CN102303544A - 一种中低速磁浮列车悬浮控制方法 - Google Patents

一种中低速磁浮列车悬浮控制方法 Download PDF

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  • Control Of Vehicles With Linear Motors And Vehicles That Are Magnetically Levitated (AREA)

Abstract

本发明公开了一种中低速磁浮列车悬浮控制方法，其包含1、悬浮控制器在列车处于不同负载下获取悬浮控制参数；2、悬浮控制器获取压力测量装置实时监测的负载压力值信号；3、悬浮控制器根据压力测量装置监测的悬浮点的负载变化改变悬浮控制参数；4、悬浮控制器实时进行悬浮控制，并跳转到步骤2。本发明通过压力测量装置测量悬浮点压力值，悬浮控制器根据负载变化情况自动调整悬浮控制参数，有效解决中低速常导电磁悬浮磁浮列车负载大范围波动时和列车通过缓和曲线以及圆曲线时出现的悬浮不稳定问题，实现磁浮列车在负载大范围波动和列车通过缓和曲线以及圆曲线时悬浮性能保持不变，提高悬浮控制器的控制性能。

Description

一种中低速磁浮列车悬浮控制方法
技术领域
本发明涉及一种磁浮列车的悬浮控制方法，具体涉及一种参数自适应的中低速磁浮列车悬浮控制方法。
背景技术
目前，最高运行速度为120km/h左右的中低速磁浮列车（又称城轨磁浮列车）是一种新型的轨道交通工具，其核心技术就是悬浮控制技术。中低速磁浮列车的悬浮控制器通过控制电磁铁线圈内的电流，使得在一定悬浮间隙下，电磁悬浮力等于列车的重力，实现磁浮列车的稳定悬浮。
中低速磁浮列车采用多转向架结构，如图1和图2所示，每节车由五个转向架8组成，每个转向架由左右两侧两个电磁铁5组成，两个电磁铁之间通过抗侧滚梁2连接，实现两侧电磁铁的机械解耦。转向架通过空气弹簧1与车体底部连接，空气弹簧1安装在每个模块两端的托臂上，一节车共有20个空气弹簧，对应20个悬浮控制点。正常情况下，车辆的载荷平均分配在20个空气弹簧上，因此每个空气弹簧受力均匀。车辆的载荷平均分配后通过空气弹簧传输到每个悬浮电磁铁上。
磁浮系统本身是不稳定的，需要采用一定的控制方法使电磁铁和轨道之间的间隙保持在一定范围之内，通常采用的悬浮控制方法是PID控制，这种控制方法是利用悬浮间隙、悬浮间隙的积分、悬浮间隙的微分这三个量的加权组合作为控制量，通过选择这三个量的加权系数，使得悬浮系统性能在某一系统参数条件下最优。但这种控制方法得缺点在于：每一组加权系数只能使得悬浮系统性能在某一系统参数条件下最优，当系统参数发生变化时，如果加权系数不作相应得变化，则系统性能会变差，严重时会使得系统变得不稳定。
通过分析我们知道，对于中低速磁浮列车，在以下情况下空气弹簧所承受的压力将发生变化：（1）当列车进入缓和曲线时，由于转向架发生侧滚，每个空气弹簧所承受的压力将发生变化。（2）当列车进入圆曲线时，由于车体与转向架间的相对位置发生变化，每个空气弹簧所承受的压力将发生变化。（3）当车体载荷发生大范围变化时，如空载到满载和超载，空气弹簧所承受的压力将发生变化。当空气弹簧所承受的压力变化量较大时，相当于控制器受到较大干扰或控制对象参数发生较大变化，系统容易失稳。实际上，上述三种情况都是悬浮系统参数发生了变化。在现有悬浮控制系统中，由于无法测量和评估负载的变化，采用定系数的普通PID控制，在系统参数发生变化时控制算法的加权系数不作相应变化，使得列车悬浮不稳定，影响列车运行性能。
发明内容
本发明提供了一种中低速磁浮列车悬浮控制方法，通过悬浮控制参数的自动调整，适应磁浮列车系统参数的变化，解决中低速常导电磁悬浮磁浮列车负载大范围波动时和列车通过缓和曲线以及圆曲线时出现的悬浮不稳定问题，提高悬浮控制器的控制性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种中低速磁浮列车悬浮控制方法，其特点是，该方法包含以下步骤：
步骤1 悬浮控制器在磁浮列车处于不同负载情况下获取定参数PID悬浮控制参数；
步骤1.1 对磁浮列车的负载情况进行分级，记录各级负载情况下的平均负载值，分为                                                
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE001
、、
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE003
……，共n种负载情况；
步骤1.2 计算出磁浮列车在各级负载情况下的悬浮控制参数（
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE005
、、
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE007
）；
其中，
Figure 918443DEST_PATH_IMAGE005
为悬浮间隙控制参数，为悬浮间隙积分控制参数，
