CN113500921A - 一种磁浮列车及其悬浮控制系统、悬浮点振动抑制方法 - Google Patents

一种磁浮列车及其悬浮控制系统、悬浮点振动抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁浮列车及其悬浮控制系统、悬浮点振动抑制方法，涉及中低速磁浮车悬浮控制领域。本发明基于实时采集的电磁铁线圈的电流、电压、垂向振动加速度，气隙长度c和气隙长度给定值cref，获取电磁线圈的原始控制量i0。基于原始控制量i0与控制补偿量
Figure DDA0003197942340000011
得到补偿后的控制量ic，所述补偿后的控制量ic作为电磁铁线圈输入的一部分与等效干扰量d一同作用于电磁铁线圈，得到电磁铁线圈的输入电流，即最终控制量iin，实现对振动的抑制功能。本发明未涉及复杂的计算过程，适合控制芯片的移植与实现，为悬浮点振动的抑制提供了一种可靠的方法。

Description

一种磁浮列车及其悬浮控制系统、悬浮点振动抑制方法
技术领域
本发明涉及中低速磁浮车悬浮控制领域，特别是一种磁浮列车及其悬浮控制系统、悬浮点振动抑制方法。
背景技术
中低速磁浮车振动是悬浮控制领域较为常见的问题，主要表现为列车低速运行，或通过轨道性能非线性较强的路段(如道岔、轨道衔接处)时，悬浮点与轨道产生耦合振动，振动严重时造成悬浮点失稳，影响列车行车安全，甚至导致轨道紧固螺栓松动，引发安全事故。因此对振动进行抑制，可以提高悬浮系统对线路的适应能力，进一步保障列车运营安全。
目前已有的方法是使用算法(最小均方误差LMS、最小二乘法RLS)获知悬浮点的振动频率，再自动调整陷波器或低通滤波器参数，从而抑制振动。因滤波器(陷波器、低通滤波器)存在过渡带和截止区，基于滤波器抑制振动的方法，会影响过渡带内的有效反馈信号的有效性，从到影响到控制系统的控制性能，并且控制系统在高频段的动态响应性能难以保证，稳定性有一定的影响。
中低速磁浮列车经过非线性较强的轨道区间或运行速度较低时，悬浮点与轨道易出现振动的现象。振动影响悬浮系统的稳定性，对轨道的安全性和乘坐舒适性也有影响，甚至导致悬浮失稳、轨道螺栓松动，产生安全问题。因此需要对振动进行抑制，提高悬浮系统的稳定性，保证列车运营安全。目前已有的振动抑制方法会一定程度上降低悬浮控制系统稳定性、动态响应性能，甚至使系统发散失稳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种磁浮列车及其悬浮控制系统、悬浮点振动抑制方法，能够有效的对振动进行抑制，并保证系统的稳定性和动态响应。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种磁浮列车及其悬浮控制系统、悬浮点振动抑制方法，所述磁浮列车包括所述悬浮控制系统，所述悬浮控制系统使用所述悬浮点振动抑制方法抑制振动。所述悬浮点振动抑制方法包括
S1，实时采集电磁铁线圈的电流、电压、垂向振动加速度，气隙长度c；
S2，基于实时采集的电磁铁线圈的电流、电压、垂向振动加速度，气隙长度c和气隙长度给定值cref，获取电磁线圈的原始控制量i0；
S3，基于公式
Figure BDA0003197942320000021
获取补偿后的控制量ic；
Figure BDA0003197942320000022
为控制补偿量，其获取方法为：
S301，时刻t＝0时，初始化控制补偿量
Figure BDA0003197942320000023
与补偿后的控制量
Figure BDA0003197942320000024
均为0；
S302，t+1时刻，基于实时获取的气隙长度c与电磁铁线圈的输入电流，即最终控制量iin，获取t+1时刻的电磁力Fjk；
S303，基于t+1时刻的电磁力Fjk与气隙长度c，获取振动干扰控制量it+1；
S304，基于公式
Figure BDA0003197942320000025
获取t+1时刻的控制补偿量
Figure BDA0003197942320000026
Figure BDA0003197942320000027
为t时刻获取的补偿后的控制量，
Figure BDA0003197942320000028
Figure BDA0003197942320000029
为t时刻获取的控制补偿量。
实际工程中，轨道接缝干扰、道岔产生的干扰、传感器测量噪声外界条件都会对系统造成干扰，理论分析的过程中，将所有干扰对系统的影响用干扰量d来等效，为领域内公知。由图1可知，所述最终控制量iin的计算公式为
Figure BDA00031979423200000210
因此，所述控制补偿量
