剔除橋梁位移反饋的磁浮列車—橋梁自激振動抑制方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明涉及磁浮列車的懸浮控制領(lǐng)域，尤其涉及一種引入橋梁振動速度的磁浮列車一橋梁自激振動抑制方法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]基于電磁常導(dǎo)（ElectroMagneticSuspension，簡稱EMS)型低速磁浮列車是一種依靠安裝在列車上的電磁鐵與軌道之間的吸引力使列車懸浮在軌道上運行的新型交通工具，以其安全、舒適、無污染等優(yōu)點贏得越來越多的關(guān)注。近年來磁浮系統(tǒng)在全世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，然而當(dāng)磁浮列車以較低的速度通過橋梁時，可能會產(chǎn)生磁浮列車一橋梁耦合自激振動問題。當(dāng)耦合自激振動產(chǎn)生以后，橋梁、電磁鐵以及車體均會以較大的幅值垂向振動。橋梁的垂向振動對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的沖擊，會縮短橋梁的使用壽命；電磁鐵的垂向振動會降低懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至出現(xiàn)電磁鐵與軌道磕碰的情況而導(dǎo)致懸浮系統(tǒng)失穩(wěn)；車體的垂向振動對車輛的乘坐舒適性產(chǎn)生較大的影響，不利于提高磁浮系統(tǒng)的競爭力。因此，磁浮列車一橋梁耦合自激振動是當(dāng)前磁浮系統(tǒng)商業(yè)化進程中亟待解決的一個世界性難題。[0003]如圖1和圖2所示，EMS型低速磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)自下而上包括：橋墩1、橋梁2、軌枕3、軌排4、懸浮轉(zhuǎn)向架5和車體6。EMS型低速磁浮列車采用模塊化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。每節(jié)車有五個懸浮轉(zhuǎn)向架5,每個懸浮轉(zhuǎn)向架5由左右兩個懸浮模塊7組成，模塊間通過防側(cè)滾梁8相連。每個模塊安裝有四個懸浮電磁鐵71(以下簡稱電磁鐵），沿列車行進方向?qū)⑺膫€電磁鐵71分為兩組，每組包含兩個電磁鐵71，組內(nèi)的兩個電磁鐵71串聯(lián)，等效為一個單電磁鐵，由一個斬波器施加電壓加以控制，是懸浮控制的最基本單元。[0004]-般地，橋梁的長度為24m，其寬度和高度約為I.2m，即橋梁的長度遠大于其寬度和高度，且橋梁的振動幅值一般小于lcm，以唐山試驗線磁浮橋梁為例，其長度通常為18m和24m。長度遠比其寬度和高度要大，而且橋梁的彎曲變形相對其長度來說可以忽略不計，因此橋梁可以視為Bernoulli-Euler簡支梁。簡化的磁浮列車一橋梁耦合模型如圖3所示，其中yE為電磁鐵的垂向位移，yB為橋梁的振動位移，δ為電磁鐵相對于橋梁的懸浮間隙，F(xiàn)e為電磁鐵與橋梁軌道間的作用力。[0005]在工程中，懸浮控制系統(tǒng)基于磁通內(nèi)環(huán)的狀態(tài)反饋控制器應(yīng)用越來越廣泛。基于磁通內(nèi)環(huán)狀態(tài)反饋的懸浮控制律（以下簡稱為懸浮控制律）如式（1)所示：[0007]式⑴中，t為時間變量，yE(t)為電磁鐵的振動位移，yB(t)為橋梁的振動位移，Λ為電磁鐵的振動速度，六(/)為電磁鐵的振動加速度，kp為電磁鐵相對于橋梁的懸浮間隙S⑴的比例系數(shù)、kd為電磁鐵的振動速度的阻尼系數(shù)，ka為電磁鐵的振動加速度九(〖）的反饋系數(shù)，kB為磁通內(nèi)環(huán)的增益，B(t)為懸浮間隙中的磁場強度，BE(t)為懸浮間隙中期望的磁場密度，u(t)為施加在電磁鐵上的控制電壓，uDe為維持平衡點所需要的控制電壓。其中，yE(t)-yB(t)=δ(t)，δ(t)為電磁鐵相對于橋梁的振動位移，簡稱懸浮間隙，可通過電渦流傳感器直接測量獲取，電磁鐵的振動加速度知七）由安裝在電磁鐵上的振動加速度傳感器測量獲取，電磁鐵的振動速度九-通過對電磁鐵的振動加速度積分獲取。[0008]在懸浮控制律式（1)的作用下，磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)可以用如圖4所示的框圖表示，其中mE為電磁鐵的質(zhì)量，mB為橋梁的質(zhì)量，ξB為橋梁的模態(tài)阻尼比，ωΒ為橋梁的模態(tài)頻率，EM為代表控制電壓的平衡方程，σ表示橋梁上有多個懸浮電磁鐵時的放大因子，u為施加在電磁鐵上的控制電壓，Be為反饋通道懸浮間隙中期望的磁場密度，B為反饋通道懸浮間隙中的磁場強度，kF為電磁力系數(shù)，F(xiàn)e為電磁鐵與橋梁軌道間的作用力。