基于虚拟能量俘获器的磁浮列车-桥梁自激振动抑制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于虚拟能量俘获器的磁浮列车-桥梁自激振动抑制方法，步骤包括：利用悬浮电磁铁的加速度、悬浮间隙估计出桥梁的振动速度；将悬浮电磁铁作为虚拟能量俘获器的激励线圈构建虚拟能量俘获器，估计虚拟能量俘获器对桥梁的作用力；在保证磁浮列车的悬浮系统自身稳定的前提下，保持磁浮列车的悬浮控制系统的控制外环采用PD控制不变，将虚拟能量俘获器对桥梁的作用力等效的控制电流叠加至悬浮控制系统的控制内环的电流反馈上，实现对磁浮列车-桥梁自激振动的抑制。本发明能够实现磁浮车辆-桥梁耦合系统的稳定、避免自激振动的产生，提高了磁浮列车低速通过桥梁的能力，不需要在桥梁上安装能量俘获器等设备，实施简单且成本低。
【专利说明】基于虚拟能量俘获器的磁淳列车-桥梁自激振动抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁浮列车-桥梁耦合自激振动抑制方法，具体涉及一种基于虚拟能 量俘获器的磁浮列车-桥梁自激振动抑制方法，适用于电磁型常导（Electro Magnetic Suspension,简称EMS)低速磁浮列车。
【背景技术】
[0002] 电磁型常导（Electro Magnetic Suspension,简称EMS)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-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-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所示，现有技术的EMS型低速磁浮列车采用模块化转向架结构，每节车有四 个转向架1，每个转向架1由左右两个悬浮模块2组成，两个悬浮模块2间通过防侧滚梁3 和吊杆相连。每个悬浮模块2安装有四个悬浮电磁铁21，悬浮电磁铁21分别与轨枕上的F 形的轨排3相对布置，且沿列车行进方向将四个悬浮电磁铁21分为两组，每组包含两个悬 浮电磁铁21，组内的两个悬浮电磁铁21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，作为悬浮控制的最基本单元。
[0004] 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-桥梁稱合模型如图2所示，该稱合系统自下而 上包括：桥梁支墩、桥梁、轨枕、轨排、转向架、空气弹簧和车体。在磁浮列车-桥梁耦合系统 建模时，通常需要抽象出影响车桥耦合振动的本质，舍弃不显著的细节部分。假设t时刻， 轨道梁的振动频率为《 Vib，速度振动幅值为〇. l(m · ?Γ1)，单模块悬浮系统对桥梁的输出功 率与振动频率之间的关系如图3所示，在该模型中不考虑桥梁支墩的弹性，认为桥梁与支 墩之间的连接关系符合简支梁的边界约束方式。一般地，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，因此桥梁 视为Bernoulli-Euler梁。由图3可知，当振动频率小于IOHz时，悬浮系统对桥梁输出的 功率小于零，即桥梁振动时，悬浮系统吸收桥梁振动的能量，考虑到桥梁本身是无源系统， 因此耦合自激振动不会发生。反之，当振动频率大于IOHz时，悬浮系统向桥梁输出能量，如 果悬浮系统向桥梁输出能量的功率大于桥梁模态阻尼消耗能量的功率，那么耦合自激振动 将会发生。
[0005] 能量俘获器用于将振动环境中的能量转化为电能。根据能量转化方式的差异，可 以将其分为压电式、静电式、磁致伸缩式、电磁式四类。其中，电磁式能量俘获器利用外界的 振动，让磁铁和线圈产生相对运动，两者之间的相对运动会导致封闭的线圈中产生时变的 电流，该电流可以用于给外界电子设备充电。由于电磁式能量俘获器结构简单，造价较低， 输出功率较大，已经被广泛应用。如图4所示，如果将磁浮桥梁作为电磁式能量俘获器的激 励源，根据能量守恒可知，电磁式能量俘获器给外界电子设备输出能量的同时，也意味着桥 梁振动能量的损耗。如果振动损耗功率大于悬浮系统积聚能量的功率，那么自激振动将会 消失。虽然能量俘获器能够有效避免车桥耦合自激振动，然而该方法需要在桥梁上安装激 励线圈、感应线圈以及外接电源，会提高磁浮系统的造价，影响线路的美观性。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决技术问题是：针对现有技术的上述技术问题，提供一种能够实现磁 浮车辆-桥梁耦合系统的稳定、避免自激振动的产生，提高磁浮列车低速通过桥梁的能力， 不需要在桥梁上安装实体的能量俘获器或者相关设备，实施简单且成本低的基于虚拟能量 俘获器的磁浮列车-桥梁自激振动抑制方法。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0008] -种基于虚拟能量俘获器的磁浮列车-桥梁自激振动抑制方法，步骤包括：
