CN115230481A - 基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法、装置和控制器 - Google Patents

基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法、装置和控制器 Download PDF

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CN115230481A CN202211013918.0A CN202211013918A CN115230481A CN 115230481 A CN115230481 A CN 115230481A CN 202211013918 A CN202211013918 A CN 202211013918A CN 115230481 A CN115230481 A CN 115230481A
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王素梅
张梦华
诸锜
倪一清
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Hong Kong Polytechnic University HKPU
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L13/00—Electric propulsion for monorail vehicles, suspension vehicles or rack railways; Magnetic suspension or levitation for vehicles
    • B60L13/04—Magnetic suspension or levitation for vehicles

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Abstract

本申请提供了一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法、装置和控制器，控制器获取设定的磁悬浮系统物理参数、轨道与车体间的间隙数据和预先建立的控制信号模型；其中，间隙数据是通过间隙传感器采集的；控制信号模型是基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型，并引入扰动信号而建立的；然后将磁悬浮系统物理参数和间隙数据输入至控制信号模型，以输出控制信号；最后将控制信号通过斩波器驱动悬浮电磁铁移动到目标位置。本申请实施例中的列车控制方法，考虑了扰动，并利用扰动的积极效应能够极大减少控制耗能；并且抗干扰能力强。

Description

基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法、装置和控制器
技术领域
本申请涉及数据处理技术领域，具体涉及一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法、装置和控制器。
背景技术
磁悬浮列车是一种具有非接触式电磁悬浮，引导和驱动系统的现代运输方式，其通过电磁吸引或斥力的方式实现列车的悬浮，从而避免列车与轨道之间的机械接触，并由直线电动机驱动。磁悬浮列车具有速度快、能耗低，乘坐舒适且噪音低的特点，是一种理论的交通工具。按照悬浮原理及方式，可以将磁悬浮列车分为电动悬浮型(Electrodynamicsuspension)以及电磁悬浮型(Electromagnetic suspension)两种类型。电动悬浮型磁浮系统利用电磁斥力实现列车在轨道上方悬浮，电磁悬浮型磁浮系统则利用位于轨道下方的电磁铁产生的吸引力实现列车的悬浮。
在悬浮控制上，与电动悬浮型磁浮系统不同，目前运行的电磁悬浮型磁浮列车需要施加主动控制来实现系统的稳定悬浮，因此实现磁浮系统的稳定悬浮是目前磁浮列车安全运行的关键与核心。电磁悬浮型的悬浮系统具有很强的非线性和开环不稳定性，并在运行过程中也会受到外部环境的扰动因素影响，致使系统的参数具有极高的不确定性。目前的大多数控制策略如PID控制、最优控制、模糊控制等通常直接在控制项中消除外部扰动来达到控制目的。而实际上，扰动对于系统而言，既有积极效应，也有消极效应，如何利用扰动产生积极效应，就显得尤为重要。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例中提供了一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法、装置、磁悬浮控制器和计算机可读存储介质。
第一方面，本申请实施例提供了一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法，所述磁悬浮列车控制系统包括间隙传感器、磁悬浮控制器、斩波器和悬浮电磁铁；所述悬浮电磁铁安装在磁悬浮列车的车体上，所述间隙传感器安装在所述悬浮电磁铁上；所述间隙传感器连接所述磁悬浮控制器，所述悬浮电磁铁通过斩波器连接至所述磁悬浮控制器，所述方法应用于所述磁悬浮控制器，所述方法包括：