Figure 580862DEST_PATH_IMAGE007
为悬浮间隙微分控制参数；
步骤1.3 通过进行若干次悬浮实验，校正悬浮控制参数，逐渐逼近最优控制性能，最终获得若干组不同的最优控制参数组，该若干组最优控制参数组与所述的n种负载情况相对应；
步骤1.3.1 根据步骤1.2计算得到的
Figure 890620DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 899028DEST_PATH_IMAGE007
值，设定悬浮控制器的输出电流给定值为
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE008
，式中， s为悬浮间隙，为设定的悬浮间隙，
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE010
为在设定的悬浮间隙下根据重力和电磁力平衡原理计算得出的电流值；
步骤1.3.2 测量悬浮间隙
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE011
值，并观察悬浮系统状态，如悬浮间隙波动、车轨振动等情况；
步骤1.3.3 增大或减小
Figure 827801DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 103799DEST_PATH_IMAGE007
值，判断悬浮是否间隙波动较小，车辆与轨道无共振，动态性能包括调节时间、超调量符合要求，若是，则跳转到步骤1.3.4，若否，则跳转到步骤1.3.1；
步骤1.3.4 令，需要经过多次尝试设定，判断条件是悬浮间隙能够稳定在
Figure 814583DEST_PATH_IMAGE009
附近，并且悬浮间隙波动较小，车辆与轨道无共振，此时的、和
Figure 955211DEST_PATH_IMAGE007
值认为最优；
步骤2 悬浮控制器获取压力测量装置实时监测的负载压力值信号；
步骤2.1 压力测量装置实时监测的压力信号输出至悬浮传感器；
步骤2.2 悬浮传感器对压力信号进行模数转换并传输至悬浮控制器；
步骤2.3 悬浮控制器判断压力信号是否完成模数转换，若是，则跳转到步骤3，若否，则跳转到步骤2.2；
步骤3 悬浮控制器根据压力测量装置监测的悬浮点的负载变化改变悬浮控制参数；
步骤3.1 悬浮控制器读取监测采样信号；
步骤3.2 悬浮控制器取出采样信号中的悬浮点负载值
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤3.3 悬浮控制器判断是否满足
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE014
，若是，则跳转到步骤3.6，若否，则跳转到步骤3.4；
步骤3.4 悬浮控制器判断是否满足
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE015
，若是，则跳转到步骤3.7，若否，即
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE016
，则跳转到步骤3.5；
步骤3.5 悬浮控制器执行
Figure 315042DEST_PATH_IMAGE001
负载情况下的PID参数，并跳转到步骤4；
步骤3.6 悬浮控制器执行
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE017
负载情况下的PID参数，
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE018
，并跳转到步骤4；
步骤3.7 悬浮控制器执行
Figure 647934DEST_PATH_IMAGE004
负载情况下的PID参数，并跳转到步骤4；
步骤4 悬浮控制器根据实时改变的悬浮控制参数进行悬浮控制，并跳转到步骤2。
每个上述的空气弹簧底部都设有所述的压力测量装置。
本发明中低速磁浮列车悬浮控制方法和现有技术相比，其优点在于，本发明通过在空气弹簧底部安装压力测量装置测量该悬浮点压力值，即负载值
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE019
，根据压力值大小，及时判断磁浮列车负载变化情况，悬浮控制器根据负载变化情况自动调整悬浮控制参数，可以有效解决中低速常导电磁悬浮磁浮列车负载大范围波动时和列车通过缓和曲线以及圆曲线时出现的悬浮不稳定问题，实现磁浮列车在负载大范围波动和列车通过缓和曲线以及圆曲线时悬浮性能保持不变，提高悬浮控制器的控制性能。
附图说明
图1为现有技术磁浮列车的结构示意图；
图2为现有技术磁浮列车的悬浮结构的示意图；
图3为本发明中低速磁浮列车悬浮控制方法的方法流程图； 
图4为本发明中低速磁浮列车悬浮控制方法的压力测量装置的安装示意图；
图5为采用普通PID控制和采用本发明中低速磁浮列车悬浮控制方法的磁浮列车悬浮性能实验曲线比较图。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
