CN102529744B - 电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其步骤为：(1)设置悬浮点：将转向架两侧的磁铁模块分别定义为磁铁模块A和磁铁模块B，磁铁模块A分为两个悬浮点进行控制，即第一悬浮点和第二悬浮点；磁铁模块B分为两个悬浮点进行控制，即第三悬浮点和第四悬浮点；(2)对磁铁模块A进行控制：磁铁模块A中第一悬浮点和第二悬浮点均采用等间隙控制，使得二者的稳态间隙保持为设定值不变；(3)对磁铁模块B进行控制：磁铁模块B中第三悬浮点和第四悬浮点综合二者的状态进行协同控制，使得间隙平均值保持为设定值不变，并将间隙的差值与悬浮力的差值控制在一定范围内。本发明能够降低对转向架解耦功能的要求，并可提高磁浮列车悬浮系统的安全性和舒适性。

Description

电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法

技术领域

本发明主要涉及到电磁型磁浮列车的悬浮控制领域，特指一种适用于电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的控制方法。

背景技术

转向架是磁浮列车跟踪轨道的基本结构单元，对于电磁型磁浮列车，每个转向架底部沿轨道两侧各安装有一个悬浮磁铁模块，每个模块两端各设置一个悬浮点，整个转向架由四点控制实现悬浮。由于这四个悬浮点通过机械结构相连接，相互之间存在耦合作用，为了避免这种耦合作用对转向架本身及其悬浮性能带来不利影响，需用对转向架进行解耦控制。

现有技术中，通常采用四点等间隙控制方法进行解耦，即四个悬浮点独立进行控制，它们的间隙保持为相同的设定值不变，通过调节各悬浮点的电流，使得四个悬浮点产生的合力等于磁浮列车所需的悬浮力。由于两侧轨道并不是总在一个平面内，比如缓和曲线段，为了达到四点间隙相等的控制效果，转向架必须具有一定的解耦能力，使得每个悬浮点相对其它三个悬浮点都具有一定的运动自由度。

然而，在采用四点等间隙控制方法时，转向架的结构与功能较为复杂。这是因为，每个悬浮点仅根据间隙进行调节，当两侧轨道不共面时，为了达到定间隙控制的效果，转向架必须与轨道具有相同的不共面程度，它要么通过部件的运动来实现，要么通过部件的形变来实现，但这些都将导致转向架的结构与功能较为复杂。例如，靠纵梁的扭转进行解耦，转向架结构复杂，设计和制造难度大；纵梁的频繁扭转还缩短其使用寿命，导致选材难度大、造价高，还存在断裂的风险，维护费用高等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够降低对转向架解耦功能的要求、可提高磁浮列车悬浮系统的安全性和舒适性的电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在于步骤为：

(1)、设置悬浮点：将转向架两侧的磁铁模块分别定义为磁铁模块A和磁铁模块B，磁铁模块A分为两个悬浮点进行控制，即第一悬浮点和第二悬浮点；磁铁模块B分为两个悬浮点进行控制，即第三悬浮点和第四悬浮点；

(2)、对磁铁模块A进行控制：磁铁模块A中第一悬浮点和第二悬浮点均采用等间隙控制，使得二者的稳态间隙保持为设定值不变；

(3)、对磁铁模块B进行控制：磁铁模块B中第三悬浮点和第四悬浮点综合二者的状态进行协同控制，使得间隙平均值保持为设定值不变，并将间隙的差值与悬浮力的差值控制在一定范围内。

作为本发明的进一步改进：

所述步骤(2)的具体流程为：

(2.1)第一悬浮控制器通过传感器获得第一悬浮点的间隙δ₁、电流i₁与加速度a₁；

(2.2)第一悬浮控制器根据稳定控制算法计算出控制量u₁₁，使得第一悬浮点保持稳定；

(2.3)第一悬浮控制器在稳定控制的基础上增加间隙积分反馈，使得稳态间隙保持为设定值δ₀不变；

(2.4)第二悬浮点采用与上述步骤(2.1)～(2.3)相同的控制流程。

所述步骤(2.2)中的稳定控制算法为下式(1)：

u₁₁＝k_p(δ₁-δ₀)+k_d∫a₁dt+k_ci₁                                     (1)

