CN104088203B - 移动荷载下轨道磁流变隔振系统的仿人控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动荷载下轨道磁流变隔振系统的仿人控制方法及装置。其中方法包括：检测移动荷载作用下隔振系统的振动状态；当检测到所述振动状态为预定振动状态时，对基于多传感信息融合的感知图式、协调系统控制的关联图式和对不同浮置板不同振动状态产生不同控制信号的运动图式进行求解，得到所述隔振系统中各磁流变脂阻尼器的最优阻尼值和各磁流变弹性体的最优刚度值；根据隔振器的输入输出特性，计算所述最优刚度值和阻尼值对应的驱动电流值，并据计算出的电流值调节所述磁流变脂阻尼器和磁流变弹性体的驱动电流。本发明实施例，可以提高移动载荷激励下轨道系统的整体隔振效果。

Description

移动荷载下轨道磁流变隔振系统的仿人控制方法及装置

技术领域

本发明涉及地铁轨道隔振技术领域，尤其涉及一种移动荷载下轨道磁流变隔振系统的仿人控制方法及装置。

背景技术

在地铁轨道振动隔离中，浮置板轨道是较好的方式。传统的浮置板一般采用橡胶、钢弹簧等实现，其为被动隔振，被动隔振的不足在于：不能根据激振情况实时可调可控，特别是对小于20Hz的低频振动隔离能力不足，但是这些低频振动却对人体、精密仪器有着重大的影响，需要尽可能的隔离。

而磁流变智能器件具有阻尼可调可控的特性，能够有效地隔离低频振动，因此在地铁轨道隔振中被广泛采用。但是，磁流变隔振器在带来优良性能的同时，也存在非线性及不确定性而造成的控制上的困难。传统的控制方式是采用诸如PID(ProportionIntegrationDifferentiation，比例积分微分)、粒子群算法等方式进行控制，但是这些控制方式的控制条件单一而难以兼顾系统整体的控制问题。而实际情况是在移动载荷作用下，车轨振动耦合使得轨道产生多向(垂向、横摇、纵摇)振动状态，传统的控制方法难以在满足位移的条件下使得整体能量传递最小，并且难以同时满足各个单个隔振器的位移约束，多个浮置板的横摇约束耦合等条件，因此传统的控制方式使得减振效果不明显。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种移动荷载下轨道磁流变隔振系统的仿人控制方法及装置，可以显著提高减振效果。

本发明提供了一种移动荷载下轨道磁流变隔振系统的仿人控制方法，所述隔振系统包括：浮置板、隔振器和基座，所述隔振器设置在所述基座上用于支撑所述浮置板，所述隔振器主要由阻尼可调的磁流变脂阻尼器和刚度可调的磁流变弹性体并联构成，所述方法包括：

步骤a、采集所述隔振器传递至地基的振动力和所述浮置板四个角的垂向振动位移；

步骤b、根据步骤a采集到的信息，判断列车的位置，并根据列车距离浮置板的远近和振动的幅度确定所述浮置板的振动状态；

步骤c、当步骤b判断到所述浮置板为预定的振动状态时，根据所述步骤a采集到的信息，划分到预定义的基于动觉智能图式的仿人智能控制中，该图式包含关联图式、多传感信息融合的感知图式和对不同浮置板产生不同控制的运动图式，其中运动图式中包含用遗传算法对刚度和阻尼求解；

步骤d、根据隔振器的输入输出特性，计算步骤c求解得到的刚度和阻尼对应的电流值，并根据计算出的电流值调节所述磁流变脂阻尼器和磁流变弹性体的驱动电流。

进一步，所述振动状态包括：K_n、A、K_n-1和K_n+1，其中，A为保持平衡姿态，K_n-1与K_n+1类似，是为了保持中心板h前后的h-2浮置板、h-3浮置板和h+2浮置板、h+3浮置板的振动尽量保持静止，K_n为用于控制h-1，h+1和h浮置板的主要控制姿态；