[0009]磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)中前向通道的傳遞函數(shù)如式（2)所示：[0011]式⑵中，S為時間變量t在頻域內(nèi)的表達方式，以下均相同，GB(S)為橋梁子系統(tǒng)前向通道的傳遞函數(shù)，Ge(S)為懸浮子系統(tǒng)前向通道的傳遞函數(shù)，其它參數(shù)的說明與磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)框圖中參數(shù)說明一致。[0012]磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)中反饋通道的傳遞函數(shù)如式（3)所示：[0014]式⑶中，s為時間變量t在頻域內(nèi)的表達方式，Hb(S)為橋梁子系統(tǒng)反饋通道的傳遞函數(shù)，He(S)為懸浮子系統(tǒng)反饋通道的傳遞函數(shù)，其中，N為懸浮線圈的匝數(shù)，A為懸浮電磁鐵的極面積，其它參數(shù)的說明與磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)框圖中參數(shù)說明一致。[0015]磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)中電磁力Fe(S)到橋梁位移yB(s)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為如式⑷所示：[0017]式（4)中，Gb(S)為橋梁子系統(tǒng)前向通道的傳遞函數(shù)，Ge(S)為懸浮子系統(tǒng)前向通道的傳遞函數(shù)，Hb(S)為橋梁子系統(tǒng)反饋通道的傳遞函數(shù)，He(S)為懸浮子系統(tǒng)反饋通道的傳遞函數(shù)。[0018]當(dāng)控制器參數(shù)kp=1000,kd=30,ka=0.4,kB=30,橋梁的模態(tài)阻尼比ξB=〇.005時，在不同的橋梁模態(tài)頻率下，磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)的特征根的實部niyra圖5所示。在全模態(tài)頻率段，磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)的特征根的實部R2、私均小于零，因此磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于R1的符號。然而在模態(tài)頻率段[67.2118.7]rad/s，為不穩(wěn)定區(qū)間（Unstableinterval)，特征根的實部R1大于零，在該頻率段，磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)不穩(wěn)定，會出現(xiàn)自激振動現(xiàn)象。[0019]當(dāng)EMS型低速磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)自激振動產(chǎn)生以后，橋梁和電磁鐵均出現(xiàn)持續(xù)的振動。橋梁的持續(xù)振動，影響橋梁的安全性和使用壽命；電磁鐵的持續(xù)振動會通過二次系傳遞到車廂，影響車輛的乘坐舒適性；懸浮電流的大幅變化，沖擊著車載懸浮電源，在某些極端情況下，會導(dǎo)致車載懸浮電源飽和，影響列車安全運行。因此，EMS型低速磁浮列車-橋梁耦合自激振動，是商業(yè)化進程中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。[0020]為了避免磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)自激振動問題，學(xué)者們也進行了大量的研究，并提出了各自的解決方案。從避免自激振動的方案來看，可分為優(yōu)化橋梁參數(shù)和修改控制律。從優(yōu)化橋梁參數(shù)的角度，包括增大橋梁的質(zhì)量，增加橋梁的模態(tài)阻尼、降低橋梁的模態(tài)頻率。理論上，這些方法可以提高磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達到避免自激振動的目的。然而為了降低橋梁的造價，提高磁浮系統(tǒng)的市場競爭力，工程中磁浮橋梁被設(shè)計得越來越輕巧，橋梁的彈性進一步增加，上述方法均存在比較明顯的工程局限性?