CN110395118B - 一种磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略 - Google Patents

一种磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略 Download PDF

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CN110395118B CN201910750113.6A CN201910750113A CN110395118B CN 110395118 B CN110395118 B CN 110395118B CN 201910750113 A CN201910750113 A CN 201910750113A CN 110395118 B CN110395118 B CN 110395118B
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Abstract

本发明公开了一种磁浮列车过轨道接缝处错台识别方法及悬浮控制策略，包括以下步骤：(1)在电磁铁两端分别设置第一间隙传感器和第二间隙传感器，获取第一间隙传感器和第二间隙传感器的信号特征并判断轨道是否发生错台；(2)当发生错台时，检测错台高度并判断控制器是否可完成调节。若可完成，则对过错台处的间隙和悬浮电磁铁电流进行实时调节。(3)当检测到错台消失或调节结束则恢复预设平衡点时的间隙和电流控制跟踪。与现有技术相比，本方法可以减小列车双向过错台时的不平顺影响，具有成本低和悬浮平稳的优点。

Description

一种磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略
技术领域
本发明涉及磁悬浮列车领域，特别涉及一种磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略及实施装置。
背景技术
磁悬浮列车是一种采用电磁力实现列车悬浮、导向，并利用直线电机驱动的系统，按照悬浮力方式通常分为吸力型和斥力型两种。吸力型磁悬浮列车利用间隙传感器获取电磁铁与轨道间的间隙信号，通过控制电磁铁的励磁电流保证稳定的悬浮间隙。在实际工程应用中，磁浮线路轨道由于加工、安装或路基下沉等原因，轨道接缝处容易出现台阶，即轨道错台现象。轨道错台问题直接影响到悬浮系统的稳定性。当轨道错台的幅度较大时，如果不采取必要的补偿措施，悬浮系统就会失效。因此，准确可靠地检测轨道错台信息对于保证磁浮列车的稳定悬浮具有十分重要的意义。
目前磁浮列车线路检修维护主要依靠智能轨检车获取轨道数据，通过后台分析软件识别轨道错台现象。这种方式存在的问题是无法在线对磁浮列车轨道错台问题进行识别，无法解决磁浮列车运行过程中轨道错台引起的悬浮失效问题。专利【CN107433961A】提出一种过轨道台阶的悬浮控制算法，该方法采用三个传感器探头通过三取二表决方式检测轨道错台信息，并采用补偿算法对控制器进行补偿。该方法三个传感器均安装在电磁铁的一侧，仅能对单个列车运行方向产生的轨道错台问题进行补偿。由于过轨道错台时，悬浮电磁铁的平衡点电流发生变化，仍采用预设平衡点时的间隙和电流进行跟踪会出现较大的不平顺性甚至悬浮系统失效。此外，该方法没有考虑实际悬浮控制器性能因素，在列车高速情况下当悬浮控制器的调节时间超过的轨道错台保持时间时没有必要对轨道错台进行补偿。针对上述技术问题，本发明提出了一种新的错台识别方法和悬浮控制策略，可以适用于列车双向运行情形，且具有过错台处悬浮平稳的优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略，以减小列车双向过错台时的不平顺影响，具体内容包括：
实时获取ΔT时间段内第一间隙传感器输出的第一间隙值和第二间隙传感器输出的第二间隙值，利用所述ΔT时间段内的第一间隙值计算第一均值和第一方差值，利用所述ΔT时段内的第二间隙值计算第二均值和第二方差值；其中，所述ΔT为较小时间常数；
利用所述第一均值z1、所述第一方差值s1、所述第二均值z2和所述第二方差值s2判断轨道是否发生轨道错台；
