专利名称：电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法
技术领域：
本发明主要涉及到电磁型磁浮列车的悬浮控制领域，特指一种适用于电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的控制方法。
背景技术：
转向架是磁浮列车跟踪轨道的基本结构单元，对于电磁型磁浮列车，每个转向架底部沿轨道两侧各安装有一个悬浮磁铁模块，每个模块两端各设置一个悬浮点，整个转向架由四点控制实现悬浮。由于这四个悬浮点通过机械结构相连接，相互之间存在耦合作用， 为了避免这种耦合作用对转向架本身及其悬浮性能带来不利影响，需用对转向架进行解耦控制。现有技术中，通常采用四点等间隙控制方法进行解耦，即四个悬浮点独立进行控制，它们的间隙保持为相同的设定值不变，通过调节各悬浮点的电流，使得四个悬浮点产生的合力等于磁浮列车所需的悬浮力。由于两侧轨道并不是总在一个平面内，比如缓和曲线段，为了达到四点间隙相等的控制效果，转向架必须具有一定的解耦能力，使得每个悬浮点相对其它三个悬浮点都具有一定的运动自由度。然而，在采用四点等间隙控制方法时，转向架的结构与功能较为复杂。这是因为， 每个悬浮点仅根据间隙进行调节，当两侧轨道不共面时，为了达到定间隙控制的效果，转向架必须与轨道具有相同的不共面程度，它要么通过部件的运动来实现，要么通过部件的形变来实现，但这些都将导致转向架的结构与功能较为复杂。例如，靠纵梁的扭转进行解耦， 转向架结构复杂，设计和制造难度大；纵梁的频繁扭转还缩短其使用寿命，导致选材难度大、造价高，还存在断裂的风险，维护费用高等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够降低对转向架解耦功能的要求、可提高磁浮列车悬浮系统的安全性和舒适性的电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案—种电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在于步骤为(1)、设置悬浮点将转向架两侧的磁铁模块分别定义为磁铁模块A和磁铁模块B， 磁铁模块A分为两个悬浮点进行控制，即第一悬浮点和第二悬浮点；磁铁模块B分为两个悬浮点进行控制，即第三悬浮点和第四悬浮点；(2)、对磁铁模块A进行控制磁铁模块A中第一悬浮点和第二悬浮点均采用等间隙控制，使得二者的稳态间隙保持为设定值不变；(3)、对磁铁模块B进行控制磁铁模块B中第三悬浮点和第四悬浮点综合二者的状态进行协同控制，使得间隙平均值保持为设定值不变，并将间隙的差值与悬浮力的差值控制在一定范围内。
作为本发明的进一步改进所述步骤O)的具体流程为(2. 1)第一悬浮控制器通过传感器获得第一悬浮点的间隙δ工、电流I1与加速度
B1 ；(2. 2)第一悬浮控制器根据稳定控制算法计算出控制量un，使得第一悬浮点保持稳定；(2. 3)第一悬浮控制器在稳定控制的基础上增加间隙积分反馈，使得稳态间隙保持为设定值\不变；(2. 4)第二悬浮点采用与上述步骤(2. 1) (2. 3)相同的控制流程。所述步骤(2. 2)中的稳定控制算法为下式(1)U11 = kp ( δ「δ 0) +kd f aidt+k^!(1)其中，kp为比例系数，kd为微分系数，k。为电流环的比例系数，δ ^为间隙设定值。所述步骤(2. 3)通过下式(2)得到施加到第一悬浮点的磁铁两端的控制电压U1 Ul = kp ( δ 厂 δ ) +kd f a^t+k,!!+^ f ( δ r δ 0) dt(2)其中，Iii表示间隙积分反馈系数。所述步骤(3)的具体控制流程为第三悬浮点和第四悬浮点采用二者的间隙平均值进行稳定控制，使得磁铁模块B的中点Q处的间隙保持为设定值不变；所述第三悬浮点的控制量U31和第四悬浮点的控制量U41分别为U31 = G( δ 34, i3, a3) = kp( δ 34- δ 0) +kd f agdt+k^g+ki f ( δ 34- δ 0) dt (3)U41 = G ( δ 34，i4, a4) = kp ( δ 34- δ 0) +kd f a4dt+kci4+ki f ( δ 34- δ 0) dt (4)其中，式4=^^，δ3、込和 分别表示第三悬浮点的间隙、电流和加速度；δ4、
