介绍铁路的发展历史已绎将近一个世纪,现代轨道车辆应用最为广泛的就是旅客和货物运输。近二十年来,随着科技技术的迅猛发展,轨道车辆面临着髙速运行、降低能耗和缩减运营费用等迫切要求。由于车辆运行速度的不断提高,安仝和舒适度是人们一直关心的核心问题。这就对髙速列车的车辆的动力学特性设计提出了更为严格的要求,需要探明一系列影响列午运行安全的关键问题,诸如如何有效识别影响午辆舒适度和脱轨问题的动力学参数匹酉问题等,以便确保列车良好的安全特性。当然,对于车辆运行的舒适度和平稳度等问题,可以通过控制振动源和噪声源进行有效改善;对于脱轨和蛇形运动问题需要了解车辆的轮轨参数匹配和其他动力学特性参数设置。轨道车辆一般包括两种形式:一种是集中动力式列车,它主要由机车和车辆组成,机车负责牵引,木身并不载运旅客和货物,载运的任务主要由车辆承担;另一和就是分散动力式列车,常见的就是动车组,没有专门的机车提供动力,每节或几节车辆均具有牵引动力。从车辆动力学的角度看,机车和车辆具有相似的振动特征,而轮轨系统是车辆动力学分析的核心内容。车辆是具有弹簧悬挂和减振器等装置的多自由度振动系统,在运行过程中会产牛各种复杂的振动特性。而这些复杂的振动是由若干基本形式的振动组合而成。如今车辆逐步发展成为札械、力学和控制相互耦合的大系统,整夲的动力学特性的奷坏直接影响着夲钠运行的安全和舒适度。由于计算多体力学的进步和计算机软硬件技术的发展,人们可以通过并行⊥程仿貞的技术,建立详细的轨道车辆数学和物理计算模型,考虑各种复杂的边界条件因素,有效地硏究车辆动丿学性能,开发出高质量的新产品,提出列车运行的安全准则,因此车辆动力学的分析软件必然会在现代轨道车辆的研制过程中发挥越来越重要的角色,动力学分析涉及到内容主要包括如下几点:蛇形运动模拟,蛇形运动是轨道车辆在行驶过程中的一种特殊的现象,即当列车行驶时,突然出现车体和转向架开始剧烈左右偏转的不稳定振动现象。它容易导致车辆舒适度降低,出现破坏轨道,甚至发生脱轧、倾覆等安全事故。曲线通过能力计算如何保证车辆的良好曲线通过能力,使得车辆在曲线通过时,车轮对于轨道的横向作用力最小?舒适度评价车辆在各种复杂环境因素条件下的舒适度,诸如在轨道随机激励和冲击、设备振动、启动/制动、气动影响、高速会午,进出隧道压力波等条件下的车辆舒适度评价。脱轨和倾覆安全性评定研究保证车辆在高速运行吋不会脱轨机制,以及如何保证车辆在曲线通过时槓风的作用下防止车辆倾矍的问题。车辆被动和主动悬挂设计方式的选择悬挂方式的优化,以及如何有效地将控制技术应用在列车或车辆的动力学控制系统设计中,通过控制技术的运用,提高列车运行的安全性和舒适度。1.11铁路动力学分析软件的比较下血首先对国际上铁路领域流行的主要车动力学分析软件徹一个简单的介绍。o ADAMS( Automatic Dynamic Analysis of Mcchanical Systcms )/Rail ExftADAMS/Rail软件包是目前铁路车枘系统动力学数值分析的主流分析软件之ADAMS是由关国MDI公司于1980年推出的机械系统仿真软件,1993年,MDⅠ公司与荷兰铁路技术咨询公司合作,将现代轮轨动力学理论的计算方法逐步引入到软件中。1995年ADAMS/ Rail开始正式进入铁道车辆动力学分析领域。1996年MD公司与 Arge Care公司合作,采用 MEDYNA( SIMPACK公司的前身)软件的轮轨接触元素,2002年与英国的AEA公司( VAMPIRE软件的拥有者)形成战略合作关系,进一步增强了轮轨的计算能力。2002年MDⅠ公司为 MSC Software公司收购,并且逐步融入MsC的软件系统,在轮轨接触问题和计算速度上都有所提高, ADAMS软件在2005年前后被德国 Vi-Grade公司接管,软件开发日前进展不大。