引入桥梁振动速度的磁浮列车—桥梁自激振动抑制方法【
技术领域：
】[0001]本发明涉及磁浮列车的悬浮控制领域，尤其涉及一种引入桥梁振动速度的磁浮列车一桥梁自激振动抑制方法。【
背景技术：
】[0002]基于电磁常导（ElectroMagneticSuspension，简称EMS)型低速磁浮列车是一种依靠安装在列车上的电磁铁与轨道之间的吸引力使列车悬浮在轨道上运行的新型交通工具，以其安全、舒适、无污染等优点赢得越来越多的关注。近年来磁浮系统在全世界范围内发展迅速，然而当磁浮列车以较低的速度通过桥梁时，可能会产生磁浮列车一桥梁耦合自激振动问题。当耦合自激振动产生以后，桥梁、电磁铁以及车体均会以较大的幅值垂向振动。桥梁的垂向振动对桥梁结构产生较大的冲击，会缩短桥梁的使用寿命；电磁铁的垂向振动会降低悬浮系统的稳定性，甚至出现电磁铁与轨道磕碰的情况而导致悬浮系统失稳；车体的垂向振动对车辆的乘坐舒适性产生较大的影响，不利于提高磁浮系统的竞争力。因此，磁浮列车一桥梁耦合自激振动是当前磁浮系统商业化进程中亟待解决的一个世界性难题。[0003]如图1和图2所示，EMS型低速磁浮列车一桥梁耦合系统自下而上包括：桥墩1、桥梁2、轨枕3、轨排4、悬浮转向架5和车体6。EMS型低速磁浮列车采用模块化转向架结构。每节车有五个悬浮转向架5,每个悬浮转向架5由左右两个悬浮模块7组成，模块间通过防侧滚梁8相连。每个模块安装有四个悬浮电磁铁71(以下简称电磁铁），沿列车行进方向将四个电磁铁71分为两组，每组包含两个电磁铁71，组内的两个电磁铁71串联，等效为一个单电磁铁，由一个斩波器施加电压加以控制，是悬浮控制的最基本单元。[0004]-般地，桥梁的长度为24m，其宽度和高度约为I.2m，即桥梁的长度远大于其宽度和高度，且桥梁的振动幅值一般小于lcm，以唐山试验线磁浮桥梁为例，其长度通常为18m和24m。因此，长度远比其宽度和高度要大，而且桥梁的弯曲变形相对其长度来说可以忽略不计，因此桥梁可以视为Bernoulli-Euler简支梁，简化的磁浮列车一桥梁親合模型如图3所示，其中yE为电磁铁的垂向位移，yB为桥梁的振动位移，δ为电磁铁相对于桥梁的悬浮间隙，Fe为电磁铁与桥梁轨道间的作用力。[0005]在工程中，悬浮控制系统基于磁通内环的状态反馈控制器应用越来越广泛。基于磁通内环的状态反馈的悬浮控制律（以下简称为悬浮控制律）如式（1)所示：[0007]式⑴中，δ⑴为电磁铁相对于桥梁的悬浮间隙，九(/)为电磁铁的振动速度，为电磁铁的振动加速度，kp为电磁铁相对于桥梁的悬浮间隙δ(t)的比例系数、kdS电磁铁的振动速度允的阻尼系数，ka为电磁铁的振动加速度九(〇的反馈系数，kB为磁通内环的增益，B(t)为悬浮间隙中的磁场强度，BE(t)为悬浮间隙中期望的磁场密度，u(t)为施加在电磁铁上的控制电压，1?为维持平衡点所需要的控制电压。其中，电磁铁相对于桥梁的悬浮间隙S(t)通过电涡流传感器直接测量获取，电磁铁的振动加速度尺(〇由安装在电磁铁上的振动加速度传感器测量获取，电磁铁的振动速度(乃通过对电磁铁的振动加速度Λ〇)积分获取。[0008]在悬浮控制律式（1)的作用下，磁浮列车一桥梁耦合系统可以用如图4所示的框图表示，其中mE为电磁铁的质量，mB为桥梁的质量，ξΒ为桥梁的模态阻尼比，ωΒ为桥梁的模态频率，EM为代表控制电压的平衡方程，σ表示桥梁上有多个悬浮电磁铁时的放大因子，u为施加在电磁铁上的控制电压，Be为悬浮间隙中期望的磁场密度，B为悬浮间隙中的磁场强度，kF为电磁力系数，Fe为电磁铁与桥梁轨道间的作用力。[0009]当控制器参数kp=1000,kd=30,ka=0.4,kB=30,桥梁的模态阻尼比ξB=〇.005时，在不同的桥梁模态频率下，磁浮列车一桥梁耦合系统的特征根的实部niyra图5所示。在全模态频率段，磁浮列车一桥梁耦合系统的特征根的实部R2、私均小于零，因此磁浮列车一桥梁耦合系统的稳定性取决于R1的符号。然而在模态频率段[67.2118.7]rad/s，为不稳定区间（Unstableinterval)，特征根的实部R1大于零，在该频率段，磁浮列车一桥梁耦合系统不稳定，会出现自激振动现象。[0010]工程中，我们发现模态阻尼比越大的桥梁，桥梁的稳定性就越好。当ξΒ=0.02时，在不同的桥梁模态频率下，磁浮列车一桥梁耦合系统的特征根的实部R1、R2、R3如图6所示。在全频率段，耦合系统特征根的实部札、私為均小于零，因此磁浮列车一桥梁耦合系统是稳定的。[0011]增大桥梁的模态阻尼比，有利于磁浮列车一桥梁耦合系统的稳定性，然而桥梁的模态阻尼比主要由桥梁的材料特性决定。在工程当中为了降低桥梁的成本，广泛采用钢筋一混凝土梁，其模态阻尼比约为0.01，对于不同跨度和线密度的钢筋一混凝土梁，其差异值较小。此外对于已经施工完毕的桥梁，其模态阻尼比更加难以改变。[0012]因此，对于已经施工完毕的桥梁，在模态阻尼无法改变的情况下，如何提高磁浮列车一桥梁耦合系统的稳定性，是一个亟待解决的问题。【
