CN113183769B - 一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法 - Google Patents

一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法，基于电磁力方程的中低速磁浮列车，采用悬浮间隙的PID控制方法获得目标电流，通过控制电磁铁电流来实现中低速磁浮列车在行驶过程中的悬浮稳定；电磁铁电流的控制具体包括数据库的建立和参数调节。本发明充分考虑影响悬浮控制的各项因素，根据控制品质，形成标准化的组合工况，并针对不同的组合工况，找到与之对应的具体的控制参数，形成标准化的控制参数库文件，同时可基于现实系统平台进行实际应用，操作性、可靠性强，完全能够实现悬浮控制的标准化，对提高中低速磁浮列车运行舒适性、运行安全，延长列车设备的使用寿命具有重要意义。

Description

一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法。
背景技术
磁浮列车利用电磁铁吸引铁磁材料原理，以电磁力支撑列车浮于轨道上方，并通过直线电机产生的移动电磁场和电磁力推动列车前行，实现列车与轨道无接触运行。中低速磁浮列车一般速度不超过120km/h。
PID(Proportional Integral Derivative)控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。其包含了控制量的比例、积分、微分控制参数，简称PID控制，又称PID调节，它实际上是一种算法。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
因此，现有中低速磁浮悬浮控制主要采用PID控制方法，这里的PID控制系统有几个主要特点，首先由于PID技术简单可靠，控制参数的适应能力有限；实际中低速磁浮系统本身比较复杂设计车辆系统、线路系统、运行控制系统等，整体系统复杂；系统的最优化参数主要是通过试验获得。因此，现有中低速系统使用一套控制参数应对各种系统状态，直接导致车辆悬浮控制不稳定、共振、掉点等问题产生，严重影响设备寿命，运行舒适性以及运行安全。
为此，本发明提出一种将涉及车辆悬浮控制的主要因素考虑到悬浮控制中，使悬浮控制更稳定、可靠的中低速磁浮列车的悬浮控制方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法，充分考虑影响悬浮控制的各项因素，根据控制品质，形成标准化的组合工况，并针对不同的组合工况，找到与之对应的具体的控制参数，形成标准化的控制参数库文件，同时可基于现实系统平台进行实际应用，操作性、可靠性强，完全能够实现悬浮控制的标准化，对提高中低速磁浮列车运行舒适性、运行安全，延长列车设备的使用寿命具有重要意义。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法，基于电磁力方程为：
Figure BDA0003101136200000021
其中，μ0为为真空磁导率，N电磁线圈匝数，δ为悬浮间隙，ic为控制电流，A为电磁势；
的中低速磁浮列车，采用悬浮间隙的PID控制方法获得电路，具体的控制方程为：
Figure BDA0003101136200000022
其中，Kp为比例控制参数，Ki为积分控制参数，Kd为微分控制参数，δ0为初始悬浮间隙误差，i0为平衡位置电流，t为时间；
通过控制电磁铁电流来实现中低速磁浮列车在行驶过程中的悬浮稳定；电磁铁电流的控制具体包括数据库的建立和参数调节；
所述数据库的建立包括，将现有的中低速磁浮列车中，与悬浮控制有之间关系的中低速磁浮列车参数分别进行分类分级，所述中低速磁浮列车参数包括梁的材质、梁的结构、梁的振动频率、梁的质量、车库重量和列车运行速度；然后将分类分级后的中低速磁浮列车参数一一对应进行组合，形成由多种组合工况构成的组合工况集；对每一种组合工况，基于PID控制方法，通过线路试验对该组合工况对应的控制参数Kp，Ki，Kd进行确认，得到每一种组合工况对应标准控制参数Kp，Ki，Kd的具体数值，将组合工况集与对应的标准控制参数结合建立形成数据库；
