CN111103809B - 一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台，包括高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台、中低速磁浮列车单点悬浮试验台和DSPACE半实物仿真平台，高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台用于模拟轨道发生故障以及轨道的激振情况；中低速磁浮列车单点悬浮试验台用于模拟中低速磁浮列车运行过程中上下客造成的列车负载变化情况；DSPACE半实物仿真平台中运行程序，用于切换两个试验台中的悬浮算法和控制参数。与现有技术相比，本发明更加贴合两种列车在运行过程中实际应用情况，使得基于该平台研究和设计的磁悬浮控制算法更加精确。

Description

一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台

技术领域

本发明涉及一种磁浮列车领域，尤其是涉及一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台。

背景技术

目前，由于磁浮列车在运行时无机械接触这一特性，极大了降低了机械磨损以及能源消耗，具有较高的环保优势，逐步称为一种新型的轨道交通工具。高速磁浮列车能够有效突破轮轨接触造成的速度上限，从而以较低的能耗达到更高的运行速度。而中低速磁浮列车在运行过程中较低的机械噪声(相当于很高档的小汽车的声音)是现有的轻轨、地面轨道交通所无法比拟的。

磁悬浮的控制算法是磁悬浮列车中的关键技术，控制算法通过时时采集悬浮间隙数据以及加速度数据对输出悬浮电流进行实时调节，从而达到稳定悬浮的目的。控制算法的研究、试验和设计都需要基于磁悬浮实验平台。如公开号为CN109782628A的中国发明申请公开了一种基于实时仿真系统的磁悬浮列车实验台控制系统，从算法上实现了对实现平台的控制。但是该方法只公开了一种普通的静态悬浮模拟平台，而磁悬浮列车一般分为高速磁悬浮列车和中低速磁悬浮列车，由于其运营方式和速度的截然不同，使得普通的静态悬浮模拟无法贴近实际的应用场景，导致控制算法的研究和设计产生偏差，造成不良影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台，包括高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台、中低速磁浮列车单点悬浮试验台和DSPACE半实物仿真平台，所述的高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台和中低速磁浮列车单点悬浮试验台均连接DSPACE半实物仿真平台，其中：所述的高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台用于模拟轨道发生故障以及轨道的激振情况；所述的中低速磁浮列车单点悬浮试验台用于模拟中低速磁浮列车运行过程中上下客造成的列车负载变化情况；所述的DSPACE半实物仿真平台中运行程序，用于切换两个试验台中的悬浮算法和控制参数。

进一步地，所述的高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台包括液压激振装置、第一轨道模块、第一电磁铁模块、第一悬浮传感器模块和第一悬浮控制箱模块和轨道支架，所述的第一轨道模块包括两段相连的轨道梁，并且第一轨道模块通过轨道支架悬空固定，所述的液压激振装置安装两段轨道梁的连接处，所述的第一电磁铁模块安装在第一轨道模块的下方，所述的第一悬浮传感器模块用于检测第一轨道模块和第一电磁铁模块之间的间隙，所述的第一悬浮控制箱模块单独设置，并且连接第一电磁铁模块和第一悬浮传感器模块，所述的DSPACE半实物仿真平台连接第一悬浮控制箱模块。

进一步地，所述的第一悬浮传感器模块包括四个悬浮传感器，每两个悬浮传感器用于测量每段轨道分别和第一电磁铁模块之间的间隙，所述的第一电磁铁模块包括连接板和多块电磁铁，多块电磁铁均安装在连接板上，并且分布在第一轨道模块的正下方。

进一步地，所述的第一悬浮控制箱模块包括两个控制箱体，每个控制箱体连接一段轨道梁下的电磁铁和和悬浮传感器。

进一步地，所述的第一电磁铁模块下方设有阻尼托架。

进一步地，所述的中低速磁浮列车单点悬浮试验台包括第二轨道模块、第二电磁铁模块、第二悬浮传感器模块、负载模块和第二悬浮控制箱，所述的第二电磁铁模块为互相连接的单块电磁铁和安装板，设置在第二轨道模块的下方，所述的第二电磁铁模块连接负载模块，所述的第二悬浮传感器模块用于检测第二轨道模块和第二电磁铁模块之间的间隙，所述的第一悬浮控制箱模块单独设置，并且连接第二电磁铁模块和第二悬浮传感器模块，所述的DSPACE半实物仿真平台连接第二悬浮控制箱模块。