所述预定的振动状态是指K_n。

进一步，所述感知图式为：其中R∈Σ¹²是输入信息集，Q∈Σ²为特征基元集；K∈Σ^2×4为关系矩阵，为运算符号，Φ∈Σ²为特征模型集；

其中， $Q_4={\left[\begin{array}{c}{q}_{41}|P=P_0,q_{42}|\left|F\right|>F_{60}\\ q_{43}|F\stackrel{\&CenterDot;}{F}<0,q_{44}|F\stackrel{\&CenterDot;}{F}\&GreaterEqual;0\end{array}\right]}^T,$ 式中P为阈值参数，P₀为h-1,h,h+1号浮置板的位置，P＝P₀代表主要考察该3块浮置板协同配合的情况，F₆₀为6个磁流变弹性体合力阀值；

其中， $K_4=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 0\\ 1& 1& 0& 1\end{array}\right];$

其中，

进一步，所述运动图式为：S_M,4＝(R₄,P₄,L₄,Ψ₄,U₄)，式中R∈Σ²为输入信息集，P∈Σ²为系统的控制模态基元集，L∈Σ^2×2为关系矩阵或者是协调与冲突调解规则集，Ψ∈Σ²为控制模态集，U为控制输出；

其中， $P_4={\left[\begin{array}{c}{p}_{41}|{(C_1,C_2,C_3,C_4,C_5,C_6)}^T,\\ p_{42}\left|\right(C_1,C_2,C_3,C_4,C_5,C_6,\\ K_1,K_2,K_3,K_4,K_5,K_6{)}^T\end{array}\right]}^T;$

其中， $L_4=\left\{\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right\};$

其中，Ψ₄＝L₄·P₄ ^T＝{p₄₁,p₄₂}。

进一步，所述关联图式为： $\begin{array}{c}{S}_{A,4}=\{{\mathrm{\&Omega;}}_4:{\mathrm{\&Phi;}}_4\&RightArrow;{\mathrm{\&Psi;}}_4\}\\ {\mathrm{\&Omega;}}_4=\{{\mathrm{\&omega;}}_{41},{\mathrm{\&omega;}}_{42}\}\end{array}.$

进一步，所述隔振器的输入输出特性是指：C_MRG＝(aI_c+b)e^-rf+d；K_MRG＝AI_k ²+BI_k+C；其中，C_MRG为阻尼值，K_MRG为刚度值；a、b、ρ、d、A、B、C为常系数；f为隔振器工作频率，I_C和I_k分别为与C_MRG和K_MRG对应的电流。

本发明还提供了一种移动荷载下轨道磁流变隔振系统的仿人控制装置，包括：

移动载荷隔振模型，所述移动载荷隔振模型主要由隔振系统构成，所述隔振系统包括：浮置板、隔振器和基座，所述隔振器设置在所述基座上用于支撑所述浮置板，所述隔振器主要由阻尼可调的磁流变脂阻尼器和刚度可调的磁流变弹性体并联构成；

控制处理模块，用于采用如上所述的方法控制所述隔振系统。

本发明的有益效果：

本发明实施例采用利用仿人智能控制算法能够在多输出，多输出，多状态，多控制条件的基础上整体考虑系统的控制优化目标的特性，在移动载荷激励下轨道系统整体的隔振问题中，引入仿人自适应的智能控制方法来解决减振效果不理想的问题，它可以计算得到多个浮置板，多个隔振器所配合的最优刚度和阻尼值，通过调节电流大小来调节隔振器的刚度和阻尼值，达到隔减振的效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是移动载荷作用下多个短型浮置板轨道隔振器耦合模型的结构示意图。

图2是图1中A-A向示意图。

图3是本发明的移动荷载下轨道磁流变隔振系统的仿人控制方法的实施例的流程示意图。

具体实施方式

图1是移动载荷作用下多个短型浮置板轨道隔振器耦合模型的结构示意图。图2是图1中A-A向示意图。

如图1和2所示，其中地铁列车从左向右方向驶入，使用移动载荷模型简化列车激励。其中Z轴平行于轨道方向，Xsh轴平行于浮置板中心线指向浮置板下方，且垂直于地基，Ysh轴垂直于Xsh和Z坐标轴。

如图1和2所示，耦合模型从上至下包括钢轨、扣件、浮置板、隔振器(即图示中的磁流变支承)和地基。在图示中，每块浮置板的下方设置两对隔振器，每个隔振器主要由阻尼实时可调的磁流变脂阻尼器和刚度可调的磁流变弹性体构成，具体的，隔振器分别放置于浮置板下方的四个支承点，上下端分别与浮置板底部和地基相接，其主要表现出可控阻尼C_i和可控刚度K_i。

