CN104816738A - 高速列车电磁主动悬挂系统多速率控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速列车电磁主动悬挂系统多速率控制方法及装置，尤其涉及将多速率最优控制方法运用到电磁主动悬挂系统中，并搭建了简易测试装置。高速列车主动悬挂系统是一个以计算机为控制核心的主动减振系统，检测悬挂系统振动参数的传感器的频率特性与实现悬挂减振的电磁阻尼的频率特性是不同的，因此，采用多速率最优控制方法能实现对高速列车电磁主动悬挂系统有效控制，并以高速列车电磁主动悬挂系统为模型，搭建试验台，验证多速率最优控制方法能够更好的抑制振动。

Description

高速列车电磁主动悬挂系统多速率控制方法及装置

技术领域

    本发明涉及一种高速列车电磁主动悬挂系统，尤其涉及一种高速列车电磁主动悬挂系统多速率控制方法及装置。

背景技术

近年来，高速列车速度的不断提升，车体的振动量也随之增加。这不但影响了列车行驶平稳性，而且影响了乘坐舒适性。传统的被动悬挂将难以满足列车高速运行平稳性要求，列车主动悬挂由于其既可用于改善垂向平稳性，又能较好地解决高速列车较为突出的横向振动控制问题，已经越来越受到学者们关注。主动悬挂包括四大子系统：外界能源输入系统、传感系统、作动系统以及测量反馈调节系统，是一个典型的复杂多环节多变量控制系统。高速列车在实际运行时，加速度传感器与的执行器动态特性相差较大，彼此的噪声特性和可靠性各不相同，系统信号传感、控制、转换以及作动的各子系统或环节也都不可避免地存在采样(或控制、执行)周期的不同。因此，在列车主动悬挂系统这样复杂的多变量计算机振动控制系统设计中，保持系统各处都采用单一的采样策略是不现实的。然而现在的列车主动悬挂振动控制系统的研究中，都未把系统频率不一致的问题考虑进去，只进行了单速率研究，没有进行多速率分析，而多速率数字系统能实现许多单采样率数字控制系统所不具备的控制目标，如改善系统的增益裕量，实现同时稳定、强镇定和分散控制等性能目标。

因此开展高速列车主动悬挂多速率建模及仿真研究，以高速列车电磁主动主动悬架系统为研究对象，采用面向对象的建模技术,建立了车辆主动悬挂的动力学模型，并推导出系统的状态方程。首先通过离散化和利用多速率提升技术得到新的状态空间。其次采用线性二次型最优控制方法，通过选择性能指标最佳的Q和R参数，并对其进行仿真计算，得到利用多速率最优控制控制的主动悬架可以显著改善车体的平稳性，进一步验证多速率最优振动控制的优越性。

发明内容

针对悬挂系统的传感器与作动器频率特性的差异，为了改善悬挂系统的控制性能，本发明提供了一种高速列车电磁主动悬挂系统多速率控制方法及装置。多速率最优控制方法相对单速率和连续控制有更好的控制效果。

本发明是这样实现的，一种高速列车电磁主动悬挂系统多速率控制装置，它包括加速度传感器、电荷放大器、A/D转换器、工控机、D/A转换器、驱动放大器、作动器，其特征在于：在高速列车的车体和转向架上分别安装加速度传感器，所述加速度传感器、电荷放大器、A/D转换器、工控机、D/A转换器、驱动放大器、作动器依次连接，所述作动器放置在高速列车主动悬挂系统中起到减震的目的。

一种高速列车电磁主动悬挂系统多速率控制方法，其特征在于：通过两个加速度传感器分别测量高速列车的车体和转向架的纵向加速度，将这两个加速度测量信号由电荷信号转换成电压信号，放大该电压信号并通过A/D转换器转换为数字信号。转换得到的数字信号输入到工控机中再乘以由工控机利用最优控制算法求得的常数矩阵K_e，输出的信号通过D/A转换器转换为模拟信号，通过将模拟信号放大作用于作动器，作动器动作最终使电磁铁和永磁体产生一定的力来阻止悬挂的振动，达到主动减振的目的。

