CN101348082B - 一种抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的方法，其是将磁性轨道特性纳入到磁悬浮列车系统，使磁悬浮列车系统成为一个五阶系统，通过获取可代表磁悬浮列车和轨道状态之五个独立的状态量，然后根据上述五个状态量对磁悬浮系统进行综合控制，调整系统的控制量，使磁悬浮列车之悬浮间隙控制在一定的范围内，从而抑制了磁悬浮列车悬浮系统车轨的耦合振动，实现磁悬浮列车的稳定悬浮。本发明在抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的同时，还有效解决普通微分方法放大噪声的问题。

Description

一种抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的方法

【技术领域】

本发明涉及磁悬浮列车控制系统，具体涉及一种可抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的控制方法。

【背景技术】

电磁型磁浮列车利用位于轨道下方的悬浮磁铁吸引轨道，以提供悬浮所需的磁力。列车的稳定悬浮是通过悬浮控制单元来实现的，悬浮控制单元为悬浮电磁铁提供一定的电流，使得在一定的悬浮间隙下，悬浮力等于列车的重力，从而实现列车的稳定悬浮。

车轨耦合振动(列车的震动和轨道的振动)是磁浮列车悬浮系统中普遍存在而又很难解决的问题，这种振动不仅影响了磁悬浮列车系统的稳定性，而且会影响到列车系统的舒适性。通常的控制方法是将轨道视作刚体，不考虑轨道对悬浮系统的影响，这在轨道刚度系数很大的实验室模型分析时具有足够的精度。但是，试验室模型和实际运行工况是有一定差异的，这是因为，实际线路中，轨道是有弹性的，磁浮列车运行时会产生一定的振动，引起振动的原因主要有：①磁浮列车通过轨道时，引起轨道在垂直方向上的静态弯曲；②由于轨道梁和悬浮系统间相互作用而引起的轨道动态弯曲；③由于轨道梁的连接带来的轨道表面几何不规则。因此，轨道的弹性振动和动态形变必须要考虑。

通常情况下，关于磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动抑制的研究，主要从两个方面来开展：轨道的研究和控制方法的研究。关于轨道的研究方面，一些研究表明，对轨道的特性进行设计，将轨道的有关参数限制在一定的范围内，比如要求轨道的阻尼和刚度必须满足某一条件，这种方法虽然能够对车轨耦合振动产生一定的抑制作用，但是这种方法大大提高了轨道的造价，在工程上难以推广应用；而对于控制方法的研究，实际上往往还停留在仿真阶段，有关文献中所提出的方法往往在实际工程上难以实现，能有应用到工程上的能够有效抑制磁悬浮车系统车轨耦合振动的控制方法还相当少。

【发明内容】

本发明目的在于提供一种可抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的控制方法，旨在解决现有技术中磁悬浮列车容易发生车轨耦合振动的问题，以提高磁悬浮列车系统的稳定性和舒适性。

本发明所提出的技术方案是：

一种抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的方法，是将磁性轨道特性纳入到磁悬浮列车系统，使磁悬浮列车系统成为一个五阶系统，通过获取可代表磁悬浮列车和轨道状态之五个独立的状态量，然后根据上述五个状态量对磁悬浮系统进行综合控制，调整系统的控制量，使磁悬浮列车之悬浮间隙控制在一定的范围内，从而抑制了磁悬浮列车悬浮系统车轨的耦合振动，实现磁悬浮列车的稳定悬浮，具体包括下述具体步骤：

1)获取磁悬浮列车悬浮间隙、悬浮电流、悬浮方向的速度、悬浮间隙的微分、悬浮间隙的二次微分五个独立的磁悬浮列车系统状态量；

2)调整悬浮电流的反馈系数k₄：将其他反馈系数均固定为0，在电磁铁的电压控制端输入一周期为1赫兹的方波，在电流反馈系数k₄为0的情况下，检测电磁铁中的电流上升到稳定时的时间，然后逐渐增大电流反馈系数k₄，最终使电磁铁中电流上升时间小于15毫秒；

3)调整悬浮间隙反馈系数k₁和k₆：固定电流反馈系数k₄不变，其他反馈系数固定为0，首先调整参数积分反馈参数k₆，使得电磁铁从有电流到离开轨道的时间为1～3秒，然后逐渐增加悬浮间隙反馈控制系数k₁，使得电磁铁在设定的悬浮间隙下，能够提供足够的悬浮力；