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0021]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種能夠在不增加系統(tǒng)成本的情況下，實現(xiàn)磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)穩(wěn)定，避免自激振動出現(xiàn)，提高磁浮列車低速通過橋梁能力的剔除橋梁位移反饋的磁浮列車一橋梁自激振動抑制方法。[0022]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：一種剔除橋梁位移反饋的磁浮列車一橋梁自激振動抑制方法，包括如下步驟：[0023]1)獲取電磁鐵的振動位移yE(t);[0024]2)采用如式（5)所示的懸浮控制律控制磁浮列車懸浮狀態(tài)，[0026]式（5)中，yE(t)為電磁鐵的振動位移，九〇)為電磁鐵的振動速度，九(?)為電磁鐵的振動加速度，kp為電磁鐵的振動位移yE(t)的比例系數(shù)，kd為電磁鐵的振動速度的阻尼系數(shù)，ka為電磁鐵的振動加速度九〇)I的反饋系數(shù)，B(t)為懸浮間隙中的磁場強度，BE(t)為懸浮間隙中期望的磁場密度，kB為磁通內(nèi)環(huán)的增益，u(t)為施加在電磁鐵上的控制電壓，uDe為維持平衡點所需要的控制電壓。[0027]作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟1)的具體步驟包括：[0028]I.1)通過振動加速度傳感器測量得到所述電磁鐵的振動加速度aE(t);[0029]1.2)對所述電磁鐵的振動加速度aE(t)進行兩次積分，計算得到電磁鐵的振動位移yE(s)〇[0030]作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟1)的具體步驟包括：[0031]I.Ia)通過振動加速度傳感器測量得到所述電磁鐵的振動加速度aE(t);[0032]I.2a)通過如式（8)所示的位移估計器計算電磁鐵的振動位移K.s')，[0034]式⑶中，a和b為預(yù)設(shè)的位移估計器參數(shù)，aE(s)為電磁鐵的振動加速度，:?.、·）為電磁鐵的振動位移。[0035]在本發(fā)明中，t為時間變量，s為時間變量t在頻域內(nèi)的表達方式。[0036]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：[0037]本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的磁浮列車懸浮控制律，無需利用橋梁振動位移參數(shù)，僅需通過振動加速度傳感器測量得到所述電磁鐵的振動加速度，并計算獲得電磁鐵的振動速度和電磁鐵的振動位移，通過本發(fā)明的懸浮控制律，就能實現(xiàn)磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定，避免自激振動的出現(xiàn)，提高磁浮列車低速通過橋梁的能力，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性?！靖綀D說明】[0038]圖1為現(xiàn)有技術(shù)EMS型低速磁浮列車的模塊化轉(zhuǎn)向架的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。[0039]圖2為現(xiàn)有技術(shù)EMS型低速磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)細節(jié)圖。[0040]圖3為現(xiàn)有技術(shù)簡化的磁浮列車一橋梁耦合模型示意圖。[0041]圖4為現(xiàn)有技術(shù)采用磁通內(nèi)環(huán)狀態(tài)反饋控制器時磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)的框圖。[0042]圖5為現(xiàn)有技術(shù)阻尼比為0.005時磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)特征根的實部示意圖。[0043]圖6為本發(fā)明剔除橋梁位移反饋的磁浮列車一橋梁自激振動抑制方法的流程圖。[0044]圖7為本發(fā)明采用理想積分計算電磁鐵振動位移時磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)的框圖。[0045]圖8為本發(fā)明采用位移估計器計算電磁鐵振動位移時磁浮列車一橋梁耦合系統(tǒng)的框圖。[0046]圖9為本發(fā)明采用位移估計器計算電磁鐵振動位移時抑制自激振動的實驗驗證圖。[0當(dāng)前第1頁1 2