Development of a hardware-in-the-loop test rig for railway primary suspensions, considering actuator delay compensation

In the last decades the strong technological development and the increased adoption of electronic components in the vehicle field have allowed the development of better-performing and safer systems. Regarding vehicle suspensions, the recent technological advancement has enabled the development of new electronically controlled suspension systems to better remove any vibration deriving from the road profile. Focusing on railway vehicles, the suppression of vertical vibrations is essential as their natural frequencies are extremely close to the frequency bandwidth at which passengers are sensitive, at around 4-8 Hz. The implementation and the control of active and semi-active suspensions are still a subject of study and interest especially considering that the future trains will travel at higher and higher speeds. In research, Hardware-in-the-loop (HIL) methodology turned out to be an excellent modality for the testing and validating of results. In general, this technique tests just one single physical component of a big and complex system, representing the other parts via software. The goal of this thesis is to develop and test a HIL bench for the study of the primary suspension system of railway vehicles. The test bench is composed by a hydraulic actuator, a real passive damper and an appropriate quarter car model of a railcar, synchronized by a real-time board. The dynamic model has been elaborated mathematically and then developed in Simulink and Matlab. The physical elements composing the bench which guarantee its proper functioning, are explained in detail, with particular attention to the delay effects that the actuator introduce in the system. To solve this problem, two compensation methods have been studied, tested and adopted on the bench.

Il potenziamento tecnologico degli ultimi decenni e l’introduzione sempre maggiore di componenti elettroniche nei veicoli hanno permesso di sviluppare sistemi molto più performanti e sicuri rispetto al passato. Per quanto riguarda le sospensioni di un veicolo, lo sviluppo ha portato alla creazione di nuove tipologie, le quali possono essere controllate elettronicamente e automatizzate per rimuovere al meglio qualsiasi vibrazione. In ambito ferroviario l’eliminazione di tali vibrazioni verticali è particolarmente significativa in quanto le loro frequenze naturali sono molto vicine a quelle avvertite dai passeggeri, intorno ai 4-8 Hz. L’implementazione di sospensioni attive o semi-attive e il loro controllo è tuttora argomento di studio e discussione, soprattutto tenendo conto del fatto che i treni in via di sviluppo viaggeranno a velocità sempre più elevate. Un ottimo strumento per testare e validare i risultati degli studi effettuati è l’utilizzo di un banco Hardware-in-the-loop (HIL). Questo banco di simulazione testa solitamente un singolo componente fisico di un sistema complesso, rappresentando le restanti parti via software. L’obiettivo di questa tesi è di sviluppare e testare un banco HIL per lo studio della sospensione primaria di un veicolo ferroviario. Il banco è formato da un attuatore, un ammortizzatore passivo e da un apposito modello quarter car di un vagone ferroviario, sincronizzati da una scheda real-time. Il modello dinamico è stato elaborato prima matematicamente e poi sviluppato con Simulink e Matlab. Le componenti hardware che costituiscono il banco e ne permettono il corretto funzionamento sono spiegate nel dettaglio, con particolare attenzione anche agli effetti e ai ritardi che l'attuatore inserisce nel sistema. Per risolvere questo problema, sono stati studiati, testati e adottati due differenti metodi di compensazione di tale ritardo.