其中，k_p为比例系数，k_d为微分系数，k_c为电流环的比例系数，δ₀为间隙设定值。

所述步骤(2.3)通过下式(2)得到施加到第一悬浮点的磁铁两端的控制电压u₁：

u₁＝k_p(δ₁-δ₀)+k_d∫a₁dt+k_ci₁+k_i∫(δ₁-δ₀)dt                      (2)

其中，k_i表示间隙积分反馈系数。

所述步骤(3)的具体控制流程为：第三悬浮点和第四悬浮点采用二者的间隙平均值进行稳定控制，使得磁铁模块B的中点Q处的间隙保持为设定值不变；所述第三悬浮点的控制量u₃₁和第四悬浮点的控制量u₄₁分别为：

u₃₁＝G(δ₃₄，i₃，a₃)＝k_p(δ₃₄-δ₀)+k_d∫a₃dt+k_ci₃+k_i∫(δ₃₄-δ₀)dt  (3)

u₄₁＝G(δ₃₄，i₄，a₄)＝k_p(δ₃₄-δ₀)+k_d∫a₄dt+k_ci₄+k_i∫(δ₃₄-δ₀)dt  (4)

其中，

δ₃、i₃和a₃分别表示第三悬浮点的间隙、电流和加速度；δ₄、i₄和a₄分别表示第四悬浮点的间隙、电流和加速度；δ₃₄表示二者间隙的平均值。

所述第三悬浮点和第四悬浮点还根据悬浮力的差值和悬浮间隙的差值进行控制，即：

u₃＝G(δ₃₄，i₃，a₃)+ρ_δ∫(δ₃-δ₄)dt+ρ_f∫(F₄-F₃)dt               (5)

u₄＝G(δ₃₄，i₄，a₄)+ρ_δ∫(δ₄-δ₃)dt+ρ_f∫(F₃-F₄)dt               (6)

其中，ρ_δ为间隙差值反馈系数，ρ_f为悬浮力差值的反馈系数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明中，第一悬浮点、第二悬浮点和悬浮磁铁模块B的中点Q的间隙值相等，这三点确定了转向架的参考平面，它能够适应不同的轨道，具有良好的轨道跟踪能力。

(2)本发明中，第三悬浮点和第四悬浮点的状态可根据协同控制的权系数进行调节。如果仅通过二者的间隙差值进行协同控制，悬浮力差值的权系数取为零，那么第三悬浮点和第四悬浮点的间隙相等，也等于第一悬浮点和第二悬浮点的间隙，相当于采用四点等间隙控制方法；如果仅通过二者的悬浮力差值进行协同控制，间隙差值的权系数取为零，那么第三悬浮点和第四悬浮点的间隙差值最大，但是二者提供相同大小的悬浮力，转向架位于其参考平面内。由于采用间隙差值和悬浮力差值共同完成协同控制，那么第三悬浮点和第四悬浮点的间隙差值介于上述两种情况之间。

(3)本发明中，在轨道的平直段上，左右两侧的轨道共面。当转向架稳定悬浮、且负载均匀分布时，四个悬浮点的间隙相等，所产生的悬浮力也相等；悬浮磁铁模块A和悬浮磁铁模块B位于同一个平面内。

(4)本发明中，在轨道的缓和曲线段上，左右两侧的轨道不共面。悬浮磁铁模块B存在两种边界状态：一种是位于转向架的参考平面内，它两端的间隙相等、悬浮力不相等；另一种是在转向架的参考平面外，它两端的悬浮力相等、间隙不相等。悬浮磁铁模块B的实际状态位于上述两种状态之间，不过与采用四点等间隙控制方法的情况相比，悬浮磁铁模块B相对转向架参考平面的俯仰角要弱一些。

