CN113619400B - 一种悬浮系统的反馈线性化控制方法及其装置 - Google Patents

一种悬浮系统的反馈线性化控制方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种悬浮系统的反馈线性化控制方法，所述悬浮系统包括控制器以及悬浮电磁铁，所述反馈线性化控制方法包括：获取所述悬浮电磁铁的垂向加速度；以及至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为所述悬浮电磁铁的电流控制量，所述原始控制量作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成一线性化模型。

Description

一种悬浮系统的反馈线性化控制方法及其装置
技术领域
本发明涉及磁浮车辆的控制领域，尤其涉及一种磁浮车辆的悬浮系统的反馈线性化控制方法及其装置。
背景技术
磁浮车辆是一种现代高科技轨道交通工具，通过电磁力实现车辆与轨道之间的无接触悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引车辆运行。磁浮车辆主要由悬浮导向系统、牵引供电系统和运行控制系统组成。
其中，悬浮系统是一种典型的非线性系统，且系统不具备自稳定性，必须采取主动控制方法才能实现系统的稳定悬浮。
传统的悬浮系统的控制方法是在额定工作点对悬浮系统模型进行线性化处理，然后根据线性化模型设计悬浮控制器。这种方法本质上是一种局部线性化方法，当悬浮系统的实际工作位置与额定工作点偏差较大时，悬浮系统的实际模型与线性化模型偏差较大，导致系统的控制性能下降，甚至出现发散不收敛的情况。
为解决上述问题，本发明旨在提出一种基于加速度的反馈线性化控制方法。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
根据本发明的一方面，提供了一种悬浮系统的反馈线性化控制方法，所述悬浮系统包括控制器以及悬浮电磁铁，所述反馈线性化控制方法包括：获取所述悬浮电磁铁的垂向加速度；以及至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为所述悬浮电磁铁的电流控制量，所述原始控制量作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成一线性化模型。
在一实施例中，所述至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量包括：以所述垂向加速度作为反馈输入，将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量。
更进一步地，所述原始控制量为间隙控制量，所述至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量包括：采用转换公式iC 2＝(g-a)*mcC 2/K确定所述悬浮电磁铁的电流控制量，其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，a为获取的垂向加速度，m为悬浮质量，cC为所述间隙控制量，K为系统参数，所述间隙控制量作为所述线性化模型的输入。
在一更优实施例中，所述获取悬浮电磁铁的垂向加速度还包括：获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙；以及所述反馈线性化控制方法还包括：基于获取的悬浮间隙确定补偿量；以及将所述原始控制量与所述补偿量之和作为间隙补偿值；以及所述采用转换公式iC 2＝(g-a)*mcC 2/K计算出悬浮电磁铁的电流控制量包括：将所述间隙补偿值作为所述间隙控制量cC代入所述转换公式以确定出所述电流控制量。
更进一步地，所述基于获取的悬浮间隙确定补偿量包括：将间隙补偿值与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述补偿量；或者将所述原始控制量与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述补偿量。
在另一更优实施例中，所述控制器包括第一控制器和第二控制器，所述第一控制器输出的原始控制量为间隙控制量，所述第二控制器输出的原始控制量为加速度控制量，所述获取所述悬浮电磁铁的垂向加速度还包括：获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙；以及所述至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量包括：以获取的所述垂向加速度和所述悬浮间隙作为反馈输入，采用转换公式iC 2＝(g-aC)*mcC 2/K或iC 2＝(g-a-aC)*m(c+cC)2/K将所述第一控制器和第二控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量，其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，a为获取的垂向加速度，aC为所述加速度控制量，m为悬浮质量，c为获取的悬浮间隙，cC为所述间隙控制量，K为系统参数，其中，所述第一控制器输出的间隙控制量和所述第二控制器输出的加速度控制量分别作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成双线性化模型。