获取设定的磁悬浮系统物理参数、轨道与车体间的间隙数据和预先建立的控制信号模型；其中，所述间隙数据是通过间隙传感器采集的；所述控制信号模型是基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型，并引入扰动信号而建立的；
将所述磁悬浮系统物理参数和所述间隙数据输入至所述控制信号模型，以输出控制信号；其中，所述控制信号用于通过所述斩波器驱动所述悬浮电磁铁移动到目标位置。
第二方面，本申请实施例提供了一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制装置，所述磁悬浮列车控制系统包括间隙传感器、磁悬浮控制器、斩波器和悬浮电磁铁；所述悬浮电磁铁安装在磁悬浮列车的车体上，所述间隙传感器安装在所述悬浮电磁铁上；所述间隙传感器连接所述磁悬浮控制器，所述悬浮电磁铁通过斩波器连接至所述磁悬浮控制器，所述装置应用于所述磁悬浮控制器，该装置包括：
信息获取模块，用于获取设定的磁悬浮系统物理参数、轨道与车体间的间隙数据和预先建立的控制信号模型；其中，所述间隙数据是通过间隙传感器采集的；所述控制信号模型是基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型，并引入扰动信号而建立的；
控制信号输出模块，用于将所述磁悬浮系统物理参数和所述间隙数据输入至所述控制信号模型，以输出控制信号；其中，所述控制信号用于通过所述斩波器驱动所述悬浮电磁铁移动到目标位置。
第三方面，本申请实施例提供了一种磁悬浮控制器，包括：存储器；一个或多个处理器，与所述存储器耦接；一个或多个应用程序，其中，一个或多个应用程序被存储在存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，一个或多个应用程序配置用于执行上述第一方面提供的基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法。
第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读取存储介质，计算机可读取存储介质中存储有程序代码，程序代码可被处理器调用执行上述第一方面提供的基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法。
本申请实施例提供的基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法、装置、磁悬浮控制器和计算机可读存储介质，磁悬浮控制器获取设定的磁悬浮系统物理参数、轨道与车体间的间隙数据和预先建立的控制信号模型；其中，间隙数据是通过间隙传感器采集的；控制信号模型是基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型，并引入扰动信号而建立的；然后将磁悬浮系统物理参数和间隙数据输入至控制信号模型，以输出控制信号；最后将控制信号通过斩波器驱动悬浮电磁铁移动到目标位置。
本申请实施例中的列车控制方法，考虑了扰动，并利用扰动的积极效应能够极大减少控制耗能；并且抗干扰能力强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的实施例，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为本申请实施例提供的基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法的应用场景示意图(即磁悬浮列车控制系统的结构示意图)；
图2为本申请一个实施例提供的磁悬浮列车工作原理的示意图；
图3为本申请一个实施例提供的基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法的流程示意图；
图4为本申请一个实施例提供的控制信号模型示意图；
图5为本申请一个实施例中提供的基于磁悬浮列车控制系统的列车控制装置的结构示意图；
图6为本申请一个实施例中提供的终端设备的结构示意图；
图7为本申请一个实施例中提供的计算机可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
为了更详细说明本申请，下面结合附图对本申请提供的一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法、装置、终端设备和计算机可读存储介质，进行具体地描述。
请参考图1，图1示出了本申请实施例提供的基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法的应用场景(即磁悬浮列车控制系统)的示意图，该应用场景包括本申请实施例提供的包括轨道1、间隙传感器2，磁悬浮控制器3，斩波器4、车体5和悬浮电磁铁6。间隙传感器2与磁悬浮控制器3连接，磁悬浮控制器3通过斩波器4连接至悬浮电磁铁6，间隙传感器2安装在悬浮电磁铁6上。悬浮电磁铁6安装在车体5上，车体5悬浮在轨道1上。磁悬浮控制器3包括计算机硬件和算法软件，其中算法软件存储于计算机硬件中。