(5)本发明与四点等间隙控制方法相比，该方法减少了转向架内部结构件之间的弹性形变量，对转向架的解耦能力要求、结构检修与维护的难度也随之降低，可延长部件的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的转向架悬浮点分布结构示意图。

图2是本发明的基于间隙和悬浮力的磁浮架四点解耦控制的结构框架示意图。

图3是本发明中第一悬浮点的控制流程示意图。

图4是本发明中第三悬浮点的控制流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其步骤为：

1、设置悬浮点：如图1所示，转向架2通常放置在轨道1上，其上安装了两个磁铁模块，分别是磁铁模块A 3和磁铁模块B 4，它们分别位于转向架2的两侧。本发明中，磁铁模块A3分为两个悬浮点进行控制，即第一悬浮点D1和第二悬浮点D2；磁铁模块B 4分为两个悬浮点进行控制，即第三悬浮点D3和第四悬浮点D4。通过改变这四个悬浮点的电流，就能实现转向架2的悬浮控制。转向架2上的四个悬浮点之间存在一定的耦合作用，解耦控制的目的，就是在保证转向架2顺利跟踪轨道1的前提下，将悬浮点之间的耦合作用力控制在允许的范围内，以免给悬浮点带来较大的冲击力，或者超过转向架2自身的承受能力而导致其损坏。

2、对磁铁模块A 3进行控制：磁铁模块A 3中第一悬浮点D1和第二悬浮点D2均采用等间隙控制，使得二者的稳态间隙保持为设定值不变。第一悬浮点D1和第二悬浮点D2的控制方法完全一样，只需根据自己的状态进行控制。

参见图2，以第一悬浮点D1为例，在每个控制周期内，第一悬浮控制器通过传感器测量第一悬浮磁铁的状态，包括其间隙δ₁、电流i₁和加速度a₁；再根据设定间隙δ₀及定间隙控制算法，得到控制量u₁，以之作为第一悬浮磁铁两端的控制电压。

下面结合图3，以第一悬浮点D1为例对其控制流程进行详细说明。

(2.1)第一悬浮控制器通过传感器获得第一悬浮点D1的间隙δ₁、电流i₁与加速度a₁。比如，间隙δ₁可通过位移传感器测量得到、电流i₁可通过电流传感器测量得到、加速度a₁可通过加速度计测量得到，它们都是时间t的函数。

(2.2)第一悬浮控制器根据稳定控制算法计算出控制量u₁₁，使得第一悬浮点D1保持稳定。比如，通常可采用快速电流环技术与PD反馈控制，此时

u₁₁＝k_p(δ₁-δ₀)+k_d∫a₁dt+k_ci₁                   (7)

其中，k_p为比例系数，k_d为微分系数，k_c为电流环的比例系数，δ₀为间隙设定值。需要说明的是，对于电磁型磁浮列车，只要系数k_p、k_d和k_c选取合适的值，就能保证悬浮系统是稳定的。文中仅以式(7)的控制方法为例进行说明，稳定控制算法的具体形式很多。

(2.3)第一悬浮控制器还在稳定控制的基础上增加间隙积分反馈，使得稳态间隙保持为设定值δ₀不变。于是，施加到第一悬浮点D1的磁铁两端的控制电压为

u₁＝k_p(δ₁-δ₀)+k_d∫a₁dt+k_ci₁+k_i∫(δ₁-δ₀)dt    (8)

其中，k_i表示间隙积分反馈系数。根据控制理论的相关知识，增加间隙积分反馈后，可以保证稳定间隙等于设定值δ₀，只要k_i的值足够小，就不会破坏原有系统的稳定性。式(8)即为第一悬浮点D1采用的一种解耦控制算法的实施方式，为描述简洁，将其简记为u₁＝G(δ₁，i₁，a₁)。

同理，第二悬浮点D2也可以通过上述控制方式实现等间隙控制，其控制量为

u₂＝k_p(δ₂-δ₀)+k_d∫a₁dt+k_ci₁+k_i∫(δ₂-δ₀)dt    (9)

