CN112158078A - 磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法及相关组件 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法，包括：获取当前导向系统的轨道间隙；获取当前导向系统的工作电流；确定所述工作电流的电流变化率；根据所述工作电流和所述电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数；利用所述控制器参数、所述轨道间隙和运行速度，确定计算电流；在当前导向系统施加所述计算电流。本申请通过预设模糊控制规则，选择控制器参数，进而确定导向系统的计算电流，该计算电流的变化范围较大，满足消除涡流效应或外界干扰的影响时对大电流的需求，实现了针对外界干扰的自适应主动抑制。相应的，本申请还公开了一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制系统、装置及可读存储介质。

Description

磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法及相关组件
技术领域
本发明涉及磁浮列车导向系统领域，特别涉及一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法及相关组件。
背景技术
当前，现有高、中速磁浮列车导向系统在设计控制器时没有充分考虑端部涡流的影响，在较高的行驶速度和过弯时存在导向力和导向刚度不足的问题。具体的，端部涡流斥力随速度的增大而增大，会引起导向力显著的下降，导向电磁铁中需要补偿较大的电流值；在过弯时，电磁铁需要增加较大的电流以提供所需的向心力。而现有导向控制器设计中存在电磁铁工作电流变化范围小，无法克服较大的外界干扰，实现大电流补偿，同时，导向控制器的参数也不能随速度的变化进行调节，因此无法通过控制器的调节克服涡流效应对导向系统的影响。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法及相关组件。其具体方案如下：
一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法，包括：
获取当前导向系统的轨道间隙；
获取当前导向系统的工作电流；
确定所述工作电流的电流变化率；
根据所述工作电流和所述电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数；
利用所述控制器参数、所述轨道间隙和运行速度，确定计算电流；
在当前导向系统施加所述计算电流。
优选的，所述利用所述控制器参数、所述轨道间隙和运行速度，确定计算电流的过程包括：
利用所述控制器参数与所述轨道间隙，确定第一电流；
根据当前导向系统的运行速度，确定对应所述运行速度的反馈电流；
对所述第一电流和所述反馈电流作差，得到所述计算电流。
优选的，所述根据所述工作电流和所述电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数的过程包括：
根据所述轨道间隙、所述工作电流和所述电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数。
优选的，所述在当前导向系统施加所述计算电流的过程包括：
对参考电流和所述计算电流作差，得到动作电流；
在当前导向系统施加所述动作电流。
优选的，每组所述控制器参数对应不同的工作电流区间。
优选的，所述导向系统的导向电磁铁组中，端部电磁铁的长度为其他电磁铁的N倍，N>1。
优选的，所述导向系统的导向电磁铁组为八磁极电磁铁组。
相应的，本申请还公开了一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制系统，包括：
获取模块，用于获取当前导向系统的轨道间隙，还用于获取当前导向系统的工作电流；
第一计算模块，用于确定所述工作电流的电流变化率；
参数确定模块，用于根据所述工作电流和所述电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数；
第二计算模块，用于利用所述控制器参数、所述轨道间隙和运行速度，确定计算电流；
动作模块，用于在当前导向系统施加所述计算电流。
相应的，本申请还公开了一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法的步骤。
相应的，本申请还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任一项所述磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法的步骤。