如图3所示，是本发明的移动荷载下轨道磁流变隔振系统的控制方法的实施例的流程示意图，其包括：

步骤S31、信号采集。

此处，在浮置板的四个角分别安装一力传感器，用于测量浮置板四角的垂向力。由测得的垂向力可计算得到浮置板的的垂向激振合力，即为隔振器传递至地基的振动力。

此处，在浮置板的四个角分别安装一加速度传感器，用于测量四个角的垂向加速度。对测得的垂向加速度进行二次积分，可得到浮置板四个角的垂向振动位移。另外，可以直接在浮置板的四个角分别安装一位移传感器，直接测量垂向振动位移。

步骤S32、根据步骤S31采集到的信息，判断列车所在位置，并根据列车距离浮置板的远近和振动的幅度确定浮置板的振动状态。

此处，浮置板的振动状态主要有四种，分别为K_n、A、K_n-1和K_n+1。其中，A为保持平衡姿态。K_n-1与K_n+1类似，是为了保持中心板h前后的h-2浮置板、h-3浮置板和h+2浮置板、h+3浮置板的振动尽量保持静止。K_n为用于控制h-1，h+1和h浮置板的主要控制姿态。

此处，当振动状态出现K_n时，振动状态的振动激励力存在图1中间3块浮置板(h-1,h,h+1)的正上方，振动来源主要由h-1浮置板，h浮置板和h+1浮置板引入，控制输出为3个浮置板下6对隔振器的刚度和阻尼，控制的目标主要是控制轨道对地面的力传递率。

基于此，当确定到为K_n振动状态时，执行下述的步骤。

步骤S33、根据步骤S31采集的信息，划分到预定义的基于动觉智能图式的仿人智能控制中，该控制图示包含多传感信息(位置，幅值等)融合的感知图式、关联图式和对不同浮置板产生不同控制的运动图式。其中运动图示中包含用遗传算法对刚度阻尼值求解。

此处，分别对三个图式进行说明：

(一)、感知图式。

感知图式方程为：其中R∈Σ¹²是输入信息集，Q∈Σ²为特征基元集；K∈Σ^2×4为关系矩阵，为运算符号，Φ∈Σ²为特征模型集。特征模型作为相关运动图式或关联图式的激活信号。

此处，特征基元集Q₄的选取主要考虑如何有效地提取浮置板的姿态：

$Q_4={\left[\begin{array}{c}{q}_{41}|P=P_0,q_{42}|\left|F\right|>F_{60}\\ q_{43}|F\stackrel{\&CenterDot;}{F}<0,q_{44}|F\stackrel{\&CenterDot;}{F}\&GreaterEqual;0\end{array}\right]}^T.$

式中P₀阈值参数，P₀为h-1,h,h+1号浮置板的位置，P＝P₀代表主要激振力在该3块浮置板之上，F₆₀为6个磁流变弹性体合力阀值，可以在试验中加以调整。特征基元组合时，考虑到出现振动状态K后，是继续偏离还是趋向于参考目标位置。

此处，关联矩阵作如下设置： $K_4=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 0\\ 1& 1& 0& 1\end{array}\right].$

此处，感知特征模型如下：

(二)、运动图式。

此处，运动图式方程为：S_M,4＝(R₄,P₄,L₄,Ψ₄,U₄)。

式中R∈Σ²为输入信息集，P∈Σ²为系统的控制模态基元集，L∈Σ^2×2为关系矩阵或者是协调与冲突调解规则集，Ψ∈Σ²为控制模态集，U为控制输出。

此处，由于有6对磁流变弹性体，因此分为两种情况加以处理：一种是当车身趋向于设定的目标位置时，采用遗传算法控制，只控制可变阻尼，同时采用较小的迭代次数，加快运算速度。另一种是，当偏离设定目标位置时，同理，采用遗传算法控制来同时控制刚度和阻尼，并且增大迭代次数控制以使浮置板能够快速地恢复为设定的目标位置。