其中，δ₂、i₂和a₂分别表示第二悬浮点D2的间隙、电流和加速度。式(9)可简记为u₂＝G(δ₂，i₂，a₂)。

3、对磁铁模块B 4进行控制：磁铁模块B 4中第三悬浮点D3和第四悬浮点D4综合二者的状态进行协同控制，而不只是依赖于自己的状态，使得间隙平均值保持为设定值不变，并将间隙的差值与悬浮力的差值控制在一定的、较小的范围内。

以第三悬浮点D3为例，在每个控制周期内，先通过传感器测量第三悬浮磁铁的状态，包括其间隙δ₃、电流i₃和加速度a₃；其次，第一悬浮力观测器根据上述状态，估算出该点的悬浮力F₃，并将悬浮力F₃和间隙δ₃发送至第四悬浮点D4，同时读取第四悬浮点D4的间隙δ₄和悬浮力F₄；然后，第三悬浮控制器根据设定间隙δ₀及定间隙控制算法，得到控制量u₃₁；最后，综合考虑第三悬浮点D3和第四悬浮点D4的间隙与悬浮力，得到协同控制量u₃₂，并求取u₃₁与u₃₂的和，以之作为第三悬浮磁铁两端的控制电压。

第三悬浮点D3和第四悬浮点D4根据二者的悬浮间隙和悬浮力进行协同控制，下面结合图2和图4，对其控制流程进行详细说明。

(3.1)第三悬浮点D3和第四悬浮点D4获得控制所需间隙、电流、加速度与悬浮力。如图2所示，对于第三悬浮点D3，它除了获得自己的间隙δ₃、电流i₃、加速度a₃和悬浮力F₃外，还要获得第四悬浮点D4的间隙δ₄和悬浮力F₄；对于第四悬浮点D4，它除了获得自己的间隙δ₄、电流i₄、加速度a₄和悬浮力F₄外，还要获得第三悬浮点D3的间隙δ₃和悬浮力F₃。在上述需要测量的信号中，间隙、电流和加速度都能通过传感器直接测量得到，而悬浮力无法通过传感器直接测量得到，它可以由悬浮力观测器得到。

悬浮力观测器的工作原理是：根据间隙和电流的测量结果，采用一定的算法计算悬浮力。对于结构给定的悬浮磁铁，其悬浮力可表示为

$F=K{\left(\frac{i+a}{\mathrm{\δ}+b}\right)}^2---\left(10\right)$

其中，δ表示间隙，i表示电流，K、a和b是与悬浮磁铁结构有关的参数。在获得间隙和电流的测量结果后，根据式(10)就能计算出悬浮力。但是，考虑到间隙和电流的测量结果中不可避免地存在噪声，为降低噪声的不利影响，通常需要对测量结果先进行滤波，再根据式(10)计算悬浮力。

(3.2)第三悬浮点D3和第四悬浮点D4采用二者的间隙平均值进行稳定控制，使得磁铁模块B 4的中点Q处的间隙保持为设定值不变。参照式(8)，第三悬浮点D3的控制量u₃₁和第四悬浮点D4的控制量u₄₁分别为

u₃₁＝G(δ₃₄，i₃，a₃)＝k_p(δ₃₄-δ₀)+k_d∫a₃dt+k_ci₃+k_i∫(δ₃₄-δ₀)dt    (11)

u₄₁＝G(δ₃₄，i₄，a₄)＝k_p(δ₃₄-δ₀)+k_d∫a₄dt+k_ci₄+k_i∫(δ₃₄-δ₀)dt    (12)

其中，

δ₃、i₄和a₃分别表示第三悬浮点D3的间隙、电流和加速度；δ₄、i₄和a₄分别表示第四悬浮点D4的间隙、电流和加速度；δ₃₄表示二者间隙的平均值。按照式(11)和式(12)进行控制后，如果间隙的平均值不等于设定值，那么控制量u₃₁和u₄₁具有同时增大或减小的趋势，使得磁铁模块B 4沿竖直方向上升或者下降，以保证其中点Q处的间隙等于设定值。