本申请公开了一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法，包括：获取当前导向系统的轨道间隙；获取当前导向系统的工作电流；确定所述工作电流的电流变化率；根据所述工作电流和所述电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数；利用所述控制器参数、所述轨道间隙和运行速度，确定计算电流；在当前导向系统施加所述计算电流。本申请通过预设模糊控制规则，选择控制器参数，进而确定导向系统的计算电流，该计算电流的变化范围较大，满足消除涡流效应或外界干扰的影响时对大电流的需求，实现了针对外界干扰的自适应主动抑制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法的步骤流程图；
图2a为本发明实施例中输入变量的隶属度函数示意图；
图2b为本发明实施例中输入变量的隶属度函数示意图；
图3为本发明实施例中自适应干扰抑制流程图；
图4为本发明实施例中导向系统的控制结构图；
图5为本发明实施例中电磁铁的结构示意图；
图6a为现有技术中六磁极电磁组的结构示意图；
图6b为本发明实施例中八磁极电磁组的结构示意图；
图7为本发明实施例中一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制系统的结构分布图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
现有导向控制器设计中存在电磁铁工作电流变化范围小，无法克服较大的外界干扰，实现大电流补偿，同时，导向控制器的参数也不能随速度的变化进行调节，因此无法通过控制器的调节克服涡流效应对导向系统的影响。本申请通过预设模糊控制规则，选择控制器参数，进而确定导向系统的计算电流，该计算电流的变化范围较大，满足消除涡流效应或外界干扰的影响时对大电流的需求，实现了针对外界干扰的自适应主动抑制。
本发明实施例公开了一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法，参见图1所示，包括：
S1：获取当前导向系统的轨道间隙；
S2：获取当前导向系统的工作电流；
S3：确定工作电流的电流变化率；
S4：根据工作电流和电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数；
具体的，每组控制器参数对应不同的工作电流区间。
可以理解的是，现有导向系统中，由于速度反馈以及较大外界干扰都会大范围改变静态偏置电流，使导向系统的模型参数发生较大的变化，因此固定参数的控制器很难满足要求，本实施例设置了多组对应不同工作电流区间的控制器参数，能够根据工作电流的大小进行切换。任一组控制器参数对应的控制器，采用线性化或非线性化的方法去确定计算电流，从而满足导向系统的要求，本步骤实际由一个双输入多输出的模糊控制器实现，双输入包括工作电流和电流变化率，多输出包括多组控制器参数，输出的个数与工作电流区间的个数对应，每组控制器参数包括其控制率和对应的权值，权值为0或1。
进一步的，以特定的电流区间举例进行干扰自适应主动抑制方法的说明：假设导向系统的工作电流在0～90A范围内变化，可确定多个工作电流区间分别为：0～10A，10A～30A，30A～60A，60A～90A，分别称为电流区间Ids1、Ids2、Ids3和Ids4，根据导向系统的实际工作状况，可以确定输入变量工作电流idc的论域为I＝[0，90]，单位为A；电流变化率的变化区间设置为-20～20A/s，设置电流变化率
Figure BDA0002715529490000051
的论域为区间Id＝[-20，20]，单位为A/s；此时模糊控制器有4个输出，分别为控制率idc1、idc2、idc3和idc4对应的权值w1、w2、w3和w4。输出变量为权值，因此其论域为区间[0，1]。两个输入变量的隶属度函数可设置如图2a和图2b所示，此时预设模糊控制规则可如下表1所示：
表1模糊规则表
Figure BDA0002715529490000052
此外，本步骤还可将轨道间隙纳入确定控制器参数的考虑因素，轨道间隙是否处于正常工作范围，同样会影响下一步导向系统的控制方向，也即根据工作电流和电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数的过程包括：
根据轨道间隙、工作电流和电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数。
S5：利用控制器参数与轨道间隙、运行速度，确定计算电流；
具体的，步骤S5利用控制器参数与轨道间隙、运行速度，确定计算电流的过程包括：
利用控制器参数与轨道间隙，确定第一电流；
根据当前导向系统的运行速度，确定对应运行速度的反馈电流；
对第一电流和反馈电流作差，得到计算电流。
其中，运行速度具体为当前导向系统的运行速度，通常从定位测速系统或其他可获取列车运行速度的系统中得到。可以理解的是，在导向系统的控制过程中，运行速度的变化会引起平衡点电流的漂移，在利用运行速度确定反馈电流时，解决了当前面临的电流漂移问题。
具体的，本实施例中自适应干扰抑制流程图如图3所示，整个导向系统的控制结构如图4所示，在实际确定计算电流的过程中，使用的是实际的轨道间隙与参考间隙zref作差得到的△z，△z通过不同的控制器的控制率，会得到不同的电流值，但由于多个控制器只有一个有效(权值为1)，有效的控制器会输出电流值，将其作为第一电流；
进一步的，反馈电流为对自适应干扰抑制新增的速度反馈，与运行速度对应的控制率为：