本发明说明了一种中低速磁浮列车悬浮控制方法，为了解决现有技术中PID控制方法只能在某一系统参数条件下确保悬浮控制性能最优，而在系统参数变化时悬浮性能会变差的问题，提出了一种可随着磁悬浮系统参数变化而调整主要悬浮控制参数的方法。在列车实际运行过程中，系统参数最大的变化就是负载的变化，本发明根据磁浮列车悬浮控制点负载的变化来改变悬浮控制参数，提高了悬浮控制器对负载变化的适应性，具有较强的实用性。
如图3所示，以下说明本发明中低速磁浮列车悬浮控制方法的一种实施例，该实施例中说明了磁浮列车在列车空载、满载和超载20％三种不同负载情况下的控制方法。该方法包含以下步骤：
步骤1 悬浮控制器在磁浮列车处于不同负载情况下获取定参数PID悬浮控制参数。磁浮列车上的悬浮控制器设置在吊装在车体底部。
步骤1.1 对磁浮列车的负载情况进行分级，并记录各级负载情况下的平均负载值。
本实施例中将磁浮列车的负载情况分为空载、满载和超载20％三种不同负载的情况。其中列车空载的情况下，单个悬浮点的平均负载值设为
Figure 134410DEST_PATH_IMAGE001
；满载的情况下，单个悬浮点的平均负载值设为；超载20％的情况下，单个悬浮点的平均负载值设为。
步骤1.2 悬浮控制器根据磁浮列车在各级不同负载情况下的单点悬浮系统方程和控制指标要求，采用极点配置的方式计算出在不同负载情况下的悬浮控制参数（
Figure 62287DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 465586DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 662212DEST_PATH_IMAGE007
）。
上述三种不同负载情况下的各组参数都包括悬浮间隙控制参数
Figure 416542DEST_PATH_IMAGE005
、悬浮间隙积分控制参数
Figure 91237DEST_PATH_IMAGE006
、悬浮间隙微分控制参数
Figure 614622DEST_PATH_IMAGE007
。
步骤1.3 采用通过多次悬浮实验的方法来校正控制参数，逐渐逼近最优控制性能，最终获得三组不同的最优控制参数组，其包含空载情况下的最优控制参数组（、
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE021
、）、满载情况下的最优控制参数组（
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE025
）、超载20％情况下的最优控制参数组（
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE028
）。
上述的悬浮实验方法包含以下步骤：
步骤1.3.1 根据步骤1.2计算得到的
Figure 732882DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 646611DEST_PATH_IMAGE007
值，设定悬浮控制器的输出电流给定值为，式中， s为悬浮间隙，
Figure 768468DEST_PATH_IMAGE009
为设定的悬浮间隙，
Figure 103634DEST_PATH_IMAGE010
为在设定的悬浮间隙下根据重力和电磁力平衡原理计算得出的电流值。
步骤1.3.2 测量悬浮间隙
Figure 770239DEST_PATH_IMAGE011
值，并观察悬浮系统状态，如悬浮间隙波动、车轨振动等情况。
步骤1.3.3 增大或减小
Figure 849054DEST_PATH_IMAGE005
和值，判断悬浮是否间隙波动较小，车辆与轨道无共振，动态性能包括调节时间、超调量符合要求，若是，则跳转到步骤1.3.4，若否，则跳转到步骤1.3.1。
步骤1.3.4 令
Figure 292247DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 446148DEST_PATH_IMAGE006
需要经过多次尝试设定，判断条件是悬浮间隙能够稳定在
Figure 328653DEST_PATH_IMAGE009
附近，并且悬浮间隙波动较小，车辆与轨道无共振，此时的
Figure 618820DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 561368DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 936986DEST_PATH_IMAGE007
值认为最优。
步骤2 悬浮控制器获取压力测量装置6实时监测的负载压力值信号。
现有技术中，磁浮列车上悬浮传感器7安装在电磁铁5上，与悬浮控制器电路连接，用于测量轨道4和电磁铁5之间的间隙信号、电磁铁的垂向运动加速度信号。间隙传感器和加速度计安装在也电磁铁上表面。
如图4所示，本发明中在磁浮列车的每个空气弹簧1底部安装一个压力测量装置6，该压力测量装置6电路连接该位置的悬浮传感器7。