4)调整悬浮方向速度反馈系数k₅：固定步骤2)、3)中已经调整好的系数，控制量中的其他反馈系数为0，在电磁铁作不稳定的上下往复运动的情况下，逐渐增加悬浮方向速度反馈系数k₅，直到实现电磁铁稳定悬浮；

5)优化悬浮间隙和悬浮方向的速度的反馈系数：于步骤2)、3)、4)之后，在控制量中加入一个频率为1赫兹，幅值较小的方波，检测悬浮间隙随着方波波动的调整时间和超调量，然后在小范围内不断调整反馈系数k₁和k₅，使得悬浮间隙的超调量在10～20％，调节时间在120～180毫秒；

6)调整悬浮间隙微分反馈系数k₂和悬浮间隙二次微分的反馈系数k₃：在系统存在车轨耦合振动的情况下，逐渐的加大反馈系数k₂和k₃的值，直至车轨耦合振动消除；

7)将上述五个独立的磁悬浮列车系统状态量及各反馈系数加权后得到悬浮控制量u：u＝k₁(x-x₀)+k₂x’+k₃x”+k₄i+k₅v+k₆∫(x-x₀)，以控制电磁铁中的电流大小，使磁浮列车稳定悬浮在设定的悬浮间隙x₀下。

采用本发明可以达到以下技术效果：

(1)本发明将磁性轨道特性纳入到磁悬浮列车系统，通过获取可代表磁悬浮列车和轨道状态之五个独立的状态量，然后对磁悬浮系统进行综合控制，以控制提供给磁悬浮列车电流的大小，能够有效地抑制磁悬浮列车悬浮系统的车轨耦合振动；

(2)本发明控制系统实现了磁悬浮列车系统的全状态反馈控制，能够调整磁悬浮列车的动态性能，使其达到某一具体指标；

(3)本发明能够获取悬浮间隙的微分和悬浮间隙的二次微分，在抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的同时，还有效解决普通微分方法放大噪声的问题。

【附图说明】

图1是本发明的悬浮控制单元结构框图；

图2是本发明求取微分方法的结构框图；

图3是本发明所获得的微分和普通方法所获得的微分效果比较图；

图4a是本发明控制方法应用于磁悬浮车轨系统后之效果图；

图4b是现有技术控制方法应用于磁悬浮车轨系统后之效果图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在磁悬浮列车悬浮控制系统领域里，通常用于磁悬浮的控制算法中，往往忽略了轨道弹性的存在，而是将磁悬浮系统作为一个三阶系统来看待，因此，在实际运行过程中，这种方法对轨道的振动无能为力。本发明为解决轨道振动的问题，提出了一种获取轨道状态的方法，将轨道视为弹性轨道，把轨道特性纳入到磁悬浮列车控制系统中，利用轨道的状态以及列车的状态对磁悬浮系统进行控制，并且只考虑轨道的一阶模态，使磁悬浮列车系统成为一个五阶系统。但是，从控制理论上来说，对于一个五阶系统，如果要控制它的特性以达到期望值，则该系统需要满足两个条件：第一，系统是能够控制的；第二，能够获得五个独立的系统状态量。要使磁悬浮列车系统满足能控的条件，问题的关键是如何获取五个独立的状态量。我们知道，在磁悬浮列车的控制方法中，常见的而且容易获取的状态量有三个：悬浮间隙s、悬浮方向的速度v以及悬浮电磁铁中的电流i。剩下两个独立状态量则是解决车轨耦合振动的关键，从理论上来说，容易找到两个独立的变量：如悬浮方向的位移，悬浮方向的加速度，悬浮间隙的微分，悬浮间隙的二次微分等。然而，实际工程中却很难获取剩下的两个独立状态量。申请人反复实验发现：以悬浮间隙微分、悬浮间隙的二次微分两个变量连同常用的悬浮间隙s、悬浮方向的速度v以及悬浮电磁铁中的电流i作为状态量，然后根据上述五个状态量对磁悬浮系统进行综合控制，以控制提供给磁悬浮列车电流的大小，这样，可使磁悬浮列车在一个悬浮点稳定悬浮，便能够抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨的耦合振动，从而实现了本发明的目的。

本发明的具体实施方法包括下述步骤：

1)获取五个独立的磁悬浮列车系统状态量：悬浮间隙s，悬浮电流i，悬浮方向的速度v，悬浮间隙的微分x’，悬浮间隙的二次微分x”；其中，悬浮间隙s可以通过间隙传感器直接获取，悬浮电流i可以通过电流互感器直接获取，悬浮方向的速度v可以通过加速度计积分获取，悬浮间隙的微分x’是将悬浮间隙s通过两个时间常数很小的一阶惯性环节相减来获取，悬浮间隙的二次微分x”是将悬浮间隙微分x’通过两个时间常数很小的一阶惯性环节相减来获取；

