CN111469622B - 一种高速列车横向半主动悬架容错控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高速列车横向半主动悬架容错控制***，包括依次连接的采集模块、故障检测模块、容错控制模块；故障检测模块实时检测一系悬架***是否故障，容错控制模块按照滑模变结构算法控制磁流变阻尼器输出满足高速列车稳定运行时的力矩，并控制磁流变阻尼器调节输出维持动态平衡。

Description

一种高速列车横向半主动悬架容错控制***及方法
技术领域
本发明涉及列车悬架控制技术领域，更具体地，涉及一种高速列车横向半主动悬架容错控制***及方法。
背景技术
现今列车运行技术高速发展，列车行驶速度不断提高，但是由于轨面的不平整、轮对踏面损伤等诸多因素,列车速度提高后导致多自由度随机振动加大，造成行驶的姿态发生变化，严重影响列车的运行性能。因此在列车容错控制方面，国内外已经展开了一些研究，容错控制是***对故障的容忍技术，也就是指处于工作状态的***中一个或多个关键部分发生故障或差错时，***能自动检测与诊断，并能采取相应的措施保证维持其规定功能或维持其功能在可接受的范围内的技术。
为了改进悬架***的减震效果，目前针对高速列车半主动悬架的控制方面已提出了诸多的改进方案：例如Qiao Zhu等提出了低成本IM的谐振控制和基于LQG控制的方法，有效的抑制了高速列车横向半主动悬架振动；Ren Hong-bin等提出了基于观测器的半主动悬架混合控制和滑模控制算法，有效的协调了列车行驶的平顺性和稳定性；Li,Dan Yong等研究提出高速列车主动悬架控制的神经自适应容错法；Tyan,Feng等研究提出一种基于Lyapunov多层次控制器的MRF阻尼器半主动悬架***；Song,Yongduan等研究提出高速列车的低成本自适应容错控制方法；Yuan,Xiaochun等研究提出高速列车半主动悬架控制的自适应PD方法；Yu-Wen,Q U等研究提出了一种基于双延迟反馈最优控制的车辆半主动悬架控制方法；Jin Guo等提出一种新型高速列车半主动悬架控制策略。
但是在高速列车半主动悬架***控制方面,由于模型的复杂程度较高,一方面大多数变量难以通过直接测量获得,另一方面,如何设计鲁棒性较强的控制器也有待进一步深入研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术不足和缺陷，提供一种高速列车横向半主动悬架容错控制***及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高速列车横向半主动悬架容错控制***，包括依次连接的采集模块、故障检测模块、容错控制模块；采集模块，用于采集一系悬架***的振动加速度与力矩，以及列车车体的横向位移并发送至故障检测模块；故障检测模块，接收采集模块发送的采集信号与预设标准范围进行比较后判定一系悬架***是否发送故障，如果判断一系悬架***发生故障则发送指令至容错控制模块；容错控制模块，接收故障检测模块发送的指令，进行滑模变运算得到补偿信号并调节二系悬架***输出力矩，以使得在一系悬架执行器发生故障时进行容错控制。
进一步地，所述采集模块包括设置在一系悬架位置上的压力传感器、加速度传感器，所述压力传感器采集一系悬架***的输出力矩，所述加速度传感器采集一系悬架***的振动加速度。
进一步地，所述采集模块包括设置在一系悬架位置上的压力传感器、位移传感器、以及与位移传感器连接的微分器，所述压力传感器采集一系悬架***的输出力矩，所述位移传感器采集一系悬架***位移，所述微分器将位移信息转换为一系悬架***的振动加速度。
更进一步地，所述采集模块还包括设置在车***置上的位移传感器，所述位移传感器采集车体的横向位移。
更进一步地，所述采集模块还包括设置在车***置上的位移传感器，用于获取车体的横向位移。
进一步地，所述故障检测模块接收到采集模块发送的一系悬架***的振动加速度、力矩车***移分别与预设标准范围进行比较，如果一系悬架***信号或者车***移信号超出对应的预设标准范围，则判定一系悬架***故障且发送工作指令至容错控制模块。