I4和&分别表示第四悬浮点的间隙、电流和加速度；S 34表示二者间隙的平均值。所述第三悬浮点和第四悬浮点还根据悬浮力的差值和悬浮间隙的差值进行控制， 即U3 = G( δ 34, i3, a3) + P δ / ( δ 3-δ 4) dt+P f / (F4-F3) dt(5)u4 = G( δ 34, i4, a4) + P δ / ( δ 4-δ 3) dt+P f / (F3-F4) dt(6)其中，P s为间隙差值反馈系数，P f为悬浮力差值的反馈系数。与现有技术相比，本发明的优点在于(1)本发明中，第一悬浮点、第二悬浮点和悬浮磁铁模块B的中点Q的间隙值相等， 这三点确定了转向架的参考平面，它能够适应不同的轨道，具有良好的轨道跟踪能力。(2)本发明中，第三悬浮点和第四悬浮点的状态可根据协同控制的权系数进行调节。如果仅通过二者的间隙差值进行协同控制，悬浮力差值的权系数取为零，那么第三悬浮点和第四悬浮点的间隙相等，也等于第一悬浮点和第二悬浮点的间隙，相当于采用四点等间隙控制方法；如果仅通过二者的悬浮力差值进行协同控制，间隙差值的权系数取为零，那么第三悬浮点和第四悬浮点的间隙差值最大，但是二者提供相同大小的悬浮力，转向架位于其参考平面内。由于采用间隙差值和悬浮力差值共同完成协同控制，那么第三悬浮点和第四悬浮点的间隙差值介于上述两种情况之间。(3)本发明中，在轨道的平直段上，左右两侧的轨道共面。当转向架稳定悬浮、且负载均勻分布时，四个悬浮点的间隙相等，所产生的悬浮力也相等；悬浮磁铁模块A和悬浮磁铁模块B位于同一个平面内。(4)本发明中，在轨道的缓和曲线段上，左右两侧的轨道不共面。悬浮磁铁模块B 存在两种边界状态一种是位于转向架的参考平面内，它两端的间隙相等、悬浮力不相等； 另一种是在转向架的参考平面外，它两端的悬浮力相等、间隙不相等。悬浮磁铁模块B的实际状态位于上述两种状态之间，不过与采用四点等间隙控制方法的情况相比，悬浮磁铁模块B相对转向架参考平面的俯仰角要弱一些。(5)本发明与四点等间隙控制方法相比，该方法减少了转向架内部结构件之间的弹性形变量，对转向架的解耦能力要求、结构检修与维护的难度也随之降低，可延长部件的使用寿命。
图1是本发明的转向架悬浮点分布结构示意图。图2是本发明的基于间隙和悬浮力的磁浮架四点解耦控制的结构框架示意图。图3是本发明中第一悬浮点的控制流程示意图。图4是本发明中第三悬浮点的控制流程示意图。
具体实施例方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明的一种电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其步骤为1、设置悬浮点如图1所示，转向架2通常放置在轨道1上，其上安装了两个磁铁模块，分别是磁铁模块A 3和磁铁模块B 4，它们分别位于转向架2的两侧。本发明中，磁铁模块A3分为两个悬浮点进行控制，即第一悬浮点Dl和第二悬浮点D2 ；磁铁模块B 4分为两个悬浮点进行控制，即第三悬浮点D3和第四悬浮点D4。通过改变这四个悬浮点的电流， 就能实现转向架2的悬浮控制。转向架2上的四个悬浮点之间存在一定的耦合作用，解耦控制的目的，就是在保证转向架2顺利跟踪轨道1的前提下，将悬浮点之间的耦合作用力控制在允许的范围内，以免给悬浮点带来较大的冲击力，或者超过转向架2自身的承受能力而导致其损坏。2、对磁铁模块A 3进行控制磁铁模块A 3中第一悬浮点Dl和第二悬浮点D2均采用等间隙控制，使得二者的稳态间隙保持为设定值不变。第一悬浮点Dl和第二悬浮点D2 的控制方法完全一样，只需根据自己的状态进行控制。参见图2，以第一悬浮点Dl为例，在每个控制周期内，第一悬浮控制器通过传感器测量第一悬浮磁铁的状态，包括其间隙S1、电流^和加速度 ；再根据设定间隙δ ^及定间隙控制算法，得到控制量U1,以之作为第一悬浮磁铁两端的控制电压。下面结合图3，以第一悬浮点Dl为例对其控制流程进行详细说明。(2. 1)第一悬浮控制器通过传感器获得第一悬浮点Dl的间隙δ ρ电流I1与加速度 。比如，间隙S1可通过位移传感器测量得到、电流I1可通过电流传感器测量得到、加速度％可通过加速度计测量得到，它们都是时间t的函数。(2. 2)第一悬浮控制器根据稳定控制算法计算出控制量un，使得第一悬浮点Dl保持稳定。比如，通常可采用快速电流环技术与PD反馈控制，此时
权利要求