2)调整悬浮电流的反馈系数k₄：调整电流反馈系数k₄的目的是为了加快电磁铁中电流响应速度，使得电流尽可能快的跟着控制量的变化而变化。具体调整方法是：把控制量中其它反馈系数均固定为0，在电磁铁的电压控制端输入一周期为1赫兹的方波，在电流反馈系数k₄为0的情况下，检测电磁铁中的电流上升到稳定时的时间，然后逐渐增大电流反馈系数k₄，会发现电流上升时间会逐渐减少，最终使电磁铁中电流上升时间小于15毫秒；

3)调整悬浮间隙反馈系数k₁和k₆：调整这两个系数的目的是为了使得系统具有足够的刚度和合适的积分时间。具体调整方法是：固定电流反馈系数k₄不变，其他反馈系数固定为0，首先调整参数积分反馈参数k₆，使得电磁铁从有电流到离开轨道的时间为2秒左右。然后逐渐增加悬浮间隙反馈控制系数k₁，使得电磁铁在设定的悬浮间隙下，能够提供足够的悬浮力，此时电磁铁会作不稳定的上下往复运动；

4)调整悬浮方向速度反馈系数k₅：调整该系数的目的是为了系统具有一定的阻尼，以便于系统的稳定，具体调整方法是：固定步骤(2)、(3)中已经调整好的系数，控制量中的其他反馈系数为0，在电磁铁作不稳定的上下往复运动的情况下，逐渐增加悬浮方向速度反馈系数k₅，直到实现电磁铁稳定悬浮；

5)进一步优化悬浮间隙s和悬浮方向的速度v的反馈系数k₁和k₅：在步骤(2)(3)(4)之后，为实现电磁铁的稳定悬浮，此时在控制量中加入一个频率为1赫兹，幅值较小(以不能让电磁铁碰到轨道为准)的方波，检测悬浮间隙随着方波波动的调整时间和超调量，然后在小范围内不断调整反馈系数k₁和k₅，使得悬浮间隙的超调量在10～20％左右，而调节时间在120～180毫秒左右。至此便完成了磁悬浮列车系统的单点悬浮，反馈系数k₁、k₄和k₅不再变化；

6)调整悬浮间隙微分反馈系数k₂和悬浮间隙二次微分的反馈系数k₃：调整这两个参数的目的是为了抑制车轨耦合振动。利用前面调整好的四个反馈系数，实现列车某一个悬浮点的稳定悬浮，但是如果进行整车悬浮，势必会产生车轨耦合振动，在系统存在车轨耦合振动的情况下，逐渐的加大反馈系数k₂和k₃的值，直至车轨耦合振消除；

7)将上述五个独立的磁悬浮列车系统状态量及各反馈系数加权后得到悬浮控制量u：u＝k₁(x-x₀)+k₂x’+k₃x”+k₄i+k₅v+k₆∫(x-x₀)用于控制电磁铁中的电流大小，从而维持悬浮间隙稳定。如果要调整磁浮列车稳定悬浮时的悬浮间隙，只要悬浮间隙给定值x₀就可以了。如果要增大悬浮间隙，则增大悬浮间隙给定值x₀；如果要减小悬浮间隙，则减小悬浮间隙给定值x₀。这样，可使磁浮列车稳定悬浮在设定的悬浮间隙下。另外，在不同的设定悬浮间隙x₀下，需要对步骤5)～7)进行重新调整。