此处，仿人智能控制需要整定的参数有c₁、c₂、c₃、c₄、c₅、c₆、k₁、k₂、k₃、k₄、k₅和k₆。因此，若采用二进制编码，为保证一定的精度，会使得染色体比较长，例如每个参数用10位，则每个染色体的长度为120位，因此本实施例采用十进制编码，使染色体的长度等于整定参数的个数。

具体的，设向量(x₁,x₂,...,x_i,...,x₉)为优化的最优解，用以下的方法产生M个染色体，组成初始群体：x_i＝l_i+β(u_i-l_i)。此处，β是一个随机数且β∈{0.1,0.2,0.3,...,1}，u_i和l_i分别为x_i的上下限。

然后，由自适应条件判断当浮置板系统趋向于设定的目标位置时，适应度函数选择为只控制可变阻尼，同时采用较小的迭代次数，加快运算速度：

$\underset{u\&Element;U}{\min }{J}_2(u,t)=\underset{k_i,c_i\&Element;U}{\min }\underset{i=1}{\overset{6}{\&Sigma;}}\&lsqb;c_i{\stackrel{\&CenterDot;}{z}}_i\left(t\right)\&rsqb;.$

然后，由自适应条件判断当偏离设定目标位置时：同理，采用遗传算法控制，适应度函数选择同时使用控制刚度阻尼的办法，并且增大迭代次数控制以使浮置板系统能够快速地恢复为设定的目标位置：

$\underset{u\&Element;U}{\min }{J}_2(u,t)=\underset{k_i,c_i\&Element;U}{\min }\underset{i=1}{\overset{6}{\&Sigma;}}\&lsqb;k_i{z}_i\left(t\right)+c_i{\stackrel{\&CenterDot;}{z}}_i\left(t\right)\&rsqb;.$

上述两式中，c_i为磁流变弹性体的可变阻尼，k_i为磁流变弹性体的可变刚度，i为弹性体编号。z(t)为t时刻i位置垂向位移，为t时刻i位置垂向速度。min表示取最小值，J₂(q)为求得的最优目标值。

u＝(u₁u₂)^T为隔振系统的优化目标参数向量，u₁＝(C₁,C₂,C₃,C₄,C₅,C₆)^T为隔振系统的目标阻尼，u₂＝(K₁,K₂,K₃,K₄,K₅,K₆)^T为隔振系统的目标刚度。

U为C₁,C₂,C₃,C₄,C₅,C₆,K₁,K₂,K₃,K₄,K₅,K₆取值范围的集合向量。可得到与特征模态对应所需的控制力向量p₅₁,p₅₂。

因此，控制模态的基元集为： $P_4={\left[\begin{array}{c}{p}_{41}|{(C_1,C_2,C_3,C_4,C_5,C_6)}^T,\\ p_{42}\left|\right(C_1,C_2,C_3,C_4,C_5,C_6,\\ K_1,K_2,K_3,K_4,K_5,K_6{)}^T\end{array}\right]}^T.$

模态选择运算矩阵： $L_4=\left\{\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right\}.$

控制模态集为：Ψ₄＝L₄·P₄ ^T＝{p₄₁，p₄₂}。

(三)、关联图式。

其中，关联图式方程为： $\begin{array}{c}{S}_{A,4}=\{{\mathrm{\&Omega;}}_4:{\mathrm{\&Phi;}}_4\&RightArrow;{\mathrm{\&Psi;}}_4\}\\ {\mathrm{\&Omega;}}_4=\{{\mathrm{\&omega;}}_{41},{\mathrm{\&omega;}}_{42}\}\end{array},$ ω_1i为：如果(if)则(then)ψ_1i(j＝1,2)。

此处，关联图式的作用是如果单个浮置板的刚度阻尼变化引起多个浮置板系统超调，则由关联图示，协调运动(行为)图式群内部各浮置板块以产生整体的控制最优输出。

上述三个图式，在实际中由感知图式收集所有加速度传感器，力传感器，位移传感器的信号和位置关系，并汇入控制系统。由运动图示控制单个浮置板不同磁流变隔振器之间的输出耦合关系。如果单个浮置板的刚度阻尼变化引起多个浮置板系统超调，则由关联图示协调运动(行为)图式群内部各浮置板块以产生整体的控制最优输出。

