本发明属于动力学模型技术领域，尤其涉及一种磁浮列车垂向动力学控制系统、信息数据处理终端。
背景技术
随着世界工业化国家经济实力的不断加强，不断的提高交通运输能力以适应其经济发展的需要势在必行。磁悬浮列车具有较强的稳定性、安全性和可靠性，且无噪声，无污染，具有长远的研究应用价值。目前对于磁悬浮列车动力学分析绝大多数至做了悬浮架的动力学分析，而对于车体的分析较少。悬浮架的悬浮技术的根本，但磁浮列车才是悬浮技术的最终应用，只有通过车体的动力学建模，才能分析处理具体的车辆运行状况。建立磁悬浮列车车体的动力学模型并仿真验证外界因素以及结构参数对悬浮性能的影响有利于更好的设计优化车体及轨道等结构参量。目前国内自主研发的磁悬浮列车由于受到技术条件的限制，运行速度仅能达到最高100km/h。对磁悬浮列车车体进行动力学仿真分析，研究设计参数和外界干扰对车体运行的影响，有利于优化磁悬浮列车设计参数，为悬浮架及车体设计提供理论依据。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前国内自主研发的磁悬浮列车由于受到技术条件的限制，运行速度仅能达到最高100km/h。对磁悬浮列车车体进行动力学仿真分析，研究设计参数和外界干扰对车体运行的影响，有利于优化磁悬浮列车设计参数，为悬浮架及车体设计提供理论依据。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种磁浮列车垂向动力学控制系统、信息数据处理终端。
本发明是这样实现的，一种磁浮列车垂向动力学控制系统，所述磁浮列车垂向动力学控制系统包括：
单侧悬浮架垂向动力学模块，用于建立单侧悬浮架垂向动力学模型；
悬浮架系统动力学模块，用于建立悬浮架系统动力学模型；
磁悬浮列车车体垂向模块，用于建立磁悬浮列车车体垂向动力学模型。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述磁浮列车垂向动力学控制系统的计算机程序。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述计算机程序的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种所述磁浮列车垂向动力学控制系统使用的磁浮列车垂向动力学模型，所述磁浮列车垂向动力学模型为：
力矩垂直纸面向外为正方向，x轴为运行轴，y轴为导向轴，z轴为垂直轴；m为车体和车体下部吊装设备总重量；fk为车体受到的20个空气弹簧的弹力；fd为外部扰动力；ld、wd，lk、wk分别为扰动力和空气弹簧弹力到导向轴，运行轴的距离；z为车体垂直方向运行距离；δ和ψ分别为侧滚角和俯仰角；jx、jy为对应的转动惯量。
本发明的另一目的在于提供一种所述磁浮列车垂向动力学模型的构建方法，所述磁浮列车垂向动力学模型的构建方法包括：建立单侧悬浮架垂向动力学模型；建立悬浮架系统动力学模型；建立磁悬浮列车车体垂向动力学模型。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述磁浮列车垂向动力学模型的磁浮列车。
本发明的另一目的在于提供一种由所述磁浮列车垂向动力学模型建立的磁浮列车仿真系统。
本发明的优点及积极效果为：通过建立车体动力学模型，仿真优化结构参数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的磁浮列车垂向动力学模型的构建方法流程图。
图2是本发明实施例提供的悬浮列车受力分析示意图。
图3是本发明实施例提供的悬浮架系统俯视简图。
图4是本发明实施例提供的接缝错位对一号悬浮架悬浮气隙影响图。
图5是本发明实施例提供的接缝错位对五号悬浮架悬浮气隙影响图。