AMPIRE(Ⅴ ehicle dyn Amic Modeling Package In a Railway Environment)软件由英国铁路道比研究所1989年推出的 VAMPIRE软件,是专门针对铁路机车车辆系统开发的,软件具有自动建模功能,能够完成包括轮对模拟、蠕滑丿计算、轨道曲线、轨道不平顺输入以及动力学特性预测,程序也可以考虑刚体的模态。软件采用相对坐标系,通过人杋对话的方式来定义机车车辆结构的几何尺寸和参数,也可按规定格式输入数据文件,利用建模子程序,自动生成用矩阵形式表示的系统运动方程,給分析计算提供统一的模型。VAMPIRE建模比较方便,计算效率高,但仅能用于不带刚性约束的车辆系统分析计算,VAMPIRE侧重客车系统建模,计算功能全面。同样可以实现包括动力学、特征值、频域、随机振动、付或积分等计算分析及数据和图形、动画的后处理功能● NUCARS( New and Untried Car Analytic Regime Simulation)软件NUCARS软件是由北美铁路协会(AAR)下属的普耶勃罗试验中心(TC)开发的,其1.0版本在1989年面世, NUCARS软件也是应用多体系统动力学方法采用相对坐标系进行机车车辆系统的自动建模,由于其针对以货车为上的铁路机车车辆进行模拟计算,因此程序中嵌入了货车所特有的斜楔减振器以及心盘、旁承等摩擦模块,而且程序不像 MEDYNA那样庞人, Version2.1及以前版本的机车车辆系统数据准各均在文本环境竟中进行,在: Version23的版本中增加了较强的可视化前后处理功能。 NUCARS软件能够考虑玍体的一阶模态,可以进行车辆系统的时域内的动力学数值积分分析,其缺点是不便于求解特征值问题。●UM( Universal mcchanism)软件UM软件( Universal mechanism(简称UM))是俄罗期新一代的机械系统运动学力学仿真分析软件,通过建模求解,可以分析多体系统的振动特性、受力及位移、速度、加速度等参数,进而预测复杂多体系统的运动学动力学性能。它是由俄罗斯布良斯克国立理工大学( Bryansk State Technical University) Dmitry Pogoreloⅴ教授为团队研发的动力学分析软件UM是目前俄罗斯和部分东歐国家通用的机械动力学/运动学仿真分析软件之一。俄罗斯轨道车辆生产企业90%以上的车辆动力学仿真分析工作是使用UM完成的。UM的突出特点表现在:具有高效易用的前后处理功能,并支持并行计算技术;模坎众多,如汽车模块、铁道车辆(包括杋车、客车和货车〕模块、列车模垬、疲劳分析模垬及优化模块,还设有CAD软件、有限元软件及控制软件的接口;功能强人、适用性强,其子系统建模技术、冈柔耦合系统建模技术、强大的轮轨关系处理功能(如实时绘制轮轨两点接触作用力的曲线等)都使其具有良好的应用前景;UM软件还在轨道车辆的动力学研究中不断探索,如UM4中的道碴模型经过疒级后,可以硏究罐车的液固耦合振动问题,还可以研究运煤敞车、粮食漏斗车等散装物运输货车的压力分布。UM5已经丌始考虑车桥耦合振动问题。模型修改非常方便、计算速度较快。此外,UM软件还在内部嵌套了人量的便用功能,如计算器、滤波器等,使用非常方便。对计算三大件式转问架货车及机车的动力学性能来说,具有一定的优势。● Gensys及其他软件Ansys软件目前在车辆动力学的分析中也较为广泛,但是相对而言,资料比较缺乏,所以这里不再详细介绍。其他的还有很多国家相继研发了轨道车铟的动力学分析软件。这里仅介绍部分专业软件。具体如A’GEM( Automatic Generation of Equations of Motion)软件是由加拿大的 Queens University机械工程系硏制的。