另外，请参考图2，图2中的301表示轨道、302表示设置在轨道与悬浮电磁铁之间的线圈，303表示悬浮电磁铁；当向线圈施加电压和电流，悬浮电磁铁相对线圈运动会产生磁场，磁场会被车体产生作用力，从而驱动器运动。
其中，磁悬浮列车控制系统的工作原理为：间隙传感器2实时高速不间断测量采集气隙间距数据，经模数转化滤波调制(通过模数转换模块与滤波调制模块实现)后，通过通信线路，将隙间距数据传递给磁悬浮控制器3中。磁悬浮控制器3经过计算得出的控制量(又称控制信号)，并将控制量输出至斩波器4，斩波器4将控制量转换为电流信号，驱动悬浮电磁铁6工作。随着在间隙传感器2、磁悬浮控制器3、斩波器4的实时不间断的工作，列车将会在有限时间内移动到目标位置，并保持在该位置误差限制范围内，达到稳定可靠的悬浮控制效果。
可选地，磁悬浮控制器可以是终端设备，终端设备可以是具有显示屏的各种电子设备，包括但不限于智能手机和计算机设备，其中计算机设备可以是台式计算机、便携式计算机、膝上型计算机、平板电脑等设备中的至少一种。终端设备可以泛指多个终端设备中的一个，本实施例仅以终端设备来举例说明。本领域技术人员可以知晓，上述终端设备的数量可以更多或更少。比如上述终端设备可以仅为几个，或者上述终端设备为几十个或几百个，或者更多数量，本申请实施例对终端设备的数量和类型不加以限定。终端设备可以用来执行本申请实施例中提供的一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法。
基于此，本申请实施例中提供了一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法。请参阅图3，图3示出了本申请实施例提供的一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法的流程示意图，以该方法应用于图1中的磁悬浮控制器为例进行说明，包括以下步骤：
步骤S110，获取设定的磁悬浮系统物理参数、轨道与车体间的间隙数据和预先建立的控制信号模型。
其中，间隙数据是通过间隙传感器采集的；控制信号模型是基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型，并引入扰动信号而建立的。
步骤S120，将磁悬浮系统物理参数和间隙数据输入至控制信号模型，以输出控制信号。
其中，控制信号用于通过斩波器驱动悬浮电磁铁移动到目标位置。
具体来说，磁悬浮系统物理参数包括但不限于悬浮磁铁的负载和自身重力、电磁铁的截面积、电磁铁线圈的绕组个数等。轨道与车体件的间隙数据是指某一时刻轨道与车体的间隙值，主要通过间隙传感器采集，其中间隙传感器可以实时或定时采集间隙数据。
控制信号模型是用来根据输入的磁悬浮系统物理参数、间隙数据来计算控制信号，然后采用控制信号来驱动悬浮电磁铁移动到目标位置。控制信号模型的原理图请参照图4所示；图4中的斩波器、悬浮电磁铁和间隙传感器为硬件设备，而非线性扰动观测器、交换逻辑饱和跟踪控制器、辅助函数、误差信号、扰动指示项、逻辑方程等都是算法模块，这些算法模块组合在一起能表示控制信号模型。
控制信号模型是基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型，并引入扰动信号而建立的；具体地过程为：通过间隙传感器观测到的实际间隙值与目标间隙值的误差来构建辅助函数；再采用非线性扰动观测器根据控制量(又称为控制信号)与辅助函数的获取扰动指示项的逻辑方程，最后确定出控制信号模型。即可通过非线性扰动观测器观测得到的观测值、逻辑方程值、辅助函数项计算控制量，该控制量经过斩波器处理可作用于悬浮电磁铁，进行悬浮控制。
在一个实施例中，控制信号模型的表达式为：
Figure BDA0003811927980000061
其中，u(t)表示t时刻的控制信号；arctan(·)与sgn(·)为符号函数，H(·)为逻辑函数(0或1)，Γ为扰动信号，s为所引入的滤波信号、表示实际悬浮间隙与目标悬浮间隙的误差的辅助函数，
Figure BDA0003811927980000062
为车体的理论质量，g为重力加速度，kp、ks、λ为控制增益参数，
Figure BDA0003811927980000063
为扰动估计值。
本申请实施例中的列车控制方法，考虑了扰动，并利用扰动的积极效应能够极大减少控制耗能；并且抗干扰能力强。
进一步地，提供了一种建立控制信号模型的实施方式，具体描述如下
在一个实施例中，建立控制信号模型，包括：
S1：基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型。
在一个实施例中，基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型，包括：基于磁悬浮列车的悬浮机制建立悬浮架的初始非线性动力学模型；基于磁悬浮列车的电流控制原理对初始非线性动力学模型进行简化，以形成非线性动力学模型。