图6是本发明实施例提供的接缝错位对1-4号空气弹簧形变影响图。
图7是本发明实施例提供的接缝错位对17-20号空气弹簧形变影响图。
图8是本发明实施例提供的轨道接缝对悬浮架形变影响波形图。
图9是本发明实施例提供的轨道接缝对空气弹簧形变影响波形图。
图10是本发明实施例提供的轨道不平顺对悬浮架形变影响波形图。
图11是本发明实施例提供的轨道不平顺对空气弹簧形变影响波形图。
图12是本发明实施例提供的悬浮模块冲击力对一号悬浮架悬浮气隙影响图。
图13是本发明实施例提供的悬浮模块冲击力对二号悬浮架悬浮气隙影响图。
图14是本发明实施例提供的悬浮模块冲击力对三号悬浮架悬浮气隙影响图。
图15是本发明实施例提供的悬浮模块冲击力对四号悬浮架悬浮气隙影响图。
图16是本发明实施例提供的悬浮模块冲击力对五号悬浮架悬浮气隙影响图。
图17是本发明实施例提供的悬浮模块冲击力对1-4号空气弹簧形变影响图。
图18是本发明实施例提供的悬浮模块冲击力对5-8号空气弹簧形变影响图。
图19是本发明实施例提供的悬浮模块冲击力对9-12号空气弹簧形变影响图。
图20是本发明实施例提供的悬浮模块冲击力对13-16号空气弹簧形变影响图。
图21是本发明实施例提供的悬浮模块冲击力对17-20号空气弹簧形变影响图。
图22是本发明实施例提供的车体冲击力对一号悬浮架悬浮气隙影响图。
图23是本发明实施例提供的车体冲击力对二号悬浮架悬浮气隙影响图。
图24是本发明实施例提供的车体冲击力对三号悬浮架悬浮气隙影响图。
图25是本发明实施例提供的车体冲击力对四号悬浮架悬浮气隙影响图。
图26是本发明实施例提供的车体冲击力对五号悬浮架悬浮气隙影响图。
图27是本发明实施例提供的车体冲击力对1-4号空气弹簧形变影响图。
图28是本发明实施例提供的车体冲击力对5-8号空气弹簧形变影响图。
图29是本发明实施例提供的车体冲击力对9-12号空气弹簧形变影响图。
图30是本发明实施例提供的车体冲击力对13-16号空气弹簧形变影响图。
图31是本发明实施例提供的车体冲击力对17-20号空气弹簧形变影响图。
图32是本发明实施例提供的增大比例参数p对悬浮架气隙影响图。
图33是本发明实施例提供的减小比例参数p对悬浮架气隙影响图。
图34是本发明实施例提供的增大微分参数d对悬浮架气隙影响图。
图35是本发明实施例提供的减小微分参数d对悬浮架气隙影响图。
图36是本发明实施例提供的增大悬浮模块点头运动转动惯量对悬浮架气隙影响图。
图37是本发明实施例提供的减小悬浮模块点头运动转动惯量对悬浮架气隙影响图。
图38是本发明实施例提供的增大车体点头运动转动惯量对悬浮架气隙影响图。
图39是本发明实施例提供的减小车体点头运动转动惯量对悬浮架气隙影响图。
图40是本发明实施例提供的增大车体侧滚运动转动惯量对悬浮架气隙影响图。
图41是本发明实施例提供的减小车体侧滚运动转动惯量对悬浮架气隙影响图。
图42是本发明实施例提供的lsen值为2.5m时悬浮架气隙图。
图43是本发明实施例提供的lsen值为1.5m时悬浮架气隙图。
图44是本发明实施例提供的ls值为2.52m时悬浮架气隙图。
图45是本发明实施例提供的ls值为1m时悬浮架气隙图。
图46是本发明实施例提供的lb值为2.3m时悬浮架气隙图。
图47是本发明实施例提供的lb值为0.5m时悬浮架气隙图。
图48是本发明实施例提供的抗侧滚梁弹簧的刚度值300kn/m时悬浮架气隙图。
图49是本发明实施例提供的抗侧滚梁弹簧的刚度值100kn/m时悬浮架气隙图。
图50是本发明实施例提供的抗侧滚梁弹簧的阻尼值70kn/m时悬浮架气隙图。
图51是本发明实施例提供的抗侧滚梁弹簧的阻尼值10kn/m时悬浮架气隙图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明实施例提供的磁浮列车垂向动力学模型为：