其轨道乍辆模块使用 AutoCad的图形界面,程序使用DOS执行处理的模块,可以计算轨道车辆的稳定性、舒适度、曲线通过性能,还可以计算其他轨道车辆的动力学性能。但是其在图形用界面、时频分析以及动画方面还有待改进。世南交通大学牵引动力国家重点实验室也相继廾发了 TPL Train的列车动力学分析软件和其下属列车线路研究所开发的“车辆轨道垂冋相互作用仿真分析系统ⅵCT”和车辆-轨道空间耦合动力学仿真软件系统 TTISIM软件”等铁路玍辆专业软件分析包。前者主要用于面对列车的纵向、横向和垂向动力学进行系统模拟研究;后二者主要用于研究机车车輖对轨道结构的动力作用问题,以及机车车辆在实际弹性轨道上的运行安全性与平稳性,只有很强的专业性正如基础教程中所介绍的那样, SIMPACK软件是国际著名的机槭系统运动学/动丿学仿真分析软件,其轮轨模块最新的市场占有率更是占有超过近60%的国际市场份额。其所具备的分析内容可以包括:整车系统振动特性、各部件的受力状况、加速度等:描述并预测复杂多体系统的运动学/动力学性能。轮轨模块〔包括:常规 wheel/rail模块、道岔分析模块和最新开发的轮轨磨耗(wear)预测模块)是德国宇航中心(DLR)集合20多年来轮轨接触模拟的经验和现代先进的模拟技术及常用模拟工具于一体的技术结晶,也是当前先进铁路车辆动力学仿貞软件的先驱之由于 SIMPACK软件立足自身开放性和非常灵活的建模概念,使其无论从独立轮对还是乍辆主动/被动控制系统,都可以支持设计者自由的设计思想,使得设计者能将更多的精力投入到只体设计工作的创新中。利用它人们可以对铁路复杂系统的动力学特性进行综合的仿真分析。 SIMPACK软什还具有和有限元分析(FFA)、 CAD/CAE以及CACE(控制)等软件的接冂程序,具有友好的操作界面,功能强大。且其轮轨模块经过大量铁路车辆试验验证具有很高的仿真精度和效率,长期不懈的努力和技术创新使得 SIMPACK已经成为国际上铁路领域多体系统动力学仿真工具领域的领导者之一。 SIMPACK的特色主要包括:(1)已经成为国际铁路行业设计标准的制定者目前为止,全球至少有100多种著名型号的跨国公司的轨道车辆是在 SIMPACK的帮助完成的设计,因此 SIMPACK软件凵经成为了目前全球铁路车辆系统动力学仿真的标准廾发工具。在DLR拥有20多名国际著名的铁路专家长期进行 SIMPACK软件的轮轨接触模型的开发,并进行了大量的匚程领域动力学分析的试验验证工作(2)不断创新,采用全新的轮轨接触模型。最新版本的 SIMPACK轮轨模块的具体特点在下一章节进行介绍。12 SIMPACK轮轨模块特点目前最新的 SIMPACK版木8900中具有全新的轮轨接触模型特点,木文主要还是以8800作为主要的软件进行介绍1)轮轨接触力采用新的计算方法计算轮轨接触斑上的接触力,获得车轮的法向力和导向力,它可以通过采用车轮和钢轨运动学约束模型荻得有效的计算结果,而不是传统的接触弹簧阻尼系统来计算得到,这样的优点在于其可以有效考虑轮轨之间的高频接触振动。而实际状况中,含有高频成分的车辆振动行为影响会人人降低时域内积分的步长,但是对于在给定精度内的动力学性能影响不大。因此采用的运动学约束计算方法可以大大地提高动力学计算的速度和精度,从而使得 SIMPACK快速满足行业的应用需求,并能使得其达到期望的水平。SIⅠ MPACK软件采用完全递归的计算方法,以及在相对坐标系中建立运动方程的算法,使其在计算轮轨接触时,可以建立最小数目的约束方程。同时 SIMPACK高效的建模操作和仿真速度,使SIMPACK成为铁路行业仿真分析的领导者。当然,也可以选择用传统的接触弹簣-阻尼模型取代运动学约束模型,来建立轮轨之问的接触关系。