Figure BDA0002715529490000061
其中Fn(v)为涡流斥力；z0为静态平衡工作点间隙；i0为静态平衡工作点电流；N为线圈匝数，A为磁轭极面积，μ0为真空磁导率。
其中，涡流斥力可通过有限元仿真方法实现，如图5所示，假设电磁铁1的长度为λ，磁轭2的宽度为h，运行速度为v，根据导向系统实际参数进行电磁场仿真，可得到磁浮列车不同运行速度下的导向力大小。当运行速度v小于200km/h时，导向力损失的程度较小，但下降的速度较快，实际导向力小于按理论公式计算得到的数值；速度在200km/h～600km/h时，由涡流效应影响而损失的导向力变化缓慢，采用线性关系来表征。假设不同速度下涡流斥力的值分别为(0，x1)、(200，x2)、(300，x3)、(400，x4)、(500，x5)、(600，x6)，涡流产生的理论公式进行计算，则当速度小于200km/h，导向力和导向系统刚度大于预定值；当速度大于200km/h时，导向力和导向系统刚度等于预定值，满足了导向系统的要求；涡流斥力与电磁铁结构尺寸、速度之间的关系对应的理论公式如下：
Figure BDA0002715529490000071
其中σ为导轨材料的电导率，α，β为待定系数，当电磁铁结构一定时，因涡流效应而减小的导向力与列车运行速度v的关系是近似成正比的。α，β的值根据(1)式，采用最小二乘法，对涡流斥力随速度的点(200，x2)、(300，x3)、(400，x4)、(500，x5)、(600，x6)进行线性拟合，则所得直线在斥力坐标轴的截距为α，若直线斜率为k，则系数β的值按下式进行计算：
Figure BDA0002715529490000072
S6：在当前导向系统施加计算电流。
进一步的，步骤S6在当前导向系统施加计算电流的过程包括：
对参考电流和计算电流作差，得到动作电流；
在当前导向系统施加动作电流。
可以理解的是，整个导向系统中工作电流与轨道间隙息息相关，通过调节工作电流的大小，即可将轨道间隙调整到期望值也即参考间隙。本实施例选择模糊控制方法，为每个工作电流区间预先设置最合适的控制器，包括每个控制器的控制器参数/控制率，在调节工作电流也即施加计算电流的过程中，根据预设模糊控制规则，选择确定当前工作电流和电流变化率对应的控制器参数，工作电流在不同区间变化的过程中，切换不同的控制器，有效的控制器参数在发生变化，但每个控制器的结构并未变化，保证控制器稳定工作。
本申请公开了一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法，包括：获取当前导向系统的轨道间隙；获取当前导向系统的工作电流；确定工作电流的电流变化率；根据工作电流和电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数；利用控制器参数与轨道间隙、运行速度，确定计算电流；在当前导向系统施加计算电流。本申请通过预设模糊控制规则，选择控制器参数，进而确定导向系统的计算电流，该计算电流的变化范围较大，满足消除涡流效应或外界干扰的影响时对大电流的需求，实现了针对外界干扰的自适应主动抑制。
本发明实施例公开了一种具体的磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的，导向电磁铁组的结构或布局可进行相应的改进，以消除涡流的影响，缩小工作电流的变化范围：
例如，对结构进行改进，通过加长端部电磁铁的尺寸，也即导向系统的导向电磁铁组中，端部电磁铁的长度为其他电磁铁的N倍，N>1。加长端部电磁铁的长度，增加了电磁铁线圈的匝数，能使端部电磁铁具有更大的极面积，增加的导向力可抵消涡流效应的影响。考虑到散热问题，在不改变六磁极电磁铁组方案的通电电流大小的情况下，端部电磁铁磁极增加的长度Δλ按下式进行计算：
Figure BDA0002715529490000081
其中，μ0为空气磁导率，σ为导轨材料的电导率，N为线圈匝数，z0为工作点间隙，由于外界扰动，静态平衡工作点电流会有若干个，i0min为最小的平衡工作点电流，vmax为列车设计的最大时速。同时，需要增加线圈匝数，增加的匝数ΔN按下式进行计算：
Figure BDA0002715529490000082
另外，对电磁铁布局进行改进，原来为六磁极电磁组，如图6a所示(左侧为端部)，现调整导向系统的导向电磁铁组为八磁极电磁铁组，如图6b所示(左侧为端部)，1为传感器，2为边框，3为导向电磁铁，4为箱梁，每个磁极的尺寸均不变化，仅将磁极的数量增加至八个。这种布局的改进，不改变单个电磁铁的尺寸和工作电流大小，提高了导向力的大小，增强了导向系统的刚度，提升了系统的性能。
可以理解的是，不论上文中未改进的导向系统，还是本实施例中改进的导向系统，均可建立动力学模型，可选用线性化模型或非线性化模型。以线性化模型为例，其状态空间模型如下式所示：
Figure BDA0002715529490000091
其中，Δz为间隙变化量；Δi为电流变化量；Δu为电压变化量；M0为单个电磁铁的等效质量；i0为静态平衡工作点电流；z0为静态平衡工作点间隙；R为电磁铁线圈的电阻；L0为电磁铁线圈的电感。C为常量，且
Figure BDA0002715529490000092