Figure BDA00031979423200000211
与等效干扰量d越接近，此时电磁铁线圈的输入电流，即最终控制量iin就越受到等效干扰量d的影响越小，振动的抑制效果越好。
具体地，电磁力Fkj的计算方法为
Figure BDA00031979423200000212
为气隙长度为cj时对应的气隙内部的磁通密度，μ0为真空磁导率，S为有效截面积。
具体地，气隙长度为cj时对应的气隙内部的磁通密度
Figure BDA00031979423200000213
的计算公式为：
Figure BDA00031979423200000214
BFe为铁磁材料内部磁通密度，kδ为漏磁通系数；
Figure BDA00031979423200000215
Figure BDA00031979423200000216
为气隙长度系数。
具体地，使用非线性拟合的方法获取铁磁材料内部磁通密度BFe与铁磁材料内部的磁场强度HFe的关系为：BFe＝(1.951·HFe+2.862)/(HFe+717)。根据磁路的基尔霍夫第二定律，可知电流与磁场强度的关系，基于铁磁材料内部磁通密度BFe与铁磁材料内部的磁场强度HFe的关系即可获知电流与所述铁磁材料内部磁通密度BFe，最终获知电流、气隙长度与电磁力三者之间的对应关系。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明基于实时采集的电磁铁线圈的电流、电压、垂向振动加速度，气隙长度c和气隙长度给定值cref，获取电磁线圈的原始控制量i0。基于原始控制量i0与控制补偿量
Figure BDA0003197942320000031
得到补偿后的控制量ic，所述补偿后的控制量ic作为电磁铁线圈输入的一部分与等效干扰量d一同作用于电磁铁线圈，得到电磁铁线圈的输入电流，即最终控制量iin，实现对振动的抑制功能。本发明未涉及复杂的计算过程，适合控制芯片的移植与实现，为悬浮点振动的抑制提供了一种可靠的方法。
附图说明
图1为本发明一实施例的悬浮点振动抑制方法框图。
图2为本发明一实施例的电磁铁的结构示意图。
图3为本发明一实施例的悬浮点振动抑制方法的仿真结果。
其中，cref为悬浮间隙给定值，c为气隙长度，d为振动的等效干扰量，i0为原始控制量，
Figure BDA0003197942320000032
为控制补偿量，ic为补偿后的控制量，Gc为悬浮控制模块，iin为最终控制量，ik与ilr为不同的线圈电流，cj与cl为不同的气隙长度，Fjk与Fr为不同的电磁力，1为轨道，2为电磁铁，201为极板，202为线圈，203为铁芯。
具体实施方式
如图1所示，本发明一实施例的磁浮列车种包括一种悬浮控制系统，该悬浮控制系统包括计算机设备，该计算机设备被配置或编程为用于执行悬浮点振动抑制的方法，如图1所示，该方法包括：
S1，实时采集电磁铁线圈的电流、电压，并使用悬浮传感器实时采集垂向振动加速度，气隙长度c；
S2，将实时采集的电磁铁线圈的电流、电压、垂向振动加速度、气隙长度c和气隙长度给定值cref，输入至悬浮控制模块Gc，计算得到悬浮系统模型的输入电流原始控制量i0。所述悬浮控制模块Gc为传统的PID控制器。
S3，基于公式
Figure BDA0003197942320000033
获取补偿后的控制量ic，
Figure BDA0003197942320000034
为控制补偿量。
实际工程中，传感器测量噪声、负载变化或者机械变形都会对系统造成干扰，理论分析的过程中，将所有干扰对系统的影响用干扰量d来等效，为领域内公知。由图1可知，所述最终控制量iin的计算公式为
Figure BDA0003197942320000041
因此，所述控制补偿量
Figure BDA0003197942320000042
与等效干扰量d越接近，此时电磁铁线圈的输入电流，即最终控制量iin就越受到等效干扰量d的影响越小，振动的抑制效果越好。
获取所述控制补偿量
Figure BDA0003197942320000043
的方法为：
S301，时刻t＝0时，初始化控制补偿量
Figure BDA0003197942320000044
与补偿后的控制量
Figure BDA0003197942320000045
均为0。如图1所示，所述控制补偿量
Figure BDA0003197942320000046
所述补偿后的控制量ic和所述振动干扰控制量it处于同一个反馈控制环，当时刻t＝0时，系统上电，令所述控制补偿量
Figure BDA0003197942320000047
为0以便于反馈控制。
S302，t+1时刻，基于实时获取的气隙长度c与电磁铁线圈的输入电流，即最终控制量iin，基于表格I，通过查找的方式获取t+1时刻的电磁力Fjk。