当确定所述轨道发生轨道错台时，计算轨道错台高度，获取列车运行速度，并利用所述列车运行速度和悬浮电磁铁的长度计算调节时间，判断所述调节时间是否大于控制器的调节时间阈值；
若所述调节时间大于所述控制器的所述调节时间阈值，则执行过错台时的间隙和电流调节操作，并实时检测轨道错台是否消失；
若轨道错台未消失，则执行过错台时的所述间隙和电流调节操作；若轨道错台消失，则恢复预设平衡点时的间隙和电流控制跟踪；
其中，所述间隙和电流调节操作包括：
获取所述悬浮电磁铁的线圈预设电流值，利用所述线圈预设电流值、所述列车运行速度和所述轨道错台高度计算过错台时的调节电流值，利用所述调节电流值，对所述线圈预设电流值进行调节；
采用过错台时的间隙跟踪算法对间隙进行控制跟踪。
可选的，所述计算轨道错台高度，包括：
记录轨道错台发生时刻Tk，利用[Tk+(n-1)ΔT,Tk+nΔT]内的所述第一间隙值计算第一目标均值
Figure GDA0002767482170000021
和第一目标方差值
Figure GDA0002767482170000022
利用[Tk+(n-1)ΔT,Tk+nΔT]内的所述第二间隙值计算第二目标均值
Figure GDA0002767482170000023
和第二目标方差值
Figure GDA0002767482170000024
其中，n为正整数；
当所述第一间隙传感器检测到错台，且
Figure GDA0002767482170000025
时，所述轨道错台高度
Figure GDA0002767482170000026
当所述第二间隙传感器检测到错台，且
Figure GDA0002767482170000031
时，所述轨道错台高度
Figure GDA0002767482170000032
其中，所述K2为第二阈值，0＜K2≤1,
Figure GDA0002767482170000033
为第一间隙传感器信号检测到错台发生时的所述第一目标方差值，
Figure GDA0002767482170000034
为第二间隙传感器信号检测到错台发生时的所述第二目标方差值。
可选的，利用所述线圈预设电流值、所述列车运行速度和所述轨道错台高度计算过错台时的调节电流值，包括：
记录当前时刻t，并利用
Figure GDA0002767482170000035
计算过渡比例值，其中，所述λ为所述过渡比例值，所述t为当前时刻，所述Tk为所述轨道错台发生时刻，所述v为所述列车运行速度，所述L为所述悬浮电磁铁的长度；
利用
Figure GDA0002767482170000036
计算所述调节电流值；其中，所述i0为所述线圈预设电流值，所述Δr为所述轨道错台高度，所述r0为预设间隙值，所述i1为过错台时的所述调节电流值。
可选的，所述采用过错台时的间隙跟踪算法对间隙进行控制跟踪，包括：
当λ≤0.5，采用未过接缝时传感器的输出值r≈r0进行间隙跟踪；
当0.5＜λ≤1，采用已过接缝时传感器的输出值r≈r0+Δr进行间隙跟踪；
所述λ为所述过渡比例值，所述r0为所述预设间隙值。
可选的，所述实时检测轨道错台是否消失，包括：
利用所述第一均值和所述第二均值计算间隙均值差值|z1-z2|，并将所述间隙均值差值与所述轨道错台高度阈值进行比较；
当|z1-z2|＜Δh，且0.5s2≤s1≤2s2时,确定轨道错台消失。
可选的，所述若轨道错台消失，则恢复预设平衡点时的间隙和电流控制跟踪，包括：
若轨道错台消失，则恢复预设平衡点时的预设间隙值r0跟踪和预设平衡点时线圈预设电流值i0跟踪。
可选的，所述第一间隙传感器和所述第二间隙传感器分别设置于所述悬浮电磁铁的两端。
由此，本发明的方法，利用在电磁铁两端分别安装间隙传感器并获取间隙信号特征，利用间隙信号特征对轨道错台识别并计算轨道错台高度；根据电磁铁与错台处的相对位置对过错台时的间隙和电流进行实时调节，减小了过错台时对列车不平顺影响。本发明克服了传统传感器安装方式仅适用于单向过错台的不足，能实现轨道双向过错台检测，具有成本低和悬浮平稳的优点。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略的流程图；
图2为本发明实施例所提供的一种轨道错台示意图；