进一步地，所述的第二轨道模块为悬空单根轨道梁。

进一步地，所述的安装板两端活动连接支撑架，用于托放第二电磁铁模块。

进一步地，所述的负载模块包括负重板、连接杆和多块钢板，所述的负重板两端通过连接杆连接上端的安装板，钢板用于放置在负重板上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过设置高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台和中低速磁浮列车单点悬浮试验台分别磁悬浮控制进行模拟，使其更加贴合两种列车在运行过程中实际应用情况，使得基于该平台研究和设计的磁悬浮控制算法更加精确。

2、本发明通过增加液压激振装置来模拟轨道不平顺情况，从而模拟现场运营时轨道对悬浮控制的动态干扰情况，包括轨道梁间因几何偏差产生的外部干扰与列车运行时轨道相互作用而产生的内部干扰。通过调试不同干扰情况下悬浮控制算法的性能来提升悬浮控制稳定性，有助于研究和设计出鲁棒性更好的磁悬浮控制算法；同时，液压激振装置还能够对所连接的两根轨道梁进行独立控制，即一条轨道梁利用液压激振装置模拟轨道的不平顺，另一条钢轨为非干扰状态，每条钢轨所连接的悬浮控制器对上述两个悬浮点独立控制，从而对比不同钢轨状态下悬浮控制器的控制性能。

3、本发明通过增加负载模块来模拟不同的车辆载重情况，使其更加贴合列车现场运营时载客量不同的实际情况，使得基于该平台研究和设计的磁悬浮控制算法的适用性更好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明涉及的悬浮控制原理示意图。

图3为本发明涉及的悬浮控制基本流程示意图。

附图标记：1、液压激振装置，2、第一轨道模块，3、第一电磁铁模块，4、第一悬浮传感器模块，5、第一悬浮控制箱模块，6、轨道支架，7、第二悬浮控制箱模块，8、第二电磁铁模块，9、第二悬浮传感器模块，10、负载模块，11、第二轨道模块，12、支撑架，13、DSPACE半实物仿真平台，14、上位机，15、阻尼托架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供了一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台，包括高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台、中低速磁浮列车单点悬浮试验台、DSPACE半实物仿真平台13和上位机14。高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台和中低速磁浮列车单点悬浮试验台均连接DSPACE半实物仿真平台13，DSPACE半实物仿真平台13连接上位机14。

高速磁悬浮列车由于速度快，在通过轨道时容易引发轨道的激振，尤其是在两段轨道的连接处，该连接处由于故障或者激振产生的轨道间间隙大小变化对磁悬浮列车的稳定行使影响具大。因此，本实施例中的高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台就是用于模拟轨道发生故障以及轨道激振的情况。

高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台具体包括液压激振装置1、第一轨道模块2、第一电磁铁模块3、第一悬浮传感器模块4、第一悬浮控制箱模块5和轨道支架6。第一轨道模块2包括两段相连的轨道梁，并且第一轨道模块2通过轨道支架6悬空固定。液压激振装置1安装在两段轨道梁的连接处。第一电磁铁模块3安装在第一轨道模块2的下方。第一电磁铁模块3包括连接板和多块电磁铁，多块电磁铁均安装在连接板上，并且分布在第一轨道模块2的正下方。第一电磁铁模块3下方还设有阻尼托架15，当第一电磁铁模块3通电时会被向上吸引从而离开阻尼托架15。第一悬浮传感器模块4设置在第一轨道模块2的侧方，用于检测第一轨道模块2和第一电磁铁模块3之间的间隙。第一悬浮传感器模块4包括四个悬浮传感器，每两个悬浮传感器用于测量每段轨道梁分别和第一电磁铁模块3之间的间隙。第一悬浮控制箱模块5单独设置，并且连接第一电磁铁模块3和第一悬浮传感器模块4。DSPACE半实物仿真平台13连接第一悬浮控制箱模块5。液压激振装置1连接上位机14。第一悬浮控制箱模块5包括两个控制箱体，每个控制箱体连接一段轨道梁下的电磁铁和和悬浮传感器。

中低速磁悬浮列车因为其低速运行特性必然会成为城市轨道交通的主力军，每一站停靠后需要面对大客流的上下车，此时不会是先将列车下降后停靠，启动时重新电磁铁通电悬浮，一定是始终保持悬浮状态。因此，对磁悬浮控制影响最大的是每站停止时上下客造成的负载变化情况。本实施例中的中低速磁浮列车单点悬浮试验台正是用于模拟这一情况。