对车体进行受力分析，假设力垂直向下为正方向，力矩垂直纸面向外为正方向，x轴为运行轴，y轴为导向轴，z轴为垂直轴，建立车体垂向动力学方程：
式中，m为车体和车体下部吊装设备总重量；fk为车体受到的20个空气弹簧的弹力；fd为外部扰动力；ld、wd，lk、wk分别为扰动力和空气弹簧弹力到导向轴，运行轴的距离；z为车体垂直方向运行距离；δ和ψ分别为侧滚角和俯仰角；jx、jy为对应的转动惯量。
如图1所示，本发明实施例提供的磁浮列车垂向动力学模型的构建方法包括以下步骤：
s101：磁悬浮列车车体的模型建立主要是将磁悬浮列车车厢看作受电磁力控制的空间自由体，且只考虑垂直方向上的控制；
s102：对起伏、滚动和俯仰三个自由度进行受力分析。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
一节低速磁浮列车由车体及5台悬浮架系统组成，车体与悬浮架通过安装在空气弹簧支座上的空气弹簧相互作用。在垂向上，悬浮架产生的悬浮力通过二次悬挂系统传递给车厢，而空气弹簧的调节，使车厢在所有运行状况下保持在一个设定的相对高度位置，且不受车厢负载变化的影响。磁悬浮列车车厢是一个受电磁力控制的空间自由体，共具有6个自由度，若只考虑垂直方向上的控制，则仅有起伏、滚动和俯仰三个自由度。简化车辆模型，底端5个悬浮架视为均质刚体，重心为几何中心，对整个车体进行受力分析如图2所示。
对车体进行受力分析，假设力垂直向下为正方向，力矩垂直纸面向外为正方向，x轴为运行轴，y轴为导向轴，z轴为垂直轴，建立车体垂向动力学方程。
式中，m为车体和车体下部吊装设备总重量；fk为车体受到的20个空气弹簧的弹力；fd为外部扰动力；ld、wd，lk、wk分别为扰动力和空气弹簧弹力到导向轴，运行轴的距离；z为车体垂直方向运行距离；δ和ψ分别为侧滚角和俯仰角；jx、jy为对应的转动惯量。
由于车体及其下部吊装设备的重量主要集中在底部，在计算转动惯量jx、jy时，等效导向轴和运行轴位于车体底部，并运用平行轴定理求取。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
1磁浮列车垂向动力学仿真分析
根据悬浮架系统动力学模型，进行系统仿真测试，分析悬浮架系统在不同外干扰下的动态响应，以及参数变化对悬浮性能的影响。悬浮架系统和磁浮列车主要参数分别如表1、表2所示。
表1悬浮架系统主要参数
表2磁悬浮列车主要参数
通过实践测试，设定系统额定悬浮电流30a，额定悬浮气隙8mm，由此可求得4式比例系数ke值为0.0008。为了便于仿真观察及说明，对五组悬浮架模块编号，并对20个空气弹簧进行编号，悬浮架系统俯视简图如图3所示。
1.1悬浮轨道连接处错位干扰
由于轨道加工误差、安装误差和路基沉降等原因,在轨道接缝处容易出现高低不平的所谓台阶现象。假定中低速磁浮列车的运行速度为20m/s，一节车厢的长度为15m，各悬浮架传感器间距位2.5m，假设在传感器检测到错位干扰时刻电磁力未变化，在错位信号作用于电磁力作用点即1/4悬浮电磁铁位置时，电磁力首次发生变化。考虑传感器本身的长度和列车运行速度影响，错位干扰近似于具有一定坡度的阶跃信号，对20个传感器检测变化量和20个空气弹簧形变量进行观测，由于各组悬浮架和空气弹簧形变近似，仅给出第一组和最后一组悬浮架对应的悬浮气隙、空气弹簧形变波形图，如图4-图7所示。
在错位信号干扰的作用下，各组悬浮架传感器检测悬浮气隙均有2mm的变化，即悬浮架上浮2mm后稳定。由于考虑到车速的影响，各组悬浮架经过错位点时间不一，1、3号传感器在1.5秒处首次检测到错位信号，而18、20号传感器则在约0.7秒后检测错位信号并作出反应。悬浮架在依次经过悬浮轨道连接错位时一直保持悬浮系统稳定性。