在一更优实施例中，所述反馈线性化控制方法还包括：基于获取的悬浮间隙确定第一补偿量；基于获取的垂向加速度确定第二补偿量；将所述第一控制器输出的原始控制量与所述第一补偿量之和作为间隙补偿值；以及将所述第二控制器输出的原始控制量与所述第二补偿量之和作为加速度补偿值；以及所述采用转换公式iC 2＝(g-aC)*mcC 2/K或iC 2＝(g-a-aC)*m(c+cC)2/K将第一控制器和第二控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量包括：将所述间隙补偿值和所述加速度补偿值分别作为所述间隙控制量cC所述加速度控制量aC代入所述转换公式中以计算出所述电流控制量。
更进一步地，所述基于获取的悬浮间隙确定第一补偿量包括：将间隙补偿值与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述第一补偿量；或者将所述第一控制器输出的原始控制量与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述补偿量；以及所述基于获取的垂向加速度确定第二补偿量包括：将加速度补偿值与所述获取的垂向加速度的差值作为所述第二补偿量；或者将所述第二控制器输出的原始控制量与所述获取的垂向加速度的差值作为所述第二补偿量。
在另一实施例中，所述至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量包括：以所述垂向加速度作为补偿输入，将所述控制器输出的原始控制量转化为所述悬浮电磁铁的电流控制量。
在一更优实施例中，所述控制器输出原始控制量为加速度控制量，所述将控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量包括：基于所述垂向加速度确定补偿量；将所述原始控制量与所述补偿量之和作为加速度补偿值；获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙；以及采用转换公式iC 2＝(g-aC)*mc2/K来计算出所述悬浮电磁铁的电流控制量，其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，aC为所述加速度补偿值，m为悬浮质量，c为获取的悬浮间隙，K为系统参数。
更进一步地，所述基于垂向加速度确定补偿量包括：将加速度补偿值与所述垂向加速度的差值作为所述补偿量；或者将所述原始控制量与所述垂向加速度的差值作为所述补偿量。
更优地，所述反馈线性化控制方法还包括：对所述补偿量进行滤波；以及将滤波后的补偿量替代原先的对应补偿量。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种悬浮系统的反馈线性化控制装置，所述悬浮系统包括控制器以及悬浮电磁铁，所述反馈线性化控制装置包括：存储器；以及处理器，所述处理器被配置成：获取所述悬浮电磁铁的垂向加速度；以及至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为所述悬浮电磁铁的电流控制量，所述原始控制量作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成一线性化模型。
在一实施例中，所述处理器进一步被配置成：以所述垂向加速度作为反馈输入，将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量。
更进一步地，所述原始控制量为间隙控制量，所述处理器进一步被配置成：采用转换公式iC 2＝(g-a)*mcC 2/K确定所述悬浮电磁铁的电流控制量，其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，a为获取的垂向加速度，m为悬浮质量，cC为所述间隙控制量，K为系统参数，所述间隙控制量作为所述线性化模型的输入。
在一更优实施例中，所述处理器进一步被配置成：获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙；基于获取的悬浮间隙确定补偿量；将所述原始控制量与所述补偿量之和作为间隙补偿值；以及将所述间隙补偿值作为所述间隙控制量cC代入所述转换公式以确定出所述电流控制量。
更进一步地，所述处理器进一步被配置成：将间隙补偿值与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述补偿量；或者将所述原始控制量与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述补偿量。
在另一更优实施例中，所述控制器包括第一控制器和第二控制器，所述第一控制器输出的原始控制量为间隙控制量，所述第二控制器输出的原始控制量为加速度控制量，所述处理器进一步被配置成：获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙；以及以获取的所述垂向加速度和所述悬浮间隙作为反馈输入，采用转换公式iC 2＝(g-aC)*mcC 2/K或iC 2＝(g-a-aC)*m(c+cC)2/K将所述第一控制器和第二控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量，其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，a为获取的垂向加速度，aC为所述加速度控制量，m为悬浮质量，c为获取的悬浮间隙，cC为所述间隙控制量，K为系统参数，其中，所述第一控制器输出的间隙控制量和所述第二控制器输出的加速度控制量分别作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成双线性化模型。