中低速磁浮列车单点悬浮试验台包括第二轨道模块11、第二电磁铁模块8、第二悬浮传感器模块9、负载模块10和第二悬浮控制箱。第二电磁铁模块8为互相连接的单块电磁铁和安装板，设置在第二轨道模块11的下方。第二电磁铁模块8连接负载模块10。第二轨道模块11为悬空单根轨道梁。安装板两端活动连接支撑架12，用于托放第二电磁铁模块8。第二悬浮传感器模块9安装在第一轨道模块2的一侧，用于检测第二轨道模块11和第二电磁铁模块8之间的间隙。第一悬浮控制箱模块5单独设置，并且连接第二电磁铁模块8和第二悬浮传感器模块9。DSPACE半实物仿真平台13连接第二悬浮控制箱模块7。上位机14连接DSPACE半实物仿真平台13。负载模块10包括负重板、连接杆和多块钢板，重板两端通过连接杆连接上端的安装板，钢板用于放置在负重板上。

高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台，以及中低速磁浮列车单点悬浮试验台和DSPACE半实物仿真平台13之间传输加速度信号、悬浮间隙信号、计算电流信号、接地信号、输入电压测量信号、电磁铁电流测量信号，其中，加速度信号、悬浮间隙信号、接地信号、输入电压测量信号和电磁铁电流测量信号通过ADC接口输入至DSPACE半实物仿真平台13，计算电流信号通过DAC接口从DSPACE半实物仿真平台13输出。

第一悬浮控制箱和第二悬浮控制箱采用现有的磁悬浮控制箱体，内部包括输出支撑电容、充电接触器、主接触器、外充电电阻、熔断器和输入电压传感器等硬件，拆除其原有的烧录悬浮控制算法的控制板，使其直接接入DSPACE半实物仿真平台13。

DSPACE半实物仿真平台13中运行程序，用于切换两个试验台中的悬浮算法和控制参数。通过Simulink建立控制算法模型，采用实物模型代替纯仿真系统中数学模型(包括线性模型或非线性模型)，将高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台和中低速磁浮列车单点悬浮试验台中采集的信号传输给控制算法模型，将控制算法模型编译成C语言后传递给DSP，得到相应控制信号进行输出，从而达到控制效果。

在仿真试验过程中，液压激振装置1通过电压和频率两个输入参数来控制激振情况，对于给定的电压和频率参数，液压激振所模拟的轨道动态情况是基本相同的，因此便于开展不同控制算法或控制参数下的对比实验。

如图2所示，DSPACE半实物仿真平台中通过Simulink编写控制算法，并进行编译，生成的控制信号使PWM产生驱动脉冲，从而驱动功率开关产生悬浮电流，该电流通过电磁铁模块产生电磁悬浮力，该力垂直于列车运行方向，改变垂向加速度，从而改变悬浮间隙。同时，DSPACE半实物仿真平台通过悬浮传感器模块采集的悬浮间隙值与目标悬浮间隙进行比对，产生的误差信号反馈到控制算法中，形成悬浮间隙的闭环控制环，实现动态实时的悬浮控制。定义补偿及仿真算法，将需要测量的信号加载到recorder，生成.mat文件，在matlab中生成控制文件。在针对该仿真进行试验时，通过传递给DSPACE半实物仿真平台的测量信号生成相应的计算电流值返回控制试验台来验证不同工况下悬浮控制算法的适应性和控制参数的匹配性。

如图3所示，当实际悬浮间隙值超出目标间隙范围时，悬浮控制器进入中断程序，通过悬浮传感器采集间隙值和加速度值进行采集接入DSPACE，同时编译控制算法实现与DSPACE半实物仿真平台通讯。通过对采集信号与期望值进行比较判断，从而得到相应误差信号，在此基础上重新调整控制电流，进而调整悬浮间隙，减小误差。此时的中断程序为定时中断，在一个控制周期内检测系统悬浮间隙产生误差，在运行闭环控制的基础上，断续地以“插入”方式根据误差调节控制电流。对悬浮间隙值和加速度值进行采样，通过接口板电路传递给DSPACE半实物仿真平台，实时编译为状态模型。通过DSPACE半实物仿真平台的I/O口将ADC接口接入的输入信号(加速度值、悬浮间隙值、计算电流值、接地、输入电压测量值)和DAC接口输出的输出信号(电流计算值)分别连接，从而达到接入DSPACE半实物仿真平台的目的。此外，将基于Simulink书写的控制算法进行编译，定义采样时间，从而达到控制算法与试验设备连接的目的。