图3为本发明实施例所提供的系统实现框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略的流程图，该方法可应用于磁悬浮列车的控制器中。该方法包括：
S101：实时获取ΔT时间段内的第一间隙传感器的第一间隙值并计算第一均值和第一方差值；实时获取ΔT时间段内第二传感器的第二间隙值并计算第二均值和第二方差值。
具体的，第一间隙传感器和第二间隙传感器分别设置于悬浮电磁铁的两端。本实施例中悬浮电磁铁与轨道之间的间隙数据可以利用间隙传感器获取，具体的，间隙传感器利用电涡流效应，通过间隙线圈产生激励电磁场，感应涡流磁场的变化来测量间隙数据。
实时获取ΔT时间段内第一间隙传感器输出的第一间隙值和第二间隙传感器输出的第二间隙值，利用ΔT时间段内的第一间隙值计算第一均值和第一方差值，利用ΔT时段内的第二间隙值计算第二均值和第二方差值。具体的，记录当前时刻t，利用[t-ΔT,t]时间段内的第一间隙值计算第一间隙值均值和第一间隙值方差值，即第一均值z1和第一方差值s1，利用[t-ΔT,t]时间段内的第二间隙值计算第二间隙值均值和第二间隙值方差值，即第二均值z2和第二方差值s2。其中，ΔT为较小时间常数。
S102：利用第一均值、第一方差值、第二均值和第二方差值判断轨道是否发生轨道错台。
具体的，利用轨道错台高度阈值Δh、第一阈值K1、第一方差值、第一均值、第二方差值和第二均值判断轨道是否发生轨道错台。第一阈值被预设好用来与第一方差值或第二方差值相乘，以判断轨道是否发生轨道错台。本实施例并不限定第一阈值的大小，优选的，K1≥5。轨道错台高度阈值被预设好用来与间隙均值差值|z1-z2|进行比较，以判断轨道是否发生轨道错台，本实施例并不限定轨道错台高度阈值的大小，优选的，Δh≥1mm。具体的，当s1＞K1*s2，且|z1-z2|＞Δh时，确定发生轨道错台，且第一间隙传感器检测到轨道错台；当s2＞K1*s1，且|z1-z2|＞Δh时，确定发生轨道错台，且第二间隙传感器检测到轨道错台。具体的，请参考图2，图2为本发明实施例所提供的一种轨道错台示意图。
S103：计算轨道错台高度，获取列车运行速度，并利用列车运行速度和悬浮电磁铁的长度计算调节时间。
具体的，记录轨道错台发生时刻Tk，利用[Tk+(n-1)ΔT,Tk+nΔT]内的第一间隙值计算第一目标均值
Figure GDA0002767482170000051
和第一目标方差值
Figure GDA0002767482170000052
利用[Tk+(n-1)ΔT,Tk+nΔT]内的第二间隙值计算第二目标均值
Figure GDA0002767482170000053
和第二目标方差值
Figure GDA0002767482170000054
其中，n为正整数。当第一间隙传感器检测到错台，若
Figure GDA0002767482170000055
时，轨道错台高度
Figure GDA0002767482170000056
当第二间隙传感器检测到错台时，若
Figure GDA0002767482170000057
时，轨道错台高度
Figure GDA0002767482170000061
其中，K2为第二阈值，0＜K2≤1,
Figure GDA0002767482170000062
为第一间隙传感器信号检测到错台发生时的第一目标方差值，
Figure GDA0002767482170000063
为第二间隙传感器信号检测到错台发生时的第二目标方差值。
计算调节时间(T为调节时间)，即计算
Figure GDA0002767482170000064
(v为列车运行速度)。长度数据l用来计算调节时间，实际应用中选择电磁铁长度的一半l＝L/2来计算调节时间。
S104：判断调节时间是否大于控制器的调节时间阈值。
本实施例中，调节时间阈值为控制器从执行电流调节操作到完成对预设电流的期望跟踪所用的时间，是反映控制器性能指标的一个常数。当检测到轨道错台时，利用该调节时间阈值和调节时间进行比较，以判断控制器能否对悬浮电磁铁的线圈预设电流值完成调节。当判断调节时间大于调节时间阈值时，说明控制器的调节速度足够快，可以执行间隙和电流调节操作，及时地对悬浮电磁铁的线圈预设电流值进行调节，使列车平稳地通过轨道错台。
S105：执行错台时的间隙和电流调节操作操作。