1.一种电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在于步骤为(1)、设置悬浮点将转向架两侧的磁铁模块分别定义为磁铁模块A和磁铁模块B，磁铁模块A分为两个悬浮点进行控制，即第一悬浮点和第二悬浮点；磁铁模块B分为两个悬浮点进行控制，即第三悬浮点和第四悬浮点；(2)、对磁铁模块A进行控制磁铁模块A中第一悬浮点和第二悬浮点均采用等间隙控制，使得二者的稳态间隙保持为设定值不变；(3)、对磁铁模块B进行控制磁铁模块B中第三悬浮点和第四悬浮点综合二者的状态进行协同控制，使得间隙平均值保持为设定值不变，并将间隙的差值与悬浮力的差值控制在一定范围内。
2.根据权利要求1所述的电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在干，所述步骤O)的具体流程为(2. 1)第一悬浮控制器通过传感器获得第一悬浮点的间隙δ ”电流ら与加速度ら； (2. 2)第一悬浮控制器根据稳定控制算法计算出控制量un，使得第一悬浮点保持稳定；(2. 3)第一悬浮控制器在稳定控制的基础上增加间隙积分反馈，使得稳态间隙保持为设定值\不变；(2. 4)第二悬浮点采用与上述步骤(2. 1) (2. 3)相同的控制流程。
3.根据权利要求2所述的电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在干，所述步骤(2.2)中的稳定控制算法为下式(1)U11 = kp ( δ r δ 0) +kd f aidt+k^!(1)其中，kp为比例系数，kd为微分系数，k。为电流环的比例系数，δ ^为间隙设定值。
4.根据权利要求2所述的电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在干，所述步骤(2. 3)通过下式(2)得到施加到第一悬浮点的磁铁两端的控制电压U1 U1 = kp ( δ「δ ) +kd f a^t+k,!!+^ f ( δ「δ J dt(2)其中，h表示间隙积分反馈系数。
5.根据权利要求1 4中任意一项所述的电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在干，所述步骤(3)的具体控制流程为第三悬浮点和第四悬浮点采用二者的间隙平均值进行稳定控制，使得磁铁模块B的中点Q处的间隙保持为设定值不变；所述第三悬浮点的控制量U31和第四悬浮点的控制量U41分别为U31 = G ( δ 34, i3, a3j = kp ( δ 34- δ 0) +kd J agdt+k^g+ki f ( δ 34- δ 0ノ dt (3) U41 = G ( δ 34, i4, a4) = kp ( δ 34- δ 0) +kd f a4dt+kci4+ki f ( δ 34- δ 0) dt (4)其中，‘ =^^, δ 3、i3和ち分別表示第三悬浮点的间隙、电流和加速度；δ 4、i4和a4分別表示第四悬浮点的间隙、电流和加速度；δ 34表示二者间隙的平均值。
6.根据权利要求5所述的电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其特征在干，所述第三悬浮点和第四悬浮点还根据悬浮力的差值和悬浮间隙的差值进行控制，即U3 = G( δ 34, i3, a3) + P δ f ( δ 3-δ 4)dt+p f / (F4-F3) dt(5)U4 = G( δ 34, i4, a4) + p δ f ( δ 4-δ 3)dt+p f / (F3-F4) dt(6)其中，P δ为间隙差值反馈系数，Pf为悬浮力差值的反馈系数。
全文摘要
一种电磁型磁浮列车转向架悬浮系统的解耦控制方法，其步骤为(1)设置悬浮点将转向架两侧的磁铁模块分别定义为磁铁模块A和磁铁模块B，磁铁模块A分为两个悬浮点进行控制，即第一悬浮点和第二悬浮点；磁铁模块B分为两个悬浮点进行控制，即第三悬浮点和第四悬浮点；(2)对磁铁模块A进行控制磁铁模块A中第一悬浮点和第二悬浮点均采用等间隙控制，使得二者的稳态间隙保持为设定值不变；(3)对磁铁模块B进行控制磁铁模块B中第三悬浮点和第四悬浮点综合二者的状态进行协同控制，使得间隙平均值保持为设定值不变，并将间隙的差值与悬浮力的差值控制在一定范围内。本发明能够降低对转向架解耦功能的要求，并可提高磁浮列车悬浮系统的安全性和舒适性。
文档编号B60L13/06GK102529744SQ201110455880
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者刘恒坤, 张晓 , 弥柱, 李云钢, 程虎 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学