其中，N为线圈匝数，A为磁轭极面积，μ0为真空磁导率。
利用该空间状态模型，进行上一实施例中提到的干扰自适应主动抑制方法，可实现较为理想的系统控制。需要注意的是，由于涡流效应的影响已经通过结构进行了补偿，不再需要步骤S5中速度反馈，也即本实施例中速度反馈为零。
相应的，本申请实施例还公开了一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制系统，参见图7所示，包括：
获取模块01，用于获取当前导向系统的轨道间隙，还用于获取当前导向系统的工作电流；
第一计算模块02，用于确定工作电流的电流变化率；
参数确定模块03，用于根据工作电流和电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数；
第二计算模块04，用于利用控制器参数与轨道间隙、运行速度，确定计算电流；
动作模块05，用于在当前导向系统施加计算电流。
本申请通过预设模糊控制规则，选择控制器参数，进而确定导向系统的计算电流，该计算电流的变化范围较大，满足消除涡流效应或外界干扰的影响时对大电流的需求，实现了针对外界干扰的自适应主动抑制。
相应的，本申请实施例还公开了一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法的步骤。
其中，本实施例中关于干扰自适应主动抑制方法的具体内容，可参考上文实施例中的相关描述，此处不再赘述。
其中，本实施例中磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制装置，具有与上文实施例相同的有益效果，此处不再赘述。
相应的，本申请还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任一项所述磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法的步骤。
其中，本实施例中关于干扰自适应主动抑制方法的具体内容，可参考上文实施例中的相关描述，此处不再赘述。
其中，本实施例中可读存储介质，具有与上文实施例相同的有益效果，此处不再赘述。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法及相关组件进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法，其特征在于，包括：
获取当前导向系统的轨道间隙；
获取当前导向系统的工作电流；
确定所述工作电流的电流变化率；
根据所述工作电流和所述电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数；
利用所述控制器参数、所述轨道间隙和运行速度，确定计算电流；
在当前导向系统施加所述计算电流。
2.根据权利要求1所述干扰自适应主动抑制方法，其特征在于，所述利用所述控制器参数、所述轨道间隙和运行速度，确定计算电流的过程包括：
利用所述控制器参数与所述轨道间隙，确定第一电流；
根据当前导向系统的运行速度，确定对应所述运行速度的反馈电流；
对所述第一电流和所述反馈电流作差，得到所述计算电流。
3.根据权利要求1所述干扰自适应主动抑制方法，其特征在于，所述根据所述工作电流和所述电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数的过程包括：
根据所述轨道间隙、所述工作电流和所述电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数。
4.根据权利要求1所述干扰自适应主动抑制方法，其特征在于，所述在当前导向系统施加所述计算电流的过程包括：
对参考电流和所述计算电流作差，得到动作电流；
在当前导向系统施加所述动作电流。
5.根据权利要求1至4任一项所述干扰自适应主动抑制方法，其特征在于，每组所述控制器参数对应不同的工作电流区间。
6.根据权利要求5所述干扰自适应主动抑制方法，其特征在于，所述导向系统的导向电磁铁组中，端部电磁铁的长度为其他电磁铁的N倍，N>1。
7.根据权利要求5所述干扰自适应主动抑制方法，其特征在于，所述导向系统的导向电磁铁组为八磁极电磁铁组。
8.一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取当前导向系统的轨道间隙，还用于获取当前导向系统的工作电流；
第一计算模块，用于确定所述工作电流的电流变化率；
参数确定模块，用于根据所述工作电流和所述电流变化率，通过预设模糊控制规则确定对应的控制器参数；
第二计算模块，用于利用所述控制器参数、所述轨道间隙和运行速度，确定计算电流；
动作模块，用于在当前导向系统施加所述计算电流。
9.一种磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法的步骤。
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述磁浮列车导向系统的干扰自适应主动抑制方法的步骤。
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