本实施例的工作原理为：

在进行仿真控制时，首先打开液压激振装置，并且在负载模块上增加相应重量的钢板进行环境模拟。液压激振装置通过不断给予轨道相应的变形激励使其产生微小变形来模拟实际轨道工况。负载模块上质量的加减来模拟实际车辆上下客情况。第一悬浮控制箱模块和第二悬浮空控制箱模块分别接收高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台和中低速磁浮列车悬浮系统单点悬浮试验台中的传感器采集到的间隙信号和加速度信号，通过Simulink上所设计的不同控制算法计算出悬浮控制期望电流值，根据悬浮控制期望电流值，产生PWM驱动脉冲，驱动功率开关，在电磁铁中产生悬浮电流，进而产生悬浮力，实现设备悬浮。

本实施例中拆除了悬浮控制箱中原有控制板，因此在悬浮控制箱内只存在斩波器、测量信号转化设备及驱动电路，根据ADC接口接入的传感器测量信号在Simulink计算得到控制期望电流值后，传递给DSPACE半实物仿真平台，经过DAC接口传递给PWM产生驱动脉冲。

在进行悬浮试验时，由于高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台和DSPACE半实物仿真平台构成一回路，中低速磁浮列车悬浮系统单点悬浮试验台与DSPACE半实物仿真平台构成另一回路，在主电路400V上电后，110V直流电源给起伏控制信号，开关电源等供电，10V信号传递给DSPACE半实物仿真平台进行I/O连接，可以在上位机中定义不同控制算法或控制参数，进行实时修改，达到算法寻优/参数寻优的目的。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台，其特征在于，包括高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台、中低速磁浮列车单点悬浮试验台和DSPACE半实物仿真平台，所述的高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台和中低速磁浮列车单点悬浮试验台均连接DSPACE半实物仿真平台，其中：所述的高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台用于模拟轨道发生故障以及轨道的激振情况；所述的中低速磁浮列车单点悬浮试验台用于模拟中低速磁浮列车运行过程中上下客造成的列车负载变化情况；所述的DSPACE半实物仿真平台中运行程序，用于切换两个试验台中的悬浮算法和控制参数；

所述的高速磁浮列车车轨磁力耦合试验台包括液压激振装置、第一轨道模块、第一电磁铁模块、第一悬浮传感器模块和第一悬浮控制箱模块和轨道支架，所述的第一轨道模块包括两段相连的轨道梁，并且第一轨道模块通过轨道支架悬空固定，所述的液压激振装置安装两段轨道梁的连接处，所述的第一电磁铁模块安装在第一轨道模块的下方，所述的第一悬浮传感器模块用于检测第一轨道模块和第一电磁铁模块之间的间隙，所述的第一悬浮控制箱模块单独设置，并且连接第一电磁铁模块和第一悬浮传感器模块，所述的DSPACE半实物仿真平台连接第一悬浮控制箱模块。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台，其特征在于，所述的第一悬浮传感器模块包括四个悬浮传感器，每两个悬浮传感器用于测量每段轨道分别和第一电磁铁模块之间的间隙，所述的第一电磁铁模块包括连接板和多块电磁铁，多块电磁铁均安装在连接板上，并且分布在第一轨道模块的正下方。

3.根据权利要求2所述的一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台，其特征在于，所述的第一悬浮控制箱模块包括两个控制箱体，每个控制箱体连接一段轨道梁下的电磁铁和悬浮传感器。

4.根据权利要求1所述的一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台，其特征在于，所述的第一电磁铁模块下方设有阻尼托架。

5.根据权利要求1所述的一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台，其特征在于，所述的中低速磁浮列车单点悬浮试验台包括第二轨道模块、第二电磁铁模块、第二悬浮传感器模块、负载模块和第二悬浮控制箱，所述的第二电磁铁模块为互相连接的单块电磁铁和安装板，设置在第二轨道模块的下方，所述的第二电磁铁模块连接负载模块，所述的第二悬浮传感器模块用于检测第二轨道模块和第二电磁铁模块之间的间隙，所述的第一悬浮控制箱模块单独设置，并且连接第二电磁铁模块和第二悬浮传感器模块，所述的DSPACE半实物仿真平台连接第二悬浮控制箱模块。

6.根据权利要求5所述的一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台，其特征在于，所述的第二轨道模块为悬空单根轨道梁。

7.根据权利要求5所述的一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台，其特征在于，所述的安装板两端活动连接支撑架，用于托放第二电磁铁模块。

8.根据权利要求5所述的一种用于高速和中低速磁悬浮列车的悬浮控制仿真平台，其特征在于，所述的负载模块包括负重板、连接杆和多块钢板，所述的负重板两端通过连接杆连接上端的安装板，钢板用于放置在负重板上。

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