步骤2.1 压力测量装置6实时监测的压力信号，并将压力信号输出至悬浮传感器7。
步骤2.2 悬浮传感器7对该压力信号进行滤波和放大，并转换为数字信号，将转换为数字信号的压力信号与间隙信号一起传输至悬浮控制器。
步骤2.3 悬浮控制器判断压力信号是否完成模数转换，若是，则跳转到步骤3，若否，则跳转到步骤2.2。
步骤3 悬浮控制器根据压力测量装置6监测到的磁浮列车悬浮点的负载变化，改变悬浮控制参数。
步骤3.1 悬浮控制器读取悬浮传感器7输入的监测采样信号。
步骤3.2 悬浮控制器取出采样信号中压力信号值，该压力信号值即为该悬浮点负载值。
步骤3.3 悬浮控制器根据列车的负载分级情况，判断对各级负载情况下中的一级负载情况的最优控制参数组执行PID悬浮控制算法。
悬浮控制器判断悬浮点负载值
Figure 266391DEST_PATH_IMAGE013
与上述空载的情况下单悬浮点平均负载值
Figure DEST_PATH_IMAGE029
、满载的情况下单悬浮点平均负载值和超载20％的情况下单悬浮点平均负载值
Figure 977175DEST_PATH_IMAGE003
的关系，是否满足，若是，则跳转到步骤3.6，若否，则跳转到步骤3.4。
步骤3.4 悬浮控制器判断悬浮点负载值
Figure 139166DEST_PATH_IMAGE013
与上述空载的情况下单悬浮点平均负载值、满载的情况下单悬浮点平均负载值
Figure 688276DEST_PATH_IMAGE002
和超载20％的情况下单悬浮点平均负载值
Figure 551669DEST_PATH_IMAGE003
的关系，是否满足
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，若是，则跳转到步骤3.7，若否，即，则跳转到步骤3.5。
步骤3.5 悬浮控制器取出空载情况下的最优控制参数组（
Figure 433355DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 826290DEST_PATH_IMAGE021
、），执行PID悬浮控制算法，设定悬浮控制器的输出电流给定值为，并跳转到步骤4。
步骤3.6 悬浮控制器取出满载情况下的最优控制参数组（、
Figure 702214DEST_PATH_IMAGE024
、），执行PID悬浮控制算法，设定悬浮控制器的输出电流给定值为
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，并跳转到步骤4。
步骤3.7 悬浮控制器取出超载20％情况下的最优控制参数组（
Figure 653169DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 695075DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 851250DEST_PATH_IMAGE028
），执行PID悬浮控制算法，设定悬浮控制器的输出电流给定值为
Figure 2011101791764100002DEST_PATH_IMAGE034
，并跳转到步骤4。
步骤4 悬浮控制器根据实时改变的悬浮控制参数对磁浮列车进行悬浮控制，并跳转到步骤2，实时监测磁浮列车悬浮点的负载变化。
应当指出的是，本实施例只是把负载状况分为了三种，即空载、满载及超载20％，然后分级对控制参数进行阶段调整。
在实际应用中，还可以把负载状况继续细分，例如分为5种或10种进行实验。负载状况分的越细，分级控制的效果越好。
如图5所示，是采用普通PID控制和采用本发明的磁浮列车悬浮性能实验曲线比较图。在磁浮列车稳定悬浮的状态下，磁浮列车单点负载突然增加20％时，悬浮间隙响应曲线。图中曲线1为采用普通PID控制的悬浮间隙响应曲线，曲线2为采用本发明控制方法的悬浮间隙响应曲线。从图中可以看出，在负载增加相同的情况下，采用本发明的控制系统的间隙变化比采用普通PID控制的间隙变化更小，悬浮更平稳。采用本发明设计的悬浮控制器能够有效的抑制负载变化对悬浮间隙的影响，使系统保持稳定的悬浮性能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种中低速磁浮列车悬浮控制方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
步骤1 悬浮控制器在磁浮列车处于不同负载情况下获取定参数PID悬浮控制参数；
步骤2 悬浮控制器获取压力测量装置（6）实时监测的负载压力值信号；
步骤3 悬浮控制器根据压力测量装置（6）监测的悬浮点的负载变化改变悬浮控制参数；
步骤4 悬浮控制器根据实时改变的悬浮控制参数进行悬浮控制，并跳转到步骤2。
2.如权利要求1所述的中低速磁浮列车悬浮控制方法，其特征在于，所述的步骤1还包含以下步骤：
步骤1.1 对磁浮列车的负载情况进行分级，记录各级负载情况下的平均负载值，分为                                                