在一更优实施例中，所述处理器还被配置成：基于获取的悬浮间隙确定第一补偿量；基于获取的垂向加速度确定第二补偿量；将所述第一控制器输出的原始控制量与所述第一补偿量之和作为间隙补偿值；将所述第二控制器输出的原始控制量与所述第二补偿量之和作为加速度补偿值；以及将所述间隙补偿值和所述加速度补偿值分别作为所述间隙控制量cC所述加速度控制量aC代入所述转换公式中以计算出所述电流控制量。
更进一步地，所述处理器进一步被配置成：将间隙补偿值与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述第一补偿量；或者将所述第一控制器输出的原始控制量与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述补偿量；以及将加速度补偿值与所述获取的垂向加速度的差值作为所述第二补偿量；或者将所述第二控制器输出的原始控制量与所述获取的垂向加速度的差值作为所述第二补偿量。
在另一实施例中，所述处理器进一步被配置成：以所述垂向加速度作为补偿输入，将所述控制器输出的原始控制量转化为所述悬浮电磁铁的电流控制量。
在一更优实施例中，所述控制器输出原始控制量为加速度控制量，所述处理器进一步被配置成：基于所述垂向加速度确定补偿量；将所述原始控制量与所述补偿量之和作为加速度补偿值；获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙；以及采用转换公式iC 2＝(g-aC)*mc2/K来计算出所述悬浮电磁铁的电流控制量，其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，aC为所述加速度补偿值，m为悬浮质量，c为获取的悬浮间隙，K为系统参数。
更进一步地，所述处理器进一步被配置成：将加速度补偿值与所述垂向加速度的差值作为所述补偿量；或者将所述原始控制量与所述垂向加速度的差值作为所述补偿量。
更优地，所述处理器还被配置成：对所述补偿量进行滤波；以及将滤波后的补偿量替代原先的对应补偿量。
根据本发明的再一个方面，还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如上述任一项所述的悬浮系统的反馈线性化控制方法的步骤。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，更能够更好地理解本发明的上述特征和优点。
图1是根据本发明的一个方面绘示的反馈线性化控制方法的流程图；
图2是根据现有技术绘示的位置反馈线性化悬浮控制结构示意图；
图3是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的位置反馈线性化悬浮控制结构示意图；
图4是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的的位置反馈线性化控制方法的分布流程图；
图5是根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的位置反馈线性化悬浮控制结构示意图；
图6是根据本发明的一个方面绘示的又一实施例中的位置反馈线性化悬浮控制结构示意图；
图7是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的加速度反馈线性化悬浮控制结构示意图；
图8是根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的加速度反馈线性化悬浮控制结构示意图；
图9是根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的加速度反馈线性化悬浮控制方法的部分流程图；
图10是根据本发明的一个方面绘示的又一实施例中的加速度反馈线性化悬浮控制结构示意图；
图11是根据本发明的一个方面绘示的再一实施例中的加速度反馈线性化悬浮控制结构示意图；
图12是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的双反馈线性化悬浮控制结构示意图；
图13是根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的双反馈线性化悬浮控制结构示意图；
图14是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的双反馈线性化悬浮控制方法的部分流程图；
图15是根据本发明的一个方面绘示的另一实施例中的双反馈线性化悬浮控制结构示意图；
图16是根据本发明的一个方面绘示的再一实施例中的双反馈线性化悬浮控制结构示意图；
图17是根据本发明的另一个方面绘示的一实施例中的反馈线性化悬浮控制装置的示意框图。
具体实施方式
给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。
在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。
