CN110281779B - 一种轨道自适应磁浮控制系统及方法 - Google Patents

一种轨道自适应磁浮控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轨道自适应磁浮控制系统及方法，涉及轨道交通领域，解决了轨道变形影响车辆行驶平顺度、车辆行驶过程中会造成碰轨可能的弊端，其技术方案要点是包括有对设置在轨道各区间的测量点的位置及变形量实时监测并输出监测结果的轨道信息模块、根据监测结果进行前方载荷变形量预测的动态预测模块、对悬浮间隙检测并且根据检测结果和预测结果实时调控的悬浮控制模块，本发明的一种轨道自适应磁浮控制系统及方法，实现悬浮控制器调节悬浮间隙的预判功能，解决轨道垂向位移突变以及悬浮控制延时导致的列车行驶不平顺及碰轨等不利现象。

Description

一种轨道自适应磁浮控制系统及方法
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，特别涉及一种轨道自适应磁浮控制系统及方法。
背景技术
中低速磁浮车辆的悬浮模块与轨道之间间隙一般为8mm，轨道变形是直接影响车辆行驶平顺度，甚至出现悬浮架碰轨的主要原因。影响轨道变形的主要因素有差异沉降、轨道-轨枕-轨道梁荷载变形、轨道梁温度梯度变形和施工偏差，其中列车载荷作用下轨道的局部变形较为明显占垂向总变形量约30％。
现有中低速磁悬浮车辆悬浮控制系统是以单个悬浮架为单位，根据间隙传感器反馈的间隙，控制调整电磁铁的电流值，以目标间隙量为基准调整间隙量。现有系统存在以下需改善的问题：1、单个悬浮架长度范围内对桥梁沉降、施工等造成的轨道垂向变形突变不能及时响应会造成悬浮架触碰轨道和车辆行驶的不平顺；2、车辆从进入某根轨道梁到驶离的过程中，作用于轨道上的载荷实时变化，轨道变形量也随载荷瞬时变化，由于传感器检测和控制延时的影响，造成当前时刻的悬浮控制系统控制的间隙量和目标间隙量存在差异，会造成悬浮架触碰轨道的可能。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种轨道自适应磁浮控制系统，实现悬浮控制器调节悬浮间隙的预判功能，解决轨道垂向位移突变以及悬浮控制延时导致的列车行驶不平顺及碰轨等不利现象。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种轨道自适应磁浮控制系统，包括有：
轨道信息模块，设置在轨道各区间的测量点对测试点位置及其对应变形量进行实时监测并输出监测结果；
动态预测模块，根据轨道信息模块监测的监测结果对列车即将驶入的轨道进行载荷变形量预测并输出对应的预测结果；
悬浮控制模块，对列车的悬浮间隙进行检测并且根据检测结果和预测结果控制调节悬浮间隙。
作为优选，所述轨道信息模块包括有安装于轨道测量点以确定位置坐标的位置监测器、安装于轨道测量点以实时对轨道进行变形监测的轨道变形监测器；位置监测器对列车位置进行监测判断，当列车行驶时，列车所处位置及列车前方即将驶入的轨道区间的轨道变形器均与动态预测模块电连接通信。
作为优选，所述动态预测模块根据轨道信息模块获取测量点载荷变形量、根据车辆工况获取列车运行信息，还包括有F轨排动态变型预测数字模型；所述动态预测模块根据测量点载荷变形量及列车运行信息，通过F轨排动态变型预测数字模型预测获取前方的预测载荷变形量。
作为优选，列车当前所处轨道梁的测量点的变形量为动态变形量，列车未驶入时当前轨道梁的该测量点位置的变形量为静态变形量，所述测量点载荷变形量为动态变形量和静态变形量的差值。
作为优选，所述悬浮控制模块包括有对列车与轨道之间的悬浮间隙进行检测的间隙传感器、调节电压值以控制悬浮空隙的电磁铁、响应于动态预测模块输出的预测载荷变形量及静态变形量以控制电磁铁调节电压对悬浮间隙进行调整补偿的悬浮控制器。
作为优选，还包括有用于采集及存储轨道信息模块的监测结果、预测模块输出的预测结果的信息采集存储模块。
作为优选，所述轨道变形监测器为MEMS倾角传感器。
本发明的第二目的是提供一种轨道自适应磁浮控制方法，实现悬浮控制器调节悬浮间隙的预判功能，解决轨道垂向位移突变以及悬浮控制延时导致的列车行驶不平顺及碰轨等不利现象。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种轨道自适应磁浮控制方法，根据测量点的位置坐标和测量点载荷变形值，通过F轨排动态预测数字模型预测获取列车运行前方轨道的预测载荷变形量；悬浮控制器通过静态变形量以及预测载荷变形量实时调控电磁铁以对悬浮间隙进行补偿。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
