一種用于磁懸浮列車的懸浮系統控制方法技術方案

本發明專利技術涉及一種用于磁懸浮列車的懸浮系統控制方法，具體包括以下步驟：基于磁懸浮列車的懸浮控制動力學模型構造二階滑模面，并且引入與定位誤差信號相關的、在線實時訓練神經網絡逼近的非線性有界函數，得到最終滑模變結構控制律模型，用于構建懸浮系統的磁懸浮控制器；磁懸浮控制器中輸入設定的懸浮系統物理參數；磁懸浮控制器實時獲取軌道和車體間的間隙數據后輸出控制信號；懸浮系統的外圍硬件接收控制信號后驅動懸浮電磁鐵在有限時間內移動到目標位置。與現有技術相比，本發明專利技術能夠實現對實際中不確定的工作模型參數進行任意逼近，提高控制器對多樣環境的適應性，最終提高了懸浮系統控制的穩定性。

【技術實現步驟摘要】
一種用于磁懸浮列車的懸浮系統控制方法
本專利技術涉及磁懸浮列車領域，尤其是涉及一種用于磁懸浮列車的懸浮系統控制方法。
技術介紹
磁懸浮列車是一種具有非接觸式電磁懸浮，引導和驅動系統的現代運輸方式。它依靠電磁吸引或電斥力將火車懸掛在空中，以實現火車與軌道之間沒有機械接觸，并由直線電動機驅動。磁懸浮列車由于其速度快，能耗低，乘坐舒適且噪音低而成為理想的交通工具。目前按照磁浮車輛采用的懸浮原理及方式的不同，磁懸浮列車一般劃分為兩大類，一類為電動懸浮(ElectrodynamicSuspension)，簡稱EDS型；一類為電磁懸浮型(ElectromagneticSuspension)，簡稱EMS型。EDS型磁浮系統利用電磁排斥力將車輛在軌道上方懸浮，而EMS型磁浮系統則利用位于軌道下方的電磁鐵產生的吸引力將車輛抬起從而保證和軌道不接觸。EDS型磁浮系統不需要施加控制即可穩定懸浮，而EMS型磁浮系統需要施加主動控制來保證系統穩定懸浮。目前商業化運行的，都是EMS型磁懸浮列車。對于EMS磁懸浮列車來說，懸浮系統是磁懸浮列車的關鍵和核心。但是，懸浮系統具有很強的非線性和開環不穩定性。此外，系統參數具有不確定性，并且系統在運行過程中會遭受外部干擾。因此，對高性能的懸浮控制器的設計提出了很高的挑戰。EMS型磁懸浮列車的懸浮系統現在面臨的最緊迫的問題是模型的不確定性和外在的干擾，例如乘客重量的不確定性，風的干擾等。目前，大多數磁浮車輛懸浮控制器是線性PID控制器。當參數更改或外部干擾較大時，在當前的線性控制器作用下，系統控制性能將降低，系統穩定性下降甚至失去穩定性。
技術實現思路
本專利技術的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種用于磁懸浮列車的懸浮系統控制方法。本專利技術的目的可以通過以下技術方案來實現：一種用于磁懸浮列車的懸浮系統控制方法，其特征在于，具體包括以下步驟：S1、基于磁懸浮列車的懸浮控制動力學模型構造二階滑模面，并且引入與定位誤差信號相關的、在線實時訓練神經網絡逼近的非線性有界函數，得到最終滑模變結構控制律模型，用于構建懸浮系統的磁懸浮控制器；S2、磁懸浮控制器中輸入設定的懸浮系統物理參數；S3、磁懸浮控制器實時獲取軌道和車體間的間隙數據后輸出控制信號；S4、懸浮系統的外圍硬件接收控制信號后驅動懸浮電磁鐵在有限時間內移動到目標位置，并保持在該位置誤差限制范圍內。進一步地，所述的步驟S1中，最終滑模變結構控制律模型的表達式為：其中，sgn(·)為符號函數，s是動態滑模面，e為系統誤差，c1、c2、η、μ為控制增益參數，和分別為未知的非線性有界函數f(·)和g(·)的神經網絡逼近，x為網絡輸入，j為第j個隱含層節點，W*,L*是f(·)和g(·)的理想網絡權重，hf(x)和hg(x)為神經網絡的Koski方程，r為理想跟蹤指令；根據最小參數學習法，f(·)和g(·)的自適應率定義為單參數和其中，參數γ1,γ2,Ω1,Ω2∈R+。進一步地，所述步驟S1中最終滑模變結構控制律模型構建方法包括：S11、建立仿射非線性數學模型；S12、根據仿射非線性數學模型進行滑模控制器的滑膜控制律設計，得到滑模變結構控制律模型和兩個非線性有界函數f(·)和g(·)；S13、通過RBF神經網絡在線學習逼近滑模變結構控制律模型中的非線性有界函數f(·)和g(·)，得到最終滑模變結構控制律模型。進一步地，所述的步驟S11中，仿射非線性數學模型的表達式為：其中，式中，z1表示氣隙間距，z2表示氣隙間距變化速度，z3表示氣隙間距加速度，m為車身質量，μ0為真空磁導率，Nm為線圈繞組個數，Am為磁體的截面積，Rm表示電磁鐵繞組電阻。進一步地，所述的步驟S12中，滑模變結構控制律模型的表達式為：式中，uSMC(x,t)為控制輸出，η,μ∈R+分別表示恒定到達系數和指數到達系數，r為理想跟蹤指令，c1,c2∈R+是正的位置控制增益，e表示系統誤差，s表示動態滑模面。進一步地，所述的懸浮系統包括間隙傳感器、斬波器、磁懸浮控制器和電磁鐵，所述的間隙傳感器通過斬波器連接磁浮控制器，所述的電磁鐵通過外圍硬件磁浮控制器，所述間隙傳感器安裝電磁鐵上。進一步地，所述的間隙傳感器通過間隙處理板、控制板和接口轉換板連接斬波器。進一步地，所述的磁懸浮控制器包括計算機硬件和算法軟件，用于執行神經網絡逼近算法的運行、獲取輸入的設定的懸浮系統物理參數，以及實時獲取軌道和車體間的間隙數據并輸出控制信號。與現有技術相比，本專利技術具有以下優點：本專利技術通過重新設立了懸浮系統的磁懸浮控制器，基于磁懸浮列車的懸浮控制動力學模型構造二階滑模面，并且引入與定位誤差信號相關的、在線實時訓練神經網絡逼近的非線性有界函數，得到最終滑模變結構控制律模型，能夠實現對實際中不確定的工作模型參數進行任意逼近，提高控制器對多樣環境的適應性，最終提高了懸浮系統控制的穩定性。附圖說明圖1為本專利技術的流程示意圖。圖2為磁懸浮列車懸浮控制動力學模型示意圖。圖3為磁懸浮控制器閉環控制系統的示意圖。圖4為懸浮系統的結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術進行詳細說明。本實施例以本專利技術技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本專利技術的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例提供了一種用于磁懸浮列車的懸浮系統控制方法，具體包括以下步驟：步驟S1、基于磁懸浮列車的懸浮控制動力學模型構造二階滑模面，并且引入與定位誤差信號相關的、在線實時訓練神經網絡逼近的非線性有界函數，得到最終滑模變結構控制律模型，用于構建懸浮系統的磁懸浮控制器；步驟S2、磁懸浮控制器中輸入設定的懸浮系統物理參數；步驟S3、磁懸浮控制器實時獲取軌道和車體間的間隙數據后輸出控制信號；步驟S4、懸浮系統的外圍硬件接收控制信號后驅動懸浮電磁鐵在有限時間內移動到目標位置，并保持在該位置誤差限制范圍內，達到穩定可靠的懸浮控制效果。在步驟S1中，最終滑模變結構控制律模型構建方法包括：步驟S11、建立仿射非線性數學模型；步驟S12、根據仿射非線性數學模型進行滑模控制器的滑膜控制律設計，得到滑模變結構控制律模型和兩個非線性有界函數f(·)和g(·)；步驟S13、通過RBF(徑向基)神經網絡在線學習逼近滑模變結構控制律模型中的非線性有界函數f(·)和g(·)，得到最終滑模變結構控制律模型。上述步驟的具體展開如下：如圖2所示，磁懸浮列車的懸浮控制動力學模型為使用牛頓定律與麥克斯韋方程建立的電磁和力學方程組：上式中，狀態量x1(t)＝xm(t)為氣隙間距，狀態量為氣隙間距的變化速度，狀態量x3本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種用于磁懸浮列車的懸浮系統控制方法，其特征在于，具體包括以下步驟：/nS1、基于磁懸浮列車的懸浮控制動力學模型構造二階滑模面，并且引入與定位誤差信號相關的、在線實時訓練神經網絡逼近的非線性有界函數，得到最終滑模變結構控制律模型，用于構建懸浮系統的磁懸浮控制器；/nS2、磁懸浮控制器中輸入設定的懸浮系統物理參數；/nS3、磁懸浮控制器實時獲取軌道和車體間的間隙數據后輸出控制信號；/nS4、懸浮系統的外圍硬件接收控制信號后驅動懸浮電磁鐵在有限時間內移動到目標位置，并保持在該位置誤差限制范圍內。/n