请读者注意与本说明书同时提交的且对公众查阅本说明书开放的所有文件及文献，且所有这样的文件及文献的内容以参考方式并入本文。除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。
注意，在使用到的情况下，标志左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
注意，在使用到的情况下，进一步地、较优地、更进一步地和更优地是在前述实施例基础上进行另一实施例阐述的简单起头，该进一步地、较优地、更进一步地或更优地后带的内容与前述实施例的结合作为另一实施例的完整构成。在同一实施例后带的若干个进一步地、较优地、更进一步地或更优地设置之间可任意组合的组成又一实施例。
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
根据本发明的一个方面，提供一种悬浮系统的反馈线性化控制方法，所述悬浮系统包括控制器以及悬浮电磁铁，所述控制器基于所述悬浮电磁铁的悬浮间隙设计值确定一原始控制量，该原始控制量可以是加速度控制量或间隙控制量。
可以理解，该控制器可采用现有的或将有的控制量计算方法确定出该原始控制量，以PID(Proportion Integral Differential，比例积分微分)算法确定加速度控制量为例，其计算模型可如式(1)所示。
Figure BDA0002480726090000081
其中，aC为加速度控制量，k1、k2、k3和k4为所述控制器的可调控制参数，c为悬浮电磁铁的悬浮间隙，cS为悬浮电磁铁的间隙设计值，
Figure BDA0002480726090000082
为悬浮电磁铁的垂向速度，/>
Figure BDA0002480726090000083
为悬浮电磁铁的垂向加速度。
在一实施例中，如图1所示，所述反馈线性化控制方法100包括步骤S110-S120。
其中，步骤S110为：获取所述悬浮系统的悬浮电磁铁的垂向加速度。
一般地，悬浮系统设置有多种传感器以满足对所述悬浮电磁铁的不同悬浮参数的检测，比如电流传感器、加速度传感器和间隙传感器。因此可通过悬浮系统中已有的或另设的加速度传感器获取其检测出的所述悬浮电磁铁的垂向加速度。
步骤S120为：至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为所述悬浮电磁铁的电流控制量，并且所述原始控制量作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成一线性化模型。
非线性悬浮系统可表示为电压型或电流型，电流型可认为是电压型的一种简化模型。为不失一般性，本发明将悬浮系统表示为电流型。悬浮系统的非线性方程可表示为式(2)。
Figure BDA0002480726090000091
其中，m为悬浮质量，
Figure BDA0002480726090000092
为悬浮间隙的二阶微分即悬浮电磁铁的垂向加速度，g为重力加速度，K为系统参数，i为输入电流，c为输出间隙。
现有的反馈线性化控制过程如图2所示的悬浮控制结构示意图所示。其中，非线性悬浮模型可对应于悬浮电磁铁的悬浮动力学方程；转化公式与控制器共同构成悬浮系统的控制单元，控制器基于悬浮电磁铁的悬浮间隙等参数输出一原始控制量(加速度控制量)，而转化公式将该原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量；该转化公式的反馈输入为悬浮间隙，转化公式与非线性悬浮模型一起构成位置反馈线性化模型。其中，转化公式如下所示：
iC 2＝(g-aC)*mc2/K (3)
其中，iC为悬浮电磁铁的电流控制量，g为重力加速度，aC为加速度控制量，m为悬浮质量，c为间隙反馈量，K为系统参数，所述加速度控制量作为所述位置反馈线性化模型的输入。
根据上述转化公式以及非线性悬浮模型的动力学方程，将非线性悬浮模型的电流替换为转化公式中的电流控制量，得到位置反馈线性化模型的微分方程为：
Figure BDA0002480726090000101
对应的传递函数为：
Figure BDA0002480726090000102
由传递函数可以看出，位置反馈线性化后，上述线性化模型仍为开环不稳定系统。
为提高该位置反馈线性化控制方法的控制性能并降低模型误差，可基于悬浮电磁铁的垂向加速度对该线性化模型的输入进行补偿。
在一具体实施例中，步骤S120具化为：以所述垂向加速度作为补偿输入，将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量。对应的悬浮控制结构示意图如图3所示。
进一步地，如图4所示，该步骤S120可包括步骤S121-S124。
其中，步骤S121为：基于所述垂向加速度确定补偿量a*。
所述补偿量可以是控制器输出的原始控制量与获取到的垂向加速度的差值，可正可负。图3所示的补偿单元即将原始控制量与获取到的垂向加速度的差作为补偿量a*。
步骤S122为：将所述原始控制量与所述补偿量之和作为加速度补偿值aC。
对应地，步骤S121中还可将确定出的加速度补偿值与该垂向加速度的差值作为所述补偿量。具体可如图5中的补偿单元所示，该补偿单元将加速度补偿值与垂向加速度的差值作为补偿量a*。
步骤S123为：获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙c。
可通过悬浮电磁铁的间隙传感器来获取检测出的悬浮间隙值。
步骤S124为：采用转换公式(6)来计算出所述悬浮电磁铁的电流控制量。
iC 2＝(g-aC)*mc2/K (6)