20个空气弹簧即车体在1mm的错位信号干扰下的垂向位移量均为1mm，上浮1mm后重新达到动态平衡状态。由于等效为刚性体，与悬浮架不同，列车首次经过悬浮轨道连接错位，各空气弹簧均有不同程度形变，并最终保持动态平衡。
1.2悬浮轨道接缝对传感器的影响
高速磁浮列车长定子轨道的接缝会使测速定位系统相对位置传感器的检测信号产生畸变，考虑悬浮轨道接缝对悬浮架和列车的影响如图8、图9所示。
由仿真分析可以看出，在2s时传感器检测到轨道接缝信号，悬浮架和车体均发生轻微波动，并在1秒左右从新恢复到稳定状态。系统设计的pid控制器较好的消除了轨道接缝的影响。
1.3悬浮轨道不平顺干扰
由于悬浮轨道梁的收缩和徐变，以及轨道安装的随机性误差会造成轨道梁不平顺，其变化波长为梁的跨度，频率与车速相关，其不平顺近似于正弦曲线，图9所示。
h(t)＝asinωt；
上式中l为悬浮轨道梁长，为25m；v为磁浮列车车速,中低速磁浮列车一般为20m/s；a为梁在垂向的最大扰度量，设定为0.003m。分别对悬浮气隙和空气弹簧气隙进行仿真分析如图10和图11所示。
由分析可以看出，悬浮架和车体由于轨道的不平顺均会受到轻微的波动影响，会影响到乘客乘车的舒适度，需要增强悬浮控制系统，同样可以增加轨道梁刚度和提高安装精度来解决轨道不平顺对车体的干扰。
1.4悬浮模块受冲击力干扰
在列车运行的过程中，悬浮架偶尔会受到外部冲击力的干扰，模拟外力冲力干扰，在1.5s时刻作用在三号悬浮架靠近9号传感器处3000n的外力，并持续1.5s，观察各组悬浮架，以及车体的沉浮情况。
各个悬浮架对应传感器位置沉浮情况如表3所示。改变作用力大小、作用点位置，其沉浮情况均满足变化规律。
表3悬浮架各个传感器位置沉浮情况表
由于车体等效为一个刚性体，故其变化影响与五个悬浮架不同，在外部冲击力的作用下不会发生扭动，仅有沉浮和侧滚两个自由的位移该变量。20个空气弹簧对应沉浮情况如表4所示。
表4车体对应各个空气弹簧位置沉浮情况表
1.5车体受冲击力干扰
悬浮列车在运行的过程中偶尔会受到外力的作用，并经常有乘客上下车或在车上走动，保持磁浮列车的平稳运行十分重要。现模拟在车厢长度、宽度均约1/3位置同时上车3名体重100公斤的乘客，即车厢受到3000n作用力，观察各组悬浮架，以及车体的沉浮情况。
当车体受到外部作用力扰动时，各个悬浮架气隙变化均较为平稳，不同悬浮架位置沉浮符合理论分析沉浮规律。如表5所示。
表5悬浮架各个传感器位置沉浮情况表
车厢受到外力时，其沉浮规律和悬浮架系统的沉浮近似相似，如表6所示。同样可以改变车体受到外力大小、作用点位置等参量，其仿真效果均与实际理论分析吻合，且系统均能达到动态平衡状态。
表6车体对应各个空气弹簧位置沉浮情况表
1.6悬浮控制器控制参数影响
磁悬浮列车的控制器设计主要是保证磁悬浮列车在受到外部扰动时能够保持稳定性，继续平衡稳定的悬浮。其悬浮系统的设计具体应具有如下控制要求：
1.对固有不稳定的电磁悬浮体统提供一个平衡稳定控制；
2.对轨道结构的高频不平整引起的振动能够实现解耦，一方面能够减少能量损耗，一方面还可以增加乘坐舒适度；
3.能够在允许的气隙变化范围内跟踪轨道的低频变化，如坡度和转弯；
4.电磁悬浮吸力的不均匀分布不会带来机车构架的弹性形变；
5.能在最大范围内承受机车载荷的变化以及载荷的不均匀分布；
6.能够承受外部绕动力的影响。
为了达到悬浮系统的控制要求，本系统采用分散控制方案，把每一个悬浮电磁铁、传感器，以及其控制器构成一个独立的子系统，每个电磁铁的电磁吸力仅由其上的传感器信号反馈控制，整个悬浮列车的控制系统依靠独立的控制子系统来实现。每一个子系统的控制器设计均采用经典pid控制器的设计理念方法，保证悬浮系统的平衡稳定控制。
