CN112848910B - 一种基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法 - Google Patents

一种基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法，计算加速度信号，判断加速度信号是否正常，在加速度信号由正常转为异常时，采用迭代方法，调整间隙系数、加速度积分系数在阻尼中的占比，保持总阻尼不变；在加速度信号异常消失后，反向调节间隙系数、加速度积分系数在阻尼中的占比，保持总阻尼及其组成不变。本申请通过判定加速度信号是否产生异常，在产生异常时，增大间隙微分的反馈系数，使总的阻尼保持平稳，在没有异常时，引入加速度积分阻尼，减小间隙微分的反馈系数，同样使总的阻尼保持平稳，排除了加速度异常对总阻尼的影响，实现阻尼的平滑，保证磁悬浮的平稳运行。

Description

一种基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法
技术领域
本发明涉及磁悬浮列车控制技术领域，尤其是涉及一种基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法。
背景技术
目前，利用悬浮磁铁垂向加速度的积分来提供一部分阻尼，是悬浮系统常用的控制手段，其对于抑制轨道不平顺具有良好效果。然而，在悬浮系统受到外界振动冲击时，比如夹钳制动，加速度信号中会叠加较强的干扰信号，且干扰信号的幅值大、变化剧烈，导致由加速度积分所得的阻尼中存在较强的干扰，影响悬浮性能；严重时这部分干扰会导致悬浮系统失稳。
加速度信号中叠加的干扰信号属于随机信号，所包含的频带丰富，不易采用滤波方法进行实时处理。此时，将加速度信号通过隔直积分所得的信号中含有较大的噪声，不能够准确反映悬浮磁铁垂向运动的速度，因此利用其提供的阻尼也不合适，甚至还会造成不利影响。
因此，如何排除加速度中的干扰信号，平稳总的阻尼，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法，判定加速度信号是否产生异常，采用迭代方法，在产生异常时，增大间隙微分的反馈系数，使总的阻尼保持平稳，在没有异常时，引入加速度积分阻尼，减小间隙微分的反馈系数，同样使总的阻尼保持平稳，排除了加速度异常对总阻尼的影响，实现阻尼的平滑，保证磁悬浮的平稳运行。
第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法，计算加速度信号，判断加速度信号是否正常，在加速度信号由正常转为异常时，采用迭代方法，调整间隙系数、加速度积分系数在阻尼中的占比，保持总阻尼不变；在加速度信号异常消失后，反向调节间隙系数、加速度积分系数在阻尼中的占比，保持总阻尼及其组成不变。
本发明进一步设置为：计算加速度的合理范围为：
Figure GDA0003034511100000021
Figure GDA0003034511100000022
式中，M表示悬浮系统的总重量，m表示空簧以下部分的重量，g表示重力加速度，Fmax表示悬浮磁铁能提供的最大磁力。
本发明进一步设置为：判断加速度信号是否正常，包括以下步骤：
S1、记录当前时刻的悬浮间隙z、悬浮电流i和加速度值；
S2、根据悬浮力的计算模型，估算当前时刻的悬浮力F＝f(z，i)；
S3、计算悬浮力相对前一时刻的变化量dF；
S4、计算加速度相对前一时刻的变化量da；
S5、计算加速度变化量的偏差值Δ＝|(dF/m)-da|；
S6、判断加速度是否异常。
本发明进一步设置为：将偏差值与偏差设定值进行比较，若偏差值大于偏差设定值，则判定为加速度变化量偏差过大；将加速度的幅值与幅值设定值进行比较，若幅值大于幅值设定值，则判定为加速度幅值过大；在加速度幅值过大且加速度变化量偏差过大时，判定加速度信号异常。
本发明进一步设置为：当判定到加速度信号由正常转变为异常时，采用迭代方法，调节间隙系数kd1和加速度积分系数kd2，经过n次迭代后，加速度积分系数变为0,间隙系数增加；
kd1(new)＝kd1(old)+λ·step (1)；
kd2(new)＝kd2(old)-step (2)；
step＝kd20/n (3)；
式中，kd20表示无异常时的加速度积分系数，n表示处理过程的迭代次数，step表示迭代步长，λ表示加速度积分相对间隙微分的归一化系数。
本发明进一步设置为：当判定到加速度信号异常消失后，反向调节间隙系数kd1和加速度积分系数kd2：