其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，aC为所述加速度补偿值，m为悬浮质量，c为获取的悬浮间隙，K为系统参数。
在一更优实施例中，在图3或图5所示的位置反馈线性化悬浮结构的基础上，还可对补偿单元输出的补偿量进行滤波，以防止噪声干扰，从而进一步提高系统的控制性能。具体可如图6所示，其中，G(s)为滤波函数，将补偿单元输出的补偿量乘以滤波函数G(s)以得到滤波后的补偿量a*，则将该滤波后的补偿量a*与原始控制量之和作为加速度补偿值aC并代入该转换公式(6)中以计算得到该电流控制量。
在其他实施例中，还可将步骤S110获取的垂向加速度作为反馈输入以构造一种加速度反馈线性化控制方法。则对应地，步骤S120可具化为：以所述垂向加速度作为反馈输入，将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量。
图7示出了一具体实施例的加速度反馈线性化悬浮控制结构的示意图。在该具体实施例中，控制器输出的原始控制量为间隙控制量，转换公式为：
iC 2＝(g-a)*mcC 2/K (7)
其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，a为反馈输入即获取的垂向加速度，m为悬浮质量，cC为所述间隙控制量，K为系统参数，所述间隙控制量作为所述线性化模型的输入。
将非线性悬浮模型的动力学方程中的电流替换为转化公式中的电流控制量。则，根据转换公式(7)与非线性悬浮模型的动力学方程，可得到线性化后的微分方程为：
c＝cC (8)
对应的传递函数为：
Figure BDA0002480726090000111
从传递函数(9)可以看出，加速度反馈线性化后，线性化系统由开环不稳定系统变为开环稳定系统，控制难度大幅减小。
在一更优实施例中，还可基于悬浮电磁铁的悬浮间隙对图7中的加速度反馈线性化模型的输入进行补偿。具体可如图8所示，在该实施例中，补偿单元基于悬浮间隙对控制器输出的原始控制量进行补偿。
则在该实施例中，步骤S110还包括：获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙c。
可通过悬浮电磁铁的间隙传感器来获取检测出的悬浮间隙值。
进一步地，具体补偿过程可如图9中的流程示意图所示，包括步骤S910-S920。
步骤S910为：基于获取的悬浮间隙确定补偿量。
所述补偿量可以是控制器输出的原始控制量与获取到的悬浮间隙的差值，可正可负。图8所示的补偿单元即将控制器输出的原始间隙控制量与获取到的悬浮间隙的差作为补偿量c*。
步骤S920为：将所述原始控制量与所述补偿量之和作为间隙补偿值。
对应地，步骤S910还可将确定出的间隙补偿值与该悬浮间隙的差值作为所述补偿量。具体可如图10中的补偿单元所示，该补偿单元将间隙补偿值与悬浮间隙的差值作为补偿量c*。
更进一步地，将该间隙补偿值作为间隙控制量cC代入转换公式(7)中以计算出对应的电流控制量。
在图8或10所示的加速度反馈线性化控制方法中，一方面建立的开环稳定系统，另一方面设计了误差补偿环节，实现了被控对象的全局线性化，控制结构简单、参数调整容易、可移植性强、可适应不同的悬浮工作点，具有很高的工程应用价值。
在一更优实施例中，在图8或图10所示的加速度反馈线性化悬浮结构的基础上，还可对补偿单元输出的补偿量进行滤波，以防止噪声干扰，从而进一步提高系统的控制性能。具体可如图11所示，其中，G(s)为滤波函数，将补偿单元输出的补偿量乘以滤波函数G(s)以得到滤波后的补偿量c*，则将该滤波后的补偿量c*与原始控制量之和作为间隙补偿值cC并代入该转换公式(7)中以计算得到该电流控制量。
更进一步地，在位置反馈线性化控制方法和加速度反馈线性化控制方法的基础上，还可形成双反馈线性化悬浮控制方法。具体的双反馈线性化悬浮控制结构可如图12所示，控制单元中包括控制器1和控制器2，分别基于悬浮间隙设计值和悬浮电磁铁的实际悬浮表现参数输出对应的原始控制量。其中，控制器1输出的原始控制量为间隙控制量，控制器2输出的原始控制量为加速度控制量。其转换公式如下：
iC 2＝(g-aC)*mcC 2/K (10)
或
iC 2＝(g-a-aC)*m(c+cC)2/K (11)
其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，a为获取的垂向加速度，aC为所述控制器2输出的加速度控制量，m为悬浮质量，c为获取的悬浮间隙，cC为控制器1输出的间隙控制量，K为系统参数，其中，所述控制器1输出的间隙控制量和所述控制器2输出的加速度控制量分别作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成双线性化模型。
在该双反馈线性化悬浮控制结构中，转化公式(10)无反馈输入，仅基于控制器1输出的间隙控制量和控制器2的输出的加速度控制量来确定电流控制量；转化公式(11)则以悬浮间隙和垂向加速度作为反馈输入来将控制器1输出的间隙控制量和控制器2的输出的加速度控制量转化为电流控制量，属于双反馈控制。
则对应于该双反馈线性化悬浮控制结构，步骤S110还包括：获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙；步骤S120可具化为：以获取的所述垂向加速度和所述悬浮间隙作为反馈输入，采用转换公式(10)或(11)将所述控制器1和控制器2输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量。