所述参数调节包括，获取中低速磁浮列车的梁的材质、梁的结构、梁的振动频率、梁的质量、悬浮点实际承重和列车速度信息，结合数据库，确定具体的组合工况，根据数据库中该组合工况对应的标准控制参数Kp，Ki，Kd的具体数值，对实际工况中Kp，Ki，Kd三个参数进行对应调节。
进一步地，在参数调节过程中，通过中低速磁浮列车上的悬浮控制器获取悬浮点实际承重信息。
进一步地，在参数调节过程中，通过中低速磁浮列车上的测速模块获取列车速度信息。
进一步地，在参数调节过程中，通过中低速磁浮列车上的定位模块获取列车位置信息，结合列车运行线路信息表，确定中低速磁浮列车的梁的材质、梁的结构、梁的振动频率和梁的质量。
进一步地，在数据库的建立过程中，对梁的材质进行分类，包括混凝土梁、钢梁。
进一步地，在数据库的建立过程中，对梁的结构进行分类，包括简支梁、连续梁、多跨连续梁。
进一步地，在数据库的建立过程中，梁的振动频率分类是参考一阶垂向弯曲自振频率对梁进行分类，从3Hz开始到30Hz，每增加2Hz作为一个频率分级。
进一步地，在数据库的建立过程中，对梁的质量进行分类，包括1t/m、2t/m、3t/m、4t/m5t/m、6t/m、7t/m、8t/m不同轨道梁。
进一步地，在数据库的建立过程中，对车库重量进行分级，包括车辆空车状态、车库满座状态、车辆额定状态、车辆超载状态。
进一步地，在数据库的建立过程中，对列车运行速度进行分级，从0km/h开始，每20km/h间隔一个速度分级。
进一步地，在参数调节过程中，在第一时间点，获取中低速磁浮列车的梁的材质、梁的结构、梁的振动频率、梁的质量、悬浮点实际承重和列车速度信息，结合数据库，确定第一时间点列车对应的具体组合工况和标准控制参数，然后根据标准控制参数即时对三个实际控制参数进行调节。
进一步地，在参数调节过程中，在第一时间点，获取中低速磁浮列车的通过的轨道梁的材质、梁的结构、梁的振动频率、梁的质量、悬浮点实际承重和列车速度信息，结合数据库，确定第一时间点列车对应的具体组合工况和标准控制参数，同时拟定第二时间点或第一时间点以后的一段时间内的列车组合工况，具体拟定过程中，可能会使用第一时间点的相关信息，比如，车辆在没有停车的情况下，认为重量信息不变，这是直接继承相关信息的；列车速度、位置信息都是可以实时获取的，但是，在实际执行过程中，第一时间点的列车速度、位置信息都可以作为第二时间点的参考；在位置信息得到确认后，再与列车运行线路信息表结合，确定第二时间点或第一时间点以后的一段时间内，列车的梁的材质、梁的结构、梁的振动频率和梁的质量信息，拟定得到第二时间点或第一时间点以后的一段时间内列车组合工况和标准控制参数，根据拟定得到的标准控制参数来确定第二时间点或第一时间点以后的一段时间内列车悬浮控制的调节方向和参数调节幅度。
本发明的有益效果是：本发明中低速磁浮列车的悬浮控制方法，充分考虑影响悬浮控制的各项因素，根据控制品质，形成标准化的组合工况，并针对不同的组合工况，找到与之对应的具体的控制参数，形成标准化的控制参数库文件，同时可基于现实系统平台进行实际应用，操作性、可靠性强，完全能够实现悬浮控制的标准化，对提高中低速磁浮列车运行舒适性、运行安全，延长列车设备的使用寿命具有重要意义。
附图说明
图1为中低速磁浮系统单点悬浮模型图；
图2为试验例中单点试验的示意图；
图3位相同控制参数条件下，不同加载质量的起浮试验图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
中低速磁浮系统单点悬浮模型如图1所示，车辆系统包含有二系悬挂系统、不同的重量分布；线路也包含了不同的类型(比如连续梁、简支梁)、不同的刚度、不同的材料类型(比如混凝土类型、钢结构类型)；因此，中低速磁浮PID控制系统有两个主要特点，一是面对复杂的中低速磁浮系统而言，PID控制参数很难通过理论获得，需要通过实践获得；另一点是，中低速磁浮系统参数变化较大，而PID控制受到很多因素影响，使用一套控制参数应对各种系统状态很难实现正常运行。而目前中低速磁浮悬浮控制表现出稳定性较差、抗干扰能力弱的特点，最终会影响车辆设备寿命，运行舒适性以及运行安全，而本发明提出一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法，基于电磁力方程的中低速磁浮列车，采用悬浮间隙的PID控制方法获得电路，所述电磁力方程为：