进一步地，容错控制模块包括滑模观测器，用于估计车体速度，所述滑模观测器的数学表达为式中x1为车***移，x2为车体速度，A、B为系数矩阵，u为滑模控制器，k1,k2分别满足k1＞||e2||max,k2＞||D||max,sgn(·)为符号函数，D为车辆运行时的未知随机扰动；通过所述滑模观测器得到/>
更进一步地，容错控制模块包括滑模控制器，用于获取二系悬架***的控制信号，所述滑模控制器的数学表达为式中c、k3为系数。
更进一步地，所述***还包括磁流变阻尼器，容错控制模块输出控制信号调节磁流变阻尼器输出力矩以保证一系悬架***故障时总输出力矩得到补偿保持平衡。
一种高速列车横向半主动悬架容错控制方法，包括以下步骤：
S1采集一系悬架***的振动加速度与力矩以及车体的位移；
S2将步骤S1采集的一系悬架***信号与预设标准范围比较，将步骤S1得到的车***移信号与预设安全范围比较，如果一系悬架***信号或者车***移信号超出对应的预设标准范围，则判定一系悬架***故障进入步骤S3，否则返回至步骤S1；
S3通过滑模观测器估计车体速度，所述滑模观测器的数学表达为：
式中x1为车***移，x2为车体速度，A、B为系数矩阵，u为滑模控制器，k1,k2分别满足k1＞||e2||max,k2＞||D||max,sgn(·)为符号函数，D为不确定干扰值；通过所述滑模观测器得到/>
S4将步骤S1得到的车体振动加速度与预设值做差所得结果，以及步骤S3得到的车体速度输入至滑模控制器处理后得到二系悬架***中磁流变阻尼器的控制信号u；所述滑模控制器的数学表达为式中c、k3为系数；
S5将步骤S4得到的滑模控制器信号u调节磁流变阻尼器的输出力矩，以使一系悬架***故障时高速列车保持稳定运行。
本发明的有益效果为在高速列车行驶的过程中，实时对其运行状态进行监测，并且一旦判定悬架***出现执行器故障的情况，在振动约束安全条件下，通过利用补偿力矩对磁流变阻尼器的输出力矩进行微调，防止车体的运行姿态发生巨变，使得高速列车仍能稳定运行，性能指标维持在一定的容许范围内，从而有效解决了高速列车横向半主动悬架***的元部件故障和执行机构故障问题。
附图说明
图1为实施例1所示的方法示意图。
图2为实施例2所示的结构框图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本实施例基于铁路轨面激振导致高速列车横向振动加重的问题,提出一种高速列车横向半主动悬架容错控制***及方法。
实施例1
一种高速列车横向半主动悬架容错控制方法，包括以下步骤：
S1通过设于一系悬架位置上的加速度传感器与压力传感器采集一系悬架***的振动加速度与力矩，通过设于高速列车车***置上的加速度传感器采集车体的振动加速度，并将车体的振动加速度进行积分得到车体的位移；
S2将步骤S1采集的一系悬架***信号与预设标准范围比较，将步骤S1得到的车***移信号与预设安全范围比较，如果一系悬架***信号或者车***移信号超出对应的预设标准范围，则判定一系悬架***故障进入步骤S3，否则返回至步骤S1；
S3通过滑模观测器估计车体速度，所述滑模观测器的数学表达为：
式中x1为车***移，x2为车体速度，A、B为系数矩阵，u为滑模控制器，k1,k2分别满足k1＞||e2||max,k2＞||D||max,sgn(·)为符号函数，D为不确定干扰值；通过所述滑模观测器得到/>
S4将步骤S1得到的车体振动加速度与预设值做差所得结果，以及步骤S3得到的车体速度输入至滑模控制器处理后得到二系悬架***中磁流变阻尼器的控制信号u；所述滑模控制器的数学表达为式中c、k3为系数；
S5将步骤S4得到的滑模控制器控制信号u调节磁流变阻尼器的输出力矩，以使一系悬架***故障时高速列车保持稳定运行。
通过本实施例中的容错控制方法，当高速列车横向振动为安全范围时，则不进行步骤S3-S5的控制方法，采用被动悬架控制策略对高速列车运行姿态进行控制；当高速列车横向振动超出安全范围时，即可判断高速列车发生半主动悬架执行器故障，则通过滑模变结构算法生成补偿力矩进行容错控制，对磁流变阻尼器进行调节，来使高速列车运行性能指标维持在一定的容许范围内。
实施例2
一种高速列车横向半主动悬架容错控制***，包括依次连接的采集模块、故障检测模块、容错控制模块。
采集模块，用于采集一系悬架***的振动加速度与力矩，以及列车车体的横向位移并发送至故障检测模块。