在一更优实施例中，还可基于获取的悬浮间隙和垂向加速度对图12中的双反馈线性化模型的输入分别进行补偿。具体可如图13所示，在该实施例中，补偿单元基于悬浮间隙对控制器1输出的原始控制量进行补偿并基于垂向加速度对控制器2输出的原始控制量进行补偿。
具体的补偿过程可如图14所示的流程示意图所示，包括步骤S141-S144。
其中，步骤S141为：基于获取的悬浮间隙确定第一补偿量。
步骤S142为：基于获取的垂向加速度确定第二补偿量。
所述第一补偿量可以是控制器1输出的原始控制量与获取到的悬浮间隙的差值，所述第二补偿量可以是控制器2输出的原始控制量与获取到的垂向加速度的差值，该第一补偿量和第二补偿量可正可负。图13所示的补偿单元即是将第一控制器输出的原始间隙控制量与获取到的悬浮间隙的差作为第一补偿量c*，将第二控制器输出的原始间隙控制量与获取到的垂向加速度的差作为第二补偿量a*。
步骤S143为：将所述第一控制器输出的原始控制量与所述第一补偿量之和作为间隙补偿值。
对应地，步骤S141还可将确定出的间隙补偿值与该悬浮间隙的差值作为所述第一补偿量。图15所示的补偿单元即是将确定出的间隙补偿值与悬浮间隙的差值作为第一补偿量c*。
步骤S144为：将所述第二控制器输出的原始控制量与所述第二补偿量之和作为加速度补偿值。
对应地，步骤S142还可将确定出的加速度补偿值与获取到的垂向加速度的差值作为所述第二补偿量。图15所示的补偿单元即是将确定出的加速度补偿值与垂向加速度的差值作为第二补偿量a*。
更进一步地，确定出间隙补偿值和加速度补偿值后，可将该间隙补偿值和加速度补偿值分别作为间隙控制量cC和加速度控制量aC代入转换公式(10)或(11)以用于计算所述电流控制量。
在一更优实施例中，在前述待补偿单元的双反馈线性化悬浮结构的基础上，还可对补偿单元输出的补偿量进行滤波，以防止噪声干扰，从而进一步提高系统的控制性能。具体可如图16所示，将补偿单元输出的补偿量乘以一滤波函数以得到滤波后的第一补偿量或第二补偿量，再将该滤波后的第一补偿量或第二补偿量与对应的原始控制量之和分别作为间隙补偿值或加速度补偿值代入该转换公式(10)或(11)中以计算得到该电流控制量。
虽然本发明为清楚说明反馈线性化控制方法，将其控制结构拆分成多个单元或模块，但本领域的技术人员可以理解，在实际应用中，反馈线性化控制结构可以是通过软件或硬件或其结合来实现的。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
根据本发明的再一个方面，还提供一种悬浮系统的反馈线性化控制装置。
在一实施例中，如图17所示，反馈线性化控制1700包括存储器1710和处理器1720。
处理器1720与存储器1710耦接，用于执行该存储器1710上存储的计算机程序，该处理器1720配置成实现如上述任一实施例中的磁浮车辆的反馈线性化控制方法的步骤。
根据本发明的另一个方面，还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如前述任一实施例中所述的磁浮车辆的反馈线性化控制方法的步骤。
本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。
本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。
结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
提供之前的描述是为了使本领域中的任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。但是应该理解，本发明的保护范围应当以所附权利要求书为准，而不应被限定于以上所解说实施例的具体结构和组件。本领域技术人员在本发明的精神和范围内，可以对各实施例进行各种变动和修改，这些变动和修改也落在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种悬浮系统的反馈线性化控制方法，所述悬浮系统包括控制器以及悬浮电磁铁，所述反馈线性化控制方法包括：
获取所述悬浮电磁铁的垂向加速度；以及
至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为所述悬浮电磁铁的电流控制量，所述原始控制量作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成一线性化模型，包括：
以所述垂向加速度作为反馈输入，将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量，其中，所述原始控制量为间隙控制量，所述至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量包括：
采用转换公式iC 2＝(g-a)*mcC 2/K确定所述悬浮电磁铁的电流控制量，其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，a为获取的垂向加速度，m为悬浮质量，cC为所述间隙控制量，K为系统参数，所述间隙控制量作为所述线性化模型的输入。
2.如权利要求1所述的反馈线性化控制方法，其特征在于，
所述获取悬浮电磁铁的垂向加速度还包括：
获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙；以及
所述反馈线性化控制方法还包括：