Figure BDA0003101136200000041
其中，μ0为为真空磁导率，N电磁线圈匝数，δ为悬浮间隙，ic为控制电流，A为电磁势矢势；
悬浮间隙的PID控制方法的具体控制方程为：
Figure BDA0003101136200000042
其中，Kp为比例控制参数，Ki为积分控制参数，Kd为微分控制参数，δ0为初始悬浮间隙误差，i0为平衡位置电流，t为时间；
通过控制电磁铁电流来实现中低速磁浮列车在行驶过程中的悬浮稳定；而电磁铁电流的控制具体包括数据库的建立和参数调节；
所述数据库的建立包括，将现有的中低速磁浮列车中，与悬浮控制有之间关系的中低速磁浮列车参数分别进行分类分级，所述中低速磁浮列车参数包括梁的材质、梁的结构、梁的振动频率、梁的质量、车库重量和列车运行速度；然后将分类分级后的中低速磁浮列车参数一一对应进行组合，形成由多种组合工况构成的组合工况集；对每一种组合工况，基于PID控制方法，通过线路试验对该组合工况对应的控制参数Kp，Ki，Kd进行确认，得到每一种组合工况对应标准控制参数Kp，Ki，Kd的具体数值，将组合工况集与对应的标准控制参数结合建立形成数据库；
所述参数调节包括，获取中低速磁浮列车的梁的材质、梁的结构、梁的振动频率、梁的质量、悬浮点实际承重和列车速度信息，结合数据库，确定具体的组合工况，根据数据库中该组合工况对应的标准控制参数Kp，Ki，Kd的具体数值，对实际工况中Kp，Ki，Kd三个参数进行对应调节。
具体地，在参数调节过程中，通过中低速磁浮列车上的悬浮控制器获取悬浮点实际承重信息。
具体地，在参数调节过程中，通过中低速磁浮列车上的测速模块获取列车速度信息。
具体地，在参数调节过程中，通过中低速磁浮列车上的定位模块获取列车位置信息，结合列车运行线路信息表，确定中低速磁浮列车的梁的材质、梁的结构、梁的振动频率和梁的质量。
具体地，在数据库的建立过程中，对梁的材质进行分类，包括混凝土梁、钢梁。
具体地，在数据库的建立过程中，对梁的结构进行分类，包括简支梁、连续梁、多跨连续梁。
具体地，在数据库的建立过程中，对梁的振动频率进行分类，包括从3Hz开始到30Hz，每增加2Hz作为一个频率分级。
具体地，在数据库的建立过程中，对梁的质量进行分类，包括1t/m、2t/m、3t/m、4t/m 5t/m、6t/m、7t/m、8t/m不同轨道梁。
具体地，在数据库的建立过程中，对车库重量进行分级，包括车辆空车状态、车库满座状态、车辆额定状态、车辆超载状态。
具体地，在数据库的建立过程中，对列车运行速度进行分级，包括从0开始，20km/h间隔一个速度分级。
具体地，在参数调节过程中，在第一时间点，获取中低速磁浮列车的梁的材质、梁的结构、梁的振动频率、梁的质量、悬浮点实际承重和列车速度信息，结合数据库，确定第一时间点列车对应的具体组合工况和标准控制参数，然后根据标准控制参数即时对三个实际控制参数进行调节。
具体地，在参数调节过程中，在第一时间点，获取中低速磁浮列车的通过的轨道梁的材质、梁的结构、梁的振动频率、梁的质量、悬浮点实际承重和列车速度信息，结合数据库，确定第一时间点列车对应的具体组合工况和标准控制参数，同时拟定第二时间点或第一时间点以后的一段时间内的列车组合工况，具体拟定过程中，可能会使用第一时间点的相关信息，比如，车辆在没有停车的情况下，认为重量信息不变，这是直接继承相关信息的；列车速度、位置信息都是可以实时获取的，但是，在实际执行过程中，第一时间点的列车速度、位置信息都可以作为第二时间点的参考；在位置信息得到确认后，再与列车运行线路信息表结合，确定第二时间点或第一时间点以后的一段时间内，列车的梁的材质、梁的结构、梁的振动频率和梁的质量信息，拟定得到第二时间点或第一时间点以后的一段时间内列车组合工况和标准控制参数，根据拟定得到的标准控制参数来确定第二时间点或第一时间点以后的一段时间内列车悬浮控制的调节方向和参数调节幅度。
试验例