2)摩擦力SIMPACK提供了许多模拟轮轨之间的摩擦力的不同方法,最常用的就是 Kalker的简化非线性滚动接触理论,可以在计算结果和仿真精度方面取得较好的统一。软件中凵有用来建立自定义的轮轧摩擦的模块,可以很方便地在 SIMPACK中自定义轮轨接触模型,即允许用户来添加用户化的程序和内部算法到摩擦模型库中。3)等效线性化接触为了满足铁路车辆用于线性计算的)法,例如计算特征值或频域响应分析,需要一个等效线性化的轮轨接触模型。 SIMPACK带有一个高度自动化并经过大量试验验证的轮轨接触线性化模型,即等效线性化和协函数线性化。同时 SIMPACK也提供了利用输入笔效锥度和其它参数的方法来建立线性化模型的选项接触模型的特色:●可以对炣个车轮模拟三点及多点接触(踏面、轮缘和车轮背面);方便地选择不同的接触模型:釆用约束模型-极快的积分速度:单侧的弹簧阻尼模型-允许车轮抬起。考虑轮和轨的弹性,保讦了接触点处理的稳定性(DLR开发的方法);利用 Kalker理论计算切向力,也可以利用其它的(例如 Polach接触)或自定义的轮轨接触模型;摩擦系数和线路距离,车轮外型坐标以及接触点的相对速度有关;轮轨外型没有限制(标准和实测的)可以模拟滚动实验台的试验●简便的线性化的接触函数(等效线性化,协函数线性化)可以计算所有的相关的参数,如车轮力、滑动摩擦系数、接触斑的尺寸大小等;4)具有丰富的车辆建模元素数据库SIMPACK轮轨模块中的建模元素,以及用于建立多体系统中的标准元素是完全兼容的。在软件使用过程中,人们可以利用软件实现参数化和子结构建模,扩展轮轨的模型库快速地建立铁路系统的模型,另外可以利用 SIMPACK对预定义的模型结构。 SIMPAOκ提供了良好的灵活性来文持用于现代铁路系统解决方案的仼何边缘技术。所有车辆部件或线路均可以处理成弹性体,尤其是舒适度分析时,考虑车体的弹性十分的必要。轮对和转向架的弹性也可能对车辆的动力学性能产生很大的影响。目前在 SIMPACK中有两种方法可以处理结构的弹性。利用 SIMBEAM模块来建立结构的弹性;从FEA软件中输入弹性零部件SIMPACK中有一个具备典型铁路车辆的建模圹展库,例如空气弹簧、高圆弹簧和摩擦元素等,任何个元素均可以根据需要进行参数的优化。在 SIMPACK中,所有用于铁路车柄的特殊元素和通用机槭系统的建模元素可以完仝兼容,因此简单的铁路车辆模型可以很方便地扩`展成现代的摆式车和径向转向架模型。通过一个附加的界面友好的轮轨模块中心窗口,就可以得到所有的铁路模型参数。然后通过这个窗口对车轮钢轨的外形尺寸、车辆轮对的车轮半径、线路超高等所有的参数进行修改。设计者还可以充分利用 SIMPACK已有的现成模型,例如两轴客车转向架。货车转向架和单轴转冋架,利用这些标准模块,根据需要改变这些模板中的设计参数,建立自定义的模型。无论是传统的轮对还是独立的轮对,轮轨模垬提供了很多种解决方法,所冇这些都被无缝集成在通用机械的多体分析系统中车轮或独立车轮没有限制车轮装忾●弹性车轮(FE模型的集成)●非正常车轮和多边形车轮几乎任何一个 SIMPACK软件版本中使用的建模儿素都可以添加到数据库中,不仅在几种车辆中可以使用同一种结构形式的转向架,而且任何一个建模细节,例如一个车体元素、空气弹簧、止挡、牵引系统和抗侧滚扭杆等,都可以当成一个独立的给定子结构。对」子结构的修改将会影响到所有的和其相关的主模型,除非选择了在模型中包括子结构,以保讦它不会改变。5)线路定义、轨道不平顺及踏面外形在 SIMPACK的轮轨模块中,线路的定义是通过一条整体线路,然后叠加不平顺线路来生成,它们可以单独处理和生成。线路模型不仅可以包括轨道,而且可以包括线路的不平顺、线路的弹性以及轨道子结构。