Railway bogie stability control from secondary yaw actuators

Thanks to the continuos development of control technology, in the last two decades the study on active systems in the railway field has been increasing. Active systems, but in general active control, have been developed in different ways all over the world taking into account the need of specific situations, mainly to improve performances on the existing infrastructures. The objectives in this direction are, briefly, faster travelling speed without loss in passenger comfort and better handling performances. The aim of this thesis is to overcome the trade-off between stability in straight track and curving capability, that is a typical mechanical design limit of a passive railway vehicle. In this sense, active control is here implemented as a controllable yaw torque between the two bogies and the carbody. The idea, that has been studied both theoretically and experimentally, is extended by examining active stabilisation strategies for a bogie with very soft yaw springs between the bogie frame and the wheelsets. The low stiffness connections mean that curving is intrinsically good, but the bogie will be very unstable, hence the use of active control to provide stability. This work presents two different control strategies, developed on a linear, half vehicle plan view model. The first one is a full state LQ regulator, in the case where all the state are supposed to be perfectly measured. The second is an LQG control with state estimation, taking into account a realistic situation with a set of sensors mounted on the vehicle. Then the results are compared with the fully passive system on a multi body simulator in different operating situations: straight track, in order to validate the control strategy, and then in curved track, to assess the low primary yaw stiffness advantages.

Grazie al continuo sviluppo della tecnologia del controllo, lo studio di sistemi attivi nel campo ferroviario ha avuto un notevole incremento negli ultimi due decenni. I sistemi attivi, ma piu' in generale il controllo attivo, sono stati sviluppati in diverse modi ovunque nel mondo, tenendo in considerazione le piu' diverse esigenze contingenti, soprattutto con lo scopo di migliorare le prestazioni sfruttando le infrastrutture esistenti. In sintesi, l’obiettivo in questo senso e' un minore tempo di viaggio, abbinato al mantenimento del comfort di viaggio per i passeggeri e a una migliore maneggevolezza della guida. L’obiettivo di questa tesi e' di superare lo scarto tra la stabilita' del veicolo lungo tratti rettilinei e la guidabilita' in curva, che rappresenta un classico problema di progettazione meccanica dei veicoli ferroviari passivi. In questo senso, il controllo attivo viene qui implementato come una coppia di serpeggio il singolo carrello e la cassa. L’idea, studiata sia teoricamente sia sperimentalmente, viene estesa esaminando alcune strategie di stabilizzazione attiva per un carrello con bassa rigidezza primaria di serpeggio. La scarsa rigidezza delle connessioni implica intrinsecamente una buona capacita' in curva; il carrello risulta invece instabile, da cui la necessita' di utilizzare un controllo attivo per migliorarne la stabilita'. Questo lavoro presenta due diverse strategie di controllo, sviluppate su un modello lineare di meta' veicolo. La prima strategia e' un controllo LQ applicato quando tutti gli stati sono perfettamente misurabili. La seconda e' un controllo di tipo LQG con stima degli stati; questa seconda strategia permette di prendere in considerazione situazioni piu' realistiche grazie ad alcuni sensori montati sul veicolo. I risultati ottenuti vengono confrontati con quelli forniti dal sistema su di un simulatore multi-body, operante in diverse situazioni: tratti con tracciato rettilineo, per validare la strategia di controllo, quindi tratti curvilinei, al fine di dimostrare i vantaggi della ridotta rigidezza primaria di serpeggio.