Modelling and control of semi-active and active anti-hunting damper for high speed trains

In the high speed rail transportation field, the need to introduce suspensions with adjustable characteristics, aiming at increasing the passenger comfort, their safety and the maximum vehicle velocity, has led to the development of active and semi-active suspensions. The anti-hunting damper is a suspension element placed longitudinally between the carbody and the bogie, embedded on most of the railway vehicles with the purpose of damping the bogie lateral oscillations that can result in hunting instability at high running velocity. The considered device is constituted by an hydraulic passive damper that sensibly decrease its damping characteristic at high frequency. In order to solve this problem, the traditional hydraulic cylinder is adapted, through the introduction of an external servo-valve electronically controlled, that regulates the passage of oil between the damper chambers, in such a way that it is possible to change its characteristics. A nonlinear model implemented on Simulink reproduces the behavior of the anti-hunting damper, while the high speed train is modelled through a multibody Simpack model. Two different control logics, based on the MPPT and the LQR algorithms are developed to command the external valve. Furthermore, the introduction of an hydraulic actuator, controlled through an LQR controller, allows to have a term of comparison for the semi-active damper. The co-simulation results highlight an increase of the vehicle critical velocity, with respect to the passive case, for both active and semi-active concepts.

Nel campo del trasporto ferroviario ad alta velocità il bisogno di introdurre sospensioni con caratteristiche regolabili, al fine di incrementare il comfort dei passeggeri, la loro sicurezza e la velocità massima del veicolo, ha portato allo sviluppo di sospensioni attive e semi-attive. Lo smorzatore anti-serpeggio è un elemento di sospensione posto longitudinalmente tra cassa e carrello, presente sulla maggior parte dei veicoli ferroviari, con lo scopo di smorzare le oscillazioni laterali del carrello che possono sfociare in instabilità dinamica per elevate velocità di marcia. Il dispositivo in questione è costituito da uno smorzatore idraulico passivo che ad alta frequenza diminuisce sensibilmente la sua caratteristica smorzante. Per risolvere questo problema, il cilindro idraulico tradizionale viene adattato tramite l’introduzione di una servo-valvola esterna elettronicamente controllata, che regola il passaggio d'olio tra le camere dello smorzatore, in modo da poterne variare le caratteristiche. Un modello non lineare implementato in Simulink riproduce il comportamento dello smorzatore anti-serpeggio, mentre il treno ad alta velocità è modellizzato tramite un modello Simpack multibody. Per comandare la valvola esterna sono state sviluppate due logiche di controllo differenti, basate sugli algoritmi MPPT ed LQR. L’introduzione di un attuatore idraulico, controllato tramite un controllore LQR, permette inoltre di avere un termine di confronto per lo smorzatore semi-attivo. I risultati delle co-simulazioni evidenziano un incremento della velocità critica del veicolo sia per i concepts semi-attivi che per quello attivo, rispetto al caso passivo.