条完整的线路可以利用标准库中的元素(曲线通过吋的进入、驶出、道岔等参数)和其他少量的参数,如长度、半径和线路界面的超高来定义。直线和曲线端π以根据需要进行连接,可以在维控制窗口中绘制曲线,并自动转换为三维图形表示。另外,对于实测的轨道数据如垂冋和水平曲率、线路超高等都可以直接从文件中读入到模型中软件中可以利用的三种类型的不平顺:确定性函数(正弦、阶跃和锯齿函数),随机函数(用PSD定义)以及给定的溦扰函数(根据现场实测的衣格格式的数据)。不平顺可以独立地作用在每一侧钢轨上,也可以做成一条随两股钢轨轨矩变化的函数。最后为了扩展已有的标准外形库,任意的午轮和钢轨外形是利用一个专门的前处理程序来完成,即利用样条函数来拟合截面的外形,并将其处理成仿真用的数据。截面的外形数据可以用来实际测量的保存为ASCⅡ代码格式的表格形式。其他的特点还包括SIMPACK中的轮轨建模能够实现所有参数化采用标准的线路形式:直线、曲线(考虑进出曲线)S-曲线轨道及道岔等输入实际运行线路图;●线路不平顺(轨道文件输入的ASCⅡ烙式,或者采用功率谱密度PSD多项式形式);●轨枕和或钢轨的弹性扣件;不同的钢轨外形(沿车轮的纵向位置);●每个车轮可以允许有三点接触的转辙(道岔)进行实际线路的滚动试验台的模拟;●考虑线路弹性。6)轮轨的应用领域SMPA(K软件最新版本的轮轨模块可以解决目前几乎所有的铁路车辆的动力学仿真问题,满足在频域或吋域中车辆动力学仿貞计算。每个使用者都可以快速和方便地分析自己建立的动力学模型,这一点对缩短车辆新产品的开发周期也是非常必要的。基于特征值的动力学分析计算模块,可以计算荻得车辆的稳定性轨迹计算。这也是 SIMPACK软件系统的一个标准的通用后处理工具;通过时域积分计算可以计算获得车辆的稳态及动态曲线通过时的可靠计算结果。而且可以对参数化的樸型进行不同的参数变化,研究不同的设计方案(1)对含有轨道不平顺的线路的时域分析中,主要仨务可以包括:车辆乘丛舒适度曲线通过的性能稳定性;轮轨作用力;部件失效;脱轨;●可靠性等。(2)准静态分析(曲线通过性能的分析)(3)线性特征值分析(4)线性系统的分析频率响应,功率谱线性稳定性图(5)参数变化研究及参数优化(6)独有的转辙(道岔)动力学分析(7) SIMPACK新版本的其他几个突出的应用:①车桥耦合SIMPACK软件可以将由有限元描述的弹性桥梁结构引入到 TRACK中,并进行复杂的车桥耥合分析。冋时可以进行道岔分析(也称转辙分析)。这个轮轨模块的新特点也是冋类软件中,目前唯一可以处理和模拟道岔复杂的动丿学问题的分析软件。车辆的道岔动力学分析与常规标准的轮轨分析主要有两个显著的区别:钢轨的外形必须是线路坐标的函数;除踏面和轮缘接触外,在轮缘的背面和导轨、冀轨之间存在接触。为了定义道岔,在 SIMPACK中采用了一个专门的特殊程序,将沿钢轨界面测量得到的钢轨的外形以ASCⅡ的文件格式数据保存,处理成近似的钢轨的外形,并自动产生道岔全三维的外形②悬链系统通过和德国铁路的悬链仿貞⊥具 Prosa的协同仿貞, SIMPACK可以模拟扃速铁路的悬链系统。这样的好处是可以有效地模拟车猁受电弓的动力学特性,使得模型的动力学分析结果更加准确。同时,在车锕动力学模型中将会考虑悬链系统的柔性、控制系统和受电弓等因素的综合影响。经过大量的实际线路的试验验证,可以保证 SIMPACK软件是一个高度实验化的可靠的仿真软件。另外,利用 SIMPACK强大的弹性体处理和接触技术(包含弹性体几何刚度非线性)可以直接利用 SIMPACK软件自身建立悬链系统,在国内外已有应用的案例。③流固耦合SIMPACK软件的最新版本中已经成功地解决货车振动与罐中液体之问的非常复杂的流固耦合的作用。④参数化微分方程的计算需要进行一系列大量的参数优化计算。