根据测量点位置坐标和测量点载荷变形量预测车辆运行前方轨道的预测载荷变形量，悬浮控制器通过静态变形以及动态预测模块预测出的预测载荷变形量对悬浮间隙传感器值补偿进行实时调控，解决了因轨道变形而引起的列车运行不平顺的现象，提高乘客乘坐的舒适度，并且能解决因出现车辆碰轨等不利现象而带来的各种后期人工检测和调试的财力物力的支出。其次，轨道信息模块直接检测轨道的静态变形量，能监测轨道和桥梁系统的永久变形，对轨道和桥梁系统进行健康监测，同时能识别两段梁相接处轨缝处最不利的轨道高差提前控制避免车辆运行中碰轨。
附图说明
图1为基于轨道动态变形预测的自适应悬浮控制原理图；
图2为基于轨道动态变形预测的自适应悬浮控制框图；
图3为F轨处结构示意图；
图4为轨道结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
本实施例公开的一种轨道自适应磁浮控制系统，如图1所示，包括有轨道信息模块、动态预测模块及悬浮控制模块，还包括有对各类信息进行采集存储的信息采集存储模块。
如图1及图2所示，轨道信息模块对设置在轨道上各区间的测量点位置及其对应变形量进行实时监测并输出监测结果。轨道信息模块包括有位置监测器和轨道变形监测器，轨道上根据轨道梁划分为相互独立的区间，在每个区间均设置有测量点并对应安装位置监测器和轨道变形监测器。参考图3，轨道变形监测器安装在F轨下表面，位置监测器安装在钢轨枕上表面；在竖直方向，位置监测器和轨道变形监测器安装于同一平面上；顺桥向方向，轨道变形监测器设置有多个且分别安装在F轨排的两端和跨中。对于磁浮列车通行影响最大的位置在梁端折角和轨缝折角处，将轨道变形监测器安装在F轨梁端和跨中可以有效监测轨道静态变形和动态变形引起的梁端折角。
位置信息是由安装在测量点位置的位置监测器所测得的目标位置坐标；确定的位置坐标发送至信息采集储存模块。轨道变形监测器对轨道进行实时变形监测；轨道变形监测器选用MEMS倾角传感器，安装在测量点处，当轨道发生变形时，MEMS倾角传感器可以直接输出因轨道变形而产生的垂直面内的倾斜角。倾角传感器可以测得轨道变形处变形得倾角θ，结合简支梁材料特性和挠度的关系，将F轨、钢轨枕和轨道梁作为一个整体弹性体考虑，倾角θ表达式如下：
Figure BDA0002101724810000051
对式(1.1)积分得到测试点得竖向位移量，竖向位移量y表达式如下：
Figure BDA0002101724810000052
其中，q：车辆局部荷载；l：轨道梁跨度；E整：轨道梁、钢轨枕、F轨整体弹性模量；I整：轨道梁、钢轨枕、F轨整体惯性矩。
车辆运行载荷作用轨道所处轨道梁区间时测得的变形量为动态变形量，轨道所处轨道梁区间在车辆未驶入无载荷作用时的变形量为静态变形量，并且获取当前测量点载荷变形量。测量点的测量点载荷变形量计算获取为，列车当前所处测量点的动态变形量与静态变形量的差值。轨道变形监测器持续监测并发送监测结果至信息采集储存模块。信息采集存储模块与位置监测器及轨道变形监测器均单向连接，采集存储对应的监测结果。
轨道信息模块与动态预测模块应答通信，并发送监测结果的位置坐标和对应位置坐标的轨道变形量信息至动态预测模块。
动态预测模块根据轨道信息模块的位置坐标，与列车头第一台悬浮架所处轨道梁区间的轨道信息模块以及第一台悬浮架将驶入的前方轨道梁区间的轨道信息模块实时通信，获取列车所处轨道及列车即将驶入的轨道对应测量点的动态变形量和静态变形量，获取测量点载荷变形量，测量两相连接的轨道梁区间测量点的轨道变形。如图4所示，列车包括车体和安装在车体下方与轨道配合的悬浮架，每一悬浮架均包括有动态预测模块和悬浮控制模块，当车头第一台悬浮架位于1号轨道梁时，1号轨道梁上的轨道信息模块和列车即将驶入的2号轨道梁上的轨道信息模块与第一台悬浮架对应的动态预测模块实时通信，以将静态变形量和动态变形量发送，进行预测载荷变形量的预测计算。信息采集存储模块设置有筛选节点，为轨道变形监测和预测信息筛选节点，对轨道变型监测量进行筛选，当轨道静态变形量超过系统预设磁浮电车可通行悬浮间隙时，筛选节点会将轨道静态变形信息传输给悬浮控制器，以调节悬浮间隙。
还包括采集有列车运行信息的车辆工况。动态预测模块是通过建立好的F轨排动态变型预测数字模型，将信息采集、储存模块采集到的作用在轨道上的车辆活荷载、测量点变形量以及位置坐标信息、车辆工况输出列车运行信息输入到F轨排动态变型预测数字模型中，获得前方的预测变形量。列车运行信息包括有列车当前运行速度、加速度。将预测的结果发送至信息采集存储模块的同时发送至悬浮控制模块。
动态预测模块的变形预测过程如下：
当车辆第一个悬浮架开始驶入第一段F轨排时，测量点测出的F轨排竖向位移量分别为y1,y2,y3,y4,y5,y6。