在单点试验台上模拟车辆不同质量下的悬浮状况，单点试验台如图2所示；在试验台上，进行了在相同控制参数下，采用不同加载质量的试验。试验结果如图3，横坐标为时间间隔，纵坐标为电磁间隙，初始间隙都是16mm，在无配重情况下，起浮过程平稳，波动很小；改变配重，其起浮过程变差，特别是在5块配重时，波动波动剧烈；继续加载，出现无法起浮的状态；试验结果表明：不同的车辆重量状态，使用一套PID参数，其控制品出现差异。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于，基于电磁力方程为：
Figure FDA0003714679850000011
其中，μ0为真空磁导率，N电磁线圈匝数，δ为悬浮间隙，ic为控制电流，A为电磁势；
中低速磁浮列车，采用悬浮间隙的PID控制方法获得电路，具体的控制方程为：
Figure FDA0003714679850000012
其中，Kp为比例控制参数，Ki为积分控制参数，Kd为微分控制参数，δ0为初始悬浮间隙误差，i0为平衡位置电流，t为时间；
通过控制电磁铁电流来实现中低速磁浮列车在行驶过程中的悬浮稳定；电磁铁电流的控制具体包括数据库的建立和参数调节；
所述数据库的建立包括，将现有的中低速磁浮列车中，与悬浮控制有直接关系的中低速磁浮列车参数分别进行分类分级，所述中低速磁浮列车参数包括梁的材质、梁的结构、梁的振动频率、梁的质量、车库重量和列车运行速度；然后将分类分级后的中低速磁浮列车参数一一对应进行组合，形成由多种组合工况构成的组合工况集；对每一种组合工况，基于PID控制方法，通过线路试验对该组合工况对应的控制参数Kp，Ki，Kd进行确认，得到每一种组合工况对应标准控制参数Kp，Ki，Kd的具体数值，将组合工况集与对应的标准控制参数结合建立形成数据库；
所述参数调节包括，获取中低速磁浮列车的梁的材质、梁的结构、梁的振动频率、梁的质量、悬浮点实际承重和列车速度信息，结合数据库，确定具体的组合工况，根据数据库中该组合工况对应的标准控制参数Kp，Ki，Kd的具体数值，对实际工况中Kp，Ki，Kd三个参数进行对应调节；
在数据库的建立过程中，梁的振动频率分类是参考一阶垂向弯曲自振频率对梁进行分类，从3Hz开始到30Hz，每增加2Hz作为一个频率分级；
在数据库的建立过程中，对梁的质量进行分类，参考每延米轨道梁质量，包括1t/m、2t/m、3t/m、4t/m 、5t/m、6t/m、7t/m、8t/m；
在数据库的建立过程中，对车库重量进行分级，包括车辆空车状态、车库满座状态、车辆额定状态、车辆超载状态；
在数据库的建立过程中，对列车运行速度进行分级，从0km/h开始，20km/h间隔一个速度分级；
在参数调节过程中，通过中低速磁浮列车上的定位模块获取列车位置信息，结合列车运行线路信息表，确定中低速磁浮列车的梁的材质、梁的结构、梁的振动频率和梁的质量；在第一时间点，获取中低速磁浮列车的通过的轨道梁的材质、梁的结构、梁的振动频率、梁的质量、悬浮点实际承重和列车速度信息，结合数据库，确定第一时间点列车对应的具体组合工况和标准控制参数，同时拟定第二时间点或第一时间点以后的一段时间内的列车组合工况。
2.根据权利要求1所述的一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于，在参数调节过程中，通过中低速磁浮列车上的悬浮控制器获取悬浮点实际承重信息。
3.根据权利要求1所述的一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于，在参数调节过程中，通过中低速磁浮列车上的测速模块获取列车速度信息。
4.根据权利要求1所述的一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于，在数据库的建立过程中，对梁的材质进行分类，包括混凝土梁、钢梁。
5.根据权利要求1所述的一种中低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于，在数据库的建立过程中，对梁的结构进行分类，包括简支梁、两跨连续梁、多跨连续梁。
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