所述A/D转换器采样频率大于D/A转换器转换速率。

本发明的有益效果是，对于高速列车电磁主动悬挂系统多速率最优控制方法能够很好地适应悬挂系统的传感器与作动器动态特性差异，适应性更强，比单速率和连续控制方法控制效果更好，能够达到改善控制效果的目的。

附图说明

图1为列车车辆1/4车体主动悬挂模型。

图2 多速率系统模型。

图3为本发明的原理图。

具体实施方式

如图3所示，本发明是这样实现的，一种高速列车电磁主动悬挂系统多速率控制装置，在高速列车的车体和转向架上分别安装加速度传感器2，所述加速度传感器2、电荷放大器3、A/D转换器4、工控机5、D/A转换器6、驱动放大器7、作动器8依次连接，所述作动器放置在高速列车主动悬挂系统中起到减震的目的。其控制方法为通过两个加速度传感器分别测量高速列车的车体和转向架的纵向加速度，将这两个加速度测量信号由电荷信号转换成电压信号，放大该电压信号并通过A/D转换器转换为数字信号。转换得到的数字信号输入到工控机中再乘以由工控机利用最优控制算法求得的常数矩阵K_e，输出的信号通过D/A转换器转换为模拟信号，通过将模拟信号放大作用于作动器，作动器动作最终使电磁铁和永磁体产生一定的力来阻止悬挂的振动，达到主动减振的目的。所述A/D转换器采样频率大于D/A转换 器转换速率。

所述K_e由公式K_e＝dlqr(A_T，B_T，Q_e，R_e，N_e)求得，其中该公式的推到过程为：以高速列车车辆1/4车体为研究对象，建立列车车辆1/4车体主动悬挂模型，如图1所述，其中：m₁为转向架的质量；m₂为车体的质量；w₀为外界干扰输入；u₁为作动器的作动力；c为阻尼。

列出列车车辆1/4车体垂向主动悬挂系统状态空间表达式

                       （1）

其中， $A_c=A_e,B_c={\left[\begin{array}{cccc}0& -\frac{1}{m_2}& 0& \frac{1}{m_1}\end{array}\right]}^T,C=C_e,D={\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{m_1}& -\frac{1}{m_2}\end{array}\right]}^T,u=u_1$

由于列车车辆悬挂系统1是连续系统，而主动悬挂控制器采用计算机控制，因此高速列车主动悬挂系统实际上是一个模拟信号和数字信号混合的计算机控制系统。若仅将其作为一连续时域系统是不可行的，所以要建立离散化系统模型。悬挂系统的传感器与作动器频率特性是不相同的，系统所使用的传感器和作动器之间的采样周期和保持变化周期是都会存在一定的差异的，这要求该输出系统是一个多速率系统。设采样周期为T，采用零阶保持器，采用连续系统阶跃不变离散化方法将其离散化有：

       $\left\{\begin{array}{c}x(k+1)=\mathrm{Ax}\left(k\right)+\mathrm{Bu}\left(k\right)\\ y\left(k\right)=\mathrm{Cx}\left(k\right)+\mathrm{Du}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，A＝exp(A_cT)；

在多速率采样系统中，当输入刷新周期T₁＝ph，输出采样周期T₂＝qh，且p，q互为质数时，就可得到一个多速率系统。如图2所 示为干扰输入为零时的多速率模型，其中P为高速列车主动悬挂系统，为一连续时间过程。