基于获取的悬浮间隙确定补偿量；以及
将所述原始控制量与所述补偿量之和作为间隙补偿值；以及
所述采用转换公式iC 2＝(g-a)*mcC 2/K计算出悬浮电磁铁的电流控制量包括：
将所述间隙补偿值作为所述间隙控制量cC代入所述转换公式以确定出所述电流控制量。
3.如权利要求2所述的反馈线性化控制方法，其特征在于，所述基于获取的悬浮间隙确定补偿量包括：
将间隙补偿值与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述补偿量；或者
将所述原始控制量与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述补偿量。
4.一种悬浮系统的反馈线性化控制方法，其特征在于，所述悬浮系统包括控制器以及悬浮电磁铁，所述控制器包括第一控制器和第二控制器，所述第一控制器输出的原始控制量为间隙控制量，所述第二控制器输出的原始控制量为加速度控制量，所述反馈线性化控制方法包括：
获取所述悬浮电磁铁的垂向加速度和悬浮间隙；以及
至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量包括：
以获取的所述垂向加速度和所述悬浮间隙作为反馈输入，采用转换公式iC 2＝(g-aC)*mcC 2/K或iC 2＝(g-a-aC)*m(c+cC)2/K将所述第一控制器和第二控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量，其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，a为获取的垂向加速度，aC为所述加速度控制量，m为悬浮质量，c为获取的悬浮间隙，cC为所述间隙控制量，K为系统参数，
其中，所述第一控制器输出的间隙控制量和所述第二控制器输出的加速度控制量分别作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成双线性化模型。
5.如权利要求4所述的反馈线性化控制方法，其特征在于，还包括：
基于获取的悬浮间隙确定第一补偿量；
基于获取的垂向加速度确定第二补偿量；
将所述第一控制器输出的原始控制量与所述第一补偿量之和作为间隙补偿值；以及
将所述第二控制器输出的原始控制量与所述第二补偿量之和作为加速度补偿值；以及
所述采用转换公式iC 2＝(g-aC)*mcC 2/K或iC 2＝(g-a-aC)*m(c+cC)2/K将第一控制器和第二控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量包括：
将所述间隙补偿值和所述加速度补偿值分别作为所述间隙控制量cC所述加速度控制量aC代入所述转换公式中以计算出所述电流控制量。
6.如权利要求5所述的反馈线性化控制方法，其特征在于，
所述基于获取的悬浮间隙确定第一补偿量包括：
将间隙补偿值与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述第一补偿量；或者
将所述第一控制器输出的原始控制量与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述第一补偿量；以及
所述基于获取的垂向加速度确定第二补偿量包括：
将加速度补偿值与所述获取的垂向加速度的差值作为所述第二补偿量；或者
将所述第二控制器输出的原始控制量与所述获取的垂向加速度的差值作为所述第二补偿量。
7.一种悬浮系统的反馈线性化控制方法，其特征在于，所述悬浮系统包括控制器以及悬浮电磁铁，所述控制器输出原始控制量为加速度控制量，所述反馈线性化控制方法包括：
获取所述悬浮电磁铁的垂向加速度；以及
至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量，包括：
基于所述垂向加速度确定补偿量；
将所述原始控制量与所述补偿量之和作为加速度补偿值；
获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙；以及
采用转换公式iC 2＝(g-aC)*mc2/K来计算出所述悬浮电磁铁的电流控制量，其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，aC为所述加速度补偿值，m为悬浮质量，c为获取的悬浮间隙，K为系统参数；
其中，所述原始控制量作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成一线性化模型。
8.如权利要求7所述的反馈线性化控制方法，其特征在于，所述基于垂向加速度确定补偿量包括：
将加速度补偿值与所述垂向加速度的差值作为所述补偿量；或者
将所述原始控制量与所述垂向加速度的差值作为所述补偿量。
9.如权利要求2、5或7所述的反馈线性化控制方法，其特征在于，还包括：
对所述补偿量进行滤波；以及
将滤波后的补偿量替代原先的对应补偿量。
10.一种悬浮系统的反馈线性化控制装置，所述悬浮系统包括控制器以及悬浮电磁铁，所述反馈线性化控制装置包括：
存储器；以及
处理器，所述处理器被配置成：
获取所述悬浮电磁铁的垂向加速度；以及
至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为所述悬浮电磁铁的电流控制量，所述原始控制量作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成一线性化模型，包括：