kd1(new)＝kd1(old)-λ·step (4)；
kd2(new)＝kd2(old)+step (5)；
经过上式，逐步恢复间隙系数kd1到异常出现之前的值kd10，逐步恢复加速度积分系数kd2到异常出现之前的值kd20。
本发明进一步设置为：采用PID控制算法，悬浮控制器调节悬浮磁铁的电流，改变悬浮间隙：
Figure GDA0003034511100000031
其中，kp表示比例系数，ki表示积分系数；z表示悬浮间隙，
Figure GDA0003034511100000032
表示间隙微分，a表示加速度；z0表示额定间隙，I0表示额定电流；kd1表示间隙微分系数，kd2表示加速度积分系数，kd1、kd2的值与加速度信号状态有关；根据加速度正常与否，调整kd1、kd2，保持总阻尼
Figure GDA0003034511100000041
不变。
第二方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种基于加速度信号的磁悬浮列车悬浮控制终端，包括存储器、处理器、以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现本申请所述方法。
第三方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本申请所述方法。
与现有技术相比，本申请的有益技术效果为：
1.本申请通过增大或减小总阻尼中加速度积分的占比，相应地减小或增大间隙微分的占比，保持总阻尼平滑，实现了对磁悬浮系统的平稳控制；
2.进一步地，本申请通过判定加速度异常与否，增大或减小加速度积分在总阻尼中的占比，排除掉加速度异常对总阻尼的影响，维持磁悬浮系统的稳定性。
具体实施方式
以下对本发明作进一步详细说明。
具体实施例一
本申请的一种基于加速度信号的磁悬浮列车悬浮控制方法，磁悬浮系统垂向运动的加速度变化范围取决于其系统特性，此申请中，以高速磁浮列车为例进行说明。
设其悬浮系统的总重量是M，空簧以下部分的重量是g，则其向下的加速度最大为Mg/m，其中g表示重力加速度；设悬浮磁铁能提供的最大磁力为Fmax，则其向上的加速度最大为Fmax/m-g。取竖直向下为正方向，考虑加速度计测量时会存在直流量g，则所测的加速度信号的合理范围为：
Figure GDA0003034511100000051
当加速度信号超过式(1)所述范围时，判定加速度信号异常。
在车辆行驶过程中，不会发生乘客上下车等情况，悬浮系统的承载重量不会发生变化；此时，仅悬浮磁铁提供的作用力会对加速度产生直接影响。将加速度变化情况与悬浮间隙和电流的变化情况相关联，通过其垂向运动的机理来判定加速度的变化是否合理，包括如下步骤：
S1、记录当前时刻的悬浮间隙z、悬浮电流i和加速度值；
S2、根据悬浮力的计算模型，估算当前时刻的悬浮力F＝f(z,i)；
S3、计算悬浮力相对前一时刻的变化量dF；
S4、计算加速度相对前一时刻的变化量da；
S5、计算加速度变化量的偏差值Δ＝|(dF/m)-da|，||表示求绝对值；
S6、根据偏差值Δ的大小或加速度的幅值，判断加速度是否异常。
其中，悬浮力的计算模型F＝f(z,i)与悬浮磁铁有关，在确定悬浮磁铁的结构与主要参数后，通过有限元计算的方法，可以测得悬浮间隙、电流与悬浮力之间的对应关系，进而得到该计算模型。
加速度幅值过大或加速度偏差值过大时，判定加速度异常，加速度信号存在较强干扰。
在本申请的一个具体实施例中，设置偏差设定值、幅值设定值，将偏差值与偏差设定值进行比较，若偏差值大于偏差设定值，则判定为加速度变化量偏差过大；将加速度的幅值与幅值设定值进行比较，若幅值大于幅值设定值，则判定为加速度幅值过大；在加速度幅值过大且加速度变化量偏差过大时，判定加速度信号异常。
在本申请的另一个具体实施例中，判断加速度的幅值和变化量的偏差是否过大；若二者均过大，则判定加速度异常，否则认为正常。
当判定出现加速度信号异常时，不再使用加速度积分作为阻尼，只采用间隙微分作为阻尼，同时增大间隙微分的反馈系数，使得处理前后总的阻尼基本保持不变；当加速度信号由异常转变为正常时，再引入加速度积分提供阻尼，同时将间隙微分的反馈系数减小，仍然保持总的阻尼基本不变。整个处理过程中，根据加速度信号是否正常，决定是否由加速度提供阻尼，从而实现阻尼的平滑过渡。
对于磁悬浮系统，设采用电流环来加快电流对电压的响应速度，并采用PID控制算法，悬浮控制器的控制表示如下：
Figure GDA0003034511100000061