发明内容】[0013]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，本发明提供一种在现有工程环境无法改变桥梁模态阻尼的情况下，在不增加系统成本的基础上，即可实现磁浮列车一桥梁耦合系统稳定的引入桥梁振动速度的磁浮列车一桥梁自激振动抑制方法。[0014]为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种引入桥梁振动速度的磁浮列车一桥梁自激振动抑制方法，具体包括如下步骤：[0015]1)获取桥梁的振动速度^⑴；[0016]2)悬浮控制系统采用如式（2)所示的悬浮控制律控制磁浮列车悬浮状态，[0017][0018]式（2)中，δ⑴为电磁铁相对于桥梁的悬浮间隙，九为电磁铁的振动速度，Vs^)为桥梁的振动速度，九(〇为电磁铁的振动加速度，kp为电磁铁相对于桥梁的悬浮间隙S⑴的比例系数、kd为电磁铁的振动速度Λ(/)的阻尼系数，&为桥梁的振动速度的反馈增益，匕为电磁铁的振动加速度1(/)的反馈系数，B(t)为悬浮间隙中的磁场强度，BE(t)为悬浮间隙中期望的磁场密度，kB为磁通内环的增益，u(t)为施加在电磁铁上的控制电压，1?为维持平衡点所需要的控制电压。[0019]作为本发明的进一步改进，所述步骤1)的具体步骤包括：[0020]1.1)通过电涡流传感器测量得到所述电磁铁相对于桥梁的悬浮间隙δ(t)，通过振动加速度传感器测量得到所述电磁铁的振动加速度aE(t);[0021]1.2)对所述电磁铁相对于桥梁的悬浮间隙δ⑴进行微分，计算得到电磁铁相对桥梁的振动速度巧小[0022]1.3)对所述电磁铁的振动加速度aE(t)进行积分，计算得到电磁铁的振动速度九(，)；[0023]1.4)通过式（3)计算得出桥梁的振动速度九（?)，[0025]式⑶中，Λ⑴为桥梁的振动速度，Λ(0为电磁铁的振动速度，为电磁铁相对桥梁的振动速度。[0026]作为本发明的进一步改进，所述步骤1.2)的具体步骤包括：通过近似微分器对电磁铁相对于桥梁的悬浮间隙S(t)在频域内微分，计算得到电磁铁相对桥梁的振动速度，所述近似微分器的表达式如式（4)所示：[0027]^(.v)=7；(.v)^(4C4)[0028]式（4)中，T2(S)为所述近似微分器传递函数，如式（5)所示：[0030]式（5)中，T2为近似微分器的时间常数。[0031]作为本发明的进一步改进，所述步骤1.3)的具体步骤包括：通过自归零积分器对电磁铁的振动加速度aE(t)在频域内积分，计算得到电磁铁的振动速度A(.*〇，所述积分表达式如式（6)所示：[0033]示(6)中，T1(S)为所述自归零积分器传递函数，如式（7)所示：[0035]式（7)中，〇^为自归零积分器的转折频率。[0036]作为以上所述技术方案的进一步改进，所述步骤1.2)前还包括对所述电涡流传感器测量得到电磁铁相对于桥梁的悬浮间隙S(t)进行低通滤波的步骤。[0037]与现有技术相比，本发明的优点在于：[0038]1、本发明在桥梁模态阻尼难以改变的情况下，在磁浮列车基于磁通内环的状态反馈悬浮控制律中引入桥梁振动速度，增加桥梁的电气阻尼，实现磁浮列车一桥梁耦合系统的稳定，避免自激振动的出现，提高磁浮列车低速通过桥梁的能力。[0039]2、本发明通过对电磁铁加速度进行积分，对电磁铁相对于桥梁的振动位移进行微分，得出桥梁振动速度估计值，在不增加系统成本的基础上，即可实现桥梁振动速度的计算，降低了系统成本，提高了系统的可靠性。【附图说明】[0040]图1为现有技术EMS型低速磁浮列车的模块化转向架的侧视结构示意图。[0041]图2为现有技术EMS型低速磁浮列车一桥梁耦合系统的结构细节图。[0042]图3为现有技术简化的磁浮列车一桥梁耦合模型示意图。[0043]图4为现有技术采用磁通内环状态反馈控制器时耦合系统的框图。[0044]图5为现有技术阻尼比为0.005时磁浮列车一桥梁耦合系统特征根的实部示意图。[0045]图6为现有技术阻尼比为0.02时磁浮列车一桥梁耦合系统特征根的实部示意图。[0046]图7为本发明引入桥梁振动速度的磁浮列车一桥梁自激振动抑制方法的流程图。[0047]图8为本发明引入桥梁振动速度反馈时磁浮列车一桥梁耦合系统的框图。[0048]图9为本发明阻尼比为0.005且1:=15时耦合系统特征根的实部示意图。[0049]图10为本发明引入桥梁振动速度反馈时抑制自激振动实验验证图。[0050]图例说明：1、桥墩；2、桥梁；3、轨枕；4、轨排；5、悬浮转向架；6、车体；7、悬浮模块；71、悬浮电磁铁；8、防侧滚梁。当前第1页1 2