Figure 976921DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 859426DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 149593DEST_PATH_IMAGE003
……，共n种负载情况；
步骤1.2 计算出磁浮列车在各级负载情况下的悬浮控制参数（
Figure 467759DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 888376DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 797164DEST_PATH_IMAGE007
）；
其中，
Figure 848297DEST_PATH_IMAGE008
为悬浮间隙控制参数，
Figure 773527DEST_PATH_IMAGE006
为悬浮间隙积分控制参数，
Figure 873201DEST_PATH_IMAGE007
为悬浮间隙微分控制参数；
步骤1.3 通过进行若干次悬浮实验，校正悬浮控制参数，逐渐逼近最优控制性能，最终获得若干组不同的最优控制参数组，该若干组最优控制参数组与所述的n种负载情况相对应。
3.如权利要求1所述的中低速磁浮列车悬浮控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，每个所述的空气弹簧（1）底部都设有所述的压力测量装置（6）。
4.如权利要求1所述的中低速磁浮列车悬浮控制方法，其特征在于，所述的步骤2还包含以下步骤：
步骤2.1 压力测量装置（6）实时监测的压力信号输出至悬浮传感器（7）；
步骤2.2 悬浮传感器（7）对压力信号进行模数转换并传输至悬浮控制器；
步骤2.3 悬浮控制器判断压力信号是否完成模数转换，若是，则跳转到步骤3，若否，则跳转到步骤2.2。
5.如权利要求1所述的中低速磁浮列车悬浮控制方法，其特征在于，所述的步骤3还包含以下步骤：
步骤3.1 悬浮控制器读取监测采样信号；
步骤3.2 悬浮控制器取出采样信号中的悬浮点负载值
Figure 934698DEST_PATH_IMAGE009
；
步骤3.3 悬浮控制器判断是否满足，若是，则跳转到步骤3.6，若否，则跳转到步骤3.4；
步骤3.4 悬浮控制器判断是否满足
Figure 70724DEST_PATH_IMAGE011
，若是，则跳转到步骤3.7，若否，即
Figure 36406DEST_PATH_IMAGE012
，则跳转到步骤3.5；
步骤3.5 悬浮控制器执行
Figure 217988DEST_PATH_IMAGE001
负载情况下的PID参数，并跳转到步骤4；
步骤3.6 悬浮控制器执行
Figure 345344DEST_PATH_IMAGE013
负载情况下的PID参数，
Figure 245167DEST_PATH_IMAGE014
，并跳转到步骤4；
步骤3.7 悬浮控制器执行
Figure 748961DEST_PATH_IMAGE004
负载情况下的PID参数，并跳转到步骤4。
6.如权利要求2所述的中低速磁浮列车悬浮控制方法，其特征在于，所述的步骤1.3中的悬浮实验还包含以下步骤：
步骤1.3.1 根据步骤1.2计算得到的
Figure 50629DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 847422DEST_PATH_IMAGE007
值，设定悬浮控制器的输出电流给定值为，式中， s为悬浮间隙，
Figure 542025DEST_PATH_IMAGE016
为设定的悬浮间隙，为在设定的悬浮间隙下根据重力和电磁力平衡原理计算得出的电流值；
步骤1.3.2 测量悬浮间隙
Figure 167359DEST_PATH_IMAGE018
值，并观察悬浮系统状态，如悬浮间隙波动、车轨振动等情况；
步骤1.3.3 增大或减小和
Figure 264201DEST_PATH_IMAGE007
值，判断悬浮是否间隙波动较小，车辆与轨道无共振，动态性能包括调节时间、超调量符合要求，若是，则跳转到步骤1.3.4，若否，则跳转到步骤1.3.1；
步骤1.3.4 令
Figure 274882DEST_PATH_IMAGE019
，需要经过多次尝试设定，判断条件是悬浮间隙能够稳定在
Figure 276654DEST_PATH_IMAGE016
附近，并且悬浮间隙波动较小，车辆与轨道无共振，此时的
Figure 925941DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 791129DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 366204DEST_PATH_IMAGE007
值认为最优。
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