以所述垂向加速度作为反馈输入，将所述控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量，其中，所述原始控制量为间隙控制量，所述处理器进一步被配置成：
采用转换公式iC 2＝(g-a)*mcC 2/K确定所述悬浮电磁铁的电流控制量，其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，a为获取的垂向加速度，m为悬浮质量，cC为所述间隙控制量，K为系统参数，所述间隙控制量作为所述线性化模型的输入。
11.如权利要求10所述的反馈线性化控制装置，其特征在于，所述处理器进一步被配置成：
获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙；
基于获取的悬浮间隙确定补偿量；
将所述原始控制量与所述补偿量之和作为间隙补偿值；以及
将所述间隙补偿值作为所述间隙控制量cC代入所述转换公式以确定出所述电流控制量。
12.如权利要求11所述的反馈线性化控制装置，其特征在于，所述处理器进一步被配置成：
将间隙补偿值与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述补偿量；或者
将所述原始控制量与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述补偿量。
13.一种悬浮系统的反馈线性化控制装置，其特征在于，所述悬浮系统包括控制器以及悬浮电磁铁，所述控制器包括第一控制器和第二控制器，所述第一控制器输出的原始控制量为间隙控制量，所述第二控制器输出的原始控制量为加速度控制量，所述反馈线性化控制装置包括：
存储器；以及
处理器，所述处理器被配置成：
获取所述悬浮电磁铁的垂向加速度和悬浮间隙；以及
至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为所述悬浮电磁铁的电流控制量，包括：
以获取的所述垂向加速度和所述悬浮间隙作为反馈输入，采用转换公式iC 2＝(g-aC)*mcC 2/K或iC 2＝(g-a-aC)*m(c+cC)2/K将所述第一控制器和第二控制器输出的原始控制量转化为悬浮电磁铁的电流控制量，其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，a为获取的垂向加速度，aC为所述加速度控制量，m为悬浮质量，c为获取的悬浮间隙，cC为所述间隙控制量，K为系统参数，
其中，所述第一控制器输出的间隙控制量和所述第二控制器输出的加速度控制量分别作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成双线性化模型。
14.如权利要求13所述的反馈线性化控制装置，其特征在于，所述处理器还被配置成：
基于获取的悬浮间隙确定第一补偿量；
基于获取的垂向加速度确定第二补偿量；
将所述第一控制器输出的原始控制量与所述第一补偿量之和作为间隙补偿值；
将所述第二控制器输出的原始控制量与所述第二补偿量之和作为加速度补偿值；以及
将所述间隙补偿值和所述加速度补偿值分别作为所述间隙控制量cC所述加速度控制量aC代入所述转换公式中以计算出所述电流控制量。
15.如权利要求14所述的反馈线性化控制装置，其特征在于，所述处理器进一步被配置成：
将间隙补偿值与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述第一补偿量；或者
将所述第一控制器输出的原始控制量与所述获取的悬浮间隙的差值作为所述第一补偿量；以及
将加速度补偿值与所述获取的垂向加速度的差值作为所述第二补偿量；或者
将所述第二控制器输出的原始控制量与所述获取的垂向加速度的差值作为所述第二补偿量。
16.一种悬浮系统的反馈线性化控制装置，其特征在于，所述悬浮系统包括控制器以及悬浮电磁铁，所述控制器输出原始控制量为加速度控制量，所述反馈线性化控制装置包括：
存储器；以及
处理器，所述处理器被配置成：
获取所述悬浮电磁铁的垂向加速度；
至少基于所述垂向加速度将所述控制器输出的原始控制量转化为所述悬浮电磁铁的电流控制量，包括：
基于所述垂向加速度确定补偿量；
将所述原始控制量与所述补偿量之和作为加速度补偿值；
获取所述悬浮电磁铁的悬浮间隙；以及
采用转换公式iC 2＝(g-aC)*mc2/K来计算出所述悬浮电磁铁的电流控制量，其中，iC为所述电流控制量，g为重力加速度，aC为所述加速度补偿值，m为悬浮质量，c为获取的悬浮间隙，K为系统参数，
其中，所述原始控制量作为输入、所述悬浮电磁铁的悬浮间隙作为输出构成一线性化模型。
17.如权利要求16所述的反馈线性化控制装置，其特征在于，所述处理器进一步被配置成：
将加速度补偿值与所述垂向加速度的差值作为所述补偿量；或者
将所述原始控制量与所述垂向加速度的差值作为所述补偿量。
18.如权利要求11、14或16所述的反馈线性化控制装置，其特征在于，所述处理器还被配置成：
对所述补偿量进行滤波；以及
将滤波后的补偿量替代原先的对应补偿量。
19.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1～9中任一项所述的反馈线性化控制方法的步骤。
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GR01 Patent grant
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