假设在1s时刻，有3000n外力作用于一号悬浮架上，改变悬浮控制器的比例参数p和微分参数d，观察悬浮架同一位置的气隙波形变化。
p控制器的输出与输入误差信号成比例关系，增大比例参数p值可以观察到悬浮气隙的峰值和稳态值均减小，p参数主要调节刚度；微分控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系，增大微分参数d可以观察到悬浮气隙的峰值减小，阻尼变大，超调量减小，气隙波动减小，更加稳定。
1.7悬浮模块点头运动的转动惯量影响
悬浮架等效的线性转动惯量j可以依据已经介绍的公式5求取，悬浮模块转动惯量的大小主要由悬浮电磁铁的分布有关，当悬浮电磁铁分布在两端时，转动惯量值较大，反之则较小。改变悬浮架点头运动转动惯量值，观察悬浮架同一位置的气隙波形变化情况如图36和图37所示。
当增加悬浮模块点头运动转动惯量时，即质量分布在两端，对悬浮架气隙观察，其超调量增加，其它参量基本保持不变。
1.8车体的点头侧滚运动的转动惯量影响
考虑车体垂向运动学时要考虑沉浮，点头，侧滚三个自由度的运动，此时就存在点头和侧滚两个方向上的转动惯量。转动惯量的大小同样同质量的分布有关，分别观测点头方向和侧滚方向转动惯量对悬浮架同一位置的气隙的影响。
无论是增加车体点头运动的转动惯量还是侧滚运动的转动惯量，都会减小调节时间，使悬浮系统更快的达到稳定悬浮状态。
1.9同一模块两端悬浮传感器间距参数设计影响
悬浮架系统同侧悬浮间隙传感器的间距参数的选取直接影响到对轨道信号干扰的采集，其参数的选取需多次仿真验证。分别设置lsen值为2.5m和1.5m进行仿真，观察悬浮架同一位置的气隙波形变化情况。
由仿真图42和图43可以看出，减小悬浮间隙传感器的间距，悬浮气隙的峰值和最终的稳态值均减小，并没有检测到悬浮架的最大气隙变化量，使得检测值存在误差。因此悬浮传感器应该尽量安装在靠近悬浮电磁铁的两端，保证检测值得准确性。
1.10同一模块空气弹簧纵向距离参数设计影响
磁悬浮列车车厢通过20个空气弹簧与10套悬浮模块相联，假设每个空气弹簧均匀承担车体及其悬挂物的重量，其纵向距离参数的设计对悬浮的稳定性同样存在一定的影响。先设置ls的值分别为2.52m和1.5m，观察悬浮架同一位置的气隙波形变化情况如图44和图45所示。
由仿真图可以看出，减小空气弹簧纵向距离，即减小点头运动的等效力臂大小，悬浮架气隙波动明显增加，调节时间明显加强。
1.11抗侧滚梁纵向距离参数设计影响
悬浮架系统通过左右两个悬浮模块和抗侧滚梁模块相互耦合构成，其结构形式将直接关系到左右模块的解耦，从而影响磁浮列车的曲线通过性能。抗侧滚梁可以使左右模块进行小范围的点头、摇头运动，但不产生滚动。分别设置lb的值为2.3m和0.5m，观察悬浮架同一位置的气隙波形变化情况。
由仿真图46和图47可以看出，减小抗侧滚梁纵向距离，悬浮气隙的峰值和最终的稳态值均减小，检测准确度下降，使得检测值存在误差。
1.12抗侧滚弹簧横参数设计影响
抗侧滚梁弹簧的刚度主要描述其抵抗形变的能力，而其阻尼值决定存在振动时振幅减小的快慢，抗侧滚梁弹簧这两个参数的选取也影响到稳定系统的性能。分别设置抗侧滚梁弹簧的刚度值为300kn/m和50kn/m；阻尼值为70kn/(m/s)和10kn/(m/s)，观察悬浮架同一位置的气隙波形变化情况。
通过图像可以观察到抗侧滚梁弹簧的刚度值和阻尼值得改变对平衡系统的影响不明显，略有影响到振动振幅减小的快慢。
本发明建立了车辆完整的垂向动力学方程：车体的点头运动、滚动和垂向运动，每个模块的点头运动和垂向运动。并通过系统动力学仿真分析，了解了几种系统外部扰动对系统动态稳定性的影响，并分析了参数变化对悬浮性能的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。