Figure BDA0002101724810000061
Figure BDA0002101724810000062
式(1.3)表示为在不同车辆荷载作用下，F轨排发生不同变型的情况下，顺桥方向x坐标的竖向变型曲线方程。将测量点测出的竖向位移量y1,y2,y3,y4,y5,y6代入式(1.3)，可推出由时间t和F轨排顺桥向坐标x两个未知量控制下的轨道自适应变型参数k。式(1.4)表示为车辆驶入F轨排的距离，当车辆第一个悬浮架开始驶入另一段轨道梁时，时间t从0开始。
其中，Δt：测量点第n+1次和第n次测量时间间隔，s；q：车辆均布荷载，KN/m；k：轨道自适应变型参数；vn：测点第n次测量时列车运行速度，m/s；a：车辆行驶加速度，m/s2；
通过求出的轨道自适应变型参数k，将求出的k代入式(1.3)，通过求极限
Figure BDA0002101724810000071
可得到下一时间tn+1时的y(x,tn+1)即位置坐标x处的F轨排竖向位移量的预测值。测量点每隔Δt的时间间隔测一次F轨排竖向位移量。
悬浮控制模块对应于单个悬浮架设置有四个，均包括有对列车与轨道之间的悬浮间隙进行检测的间隙传感器、调节电压值以控制悬浮空隙的电磁铁、响应于动态预测模块输出的预测载荷变形量及静态变形量以控制电磁铁调节电压对悬浮间隙进行调整补偿的悬浮控制器。列车停止状态的悬浮控制根据悬浮间隙传感器的检测值，计算电磁铁端电压值，调节悬浮电磁铁电流控制悬浮间隙到目标值。列车运行工况下，悬浮控制器根据轨道动态变形预测的预测载荷变形量以及静态检测变形量对悬浮间隙传感器值进行补偿，控制电磁铁电流值调节悬浮间隙。
实施例二：
本实施例公开的一种轨道自适应磁浮控制方法，通过设置的轨道信息模块、动态预测模块及悬浮控制模块进行控制操作。列车行进时根据对测量点的位置坐标和测量点载荷变形量，通过F轨排动态预测数字模型预测获取前方的预测载荷变形量，悬浮控制器通过静态变形量和预测载荷变形量对电磁铁进行调控，实现悬浮间隙的自适应调节。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种轨道自适应磁浮控制系统，其特征是：包括有
轨道信息模块，设置在轨道各区间的测量点对测试点位置及其对应变形量进行实时监测并输出监测结果；
动态预测模块，根据轨道信息模块监测的监测结果对列车即将驶入的轨道进行载荷变形量预测并输出对应的预测结果；
所述轨道信息模块包括有安装于轨道测量点以确定位置坐标的位置监测器、安装于轨道测量点以实时对轨道进行变形监测的轨道变形监测器；位置监测器对列车位置进行监测判断，当列车行驶时，列车所处位置及列车前方即将驶入的轨道区间的轨道变形器均与动态预测模块电连接通信；
所述动态预测模块根据轨道信息模块获取测量点载荷变形量、根据车辆工况获取列车运行信息，还包括有F轨排动态变型预测数字模型；所述动态预测模块根据测量点载荷变形量及列车运行信息，通过F轨排动态变型预测数字模型预测获取前方的预测载荷变形量；
悬浮控制模块，对列车的悬浮间隙进行检测并且根据检测结果和预测结果控制调节悬浮间隙。
2.根据权利要求1所述的轨道自适应磁浮控制系统，其特征是：列车当前所处轨道梁的测量点的变形量为动态变形量，列车未驶入时当前轨道梁的该测量点位置的变形量为静态变形量，所述测量点载荷变形量为动态变形量和静态变形量的差值。
3.根据权利要求2所述的轨道自适应磁浮控制系统，其特征是：所述悬浮控制模块包括有对列车与轨道之间的悬浮间隙进行检测的间隙传感器、调节电压值以控制悬浮空隙的电磁铁、响应于动态预测模块输出的预测载荷变形量及静态变形量以控制电磁铁调节电压对悬浮间隙进行调整补偿的悬浮控制器。
4.根据权利要求1至3任一项所述的轨道自适应磁浮控制系统，其特征是：还包括有用于采集及存储轨道信息模块的监测结果、预测模块输出的预测结果的信息采集存储模块。
5.根据权利要求4所述的轨道自适应磁浮控制系统，其特征是：所述轨道变形监测器为MEMS倾角传感器。
6.一种轨道自适应磁浮控制方法，其特征是：轨道信息模块对设置在轨道上各区间的测量点位置及其对应变形量进行实时监测并输出监测结果，动态预测模块根据轨道信息模块的位置坐标，与列车头第一台悬浮架所处轨道梁区间的轨道信息模块以及第一台悬浮架将驶入的前方轨道梁区间的轨道信息模块实时通信，根据测量点的位置坐标和测量点载荷变形值，通过F轨排动态预测数字模型预测获取列车运行前方轨道的预测载荷变形量；悬浮控制器通过静态变形量以及预测载荷变形量实时调控电磁铁以对悬浮间隙进行补偿。
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