【技術特征摘要】
20200320 CN 20201020058231.一種用于磁懸浮列車的懸浮系統控制方法，其特征在于，具體包括以下步驟：
S1、基于磁懸浮列車的懸浮控制動力學模型構造二階滑模面，并且引入與定位誤差信號相關的、在線實時訓練神經網絡逼近的非線性有界函數，得到最終滑模變結構控制律模型，用于構建懸浮系統的磁懸浮控制器；
S2、磁懸浮控制器中輸入設定的懸浮系統物理參數；
S3、磁懸浮控制器實時獲取軌道和車體間的間隙數據后輸出控制信號；
S4、懸浮系統的外圍硬件接收控制信號后驅動懸浮電磁鐵在有限時間內移動到目標位置，并保持在該位置誤差限制范圍內。


2.根據權利要求1所述的一種用于磁懸浮列車的懸浮系統控制方法，其特征在于，所述的步驟S1中，最終滑模變結構控制律模型的表達式為：









其中，sgn(·)為符號函數，s是動態滑模面，e為系統誤差，c1、c2、η、μ為控制增益參數，和分別為未知的非線性有界函數f(·)和g(·)的神經網絡逼近，x為網絡輸入，j為第j個隱含層節點，W*,L*是f(·)和g(·)的理想網絡權重，hf(x)和hg(x)為神經網絡的Koski方程，r為理想跟蹤指令；
根據最小參數學習法，f(·)和g(·)的自適應率定義為單參數和






其中，參數γ1,γ2,Ω1,Ω2∈R+。


3.根據權利要求1所述的一種用于磁懸浮列車的懸浮系統控制方法，其特征在于，所述步驟S1中最終滑模變結構控制律模型構建方法包括：
S11、建立仿射非線性數學模型；
S12、根據仿射非線性數學模型進行滑模控制器的滑膜控制律設計，得到滑模變結構控制律模型和兩個非...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫友剛，徐俊起，陳琛，林國斌，榮立軍，吉文，倪菲，高定剛，
申請(專利權)人：同濟大學，
類型：發明
國別省市：上海;31