其中，kp表示比例系数，kd1表示间隙微分系数，kd2表示加速度积分系数，ki表示积分系数；z表示悬浮间隙，
Figure GDA0003034511100000071
表示间隙微分，a表示加速度；z0表示额定间隙，I0表示额定电流。
根据加速度信号的正常与否，调整kd1、kd2，保持总阻尼
Figure GDA0003034511100000072
不变。
在加速度信号一直为正常时，式(2)中的kd1＝kd10，kd2＝kd20；式中，kd10表示加速度信号正常时的间隙微分系数，kd20表示加速度信号正常时的加速度积分系数。
当判定到加速度信号由正常转变为异常时，采用迭代方法，调节间隙系数kd1和加速度积分系数kd2，式(2)中的kd1由下式(3)进行迭代，kd2由下式(4)进行迭代：
kd1(new)＝kd1(old)+λ·step (3)；
kd2(new)＝kd2(old)-step (4)；
step＝kd20/n (5)。
其中，kd20表示无异常时的加速度积分系数，n表示处理过程的迭代次数，step表示迭代步长，λ表示加速度积分相对间隙微分的归一化系数。经过n次迭代后，加速度积分系数变为0，间隙微分系数增加λ·kd20。
当判定到加速度信号的异常消失后，反向调节间隙系数kd1和加速度积分系数kd2，使其恢复到加速度信号出现异常之前的值，式(2)中的的kd1由下式(6)进行迭代，kd2由下式(7)进行迭代：
kd1(new)＝kd1(old)-λ·step (6)；
kd2(new)＝kd2(old)+step (7)；
通过逐步调节，恢复间隙系数kd1到异常出现之前的值kd10，恢复加速度积分系数kd2到异常出现之前的值kd20。
整个调节过程中，总的阻尼的组成部分会发生变化，但是总的阻尼维持不变，以满足悬浮系统对稳定性的要求。
根据式(2)构造的控制率，调节悬浮磁铁的电流，进而改变悬浮间隙，实施稳定控制。
具体实施例二
本申请的一种基于加速度信号的磁悬浮列车悬浮控制终端，磁悬浮系统，包括至少一个间隙传感器和相应数量的加速度传感器，所述基于加速度信号的磁悬浮列车悬浮控制终端，包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如自适应抑制程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1中的方法。
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述终端设备中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成多个模块，各模块具体功能如下：
1.加速度正常与否判断模块，用于判断加速度是否正常；
2.信号计算模块，用于计算间隙微分系数、加速度积分系数；
3.控制率计算模块，用于计算轨道两端的控制率。
所述基于加速度信号的磁悬浮列车悬浮控制终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述上述示例仅仅是基于加速度信号的磁悬浮列车悬浮控制终端设备的示例，并不构成对基于加速度信号的磁悬浮列车悬浮控制终端设备的限定，可以包括更多或更少的部件，或组合某些部件，或不同的部件，例如所述基于加速度信号的磁悬浮列车悬浮控制终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU),还可以是其他通用处理器、数据信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种基于加速度信号的磁悬浮列车悬浮控制终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种基于加速度信号的磁悬浮列车悬浮控制终端设备的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种基于加速度信号的磁悬浮列车悬浮控制终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
具体实施例三
