Semi-active control of car-body vibration in a railway vehicle: a robust control approach

The railway industry has been moving towards lighter rolling stock, a trend that brings many benefits such as reduced energy consumption, lower manufacturing costs, and de- creased wear on both tracks and wheelsets. However, using less material usually increases flexibility, which leads to higher structural vibrations. These vibrations, when affecting the vehicle carbody, can cause significant passenger discomfort, especially when occuring at frequencies below 20 Hz, and fully passive suspensions are not able to effectively miti- gate them. In this work, semi-active dampers are implemented using two different control strategies aimed at reducing carbody bending vibrations caused by a coupling effect with bogie rigid displacement, specifically in the pitch direction. The main focus is on assessing the robustness of the control strategies in maintaining good vibration mitigation perfor- mance even under variations in model parameters, such as an increase in carbody mass. The two strategies analyzed are the Skyhook and H∞ controls, which are compared with each other and with a passive vehicle used as a baseline. The H∞ controller is designed using a simplified linear 7-DOF model of the railway vehicle, and robustness analysis is performed using a three-dimensional flexible multibody system (FMBS) integrated with a finite element model of the flexible carbody to capture more detailed vibrational be- havior, highlighting the effect of modelling errors. The MR damper is modeled using a Bouc-Wen model to account for its hysteretic behavior. Further analyses are carried out using Hardware-in-the-Loop (HiL) simulation to investigate the actual feasibility of semi- active control for MR dampers. The results show very good performance for both control strategies in purely numerical simulations, while in the HiL phase, only the H∞ controller demonstrates satisfactory vibration mitigation.

L’industria ferroviaria si sta muovendo verso veicoli ferroviari più leggeri, una tendenza che comporta numerosi vantaggi come il minor consumo energetico, ridotti costi di pro- duzione e minore usura di rotaie e ruote. Tuttavia, l’uso di meno materiale aumenta solitamente la flessibilità, provocando maggiori vibrazioni strutturali. Queste vibrazioni, quando interessano la cassa del veicolo, possono causare significativo disagio ai passeg- geri, specialmente per frequenze inferiori a 20 Hz, e le sospensioni passive non riescono a mitigare efficacemente il fenomeno. In questo lavoro vengono implementati smorzatori semi-attivi utilizzando due diverse strategie di controllo mirate a ridurre le vibrazioni di flessione della cassa, generate dall’accoppiamento con lo spostamento rigido del car- rello, in particolare nella direzione di beccheggio. L’obiettivo principale è valutare la robustezza delle strategie di controllo nel mantenere buone prestazioni di attenuazione delle vibrazioni anche in presenza di variazioni dei parametri del modello, come un au- mento della massa della cassa. Le due strategie analizzate sono i controlli Skyhook e H∞, confrontati tra loro e rispetto a un veicolo passivo utilizzato come riferimento. Il con- trollore H∞ è progettato utilizzando un modello lineare semplificato a 7 gradi di libertà del veicolo ferroviario, e l’analisi di robustezza è eseguita mediante un sistema multibody flessibile tridimensionale (FMBS) integrato con un modello agli elementi finiti della cassa flessibile, per catturare comportamenti vibratori più dettagliati e evidenziare gli effetti di eventuali errori di modellazione. Lo smorzatore MR è modellato tramite il modello di Bouc-Wen per tenere conto del comportamento isteretico. Ulteriori analisi vengono condotte tramite simulazioni Hardware-in-the-Loop (HiL) per investigare la reale fattibil- ità del controllo semi-attivo sugli smorzatori MR. I risultati mostrano ottime prestazioni per entrambe le strategie nelle simulazioni numeriche pure, mentre nella fase HiL solo il controllore H∞ dimostra un’attenuazione soddisfacente delle vibrazioni.