由于其独特的算法和快速的求解器可以实现参数化,计算过程的控制结构的后处理的自动化。由于 SIMPACK软件开放和先进的数据结构以及大量的和其他软件的接∏,使得它可以成为伴随铁路车辆系统的和设计创新的有利工具。利用 SIMPACK先进的模拟环境,可以保持产品的领先和创新,并具有竞争力成为可能。1995年 SIMPACK最早实现从FEM软件中引入蝉性的车体,加上自身强大的轮轨接触建模和高效的求解器的能力,保证了采用轻量化车体结构的高速列车的舒适度。现在全球许多铁路客户已经丌始使用其FE模态来实现舒适度的动力学计算,为产品降低风险和成本SⅠ MPACK具有通过自身的控制模块和CACE软件例如 MATLAB/Simulink或自己编制的程序来实现杋械系统和控制系统的协调仿真,从而使得现代轨道车辆利用虚拟样机概念向摆式系统驱动系统以及创新的驱动系统方向提供了条件。⑥模型验证轮轨模块重点放在髙水平的车辆动力学仿貞精度上,特别是如何改善轮轨接触模型的建模能丿。 SIMPACK的计算结果都是通过一系列的标准考题(比如ERRI考题; IAVSD考题以及曼彻斯特考题等)和实际测量的数值结果进行严格的验证。最主要的结论也是通过ERRI(欧洲铁路研究所)以及德国铁路管理部门联合进行分析和实验结果的相互验证后待出的结果。实验的方案,⊥要是针对不同类型的货车和一个三节车组成的货物列车进行了大量的反复试验比较,轮轨导向力和轮对的主要动力学分析指标的试验结果和分析计算结果有很好的吻合。另外德国慕尼黑的铁路车辆滚动实验台以及DLR开发的1:5的比例滚动台上进行了大量的试验验证。同时,在每次推出软件新版本的功能开发后,都会进行不同的转向架模型的对比计算和试验。除了 SIMPACK自身的轮轨接触模型试验外,铁路车辆的一些主要的部件和子系统的模型都在进行不同课题内容的重点研究,例如可控的单个车轮的悬挂系统和新廾发的悬链系统(接触网)的饼究等13动力学软件在工程中的应用多体系统动丿学分析软件的主要应用领域还是在车辆动力学的工稈问题研究。目前在国内外机械动力学系统的发展中,动力学分析已经和有限元分析、控制系统等多个并行上程相互结合补充和优化,克服在结构动态设计中很多机械系统纯力学机制存在的缺陷问题,如可以减少因为动载荷过大导致的各种能量损耗、噪音和结构磨损及其他尖效问题的产生。下面结合国外部分文献对国内外部分铁路车锕动力学的发展和应用进行简单地阐述。可以说在这些铁路车辆新产品的每一步开发中几乎都离不开 SIMPACK的帮助。具体如图1.1-1.7所示。199420002007Non linear kinematicsFlexible body simulation New SIMPACK Rail图1. I SIMPACK在铁路产品中开发应用( SIMENS)Verification Behavior of a realistic vehicleModelArticulated train96 degrees of freedom175 force elementss 2 bogies with wheelsets2 bogies with independent wheels1 suspended car bodyScenarios: Non-irearlow-speed narrow CLwith twisthigh-speed curve withunbalanced lateralaccelerationtangent track withstochastic irregularitiess-curve图1.2列车模犁及其采用的元素情况10
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