所述一种基于加速度信号的磁悬浮列车悬浮控制终端终端设备集成的模块/单元，如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法，其特征在于：根据悬浮力的计算模型，估算当前时刻的悬浮力F，计算当前时刻悬浮力与前一时刻悬浮力的变化量引起的加速度的第一变化量dF、当前时刻加速度与前一时刻加速度的第二变化量da、第一变化量dF与第二变化量da引起的加速度变化量的偏差值Δ＝|(dF/m)-da|，其中m表示空簧以下部分的重量，判断加速度信号是否正常，在加速度信号由正常转为异常时，采用迭代方法，调整间隙系数、加速度积分系数在阻尼中的占比，保持总阻尼不变；在加速度信号异常消失后，反向调节间隙系数、加速度积分系数在阻尼中的占比，保持总阻尼及其组成不变，判断加速度信号异常，包括：将偏差值与偏差设定值进行比较，若偏差值大于偏差设定值，则判定为加速度变化量偏差过大；将加速度的幅值与幅值设定值进行比较，若幅值大于幅值设定值，则判定为加速度幅值过大；在加速度幅值过大且加速度变化量偏差过大时，判定加速度信号异常；或加速度幅值过大或加速度偏差值过大时，判定加速度异常。
2.根据权利要求1所述基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法，其特征在于：计算加速度的合理范围为：
Figure FDA0003666386460000011
Figure FDA0003666386460000012
式中，M表示悬浮系统的总重量，m表示空簧以下部分的重量，g表示重力加速度，Fmax表示悬浮磁铁能提供的最大磁力。
3.根据权利要求1所述基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法，其特征在于：
根据当前时刻的悬浮间隙z、悬浮电流i和加速度值；结合悬浮力的计算模型，估算当前时刻的悬浮力F＝f(z,i)。
4.根据权利要求1所述基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法，其特征在于：当判定出现加速度信号异常时，不再使用加速度积分作为阻尼，只采用间隙微分作为阻尼，同时增大间隙微分的反馈系数，使得处理前后总的阻尼基本保持不变；当加速度信号由异常转变为正常时，再引入加速度积分提供阻尼，同时将间隙微分的反馈系数减小，仍然保持总的阻尼基本不变，整个处理过程中，根据加速度信号是否正常，决定是否由加速度提供阻尼，从而实现阻尼的平滑过渡。
5.根据权利要求1所述基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法，其特征在于：当判定到加速度信号由正常转变为异常时，采用迭代方法，调节间隙系数kd1和加速度积分系数kd2，经过n次迭代后，加速度积分系数变为0,间隙系数增加；
kd1(new)＝kd1(old)+λ·step (1)；
kd2(new)＝kd2(old)-step (2)；
step＝kd20/n (3)；
式中，kd20表示无异常时的加速度积分系数，n表示处理过程的迭代次数，step表示迭代步长，λ表示加速度积分相对间隙微分的归一化系数。
6.根据权利要求1所述基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法，其特征在于：当判定到加速度信号异常消失后，反向调节间隙系数kd1和加速度积分系数kd2：
kd1(new)＝kd1(old)-λ·step (4)；
kd2(new)＝kd2(old)+step (5)；
经过上式，逐步恢复间隙系数kd1到异常出现之前的值kd10，逐步恢复加速度积分系数kd2到异常出现之前的值kd20。
7.根据权利要求1所述基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制方法，其特征在于：采用PID控制算法，悬浮控制器调节悬浮磁铁的电流，改变悬浮间隙：
Figure FDA0003666386460000031
其中，kp表示比例系数，ki表示积分系数；z表示悬浮间隙，
Figure FDA0003666386460000033
表示间隙微分，a表示加速度；z0表示额定间隙，I0表示额定电流；kd1表示间隙微分系数，kd2表示加速度积分系数，kd1、kd2的值与加速度信号状态有关；根据加速度正常与否，调整kd1、kd2，保持总阻尼
Figure FDA0003666386460000032
不变。
8.一种基于加速度信号故障诊断的磁悬浮列车悬浮控制终端，包括存储器、处理器、以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一所述方法。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一所述方法。
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