中低速磁浮列车滑模自抗扰悬浮控制算法_陈萍.pdf

第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023中低速磁浮列车滑模自抗扰悬浮控制算法陈萍1,2，史天成1，于明月3，陈垟1，史炎4(1.沈阳航空航天大学 民用航空学院，辽宁 沈阳 110136；2.辽宁通用航空研究院，辽宁 沈阳 110136；3.沈阳航空航天大学 自动化学院，辽宁 沈阳 110136；4.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)摘要：由于磁浮列车各悬浮架相互独立，任何一个悬浮控制点产生故障将导致整个悬浮架向失效一侧倾斜，造成列车运行事故。为此提出一种滑模自抗扰的悬浮控制方案以进一步提升悬浮控制器的带宽、鲁棒性和容错性。在获取间隙数据时融合了电涡流传感器的低频数据和加速度传感器的高频数据，并加入有效性判断，将不同传感器性能互补。在控制器的输出项中增加加速度微分项以检测磁浮列车的向心加速度，避免悬浮架在坡道与竖曲线过渡处撞击轨道，但直接求解微分会使系统不稳定，所以采用最速控制综合函数实现列车加速度微分项的获取。自抗扰控制器中扩张状态观测器会采集悬浮间隙信号，并观测到悬浮架的悬浮间隙、悬浮架的垂向速度和悬浮电磁铁的电流值，即使在加速度传感器和电流传感器同时失效的情况下，磁浮列车依靠扩张状态观测器观测到的数据也能实现稳定悬浮。通过李雅普诺夫稳定性判据证明了滑模自抗扰悬浮控制算法稳定性，经过MATLAB/Simulink仿真和实车试验，验证了算法的可行性。该悬浮控制算法确保磁浮列车在运行过程中遇到多种传感器同时失效的情况下不失稳，将磁浮列车悬浮控制器用到的所有传感器特性发挥出来，最大程度保障列车上乘客的安全及车载设备的正常运行。关键词：磁浮列车；滑模控制；自抗扰控制；互补滤波；容错控制中图分类号：TP273+.3 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）02-0682-12Sliding mode active disturbance rejection levitation control algorithm of the medium-and low-speed maglev vehiclesCHEN Ping1,2,SHI Tiancheng1,YU Mingyue3,CHEN Yang1,SHI Yan4(1.Civil Aviation College,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;2.Liaoning General Aviation Academy,Shenyang 110136,China;3.School of Automation,Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136,China;4.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)Abstract:Since each suspension frame of maglev train is independent from each other,the failure of any 收稿日期：2022-02-28基金项目：国家自然科学基金资助项目(51605309)；辽宁省教育厅项目(JYT2020153)；牵引动力国家重点实验室自主研究课题资助项目(2019TPL-14)通信作者：陈萍(1987-)，女，辽宁营口人，讲师，博士，从事磁浮列车研究；E-mail：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220349第 2 期陈萍，等：中低速磁浮列车滑模自抗扰悬浮控制算法suspension control point would cause the whole suspension frame to tilt to the failure side,resulting in train operation accident.Therefore,a suspension control scheme based on sliding mode active disturbance rejection was proposed to improve the bandwidth,robustness,and fault tolerance of the suspension controller.When obtaining air gap data,the low frequency data of eddy current sensor and the high frequency data of acceleration sensor were fused,and validity judgment was added to complement the performance of different sensors.The acceleration differential term was added to the output term of the controller to detect the centralizing acceleration of maglev train,to avoid the suspension frame hitting the track at the transition between the ramp and the vertical curve.However,getting the differential term directly would make the system