记录当前时刻t，并利用
Figure GDA0002767482170000065
计算过渡比例值，过渡比例值将用于计算调节电流值。其中，λ为过渡比例值，v为列车运行速度，L为悬浮电磁铁的长度，t为当前时刻。
具体的，可以根据电磁力公式
Figure GDA0002767482170000066
计算磁悬浮列车通过轨道错台时的电磁力。其中，kf为电磁力系数(kf为不变的参数)，Δr为轨道错台高度，i0为线圈预设电流值，r0为预设间隙值(r0一般为8毫米)，i1为调节电流值。
令i1＝kti0，带入电磁力公式得：
Figure GDA0002767482170000067
可等价为：
Figure GDA0002767482170000068
令
Figure GDA0002767482170000069
则可计算得kt为：
Figure GDA0002767482170000071
则调节电流值为：
Figure GDA0002767482170000072
本实施例中，在检测到轨道错台发生后，尽快开始调节线圈预设电流值，以保证悬浮电磁铁与轨道之间的电磁力不变。所以可将开始调节时刻Tb0设定为轨道错台发生时刻Tk，即Tb0＝Tk，即在检测到轨道发生轨道错台并判断控制器能调节悬浮电磁铁的线圈预设电流值时，立即开始执行间隙和电流调节操作。本实施例中，还设定有结束调节时刻Tb1，
Figure GDA0002767482170000073
如果在Tb1时刻前没有检测到轨道错台消失，即在Tb1时刻结束过错台处的间隙和电流调节操作。
在本实施例中，间隙和电流调节操作通过双环控制实现，电流调节在内环，间隙位置调节在外环，内环调节速度快于外环。在对电流调节的过程中，同时采用过错台时的间隙跟踪算法对间隙进行外环控制跟踪。当λ≤0.5，采用未过接缝时传感器的输出值r≈r0进行间隙跟踪；当0.5＜λ≤1，采用已过接缝时传感器的输出值r≈r0+Δr进行间隙跟踪。其中，λ为过渡比例值，r0为预设间隙值。
S106：实时检测轨道错台是否消失。
利用第一均值和第二均值计算间隙均值差值|z1-z2|，并将间隙均值差值与轨道错台高度阈值进行比较。当|z1-z2|＜Δh，且0.5s2≤s1≤2s2时,确定轨道错台消失。
S107：恢复预设平衡点时的间隙和电流控制跟踪。
具体的，在检测到轨道错台消失之后，立即恢复预设平衡点时的预设间隙值r0跟踪和预设平衡点时线圈预设电流值i0跟踪。即将磁悬浮列车与轨道之间的间隙调整为预设间隙值r0，将悬浮电磁铁的线圈预设电流值调节为线圈预设电流值i0。
在实际应用中，还可以参考图3，图3为本发明实施例所提供的系统实现过程示意图，该图说明了错台识别和悬浮控制的工作过程。先对轨道错台进行检测和识别，当确定轨道发生错台时，执行过错台时的间隙和电流调节操作，即在线计算调节电流值和间隙值，并根据调节电流值对悬浮电磁铁的线圈预设电流值进行调节，采用过错台处间隙跟踪算法对间隙跟踪。在调节过程中实时检测轨道错台是否消失，当轨道错台消失后，则停止错台时的间隙和电流调节操作，并恢复预设平衡点时的预设间隙值r0跟踪和预设平衡点时线圈预设电流值i0跟踪。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略，其特征在于，包括：
实时获取ΔT时间段内第一间隙传感器输出的第一间隙值和第二间隙传感器输出的第二间隙值，利用所述ΔT时间段内的第一间隙值计算第一均值和第一方差值，利用所述ΔT时段内的第二间隙值计算第二均值和第二方差值；其中，所述ΔT为较小时间常数；其中，所述第一间隙传感器和所述第二间隙传感器分别设置于所述悬浮电磁铁的两端；
利用所述第一均值z1、所述第一方差值s1、所述第二均值z2和所述第二方差值s2判断轨道是否发生轨道错台；具体的，当s1＞K1*s2，且|z1-z2|＞Δh时，确定发生轨道错台，且所述第一间隙传感器检测到轨道错台；当s2＞K1*s1，且|z1-z2|＞Δh时，确定发生轨道错台，且所述第二间隙传感器检测到轨道错台；其中，所述K1为第一阈值，所述Δh为轨道错台高度阈值；
当确定所述轨道发生轨道错台时，计算轨道错台高度，获取列车运行速度，并利用所述列车运行速度和悬浮电磁铁的长度计算调节时间，判断所述调节时间是否大于控制器的调节时间阈值；