具体地，磁浮列车各悬浮控制器在一定范围内可认为相互独立，因此可将单点悬浮系统看作最小动力学模型进行控制器设计。单点悬浮系统的初始非线性动力学模型表示为：
Figure BDA0003811927980000064
其中，
Figure BDA0003811927980000071
y(t)为动力学模型输出量，
Figure BDA0003811927980000072
与
Figure BDA0003811927980000073
分别对应x1(t)，x2(t)，x3(t)的一阶导数，t表示时间，z(t)为t时刻列车轨道和车体的间隙，
Figure BDA0003811927980000074
为t时刻列车轨道和车体的间隙的一阶导数，i(t)为t时刻电磁铁线圈电流，u1(t)为t时刻电磁铁两端的激励电压，m为电磁铁的负载和自身重力，g为重力加速度，A为电磁铁的截面积，N为电磁铁线圈的绕组个数，R为电磁铁线圈绕组的电阻，μ0为真空磁导率，fd为悬浮系统的外部扰动。
由于在实际磁浮列车工作中，实际控制用电流进行控制，因此可以对初始非线性动力学模型进行简化，以得到非线性动力学模型的表达式为：
Figure BDA0003811927980000075
其中，
Figure BDA0003811927980000076
y(t)为动力学模型输出量，
Figure BDA0003811927980000077
为x1(t)的一阶导数，
Figure BDA0003811927980000078
为x2(t)的一阶导数，z(t)为t时刻列车轨道和车体的间隙，
Figure BDA0003811927980000079
为t时刻列车轨道和车体的间隙的一阶导数，i(t)为t时刻电磁铁线圈电流，m为电磁铁的负载和自身重力，g为重力加速度，A为电磁铁的截面积，N为电磁铁线圈的绕组个数，R为电磁铁线圈绕组的电阻，μ0为真空磁导率，fd为悬浮系统的外部扰动。
将电流信号与悬浮间隙之间的关系作为控制量，即
Figure BDA00038119279800000710
该非线性动力学模型可以进一步简化为：
Figure BDA00038119279800000713
其中，
Figure BDA00038119279800000711
Figure BDA00038119279800000712
z为悬浮间隙，A为电磁铁的截面积，N为电磁铁线圈绕组个数，μ0为真空磁导率，为了保证所提出的控制模型始终提供大于0的控制量，并且工作在幅值饱和以内，控制增益项kp，ks的取值需满足。
由于悬浮间隙z(t)可以通过传感器实时测量，因此只要得到控制量，即可得到系统所需的控制电流：
Figure BDA0003811927980000081
S2：定义实际悬浮间隙与目标悬浮间隙的误差信号。
由于磁浮列车的控制目标是让悬浮间隙z(t)保持在目标悬浮间隙，可以将误差信号定义为：e(t)＝z(t)-zd (3)
其中，e(t)为t时刻的误差信号；zd为目标悬浮间隙，通常情况下该值为为定值。
S3：基于误差信号定义辅助函数。
具体来说，基于误差信号可以定义一个辅助函数s(t)如下：
Figure BDA0003811927980000082
其中
Figure BDA0003811927980000083
与
Figure BDA0003811927980000084
分别为t时刻误差信号的一阶导数项与二阶导数项，
Figure BDA0003811927980000085
为辅助函数s(t)t时刻的一阶导数项，
Figure BDA0003811927980000086
与
Figure BDA0003811927980000087
分别为t时刻z(t)的一阶导数项与二阶导数项。
将公式(4)带入(1)，可以得到：
Figure BDA0003811927980000088
S4：建立扰动信号函数。
具体而言，在实际运营过程中，电磁铁的负载会根据乘客上下车或者其他荷载如风荷载进行变化，m通常是不确定的，因此引入
Figure BDA0003811927980000089
令对(5)进行改写：
Figure BDA00038119279800000810
其中，
Figure BDA00038119279800000811
表示理论质量，在不同时刻其值可能不相同。
对(6)中的扰动项进行合并，可以得到(7)式：
Figure BDA00038119279800000812
(7)；其中(7)中的扰动合并项Δ为：
Figure BDA00038119279800000813
其中，Δ表示扰动信号函数。
Figure BDA00038119279800000814
Figure BDA00038119279800000815
为Δ的一阶导数，λp与λd分别为Δ与
Figure BDA00038119279800000816
的上界；Δ为扰动信号函数，
Figure BDA00038119279800000817
是e(t)的一阶导数，s(t)为辅助函数，
Figure BDA0003811927980000091
为s(t)的一阶导数。
S5：将辅助函数、理论质量和扰动信号函数代入非线性动力学模型，以形成控制信号模型。