unstable;hence,a maximum speed control synthesis function was used to obtain the acceleration differential term of the train.Extended state observer in ADRC would acquire air gap data,then the suspension air gap of the suspension frame,the vertical velocity of the suspension frame and the current of the suspension electromagnet can be observed,even when acceleration sensor and the current sensor fail at the same time,the observed data can be used to make the maglev train stable suspension.The stability of the sliding mode active disturbance rejection levitation control algorithm was proved by Lyapunov stability criterion,and the feasibility of the algorithm was verified by MATLAB/Simulink simulation and real vehicle test.The levitation control algorithm ensures that the maglev train does not lose stability when multiple kinds of sensors fail at the same time in the process of running,and gives full play to the characteristics of all sensors used in maglev train levitation controller to ensure the safety of passengers on the train and the normal operation of onboard equipment to the greatest extent.Key words:maglev vehicles;sliding mode control;active disturbance rejection control;complementary filter;fault-tolerant control 近年来，中国轨道交通发展迅速，国家更加重视基础设施建设，轨道交通类型也更加多样。其中磁浮列车因为其爬坡能力强，与轨道间维持一定间隙，从而消除了悬浮架与轨道的摩擦磨损而受到广泛关注。目前国内已有的中低速磁悬浮运营线有北京磁浮S1线和长沙磁浮线1等，并有一些新结构磁浮列车被提出，优化了列车结构，列车性能有所提升2。为了确保乘客的安全，运营线路上列车的很多关键部件都有冗余设计，悬浮控制程序中90%左右的代码都用来故障诊断，真正的控制算法只占代码的10%左右。其中，间隙测量是保持稳定悬浮最重要的环节，理论上如果间隙的采样频率和采样精度足够高，只要控制器获取到间隙就可以实现基本悬浮。在运营线路中，每个控制点都冗余了三路间隙传感器、两路加速度传感器和两路电流传感器。测量间隙采用电涡流原理，后级信号处理采用相敏检波电路3或LDC16144实现。实现悬浮控制的算法包括滑模控制58、自适应控制910、自抗扰控制1112和滑模自抗扰控制1317等，这些控制算法能够实现基本的悬浮，不同算法稳定悬浮时电磁铁中电流相差不大，所以算法的功耗基本一致。滑模控制的低频性能好8，但参数调试较复杂，带宽较窄；自适应控制能够在不修改参数的情况下适应不同质量的悬浮架，没有繁琐的调参过程，但控制过程会有超调；自抗扰控制能够让悬浮间隙无颤振、无超调，但参数调试较复杂；滑模自抗扰控制同时拥有滑模和自抗扰的特性，抗干扰能力强且带宽较宽，但是李大字等1317提出的滑模自抗扰控制将扩张状态观测器观测数据直接用于控制，未将读取观测数据和读取传感器数据的控制效果做对比，且文献中传感器精度高，测量准确，动态性能好，适合在干扰不剧烈的固定场合使用。而中低速磁浮列车的悬浮系统有很强的非线性，实际动态运行时会有复杂扰动进入系统，控制器需要获取的传感器信号种类多，安全性要求高，而扩张状态观测器观测的数据与实际数据有误差。目前运营线路主要存在的问题是悬浮架完全解耦，任何一个悬683铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月浮控制点的间隙或电流传感器失效，或控制板卡失效，悬浮控制点将无法正常悬浮，整个悬浮架就向失效一侧倾斜，导致列车无法正常运行18。较好的解决方案是加入更多的控制器和传感器冗余控制，这种方式增加了控制器的能耗，也增加了车重。如果只考虑电涡流传感器测量间隙，在列车遇到上下坡的时候，悬浮架会有敲打轨道的情况，特别是速度较快的情况下，敲打轨道现象更为明显，乘客乘坐体验感会很差，这也制约着磁浮线的运营速度19。控制器中需要加入对信号的微分抑制波动，但是直接微分会导致系统不稳定，悬浮架容易失稳，所以采用韩京清20提出的最速控制综合函数实现对信号的微分。本文基于运营线路现有控制器和传感器的基础上，针对上述这些问题，对比了状态反馈控制、直接获取传感器的滑模自抗扰控制、自抗扰控制和获取扩张状态观测器数据的滑模自抗扰的控制效果，并提出在电流传感器正常情况下采用传感器数据参与控制保证列车最优性能，电流传感器故障情况下采用观