上述步骤完成后，便实现了磁悬浮列车的稳定悬浮，既满足了系统一定的性能指标，又能抑制车轨耦合振动。

具体实施中，本发明通过一悬浮控制单元来获取磁悬浮列车悬浮间隙、悬浮电流、悬浮方向的速度、悬浮间隙的微分、悬浮间隙的二次微分五个独立的磁悬浮列车系统状态量，如图1所示，所述悬浮控制单元包括悬浮磁铁1，悬浮传感器2、悬浮控制器3以及微分器5。其中，所述悬浮磁铁1用于给磁悬浮列车提供动力；悬浮传感器2用于检测出悬浮磁铁1的状态，其包括间隙传感器、电流互感器和加速度计，其中所述间隙传感器获取悬浮间隙信号x，电流互感器获取电流信号i，加速度计获取加速度信号a。所述加速度计获取的加速度信号a通过一积分器9转化为列车在悬浮方向上的速度信号V。悬浮控制器3的作用和其它类似系统的悬浮控制器相同，用于将接收的上述悬浮间隙信号x，加速度信号a和电流信号i通过一些必要的处理，同时，本发明所述悬浮控制器3内部还含有减法器31和积分器32，所述减法器31可将悬浮传感器2测到的悬浮间隙信号x与预先设定间隙信号x₀相减，得到的结果用于计算控制量u，包括与k₁相乘和作为积分器31的输入；而积分器32可用于消除悬浮间隙的静态误差，使得稳定悬浮时悬浮间隙的值与设定值完全相等。这样，悬浮控制器3将接收的上述悬浮间隙信号x，加速度信号a和电流信号i进行处理，然后将处理后的信号按照一定的数学关系计算出控制量u，可使得系统稳定，也就是使得在一定的间隙下提供一定的电流，使得悬浮电磁铁产生的力正好等于它承受的重力；

微分器5用于处理所述悬浮间隙信号x，使之得到间隙微分信号x’和二次微分信号x”。

本发明解决技术问题的关键是如何获取悬浮间隙微分x’和二次微分信号x”。如图1所示，本发明设有两个微分器5，通过利用两个时间常数很小的一阶惯性环节相减来等效微分功能的方法，有效的获得了悬浮间隙的微分x’和二次微分信号x”。

图2是展示了本发明求取微分方法的结构框图。如图2所示，本发明求取微分信号的基本原理为：将原始信号y分别经过两个时间常数不同的一阶惯性环节6和7之后，得到具有一定延时的信号y₁和y₂，将这两个信号经过一个求和环节8相减得到信号y’，经过数学推导和实验检测可知：当原始信号y的频率在一定的范围内时，这个信号y’就可以近似的认为是原始信号的微分，这种求取微分的方法同时具有滤除高频噪声的作用。因此，本发明采用微分器5既能满足微分的效果，同时解决了普通微分方法放大噪声的缺陷。

如图1所示，本发明悬浮控制单元还包括一功率放大器4，用于将悬浮控制器3给出的控制量u进行放大，向悬浮磁铁1提供必要的电流，以维持悬浮磁铁1的稳定悬浮。

本发明利用间隙传感器获得悬浮间隙信号x，将悬浮间隙信号经过本发明的微分器1后得到间隙微分信号x’，将间隙微分信号x’经过本发明的微分器2后得到间隙的二次微分信号x”；利用电流互感器直接得到电流信号i；把前面所得到的间隙信号x，间隙信号的微分x’，间隙信号的二次微分x”，电流信号i，悬浮方向的速度信号v，经过一定的加权后与预先的给定量u₁进行比较，从而得到悬浮控制量u，该控制量u经过功率放大器4后来控制悬浮磁铁5中的电流大小，便可达到列车稳定悬浮的目的。图3是本发明所获得的微分和普通方法所获得的微分效果比较图。其中信号1为原始信号，其中叠加了一定的噪声；信号2为采用本发明方法所获得的微分；信号3为普通方法所获得的微分。从图3可以看出，信号2和信号3都是信号1的微分要求，也就是说相位超前了90°。然而信号3放大了噪声，而信号1对噪声具有抑制作用。

图4为本发明的控制方法与普通控制方法的效果比较图。图中的信号是悬浮间隙信号，其中图4a是本发明的控制方法应用到磁悬浮车轨系统后的实验结果，从图4a可以看出，系统是稳定的；图4b是普通控制方法应用到磁悬浮车轨系统后的实验结果，从图4b可以看出，悬浮间隙信号有微小的振动，虽然整体趋势是趋于稳定，但是在实际的工程试验中，由于存在着很多不确定因素和外界干扰，就容易使得系统不稳定，这也就是在进行磁悬浮列车运行时，容易引起车轨耦合振动的原因。

以上所述实施例仅表达了本发明的较佳的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的方法，是将磁性轨道特性纳入到磁悬浮列车系统，使磁悬浮列车系统成为一个五阶系统，通过获取可代表磁悬浮列车和轨道状态之五个独立的状态量，然后根据上述五个状态量对磁悬浮系统进行综合控制，调整系统的控制量，使磁悬浮列车之悬浮间隙控制在一定的范围内，从而抑制了磁悬浮列车悬浮系统车轨的耦合振动，实现磁悬浮列车的稳定悬浮，其特征在于包括下述具体步骤：