H为零阶保持器，S为采样器，u(t)为控制输入，y(t)为系统输出。零阶保持器H的刷新周期T₁＝ph，采样器S的采样周期T₂＝qh，T₁与T₂互质。取框架周期T＝pqh，利用提升技术将每q个输入和每p个输出放到一起，构成一个提升输入向量u(k)和提升输出向量y(k)，这样就可得到框架周期T上的一个线性时不变多输入多输出系统。由于采用零阶保持技术，故连续信号试u(t)与离散信号u(kT₁)有关系：

u(t)＝u(kT₁),kT₁≤t＜(k+1)T₁；k＝0,1,2…

通过下面的方法建立多速率系统的提升状态空间模型

       $\underset{\‾}{u\left(\mathrm{kT}\right)}=\left[\begin{array}{c}u\left(\mathrm{kT}\right)\\ u(\mathrm{kT}+T_1)\\ .\\ .\\ .\\ u(\mathrm{kT}+(q-1)T_1)\end{array}\right];\underset{\‾}{y\left(\mathrm{kT}\right)}=\left[\begin{array}{c}y\left(\mathrm{kT}\right)\\ y(\mathrm{kT}+T_2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ y(\mathrm{kT}+(p-1)T_2)\end{array}\right]$

令t₀＝kT,t₁＝(k+1)T，则：式(4)的状态方程在t₁＝(k+1)T的解为：

       $x(k+1)=e^{A_{c}T}x\left(k\right)+{\∫}_{\mathrm{kT}}^{(k+1)T}{e}^{A_c((k+1)T-\mathrm{\τ})}{B}_{c}u\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}=A_p^{q}x\left(k\right)+\left[\begin{array}{ccccc}{A}_p^{q-1}{B}_p& A_p^{q-2}{B}_p& ...& A_p{B}_p& B_p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}u\left(k\right)\\ u(k+\mathrm{ph})\\ .\\ .\\ .\\ u(k+(q-1)\mathrm{ph})\end{array}\right]$

其中，A＝exp(A_ch)；A_p＝A^p＝exp(A_cT₁)；

输出方程为：y(k)＝Cx(k)+Du(k)因为p和q互为质数，所以存在整数c_i≥0和0≤d_i＜p，使得iq＝c_ip+d_i,i＝1,2,…,p-1成立，于是有：

       $y(\mathrm{kT}+i{T}_2)=y(\mathrm{kT}+\mathrm{iqh})=\mathrm{Cx}(\mathrm{kT}+\mathrm{iqh})+\mathrm{Du}(\mathrm{kT}+\mathrm{iqh})={\mathrm{CA}}_q^{i}x\left(\mathrm{kT}\right)+\underset{j=0}{\overset{c_i}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}u(\mathrm{kT}+j{T}_1),i=\mathrm{0,1,2},...,p-1$

综上所述可以得到多速率系统的状态空间模型：

       $\begin{array}{c}x(k+1)=A_{T}x\left(k\right)+B_{T}u\left(k\right)\\ \underset{\‾}{y\left(k\right)}=C_{T}x\left(k\right)+D_{T}u\left(k\right)\end{array}---\left(3\right)$

其中，

      

       $C_T=\left[\begin{array}{c}C\\ {\mathrm{CA}}_q\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{CA}}^{p-1}\end{array}\right]$

在上述建立的多速率系统的状态空间模型的基础上采用最优控制，取最优控制性能指标为:

       $J\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{q-1}{\mathrm{\Σ}}}S\left(i\right)=x^T\left(\mathrm{kT}\right)Q_{e}x\left(\mathrm{kT}\right)+2x^T\left(\mathrm{kT}\right)N_e\underset{\‾}{u\left(\mathrm{kT}\right)}+\underset{\‾}{u^T\left(\mathrm{kT}\right)}{R}_e\underset{\‾}{u\left(\mathrm{kT}\right)}$

利用MATLAB中的函数dlqr()可以求得多速率系统最优控制全状态反馈增益矩阵K_e，具体调用格式为：

K_e＝dlqr(A_T,B_T,Q_e,R_e,N_e)    (4) 

