一种自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动的方法与流程

本发明涉及磁悬浮列车控制技术领域，尤其是涉及一种自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动的方法。

背景技术：

目前，磁浮列车的悬浮系统必须依靠主动控制才能维持稳定，而如何提供悬浮所需的阻尼，是控制的关键技术之一。在实际的悬浮系统中，获取阻尼的方式有两种，一是对悬浮间隙进行微分，二是对悬浮磁铁垂向运动的加速度进行积分，通常将这两种方式获得的阻尼进行线性组合，作为悬浮系统的阻尼。

而悬浮间隙中除了悬浮磁铁的位置信息，还包含了轨道不平顺信息及轨道振动信息，利用悬浮间隙的微分作为阻尼，能够起到抑制轨道振动效果，但不利于抑制轨道不平顺。反之，悬浮磁铁垂向运动的加速度中不包含轨道不平顺信息及轨道振动信息，具有抑制轨道不平顺的效果，但不能抑制轨道振动。

悬浮系统是一个非线性系统，采用将两种阻尼进行线性组合的方式，无法兼顾抑制轨道不平顺和抑制轨道振动的需求。

因此，如何兼顾悬浮间隙、悬浮磁铁垂向运动的加速度中的悬浮系统信息，在对轨道不平顺具有良好抑制效果的前提下，有效抑制轨道振动，是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动的方法，设置微分传递函数，对磁悬浮系统的各个悬浮间隙分别进行微分，设置积分传递函数，对每个间隙中的加速度分别进行积分，滤除掉加速度中的直流分量，根据悬浮间隙微分信号和加速度积分信号，推导轨道振动的速度信号，从轨道振动速度信号中提取轨道振动特征，将振动特征引入到阻尼计算中，形成自适应阻尼计算方法，从而在悬浮磁铁两端的控制率计算中进行自适应调整，实现对轨道振动的自适应抑制。

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：

一种自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动的方法，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，分别用于检测间隙信号、加速度信号，对各间隙信号、各加速度信号分别进行处理，得到各间隙第一信号、各加速度第一信号，并推导轨道振动的速度信号，提取轨道振动特征，在悬浮磁铁的阻尼计算中，引入自适应机制，根据自适应的阻尼计算悬浮磁铁两端的控制率，对悬浮磁铁的两端采用相同的控制率进行控制。

本发明进一步设置为：设置微分传递函数，对各间隙信号分别进行微分处理，得到各间隙第一信号。

本发明进一步设置为：采用两个惯性环节相减的方式，设置微分传递函数：

(1)；τ1＜τ2

式中，τ1、τ2分别表示两个惯性环节的时间常数；s表示微分。

本发明进一步设置为：设置具有隔直功能的积分传递函数，对各加速度信号分别进行积分处理，得到各加速度第一信号。

本发明进一步设置为：为了滤除加速度信号中的重力加速度的直流分量，积分传递函数为：

式中，ka表示增益系数，ξ表示阻尼比，ωn表示带宽，s²表示二阶微分。

本发明进一步设置为：：根据各间隙第一信号vgi(t)、各加速度第一信号vai(t)，推导轨道振动的速度信号vhi(t)：

vhi(t)＝vai(t)-vgi(t)(3)；

式中，式中i＝1，…n，表示间隙传感器数量。

本发明进一步设置为：根据离散傅里叶变换的原理，对各轨道振动的速度信号进行处理，得到其频率域的分布，提取各频率域分布最大值，作为第i路轨道振动特征；计算所有轨道振动特征的最大值，作为该段轨道的振动特征。

本发明进一步设置为：采用pid控制算法，悬浮磁铁两端的控制率相同，且与阻尼有关，阻尼表示式如下：

kd1(amp)·vg+kd2(amp)·va(4)；

式中，kd10和kd20分别表示轨道不振动时的间隙微分系数和加速度积分系数，ampmax表示轨道振动特征的边界值，δkd表示阻尼系数变化的幅值，sat(·)表示饱和函数。

本发明进一步设置为：悬浮磁铁左端的控制率表达如下：

式中，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；gap0表示额定间隙，i0表示额定电流，vg表示该悬浮点的间隙微分，va表示该悬浮点的加速度积分，且有：

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：

一种自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动终端，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，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，所述处理器执行所述计算机程序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.本申请通过将振动特征引入控制率计算中，从而实现了对振动的自适应抑制；

2.进一步地，本申请采用具有隔直作用的积分传递函数，滤除掉加速度中的直流成分，实现隔直积分功能；

3.进一步地，本申请根据间隙微分信号和加速度积分信号，推导轨道振动速度信号，对轨道振动速度信号进行离散傅里叶变换，提取频域结果中的最大值，作为轨道振动特征，保证了轨道振动特征同时与振动幅值、频率相关，充分在反映振动情况。

附图说明

图1是现有技术的磁悬浮系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施例一

本申请的一种自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动的方法，磁悬浮系统，如图1所示，包括四个间隙传感器，每个间隙传感器中还设置有加速度传感器，相应地也有四个加速度传感器，四个间隙传感器用于检测轨道不同位置的间隙值，四个加速度传感器分别用于检测轨道不同位置垂向运动方向的加速度值。