由于扰动观测器存在误差，定义如下：
Figure BDA0003811927980000092
式(10)中
Figure BDA0003811927980000093
为扰动观测器的观测值，在本发明中所构建的扰动观测器如下：
Figure BDA0003811927980000094
Figure BDA0003811927980000095
Figure BDA0003811927980000096
其中
Figure BDA0003811927980000097
为q1的一阶导数项，L为正观测增益值，q1与q2为两个辅助方程。基于所涉及的扰动观测器，所估计得到的扰动项
Figure BDA0003811927980000098
以及观测器误差的范围为：
Figure BDA0003811927980000099
其中
Figure BDA00038119279800000910
与
Figure BDA00038119279800000911
分别为
Figure BDA00038119279800000912
与
Figure BDA00038119279800000913
的上界，
Figure BDA00038119279800000914
与
Figure BDA00038119279800000915
分别为
Figure BDA00038119279800000916
和
Figure BDA00038119279800000917
初始值。
其中式(12)范围证明如下：
对式(11a)两边求导，并代入(7)，(11b)与(11c)：
Figure BDA00038119279800000918
其中
Figure BDA00038119279800000919
为
Figure BDA00038119279800000920
的一阶导数项，
Figure BDA00038119279800000921
为q2的一阶导数项。
对微分方程(13)进行求解，可以得到：
Figure BDA00038119279800000922
Figure BDA00038119279800000923
根据(13)，可以得到：
Figure BDA00038119279800000924
其中
Figure BDA00038119279800000925
为
Figure BDA00038119279800000926
的一阶导数项。
同样对微分方程(15)求解，得到：
Figure BDA0003811927980000101
Figure BDA0003811927980000102
为了使用对控制有益的扰动，在此引入扰动指示项(又称为扰动信号)：
Figure BDA0003811927980000103
并作如下定义：当Γ＝1，扰动不利于控制；Γ＝0，扰动对控制无影响；Γ＝-1，扰动对控制有利。
为了进行稳定性的证明，构造一个Lyapunov方程：
Figure BDA0003811927980000104
对(18)进行求导，并代入(7)，得到：
Figure BDA0003811927980000105
其中
Figure BDA0003811927980000106
为Lyapunov方程V的一阶导数项。
基于(19)，设计如下交换逻辑饱和跟踪控制器(即控制信号模型)：
Figure BDA0003811927980000107
其中kp与ks为正控制增益项，H(Γ)为值为0或1的逻辑方程，其定义为：
Figure BDA0003811927980000108
因此当扰动项不利于控制时，可以在控制器中去除扰动项。将(20)代入(19)，可得：
Figure BDA0003811927980000109
Figure BDA00038119279800001010
将(12)中
Figure BDA00038119279800001011
与
Figure BDA00038119279800001012
的上界代入，并令ks>εd+εp，可以得到如下不等式：
Figure BDA00038119279800001013
由V为正定，
Figure BDA00038119279800001014
为负定可以得到(20)中所设计的控制器为Lyapunov渐进稳定，并且本发明所采用的辅助函数s最终收敛至0，该证明如下：
Figure BDA0003811927980000111
其中c1根据初始条件确定(不影响收敛)。
此外，需对所设计的控制信号模型进行上限控制：
Figure BDA0003811927980000112
umax为已知所能达到的最大控制量。并且考虑控制器的值恒为正：
Figure BDA0003811927980000113
Figure BDA0003811927980000114
应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
上述本申请公开的实施例中详细描述了一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法，对于本申请公开的上述方法可采用多种形式的设备实现，因此本申请还公开了对应上述方法的基于磁悬浮列车控制系统的列车控制装置，下面给出具体的实施例进行详细说明。