针对高速列车悬挂系统搭建了单质量单自由度的简易电磁阻尼主动悬挂减振系统实验模型，该模型由金属棒、电磁线圈、永久磁铁，簧载质量和弹簧等组成。机架底座的竖直方向按照矩形排列4根相同直径的金属棒，簧载质量通过4个轴承连接在4根相同直径的金属棒之间，簧载质量可以在垂直方向沿着金属棒上下滑动；簧载质量和悬架模型之间通过弹簧相连，电磁线圈固定在质量块的上方，正对永久磁铁的上方的一定距离放置电磁线圈，该电磁线圈固定在4根相同直径的金属棒之间；这样，簧载质量，弹簧和电磁线圈通电之后与永久磁铁构成的电磁阻尼共同构成一个质量弹簧阻尼振动系统。

该单质量单自由度电磁阻尼主动悬挂系统实现多速率振动控制的原理为：

1、建立高速列车车辆1/4车体主动悬挂多速率数学模型，如式(3)；

2、利用MATLAB中的函数dlqr()可以求得多速率系统最优控制全状态反馈增益矩阵K_e，该K_e值表示的是电磁阻尼力与加速度传感器测得的加速度间的比例系数；

3、根据主动悬挂系统振动加速度信号的频率范围选取恰当的采样周期T₂＝qh，根据电磁阻尼的响应时间等动态特性选择恰当的保持器刷新周期T₁＝ph；

4、建立如图3所示的完整的测控系统，其中，加速度传感器安装在簧载质量上方；工控机即为工业计算机用来编写控制算法并将输入信号放大K_e倍；作动器即为电磁阻尼，用来产生电磁阻尼力。

5、控制过程描述：加速度传感器测得的加速度信号输入电荷放大器，电荷信号变为放大的电压信号，对该电压信号再进行A/D转换将此模拟电压信号转化成数字信号，将得到的数字量直接输入到工业计算机中，在工业计算机中将输入信号放大K_e倍，工业计算机输出相应的数字量，该数字量经过D/A转换器后得到的模拟量通过功率放大器直接作用在线圈上，最终使电磁铁和永磁体产生一定的力来阻止悬挂的振动，达到主动减振的目的。

    列车运行时使悬挂系统振动，整个悬挂系统将仅沿垂直方向振动，加速度感器采集信号通过电荷放大器放大、经A/D转换为数字信号到工控机中，计算机根据预设置控制算法控制输出数字信号，该信号再经过D/A转换后输入到电磁铁中，电磁铁就会和永磁铁产生一定的电磁力从而达到减振的目的。

    因为加速度传感器和电磁铁的特性不同，为了提高系统的减振性能，对A/D和D/A分别设置不同的采样频率和转换速率。

Claims (3)

1.一种高速列车电磁主动悬挂系统多速率控制装置，它包括加速度传感器、电荷放大器、A/D转换器、工控机、D/A转换器、驱动放大器、作动器，其特征在于：在高速列车的车体和转向架上分别安装加速度传感器，所述加速度传感器、电荷放大器、A/D转换器、工控机、D/A转换器、驱动放大器、作动器依次连接，所述作动器放置在高速列车主动悬挂系统中起到减震的目的。

2.一种权利要求1所述的一种高速列车电磁主动悬挂系统多速率控制方法，其特征在于：通过两个加速度传感器分别测量高速列车的车体和转向架的纵向加速度信号，将这两个加速度测量信号由电荷信号转换成电压信号，放大该电压信号并通过A/D转换器转换为数字信号,转换得到的数字信号输入到工控机中再乘以由工控机利用最优控制算法求得的常数矩阵 ，输出的信号通过D/A转换器转换为模拟信号，通过将模拟信号放大作用于作动器，作动器动作最终使电磁铁和永磁体产生一定的力来阻止悬挂的振动，达到主动减振的目的。

3.根据权利要求2所述的一种高速列车电磁主动悬挂系统多速率控制方法，其特征在于：A/D转换器采样频率大于D/A转换器的转换速率。