(3.3)第三悬浮点D3和第四悬浮点D4还根据悬浮力的差值和悬浮间隙的差值进行控制。具体的办法是，在稳定控制(11)和(12)的基础上，引入悬浮力差值与悬浮间隙差值的反馈控制。于是，总的控制量为

u₃＝G(δ₃₄，i₃，a₃)+ρ_δ∫(δ₃-δ₄)dt+ρ_f∫(F₄-F₃)dt                (13)

u₄＝G(δ₃₄，i₄，a₄)+ρ_δ∫(δ₄-δ₃)dt+ρ_f∫(F₃-F₄)dt                (14)

其中，ρ_δ为间隙差值反馈系数，ρ_f为悬浮力差值的反馈系数。当第三悬浮点D3和第四悬浮点D4的间隙不相等，或者悬浮力不相等时，控制量u₃和u₄会同时发生变化，并且变化趋势恰好相反，使得磁铁模块B 4一端的间隙增大，另一端的间隙减小，即磁铁模块B 4沿其中点Q发生了俯仰运动。

进一步，当ρ_f＝0时，控制目标为δ₃₄＝δ₀且δ₃＝δ₄，此时第三悬浮点D3和第四悬浮点D4达到了等间隙控制的效果，悬浮力的差值最大，这也表明等间隙控制是提出的协同控制的一种特例；当ρ_δ＝0时，控制目标为δ₃₄＝δ₀且F₃＝F₄，此时第三悬浮点D3和第四悬浮点D4的间隙差值最大；当ρ_f≠0且ρ_δ≠0时，控制目标为δ₃₄＝δ₀，并且悬浮间隙的差值与悬浮力的差值都不会太大，通过改变反馈系数ρ_f和ρ_δ的比重，就能够控制稳定时悬浮间隙的差值与悬浮力的差值。

尽管第一悬浮点D1、第二悬浮点D2与第三悬浮点D3、第四悬浮点D4的控制方式存在差异，但是这四个悬浮点都可以选用相同结构的控制器，即第三悬浮点D3和第四悬浮点D4采用的控制器；对于第一悬浮点D1和第二悬浮点D2，只需设定ρ_f＝0即可。

下表1是在平直轨道1上，转向架2采用本发明的解耦控制算法与常规四点定间隙控制算法的稳定状态对比结果。计算时，选取额定间隙为10mm，转向架2解耦1mm引起的力变化为1000N，每个悬浮点的额定重量为1t，由表1可以看出，当两侧的轨道1共面时，转向架2一旦跟踪上轨道1，四个悬浮点就在一个平面内，无论采用四点定间隙控制算法还是本发明的解耦控制算法，每个悬浮点的间隙相等，悬浮力也相等。

表1

下表2是在轨道1缓和曲线段，转向架2采用本发明的解耦控制算法与常规四点定间隙控制算法的稳定状态对比结果。计算时将第一悬浮点D1～3所处的轨道1看作一个平面，假设第四悬浮点D4所处的轨道1高于该平面5mm，其它条件不变。由表2可以看出，当两侧的轨道1不共面时，如果采用四点定间隙控制算法，则转向架2解耦5mm，第一悬浮点D1和4的悬浮力要增大2500N，第二悬浮点D2和3的悬浮力要减小2500N；如果采用本发明的解耦控制算法，并设定ρ_f＝3×10^-6、ρ_δ＝2，那么第四悬浮点D4的间隙比第三悬浮点D3的间隙大3mm，转向架2只需解耦2mm，第一悬浮点D1和4的悬浮力只增大1000N，第二悬浮点D2和3的悬浮力只减小1000N。