请参阅图5，为本申请实施例公开的一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制装置，磁悬浮列车控制系统包括间隙传感器、磁悬浮控制器、斩波器和悬浮电磁铁；悬浮电磁铁安装在磁悬浮列车的车体上，间隙传感器安装在悬浮电磁铁上；间隙传感器连接磁悬浮控制器，悬浮电磁铁通过斩波器连接至磁悬浮控制器，装置应用于磁悬浮控制器，装置包括：
信息获取模块510，用于获取设定的磁悬浮系统物理参数、轨道与车体间的间隙数据和预先建立的控制信号模型；其中，间隙数据是通过间隙传感器采集的；控制信号模型是基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型，并引入扰动信号而建立的；
控制信号输出模块520，用于将磁悬浮系统物理参数和间隙数据输入至控制信号模型，以输出控制信号；其中，控制信号用于通过斩波器驱动悬浮电磁铁移动到目标位置。
在一个实施例中，控制信号模型的表达式为：
Figure BDA0003811927980000121
其中，u(t)表示t时刻的控制信号；arctan(·)与sgn(·)为符号函数，H(·)为逻辑函数(0或1)，Γ为扰动信号，s为所引入的滤波信号、表示实际悬浮间隙与目标悬浮间隙的误差的辅助函数，
Figure BDA0003811927980000122
为车体的理论质量，g为重力加速度，kp、ks、λ为控制增益参数，
Figure BDA0003811927980000123
为扰动估计值。
在一个实施例中，装置还包括：
非线性模型建立模块，用于基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型。
误差信号定义模块，用于定义实际悬浮间隙与目标悬浮间隙的误差信号。
辅助函数定义模块，用于基于误差信号定义辅助函数。
扰动信号函数建立模块，用于建立扰动信号函数。
控制信号模型建立模块，用于将辅助函数、理论质量和扰动信号函数代入非线性动力学模型，以形成控制信号模型。
在一个实施例中，非线性模型建立模块，用于基于磁悬浮列车的悬浮机制建立悬浮架的初始非线性动力学模型；基于磁悬浮列车的电流控制原理对初始非线性动力学模型进行简化，以形成非线性动力学模型。
在一个实施例中，非线性动力学模型的表达式为：
Figure BDA0003811927980000124
其中，
Figure BDA0003811927980000131
y(t)为动力学模型输出量，
Figure BDA0003811927980000132
为x1(t)的一阶导数，
Figure BDA0003811927980000133
为x2(t)的一阶导数，Z(t)为t时刻列车轨道和车体的间隙，
Figure BDA0003811927980000134
为t时刻列车轨道和车体的间隙的一阶导数，i(t)为t时刻电磁铁线圈电流，m为电磁铁的负载和自身重力，g为重力加速度，A为电磁铁的截面积，N为电磁铁线圈的绕组个数，R为电磁铁线圈绕组的电阻，μ0为真空磁导率，fd为悬浮系统的外部扰动。
在一个实施例中，误差信号的表达式为：e(t)＝z(t)-zd，其中，e(t)为t时刻的误差信号，zd为目标悬浮间隙。
在一个实施例中，扰动信号函数的表达式为：
Figure BDA0003811927980000135
其中，|Δ|≤λp,
Figure BDA0003811927980000136
Figure BDA0003811927980000137
为Δ的一阶导数，λp与λd分别为Δ与
Figure BDA0003811927980000138
的上界；Δ为扰动信号函数，
Figure BDA0003811927980000139
是e(t)的一阶导数，s(t)为辅助函数，
Figure BDA00038119279800001310
为s(t)的一阶导数。
关于基于磁悬浮列车控制系统的列车控制装置的具体限定可以参见上文中对于方法的限定，在此不再赘述。上述装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于终端设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于终端设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
请参考图6，图6其示出了本申请实施例提供的一种悬浮控制器的结构框图。该悬浮控制器60可以是计算机设备。本申请中的悬浮控制器60可以包括一个或多个如下部件：处理器62、存储器64以及一个或多个应用程序，其中一个或多个应用程序可以被存储在存储器64中并被配置为由一个或多个处理器62执行，一个或多个应用程序配置用于执行上述应用于悬浮控制器的方法实施例中所描述的方法，也可以配置用于执行上述应用于基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法实施例中所描述的方法。
