[发明专利]一种磁浮列车、悬浮控制系统及提高运行平稳性的方法

说明书

本发明公开了一种磁浮列车、悬浮控制系统及提高运行平稳性的方法，涉及悬浮控制领域。本发明针对轨道不平顺干扰对磁浮列车悬浮控制稳定性的影响，在获得不平顺干扰预估值后，运用前馈控制对轨道不平顺施加动态补偿，可大大削弱不平顺干扰对悬浮控制稳定性的不利影响，延长轨道养护维修的周期而降低运营成本，进一步提升磁浮列车运行的平稳性和舒适性。本发明通过增加前馈控制，提高了磁浮列车悬浮控制系统的抗干扰能力，提升了悬浮控制系统的鲁棒性和环境适应性，所采用的前馈控制与反馈控制策略，也可迁移用于其他相似的场景。

技术领域

本发明涉及悬浮控制领域，特别是一种磁浮列车、悬浮控制系统及提高运行平稳性的方法。

背景技术

磁浮交通系统是一个集机械工程、控制工程、土木工程等多学科的复杂机电系统，各系统间具有较强的相互影响，列车运行的动力学行为非常复杂。磁浮列车依靠主动控制的电磁铁产生的电磁力悬浮和导向，在直线电机的推进下环抱细长的轨道梁运行，避免了车辆与轨道之间的直接机械接触，但大量动力学问题依然存在。磁浮系统存在非线性的有源磁浮力，使得磁浮车辆系统动力学的研究存在很大特殊性，磁浮列车控制系统的稳定性、整车运行的平稳性直接影响着磁浮列车的发展和应用。

整个磁浮列车系统包括机械部分和控制部分，前者包括磁悬浮模块和车体，后者包括悬浮、导向、驱动和运行控制，其中的机械耦合和机电耦合十分复杂。悬浮控制技术是磁浮列车的核心和关键技术之一，悬浮控制系统性能的优劣将直接影响到磁浮列车运行的稳定性、安全性和舒适性。磁浮列车控制的一个最基本要求是要保证磁浮列车能够在一定程度的各种扰动作用下具有平衡稳定的悬浮，作用在悬浮系统的外部扰动主要包括负载变化、驱动加速力和减速力、空气动力以及轨道的弹性弯度和不平顺带来的扰动力。对EMS型电磁悬浮系统来说，电磁悬浮就是对车载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生电场，磁铁与轨道上的铁磁构件相互吸引，将列车向上吸起悬浮在轨道上，磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙一般为8-12mm。列车通过对控制悬浮磁铁的励磁电流来保证稳定的悬浮间隙，通过磁场与轨道上的铁磁体吸引力作用将车辆吸起，以约8-10mm的间隙悬浮于轨道。安装在电磁铁上的传感器实时测量悬浮间隙和电磁铁加速度，并通过悬浮控制系统调节线圈电流使车辆的悬浮间隙保持在额定值。

对于电磁悬浮型列车，系统本身是不稳定的，为了达到悬浮的稳定性，必须采用反馈控制装置，利用悬浮气隙的反馈对电压(流)进行控制。传统的控制方式是将非线性磁悬浮模型在平衡点处进行线性化，然后对该线性化模型进行反馈控制，随着现代控制理论的不断发展，许多先进的控制算法都运用到了磁浮列车的悬浮控制技术中。磁浮列车的自适应控制、模糊控制、滑模结构控制以及鲁棒控制等现代控制方法都被深入研究。早在20世纪70年代，学者们就根据悬浮间隙变化及间隙变化的速度和加速度等输入条件设计了多种经典控制算法，到上世纪80、90年代，为了使系统具有良好的鲁棒性和自适应性，各种非线性的控制算法也在磁浮控制中得到广泛的应用，如H鲁棒控制、自适应控制、滑模变结构控制等。从文献上可以看出，目前悬浮控制系统的重点已经由单纯的稳定性设计转移到系统的鲁棒和自适应能力设计。这样的转变是与磁浮交通技术的实际应用背景密不可分的；为了使磁浮交通技术正式投入使用，从产业化角度考虑，将来磁浮车辆的运行环境变化很大，而且随着长时间运营，轨道线路沉降与不平顺会不断发展，那么就要求控制器必须具有较强的自适应能力和鲁棒性，以满足控制器对复杂环境的适应性要求。

高速磁浮列车运行时，若利用单纯反馈控制，则存在参数整定困难、调节时间长、超调量大、抗干扰差等问题，且反馈控制系统从干扰产生到被控量发生变化，以及偏差产生相应的控制作用，再由控制信号改变到被控量发生变化，都需要一定的时间，反馈控制总是落后于干扰作用，也就是说反馈控制无法将干扰克服在被控量偏离设定值之前。由定子面及功能件几何偏差、齿槽和不均匀沉降等造成的轨道不平顺会使列车发生剧烈振动，在长期运营下轨道的几何形态变化对列车运营影响较大。事实上轨道不平顺无法避免，只能定期频繁对轨道进行维养，如此必然导致运营成本增加。

发明内容