Control strategies for high-speed tilting body trains

Carbody tilting is nowadays a mature technology used in the field of high-speed trains allowing higher speeds in curves and thus reduced travel time. Many research works and industrial implementations on this technology are available. Among the different actuating options, in this thesis the attention is focused on a layout consisting of interconnected hydraulic actuators attached to the carbody and bogies, replacing the passive anti-roll bar used in standard railway vehicles. From the controller point of view, different control strategies for tilting have been developed in the literature. The purpose of this work is to simplify the design process of the controller. A modal dominance analysis and different model reductions are performed in order to obtain a low-order system which can be used in a simpler way in the design phase of the controllers. PI controllers with and without feedforward contribution are developed analytically on the reduced model. The controllers are then testes on the higher-order linearized model in order to understand if they satisfy minimum stability requirements. Finally, the assessment of the performances is carried out on the multi-body model of the active vehicle. The analysis of the results highlight that a third-order reduction leads to a sufficiently good approximation of the behaviour of the original system, and simple but effective controllers can be designed in an easy way, reaching a good level of performances.

Il pendolamento della cassa è oggigiorno una tecnologia matura utilizzata nel campo dei treni ad alta velocità, che permette di raggiungere una velocità superiore durante le curve, riducendone il tempo di percorrenza. Molti lavori di ricerca e implementazioni industiali di questa tecnologia sono disponibili. Tra le differenti opzioni di attuazione, in questa tesi ci si è concentrati sul layout costituito da attuatori idraulici interconnessi tra di loro e attaccati alla cassa ed ai carrelli, che sostituiscono la barra anti-rollio passiva utilizzata nei veicoli ferroviari standard. Dal punto di vista del controllo, diverse strategie sono state sviluppate nella letteratura per comandare il pendolamento. L'obbiettivo di questa tesi è quello di semplificare il processo di progettazione dei controllori. Una analisi degli indici di dominanza modale e differenti metodi per la riduzione del modello stati utilizzati per raggiungere un modello di ordine inferiore rispetto all'originale, per poi essere utilizzato nella seintesi dei controllori. Controllori PI con e senza contributo "feedforward" sono stati sviluppati analiticamente sul modello ridotto e successivamente testati sul modello linearizzato di ordine superiore per verificare che rispettino i requisiti minimi. Infine, la valutazione delle prestazioni è stata fatta utilizzando un modello multi-body del veicolo attivo. L'analisi dei risultati evidenzia che una riduzione del sistema originale al terzo ordine porta ad una sufficientemente buona approssimazione del comportamente del sistema orginale e che controllori molto semplifici ma efficaci possono essere progettati in maniera semplificata, raggiungendo un buon livello di performance.