处理器62可以包括一个或者多个处理核。处理器62利用各种接口和线路连接整个悬浮控制器60内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器64内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器64内的数据，执行悬浮控制器60的各种功能和处理数据。可选地，处理器62可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable LogicArray，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器62可集成中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)、图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作系统、用户界面和应用程序等；GPU用于负责显示内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到处理器62中，单独通过一块通信芯片进行实现。
存储器64可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory)。存储器64可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器64可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于实现至少一个功能的指令(比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等)、用于实现下述各个方法实施例的指令等。存储数据区还可以存储悬浮控制器60在使用中所创建的数据等。
本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的悬浮控制器的限定，具体的悬浮控制器可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
综上，本申请实施例提供的悬浮控制器用于实现前述方法实施例中相应的基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法，并具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
请参阅图7，其示出了本申请实施例提供的一种计算机可读取存储介质的结构框图。该计算机可读取存储介质70中存储有程序代码，程序代码可被处理器调用执行上述基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法实施例中所描述的方法，也可以被处理器调用执行上述基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法实施例中所描述的方法。
计算机可读取存储介质70可以是诸如闪存、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、EPROM、硬盘或者ROM之类的电子存储器。可选地，计算机可读取存储介质70包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storage medium)。计算机可读取存储介质70具有执行上述方法中的任何方法步骤的程序代码72的存储空间。这些程序代码可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入到这一个或者多个计算机程序产品中。程序代码72可以例如以适当形式进行压缩。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制方法，其特征在于，所述磁悬浮列车控制系统包括间隙传感器、磁悬浮控制器、斩波器和悬浮电磁铁；所述悬浮电磁铁安装在磁悬浮列车的车体上，所述间隙传感器安装在所述悬浮电磁铁上；所述间隙传感器连接所述磁悬浮控制器，所述悬浮电磁铁通过斩波器连接至所述磁悬浮控制器，所述方法应用于所述磁悬浮控制器，所述方法包括：
获取设定的磁悬浮系统物理参数、轨道与车体间的间隙数据和预先建立的控制信号模型；其中，所述间隙数据是通过间隙传感器采集的；所述控制信号模型是基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型，并引入扰动信号而建立的；
将所述磁悬浮系统物理参数和所述间隙数据输入至所述控制信号模型，以输出控制信号；其中，所述控制信号用于通过所述斩波器驱动所述悬浮电磁铁移动到目标位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制信号模型的表达式为：
Figure FDA0003811927970000011