[0009] 1)利用悬浮电磁铁的加速度、悬浮间隙估计出桥梁的振动速度；以磁浮列车的悬 浮电磁铁为控制对象，将所述悬浮电磁铁作为虚拟能量俘获器的激励线圈构建虚拟能量俘 获器，根据所述桥梁的振动速度估计虚拟能量俘获器对桥梁的作用力；
[0010] 2)在保证磁浮列车的悬浮系统自身稳定的前提下，保持磁浮列车的悬浮控制系统 的控制外环采用ro控制不变，将虚拟能量俘获器对桥梁的作用力等效的控制电流叠加至 悬浮控制系统的控制内环的电流反馈上，实现对磁浮列车-桥梁自激振动的抑制。
[0011] 优选地，所述步骤1)中利用悬浮电磁铁的加速度、悬浮间隙估计出桥梁的振动速度 具体是指通过式（1)所示的状态估计器估计桥梁的振动状态，得到桥梁的振动速度A (?);
【权利要求】
1. 一种基于虚拟能量俘获器的磁浮列车-桥梁自激振动抑制方法，其特征在于步骤包 括： 1) 利用悬浮电磁铁的加速度、悬浮间隙估计出桥梁的振动速度；以磁浮列车的悬浮电 磁铁为控制对象，将所述悬浮电磁铁作为虚拟能量俘获器的激励线圈构建虚拟能量俘获 器，根据所述桥梁的振动速度估计虚拟能量俘获器对桥梁的作用力； 2) 在保证磁浮列车的悬浮系统自身稳定的前提下，保持磁浮列车的悬浮控制系统的控 制外环采用ro控制不变，将虚拟能量俘获器对桥梁的作用力等效的控制电流叠加至悬浮 控制系统的控制内环的电流反馈上，实现对磁浮列车-桥梁自激振动的抑制。
2. 根据权利要求1所述的基于虚拟能量俘获器的磁浮列车-桥梁自激振动抑制方法， 其特征在于：所述步骤1)中利用悬浮电磁铁的加速度、悬浮间隙估计出桥梁的振动速度具 体是指通过式（1)所示的状态估计器估计桥梁的振动状态，得到桥梁的振动速度
式⑴中，a(t)表示悬浮电磁铁的加速度，S⑴表示悬浮电磁铁的悬浮间隙；t表 示差分步长，S(t-T)表示t-T时刻的悬浮间隙，入i、入2、入3分别表示状态估计器的三 个参数，《vib表示自激振动的频率(2〇表示桥梁的振动速度；Xi⑴、x2(t)、x3(t)、x4(t)、 X5(t)分别表示状态估计器的五个状态变量。
3. 根据权利要求2所述的基于虚拟能量俘获器的磁浮列车-桥梁自激振动抑制方法， 其特征在于：所述状态估计器的参数Ai的值为0.01，参数A2的值为〇.〇2,参数A3的值 为 0. 04。
4. 根据权利要求3所述的基于虚拟能量俘获器的磁浮列车-桥梁自激振动抑制方法， 其特征在于：所述步骤1)中根据所述桥梁的振动速度估计虚拟能量俘获器对桥梁的作用 力具体是指根据式（2)所示的函数表达式估计出虚拟能量俘获器对桥梁的作用力；
式⑵中，态⑴和巧⑴表示估计得到的虚拟能量俘获器对桥梁的作用力，i6⑷表示 作用力的导数，、表示感应线圈的电感，K表示虚拟能量俘获器的增益，AM表示桥梁的 振动速度，艮2表示感应线圈的阻性负载。
5. 根据权利要求1?4中任意一项所述的基于虚拟能量俘获器的磁浮列车-桥梁自激 振动抑制方法，其特征在于：所述步骤2)中虚拟能量俘获器对桥梁的作用力等效的控制电 流的幅值如式（3)所示；
式（3)中，iE(t)表示虚拟能量俘获器对桥梁的作用力等效的控制电流，/；.(/)表示虚 拟能量俘获器对桥梁的作用力，匕表示平衡点处悬浮力对悬浮电流的偏导数。
6.根据权利要求5所述的基于虚拟能量俘获器的磁浮列车-桥梁自激振动抑制方法， 其特征在于：所述步骤2)中将虚拟能量俘获器对桥梁的作用力等效的控制电流叠加至悬 浮控制系统的控制内环的电流反馈上后，磁浮列车的悬浮控制系统采用式（4)所示表达式 通过外环采用ro控制、内环采用电流反馈实现磁浮列车的悬浮系统自身稳定；
式⑷中，iexp(t)表示磁浮列车的悬浮控制系统的内环电流期望值，&表示比例增益，yi(t)表示桥梁的垂向振动位移，y〇(t)表示悬浮电磁铁的垂向位移，yi(t)-y〇(t)表示间隙 传感器测量得到的悬浮电磁铁上表面与轨道之间的间隙，表示期望的悬浮间隙，kd表示 速度增益，vjr)表示电磁铁的垂向速度，、表示平衡点处的稳态电流，u(t)表示作用在悬浮 电磁铁上的控制电压，k。表示电流环增益，iE(t)表示虚拟能量俘获器对桥梁的作用力等效 的控制电流，i(t)表示悬浮电磁铁实际的电流大小。
【文档编号】B60L13/04GK104477049SQ201410712092
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】李 杰, 李金辉, 周丹峰, 张锟, 崔鹏, 余佩倡, 王连春 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学