所述表格I如表1所示，行为电磁铁的线圈电流值ik，单位为A，列为气隙长度值cj，单位为mm，表格值为对应的电磁力Fjk，单位为kN。
表1
Figure BDA0003197942320000048
Figure BDA0003197942320000051
详述表格I的获取方法如下：
本发明一实施例中，磁浮列车上的电磁铁的结构如图2所示，电磁铁2包括线圈202、铁芯203和极板201，两块所述极板201沿横向设于所述铁芯203的两侧，所述铁芯203的沿垂向设于所述铁芯203的两侧。所述铁芯203、所述极板201和轨道1形成了闭合磁路，所述极板201与轨道1之间存在气隙，所述气隙长度c的范围为2mm～20mm。当向所述线圈202中通入电流，所述铁芯203将被磁化并产生磁场，所述极板201将磁场经过气隙，引导至轨道1内，因此所述电磁铁2对轨道产生了电磁吸力。当轨道被固定时，所述电磁铁2则能够克服自身重力，实现悬浮。
通过控制所述线圈202的电流大小，可以实现对电磁力的控制。在实际应用中，因电磁铁的铁芯材料存在磁饱和特性，并且极板与轨道间存在的气隙，使得气隙位置的磁漏现象较严重。
另外，磁通密度B与电磁力F之间存在非线性关系属于固有特性，即F∝B2。
也就是说，悬浮控制需要考虑以上三个因素的影响，以实现对电磁力的精确控制。
首先使用非线性拟合方法，得到铁磁材料内部磁通密度BFe与铁磁材料内部磁场强度HFe数据的非线性拟合函数关系如下：
BFe＝(1.951·HFe+2.862)/(HFe+717) (2)
其中：
HFe为铁磁材料内部磁场强度，A/m
BFe为铁磁材料内部磁通密度，T
铁磁材料的磁化曲线存在饱和点是材料的固有特性(参见《电机学》(第5版)，汤蕴璆，P18)。基于前期的试验，经测得电磁铁的铁芯材料的磁化曲线，并使用非线性拟合方法得到公式(2)，体现了材料的磁化曲线存在饱和点相关特性。
磁路中的漏磁通主要在电磁铁与轨道间的气隙间产生，因此需要针对气隙内的漏磁通建立响应模型。
磁路的磁通为
φ＝BS (3)
其中：
φ为磁通量，Wb；
B为磁通密度，T；
S为有效横截面积，m2。
磁路的磁阻为
Figure BDA0003197942320000061
其中：
R为磁阻，A/Wb；
μ为磁导率；
L为磁路长度，m。
根据试验数据和工程经验，漏磁通的系数kδ的定义如下
Figure BDA0003197942320000062
其中：
kδ为漏磁通系数；
cj为气隙长度，m；
j为自然数；
Figure BDA0003197942320000063
为气隙长度系数。
因此，气隙内磁通密度可以用铁磁材料内部的磁通密度表示为
Figure BDA0003197942320000064
其中：
Figure BDA0003197942320000065
为气隙长度为cj时对应的气隙内部的磁通密度，T。
如图2所示，电磁铁与轨道间存在气隙，因此铁磁材料内部的磁通密度BFe与不同气隙长度下对应的气隙内部的磁通密度
Figure BDA0003197942320000066
不相同，根据仿真和工程经验，如公式(5)，kδ与气隙长度cj间的关系是非线性的，则公式(6)体现了电磁铁与轨道间气隙产生的漏磁通与气隙内磁通密度之间的非线性关系。
根据磁路的基尔霍夫第二定律
Ni＝HFeLFe+2HδLδ (7)
其中：
N为电磁铁线圈匝数；
i为电磁铁线圈电流，A；
LFe为铁磁材料内部磁路长度，m；
Hc为气隙内部磁场强度，A/m；
Lδ为气隙内部磁路长度，m
令Tmax为铁磁材料饱和磁密，则铁磁材料内部磁通密度BFe可在0～Tmax内，等间距地排布若干个离散点
Figure BDA0003197942320000071
k为自然数。
基于公式(2)至公式(7)，可得到在不同的气隙长度cj(cj∈(0,0.020])条件下，对应的铁磁材料内部磁通密度BFe与线圈电流ik的关系以及气隙内磁通密度
Figure BDA0003197942320000072
与电流ik的关系。
在气隙长度为cj时，电磁力与气隙内的磁通密度的关系为
Figure BDA0003197942320000073
其中：
Fjk为线圈电流为ik且气隙长度为cj时对应的电磁力，kN；
Figure BDA0003197942320000074
为气隙长度为cj时对应的气隙内部的磁通密度，T；
μ0为真空磁导率，4π×10-7N/A。
公式(8)表明，
Figure BDA0003197942320000075
因此电磁力Fjk与磁通密度
Figure BDA0003197942320000076
间的关系是非线性的。