图中，ox表示轨道在惯性坐标系下的参考位置，oz表示竖直向下方向。当轨道存在不平顺或发生振动时，其竖直方向的位移记为h；悬浮磁铁在竖直方向的位移记为z；在悬浮磁铁上装有4个间隙传感器，用于测量轨道下表面到悬浮磁铁上表面之间的气隙长度，记为gap，满足公式z＝gap+h。

从图中可以看出，当轨道发生振动时，4个间隙传感器所对应位置的轨道位移不一致，因此其所测得的间隙值也不一致，因此需要用四个间隙值与四个加速度值来反映轨道不同位置振动的真实特征，实现对轨道振动的抑制。

第一步、对间隙信号进行处理：

四个间隙传感器的信号分别表示为：gap1(t)、gap2(t)、gap3(t)和gap4(t)；采用微分器分别对其进行处理，得到各自的间隙第一信号，即间隙微分信号vgi(t)，其中，i＝1,2,3,4。

采用两个惯性环节相减的方式设置微分器，其传递函数为：

(1)；τ1＜τ2

其中，τ1、τ2分别表示两个惯性环节的时间常数；s表示微分。

此微分器的传递函数(1)，在低频段近似为微分，对低频信号具有较好的微分效果；在高频段近似为积分，对高频噪声具有良好的抑制效果。

第二步、对加速度信号进行处理：

四个加速度传感器的信号，分别表示为：a1(t)、a2(t)、a3(4)和a4(t)；采用积分器分别对加速度信号进行处理，得到各自的加速度第一信号，即加速度积分信号vai(t)，i＝1,2,3,4。

由于加速度信号中包含了重力加速度的直流分量，为了滤除其中的直流分量，所选取的积分器的传递函数为：

式中，ka表示增益系数，ξ表示阻尼比，ωn表示带宽，s²表示二阶微分。

积分器的传递函数(2)，其直流增益为0，表示其对直流分量的滤除效果好，具有隔直功能；通过选取较小的带宽，能够使得传递函数(2)在大部分频段都可近似为积分器，实现所需的隔直积分功能。

第一步与第二步只是排序的问题，二者不分前后。

第三步、计算轨道振动速度信号：

根据间隙微分信号和加速度积分信号，可以推算出轨道振动的速度信号，其表达式为：

vhi(t)＝vai(t)-vgi(t)，i＝1，2，3，4

(3)；

第四步、提取轨道振动的特征：

根据离散傅里叶变换原理，对轨道振动的速度信号进行处理，得到其频率域的分布情况：

vhi(jw)＝dft(vhi(t)，fs),i＝1，2，3，4；

其中，dft表示离散傅里叶变换，fs表示间隙传感器的采样频率。

对离散傅里叶变换所得的频域结果进行处理，提取其最大值，作为轨道振动特征，其表达式为：

ampi＝max{|vhi(jw)|+,i＝1，2，3，4；

其中，max表示取最大值，|·|表示计算绝对值，ampi(i＝1,2,3,4)表示根据第i路间隙传感器的测量信号得到的轨道振动特征。

由于该特征是由轨道振动速度计算得到，其值既与振动的幅值有关，又与振动的频率有关，适合用来表征轨道的振动情况。

在本申请的一个具体实施例中，选取计算得到的所有轨道振动特征的最大值，作为该段轨道的振动特征，以获得较为准确的振动特征，其表达式为：

amp＝max{ampi},i＝1，2，3,4；

下面结合振动特征、悬浮微分信号、加速度积分信号，计算自适应阻尼，从而进行轨道振动控制率的抑制计算。

对于不同的应用场景，对阻尼的需求不同：1)轨道未发生振动时，总的阻尼能满足稳定悬浮的需求，同时增大加速度积分所占的比重，以降低轨道不平顺带来的不利影响；2)轨道发生振动时，总的阻尼保持不变，满足稳定悬浮的需求，同时增大间隙微分所占的比重，以提高对轨道振动的抑制效果。

基于上述考虑，在阻尼构成上引入自适应机制，根据所提取的振动特征来调节间隙微分系数和加速度积分系数，自适应阻尼表达式如下：

kd1(amp)·vg+kd2(amp)·va

(4)；

具体的调节规律为：

其中，kd10和kd20分别表示轨道不振动时的间隙微分系数和加速度积分系数，ampmax表示轨道振动特征的边界值，δkd表示阻尼系数变化的幅值，sat(·)表示饱和函数，其描述如下：

对悬浮磁铁系统，常用的控制方式是在两端分别进行独立控制，且两端的控制率相同。以左端为例，假设已经采用了电流环来加快电流对电压的响应速度，并采用pid控制算法，则控制率可表示为：

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；gap0表示额定间隙，i0表示额定电流，vg表示该悬浮点的间隙微分，va表示该悬浮点的加速度积分，且有：

式中，vg1、vg2、va1、va2分别表示：第1路间隙的微分、第2路间隙的微分、第1路加速度的积分、第2路加速度的积分。

具体实施例二

本申请的一种自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动终端，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，所述自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动终端，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.信号计算模块，用于计算间隙微分、加速度积分、振动速度、振动特征；

2.控制率计算模块，用于计算轨道两端的控制率。

所述自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动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自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动终端设备的示例，并不构成对自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或组合某些部件，或不同的部件，例如所述自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动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(centralprocessingunit，cpu),还可以是其他通用处理器、数据信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，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自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动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，实现所述一种自适应式抑制磁悬浮系统轨道振动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(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)、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。

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。