若所述调节时间大于所述控制器的所述调节时间阈值，则执行过错台时的间隙和电流调节操作，并实时检测轨道错台是否消失；
若轨道错台未消失，则执行过错台时的所述间隙和电流调节操作；若轨道错台消失，则恢复预设平衡点时的间隙和电流控制跟踪；
其中，所述间隙和电流调节操作包括：
获取所述悬浮电磁铁的线圈预设电流值，利用所述线圈预设电流值、所述列车运行速度和所述轨道错台高度计算过错台时的调节电流值，利用所述调节电流值，对所述线圈预设电流值进行调节；
采用过错台时的间隙跟踪算法对间隙进行控制跟踪。
2.根据权利要求1所述的磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略，其特征在于，所述计算轨道错台高度，包括：
记录轨道错台发生时刻Tk，利用[Tk+(n-1)ΔT,Tk+nΔT]内的所述第一间隙值计算第一目标均值
Figure FDA0002767482160000011
和第一目标方差值
Figure FDA0002767482160000012
利用[Tk+(n-1)ΔT,Tk+nΔT]内的所述第二间隙值计算第二目标均值
Figure FDA0002767482160000021
和第二目标方差值
Figure FDA0002767482160000022
其中，n为正整数；
当所述第一间隙传感器检测到错台，且
Figure FDA0002767482160000023
时，所述轨道错台高度
Figure FDA0002767482160000024
当所述第二间隙传感器检测到错台，且
Figure FDA0002767482160000025
时，所述轨道错台高度
Figure FDA0002767482160000026
其中，所述K2为第二阈值，0＜K2≤1,
Figure FDA0002767482160000027
为第一间隙传感器信号检测到错台发生时的所述第一目标方差值，
Figure FDA0002767482160000028
为第二间隙传感器信号检测到错台发生时的所述第二目标方差值。
3.根据权利要求1所述的磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略，其特征在于，利用所述线圈预设电流值、所述列车运行速度和所述轨道错台高度计算过错台时的调节电流值，包括：
记录当前时刻t，并利用
Figure FDA0002767482160000029
计算过渡比例值，其中，所述λ为所述过渡比例值，所述t为当前时刻，所述Tk为所述轨道错台发生时刻，所述v为所述列车运行速度，所述L为所述悬浮电磁铁的长度；
利用
Figure FDA00027674821600000210
计算所述调节电流值；其中，所述i0为所述线圈预设电流值，所述Δr为所述轨道错台高度，所述r0为预设间隙值，所述i1为过错台时的所述调节电流值。
4.根据权利要求3所述的磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略，其特征在于，所述采用过错台时的间隙跟踪算法对间隙进行控制跟踪，包括：
当λ≤0.5，采用未过接缝时传感器的输出值r≈r0进行间隙跟踪；
当0.5＜λ≤1，采用已过接缝时传感器的输出值r≈r0+Δr进行间隙跟踪；
所述λ为所述过渡比例值，所述r0为所述预设间隙值。
5.根据权利要求1所述的磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略，其特征在于，所述实时检测轨道错台是否消失，包括：
利用所述第一均值和所述第二均值计算间隙均值差值|z1-z2|，并将所述间隙均值差值与所述轨道错台高度阈值进行比较；
当|z1-z2|＜Δh，且0.5s2≤s1≤2s2时,确定轨道错台消失。
6.根据权利要求5所述的磁浮列车过轨道接缝处轨道错台的悬浮控制策略，其特征在于，所述若轨道错台消失，则恢复预设平衡点时的间隙和电流控制跟踪，包括：
若轨道错台消失，则恢复预设平衡点时的预设间隙值r0跟踪和预设平衡点时线圈预设电流值i0跟踪。
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