其中，所述u(t)表示t时刻的控制信号；arctan(·)与sgn(·)为符号函数，H(·)为逻辑函数(0或1)，Γ为扰动信号，s为所引入的滤波信号、表示实际悬浮间隙与目标悬浮间隙的误差的辅助函数，
Figure FDA0003811927970000012
为车体的理论质量，g为重力加速度，kp、ks、λ为控制增益参数，
Figure FDA0003811927970000013
为扰动估计值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述控制信号模型，包括：
基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型；
定义实际悬浮间隙与目标悬浮间隙的误差信号；
基于所述误差信号定义辅助函数；
建立扰动信号函数；
将所述辅助函数、理论质量和所述扰动信号函数代入所述非线性动力学模型，以形成所述控制信号模型。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型，包括：
基于磁悬浮列车的悬浮机制建立悬浮架的初始非线性动力学模型；
基于磁悬浮列车的电流控制原理对所述初始非线性动力学模型进行简化，以形成所述非线性动力学模型。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述非线性动力学模型的表达式为：
Figure FDA0003811927970000021
其中，
Figure FDA0003811927970000022
y(t)为动力学模型输出量，
Figure FDA0003811927970000023
为x1(t)的一阶导数，
Figure FDA0003811927970000024
为x2(t)的一阶导数，z(t)为t时刻列车轨道和车体的间隙，
Figure FDA0003811927970000025
为t时刻列车轨道和车体的间隙的一阶导数，i(t)为t时刻电磁铁线圈电流，m为电磁铁的负载和自身重力，g为重力加速度，A为电磁铁的截面积，N为电磁铁线圈的绕组个数，R为电磁铁线圈绕组的电阻，μ0为真空磁导率，fd为悬浮系统的外部扰动。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述误差信号的表达式为：
e(t)＝z(t)-zd
其中，e(t)为t时刻的误差信号，zd为目标悬浮间隙。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述扰动信号函数的表达式为：
Figure FDA0003811927970000026
其中，|Δ|≤λp，
Figure FDA0003811927970000027
Figure FDA0003811927970000028
为Δ的一阶导数，λp与λd分别为Δ与
Figure FDA0003811927970000029
的上界；Δ为扰动信号函数，
Figure FDA00038119279700000210
是e(t)的一阶导数，s(t)为辅助函数，
Figure FDA00038119279700000211
为s(t)的一阶导数。
8.一种基于磁悬浮列车控制系统的列车控制装置，其特征在于，所述磁悬浮列车控制系统包括间隙传感器、磁悬浮控制器、斩波器和悬浮电磁铁；所述悬浮电磁铁安装在磁悬浮列车的车体上，所述间隙传感器安装在所述悬浮电磁铁上；所述间隙传感器连接所述磁悬浮控制器，所述悬浮电磁铁通过斩波器连接至所述磁悬浮控制器，所述装置应用于所述磁悬浮控制器，所述装置包括：
信息获取模块，用于获取设定的磁悬浮系统物理参数、轨道与车体间的间隙数据和预先建立的控制信号模型；其中，所述间隙数据是通过间隙传感器采集的；所述控制信号模型是基于磁悬浮列车的悬浮机制构建悬浮架的非线性动力学模型，并引入扰动信号而建立的；
控制信号输出模块，用于将所述磁悬浮系统物理参数和所述间隙数据输入至所述控制信号模型，以输出控制信号；其中，所述控制信号用于通过所述斩波器驱动所述悬浮电磁铁移动到目标位置。
9.一种磁悬浮控制器，其特征在于，包括：
存储器；一个或多个处理器，与所述存储器耦接；一个或多个应用程序，其中，一个或多个应用程序被存储在存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，一个或多个应用程序配置用于执行如权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读取存储介质中存储有程序代码，所述程序代码可被处理器调用执行如权利要求1-7任一项所述的方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116880217A (zh) * 2023-09-06 2023-10-13 江西理工大学 一种用于磁悬浮列车无人驾驶的追踪运行特征建模方法
CN116880217B (zh) * 2023-09-06 2023-11-10 江西理工大学 一种用于磁悬浮列车无人驾驶的追踪运行特征建模方法

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