根据公式(2)至公式(8)，基于不同的气隙长度和电磁铁线圈的电流值，通过插值即可得到对应的电磁力，进而可得表格I。插值计算的算法具有速度快，效率高等优势，适合移植到控制芯片内。
S303，基于实时获取的电磁力Fjk与气隙长度c，基于表格II，通过查找的方式获取振动干扰控制量it+1；
所述表格II如表2所示，行为电磁力的值Fr，单位为kN，列为气隙长度值cl，单位为mm，表格值为对应的电磁铁线圈电流值ilr，单位为A。
表2
Figure BDA0003197942320000081
表格II获取的方法为：令电磁铁最大电磁力等于Fmax，在0～Fmax内，等间距地取一定数量的电磁力离散点Fr，r为自然数。使用线性插值方法可获取气隙长度为cl时相应的电流ilr，l为自然数。进而生成表格II。
S304，基于公式
Figure BDA0003197942320000082
获取时刻为t+1时的控制补偿量
Figure BDA0003197942320000083
Figure BDA0003197942320000084
为t时刻获取的补偿后的控制量，其计算公式为:
Figure BDA0003197942320000091
Figure BDA0003197942320000092
为t时刻获取的控制补偿量。
本发明一实施例的仿真数据如下：
假定系统稳定悬浮气隙为10mm，对加速度施加正弦振动干扰，干扰信号的幅值为30m/s2，频率为30Hz，同时施加轨道正弦振动干扰，幅值为2mm，频率为1Hz。仿真试验振动抑制模块对振动的抑制作用。
如图3所示，仿真结果表明振动抑制效果明显，在振动抑制模块的作用下，加速度高频振动和轨道低频振动对系统的干扰有较大程度的衰减，说明振动抑制模块的振动抑制作用较为明显。

Claims (6)

1.一种悬浮点振动抑制方法，其特征在于，包括：
S1，实时采集电磁铁线圈的电流、电压、垂向振动加速度，气隙长度c；
S2，基于实时采集的电磁铁线圈的电流、电压、垂向振动加速度，气隙长度c和气隙长度给定值cref，获取电磁线圈的原始控制量i0；
S3，基于公式
Figure FDA0003197942310000011
获取补偿后的控制量ic；
Figure FDA0003197942310000012
为控制补偿量，其获取方法为：
S301，时刻t＝0时，初始化控制补偿量
Figure FDA0003197942310000013
与补偿后的控制量
Figure FDA0003197942310000014
均为0；
S302，t+1时刻，基于实时获取的最终控制量iin与气隙长度c，获取t+1时刻的电磁力Fjk；
S303，基于t+1时刻的电磁力Fjk与气隙长度c，获取振动干扰控制量it+1；
S304，基于公式
Figure FDA0003197942310000015
获取t+1时刻的控制补偿量
Figure FDA0003197942310000016
Figure FDA0003197942310000017
为t时刻获取的补偿后的控制量，
Figure FDA0003197942310000018
Figure FDA0003197942310000019
为t时刻获取的控制补偿量。
2.如权利要求1所述的悬浮点振动抑制方法，其特征在于，电磁力Fjk的计算公式为
Figure FDA00031979423100000110
Figure FDA00031979423100000111
为气隙长度为cj时对应的气隙内部的磁通密度，μ0为真空磁导率，S为电磁铁的有效截面积。
3.如权利要求2所述的悬浮点振动抑制方法，其特征在于，气隙长度为cj时对应的气隙内部的磁通密度
Figure FDA00031979423100000112
的计算公式为：
Figure FDA00031979423100000113
BFe为铁磁材料内部磁通密度，kδ为漏磁通系数；
Figure FDA00031979423100000114
Figure FDA00031979423100000115
为气隙长度系数。
4.如权利要求3所述的悬浮点振动抑制方法，其特征在于，使用非线性拟合的方法获取铁磁材料内部磁通密度BFe与铁磁材料内部的磁场强度HFe的关系为：BFe＝(1.951·HFe+2.862)/(HFe+717)。
5.一种悬浮控制系统，其特征在于，包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于执行权利要求1～4任一所述方法的步骤。
6.一种磁浮列车，其特征在于，包括权利要求5所述的悬浮控制系统。
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