步骤S34、求得具有代表性、难度较高的振动状态K_n的刚度阻尼值后，再用同样方法求得相对较容易的K_n-1，K_n+1两个振动状态的刚度阻尼值。

此处，由于某些刚度阻尼值会引起系统的共振情况，因此将计算结果带回系统中再次验证整体的多个浮置板位移，横摇倾角等相关条件是否满足，若任何一个位移或者倾角的边界条件不满足，则舍弃重新计算，若满足，则确定为系统的整体最终阻尼值。

步骤S35、将阻尼值和刚度值转化为相应的电流以调节隔振器的阻尼和刚度。

其中，在得到了各个隔振器的整体最终阻尼值后，由于磁流变隔振器是用电流驱动的，因此还需要求解磁流变隔振器的可控输入电流值大小。

此处，使用bingham模型，下面两式表明了磁流变脂隔振器的刚度阻尼特性与电流的关系，根据这些关系和求解出来的隔振器最终刚度阻尼值，求解控制电流：

C_MRG＝(aI_c+b)e^-ρf+d

K_MRG＝AI_k ²+BI_k+C

其中，C_MRG为阻尼值，K_MRG为刚度值；a、b、ρ、d、A、B、C为常系数；f为隔振器工作频率。特别地，当电流I＝0时，代表了该类磁流变脂阻尼器工作于被动隔振方式。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种移动荷载下轨道磁流变隔振系统的仿人控制方法，所述隔振系统包括：浮置板、隔振器和基座，所述隔振器设置在所述基座上用于支撑所述浮置板，所述隔振器主要由阻尼可调的磁流变脂阻尼器和刚度可调的磁流变弹性体并联构成，其特征在于：所述方法包括：

步骤a、采集所述隔振器传递至地基的振动力和所述浮置板四个角的垂向振动位移；

步骤b、根据步骤a采集到的信息，判断列车的位置，并根据列车距离浮置板的远近和振动的幅度确定所述浮置板的振动状态；

步骤c、当步骤b判断到所述浮置板为预定的振动状态时，根据所述步骤a采集到的信息，划分到预定义的基于动觉智能图式的仿人智能控制中，该图式包含关联图式、多传感信息融合的感知图式和对不同浮置板产生不同控制的运动图式，其中运动图式中包含用遗传算法对刚度和阻尼求解；

步骤d、根据隔振器的输入输出特性，计算步骤c求解得到的刚度和阻尼对应的电流值，并根据计算出的电流值调节所述磁流变脂阻尼器和磁流变弹性体的驱动电流。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述振动状态包括：K_n、A、K_n-1和K_n+1，其中，A为保持平衡姿态，K_n-1与K_n+1分别是为了保持中心板h前后的h-2浮置板、h-3浮置板和h+2浮置板、h+3浮置板的振动尽量保持静止，K_n为用于控制h-1，h+1和h浮置板的主要控制姿态；

所述预定的振动状态是指K_n。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述感知图式为：其中R∈Σ¹²是输入信息集，Q∈Σ²为特征基元集；K∈Σ^2×4为关系矩阵，为运算符号，Φ∈Σ²为特征模型集；

其中，式中P为阈值参数，P₀为h-1,h,h+1号浮置板的位置，P＝P₀代表主要考察该3块浮置板协同配合的情况，F₆₀为6个磁流变弹性体合力阀值；

其中，

其中，

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：所述隔振器的输入输出特性是指：C_MRG＝(aI_c+b)e^-ρf+d；K_MRG＝AI_k ²+BI_k+C；其中，C_MRG为阻尼值，K_MRG为刚度值；a、b、ρ、d、A、B、C为常系数；f为隔振器工作频率，I_C和I_k分别为与C_MRG和K_MRG对应的电流。

5.一种移动荷载下轨道磁流变隔振系统的仿人控制装置，其特征在于：包括：

移动载荷隔振模型，所述移动载荷隔振模型主要由隔振系统构成，所述隔振系统包括：浮置板、隔振器和基座，所述隔振器设置在所述基座上用于支撑所述浮置板，所述隔振器主要由阻尼可调的磁流变脂阻尼器和刚度可调的磁流变弹性体并联构成；

控制处理模块，用于采用如权利要求1-4任一项所述的方法仿人控制所述隔振系统。