1)获取磁悬浮列车悬浮间隙、悬浮电流、悬浮方向的速度、悬浮间隙的微分、悬浮间隙的二次微分五个独立的磁悬浮列车系统状态量；

2)调整悬浮电流的反馈系数k₄：将其他反馈系数均固定为0，在电磁铁的电压控制端输入一周期为1赫兹的方波，在电流反馈系数k₄为0的情况下，检测电磁铁中的电流上升到稳定时的时间，然后逐渐增大电流反馈系数k₄，最终使电磁铁中电流上升时间小于15毫秒；

3)调整悬浮间隙反馈系数k₁和k₆：固定电流反馈系数k₄不变，其他反馈系数固定为0，首先调整参数积分反馈参数k₆，使得电磁铁从有电流到离开轨道的时间为1～3秒，然后逐渐增加悬浮间隙反馈控制系数k₁，使得电磁铁在设定的悬浮间隙下，能够提供足够的悬浮力；

4)调整悬浮方向速度反馈系数k₅：固定步骤2)、3)中已经调整好的系数，控制量中的其他反馈系数为0，在电磁铁作不稳定的上下往复运动的情况下，逐渐增加悬浮方向速度反馈系数k₅，直到实现电磁铁稳定悬浮；

5)优化悬浮间隙和悬浮方向的速度的反馈系数：于步骤2)、3)、4)之后，在控制量中加入一个频率为1赫兹，幅值较小的方波，检测悬浮间隙随着方波波动的调整时间和超调量，然后在小范围内不断调整反馈系数k₁和k₅，使得悬浮间隙的超调量在10～20％，调节时间在120～180毫秒；

6)调整悬浮间隙微分反馈系数k₂和悬浮间隙二次微分的反馈系数k₃：在系统存在车轨耦合振动的情况下，逐渐的加大反馈系数k₂和k₃的值，直至车轨耦合振动消除；

7)将上述五个独立的磁悬浮列车系统状态量及各反馈系数加权后得到悬浮控制量u：u＝k₁(x-x₀)+k₂x’+k₃x”+k₄i+k₅v+k₆∫(x-x₀)，以控制电磁铁中的电流大小，使磁浮列车稳定悬浮在设定的悬浮间隙x₀下。

2.根据权利要求1所述的一种抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的方法，其特征在于，用于获取磁悬浮列车悬浮间隙、悬浮电流、悬浮方向的速度、悬浮间隙的微分、悬浮间隙的二次微分五个独立的磁悬浮列车系统状态量之悬浮控制单元包括：

悬浮磁铁，用于给磁悬浮列车提供动力；

悬浮传感器，用于检测出悬浮磁铁的状态，获取悬浮间隙信号x，加速度信号a和电流信号i；

悬浮控制器，其含有减法器和积分器，用于将接收的上述悬浮间隙信号x，加速度信号a和电流信号i进行处理，然后将处理后的信号按照数学关系式计算出控制量u，使得悬浮电磁铁产生的力正好等于它承受的重力；

以及微分器，用于处理所述悬浮间隙信号x，使之得到间隙微分信号x’和二次微分信号x”。

3.根据权利要求2所述的一种抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的方法，其特征在于，所述悬浮间隙采用间隙传感器获取；悬浮电流采用电流互感器获取；悬浮方向的速度采用加速度计积分获取；悬浮间隙的微分是通过微分器将悬浮间隙通过两个时间常数很小的一阶惯性环节相减来获取，悬浮间隙的二次微分是通过微分器将悬浮间隙微分通过两个时间常数很小的一阶惯性环节相减来获取。

4.根据权利要求2所述的一种抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的方法，其特征在于：所述悬浮控制单元还包括一功率放大器，用于将悬浮控制器给出的悬浮控制量u进行放大，向悬浮磁铁提供必要的电流。

5.根据权利要求3或4所述的一种抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的方法，其特征在于：所述微分器是采用两个时间常数很小的一阶惯性环节相减以获取悬浮间隙的一次间隙微分信号x’及悬浮间隙的二次微分信号x”。

6.根据权利要求3或4所述的一种抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的方法，其特征在于：所述悬浮传感器还包括间隙传感器、电流互感器和加速度计，其中所述间隙传感器获取悬浮间隙信号x，电流互感器获取电流信号i，加速度计获取加速度信号a。

7.根据权利要求6所述的一种抑制磁悬浮列车悬浮系统车轨耦合振动的方法，其特征在于：所述加速度计获取的加速度信号a通过一积分器转化为列车在悬浮方向上的速度信号V。

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