表2

可见，采用本发明的解耦控制方法之后，由于第三悬浮点D3和第四悬浮点D4的稳态间隙与悬浮力都不相等，与四点定间隙控制方法相比，第三悬浮点D3和第四悬浮点D4的悬浮力的差值明显减小，转向架2四点不共面的程度也明显减小，达到了需要的效果。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，首先步骤为设置悬浮点：将转向架两侧的磁铁模块分别定义为磁铁模块A和磁铁模块B，磁铁模块A分为两个悬浮点进行控制，即第一悬浮点和第二悬浮点；磁铁模块B分为两个悬浮点进行控制，即第三悬浮点和第四悬浮点，其特征在于设置悬浮点后步骤为：

（1）、对磁铁模块A进行控制：磁铁模块A中第一悬浮点和第二悬浮点均采用等间隙控制，使得二者的稳态间隙保持为设定值不变；

（2）、对磁铁模块B进行控制：磁铁模块B中第三悬浮点和第四悬浮点综合二者的状态进行协同控制，使得间隙平均值保持为设定值不变，并将间隙的差值与悬浮力的差值控制在一定范围内。

2.根据权利要求1所述的电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在于，所述步骤（1）的具体流程为：

（1.1）第一悬浮控制器通过传感器获得第一悬浮点的间隙δ₁、电流i₁与加速度a₁；

（1.2）第一悬浮控制器根据稳定控制算法计算出控制量u₁₁，使得第一悬浮点保持稳定；

（1.3）第一悬浮控制器在稳定控制的基础上增加间隙积分反馈，使得稳态间隙保持为设定值δ₀不变；

（1.4）第二悬浮点采用与上述步骤（1.1）～（1.3）相同的控制流程。

3.根据权利要求2所述的电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在于，所述步骤（1.2）中的稳定控制算法为下式（1）：

u₁₁=k_p(δ₁-δ₀)+k_d∫a₁dt+k_ci₁   （1）

其中，k_p为比例系数，k_d为微分系数，k_c为电流环的比例系数，δ₀为间隙设定值。

4.根据权利要求2所述的电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在于，所述步骤（1.3）通过下式（2）得到施加到第一悬浮点的磁铁两端的控制电压u₁：

u₁=k_p(δ₁-δ₀)+k_d∫a₁dt+k_ci₁+k_i∫(δ₁-δ₀)dt   （2）

其中，k_p为比例系数，k_d为微分系数，k_c为电流环的比例系数，δ₀为间隙设定值，k_i表示间隙积分反馈系数。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在于，所述步骤（2）的具体控制流程为：第三悬浮点和第四悬浮点采用二者的间隙平均值进行稳定控制，使得磁铁模块B的中点Q处的间隙保持为设定值不变；所述第三悬浮点的控制量u₃₁和第四悬浮点的控制量u₄₁分别为：

u₃₁=G(δ₃₄,i₃,a₃)=k_p(δ₃₄-δ₀)+k_d∫a₃dt+k_ci₃+k_i∫(δ₃₄-δ₀)dt   （3）

u₄₁=G(δ₃₄,i₄,a₄)=k_p(δ₃₄-δ₀)+k_d∫a₄dt+k_ci₄+k_i∫(δ₃₄-δ₀)dt   （4）

其中，

δ₃、i₃和a₃分别表示第三悬浮点的间隙、电流和加速度；δ₄、i₄和a₄分别表示第四悬浮点的间隙、电流和加速度；δ₃₄表示二者间隙的平均值；k_p为比例系数，k_d为微分系数，k_c为电流环的比例系数，δ₀为间隙设定值。

6.根据权利要求5所述的电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在于，所述第三悬浮点和第四悬浮点还根据悬浮力的差值和悬浮间隙的差值进行控制，即：

u₃=G(δ₃₄,i₃,a₃)+ρ_δ∫(δ₃-δ₄)dt+ρ_f∫(F₄-F₃)dt   （5）

u₄=G(δ₃₄,i₄,a₄)+ρ_δ∫(δ₄-δ₃)dt+ρ_f∫(F₃-F₄)dt   （6）

其中，ρ_δ为间隙差值反馈系数，ρ_f为悬浮力差值的反馈系数。

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