在本实施例中，通过设置在一系悬架位置上的压力传感器采集一系悬架***的输出力矩。一系悬架***的振动加速度可以通过两种方式得到：(1)通过设置在一系悬架位置上的加速度传感器直接采集振动加速度；(2)通过设置在一系悬架位置上的位移传感器采集一系悬架位移，再通过与位置传感器连接的微分器进行处理得到振动加速度。列车车体的横向位移也可以通过两种方式得到：(1)通过设置在车***置上的位移传感器采集车体的横向位移；(2)通过设置在车***置上的加速度传感器以及与传感器连接的积分器，用于获取车体的横向位移。
故障检测模块，接收采集模块发送的采集信号与预设标准范围进行比较后判定一系悬架***是否发送故障，如果判断一系悬架***发生故障则发送指令至容错控制模块。在本实施例中具体为故障检测模块接收到采集模块发送的一系悬架***的振动加速度、力矩车***移分别与预设标准范围进行比较，如果一系悬架***信号或者车***移信号超出对应的预设标准范围，则判定一系悬架***故障且发送工作指令至容错控制模块。
容错控制模块，接收故障检测模块发送的指令，进行滑模变结构算法运算得到补偿信号并调节二系悬架***输出力矩，以使得在一系悬架执行器发生故障时进行容错控制。
在本实施例中容错控制模块包括滑模观测器，用于估计车体速度，所述滑模观测器的数学表达为式中x1为车***移，x2为车体速度，A、B为系数矩阵，u为滑模控制器控制输入，k1,k2分别满足k1＞||e2||max,k2＞||D||max,sgn(·)为符号函数，D为不确定干扰值；通过所述滑模观测器得到/>还包括滑模控制器，用于获取二系悬架***的控制信号，所述滑模控制器的数学表达为式中c、k3为系数。
容错控制模块输出控制信号至磁流变阻尼器，用来对磁流变阻尼器进行调节，以保证一系悬架***故障时总输出力矩得到补偿保持平衡。
当半主动悬架***发生执行器故障时，需进行容错控制，按照滑模变结构求出高速列车稳定运行时所需的力矩，并控制磁流变阻尼器调节输出维持动态平衡。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高速列车横向半主动悬架容错控制***，其特征在于，包括依次连接的采集模块、故障检测模块、容错控制模块；
采集模块，用于采集一系悬架***的振动加速度与力矩，以及列车车体的横向位移并发送至故障检测模块；
故障检测模块，接收采集模块发送的采集信号与预设标准范围进行比较后判定一系悬架***是否发生故障，如果判断一系悬架***发生故障则发送指令至容错控制模块；
容错控制模块，接收故障检测模块发送的指令，进行滑模变运算得到补偿信号并调节二系悬架***输出力矩，以使得在一系悬架执行器发生故障时进行容错控制；
具体控制方法包括以下步骤：
S1采集一系悬架***的振动加速度与力矩以及车体的位移；
S2将步骤S1采集的一系悬架***信号与预设标准范围比较，将步骤S1得到的车***移信号与预设安全范围比较，如果一系悬架***信号或者车***移信号超出对应的预设标准范围，则判定一系悬架***故障进入步骤S3，否则返回至步骤S1；
S3通过滑模观测器估计车体速度，所述滑模观测器的数学表达为：
式中x1为车***移，为车***移的滑模观测值，x2为车体速度，/>为车体速度的滑模观测值，A、B为系数矩阵，u为滑模控制器，k1,k2分别满足k1＞||e2||max,k2＞||D||max,sgn(·)为符号函数，D为不确定干扰值，/>为滑模观测器得到的不确定干扰值；
通过所述滑模观测器得到
S4将步骤S1得到的车体振动加速度与预设值做差所得结果，以及步骤S3得到的车体速度输入至滑模控制器处理后得到二系悬架***中磁流变阻尼器的控制信号u；所述滑模控制器的数学表达为式中c、k3为系数；
S5将步骤S4得到的滑模控制器信号u调节磁流变阻尼器的输出力矩，以使一系悬架***故障时高速列车保持稳定运行。
2.根据权利要求1所述的一种高速列车横向半主动悬架容错控制***，其特征在于，所述采集模块包括设置在一系悬架位置上的压力传感器、加速度传感器，所述压力传感器采集一系悬架***的输出力矩，所述加速度传感器采集一系悬架***的振动加速度。
3.根据权利要求1所述的一种高速列车横向半主动悬架容错控制***，其特征在于，所述采集模块包括设置在一系悬架位置上的压力传感器、位移传感器、以及与位移传感器连接的微分器，所述压力传感器采集一系悬架***的输出力矩，所述位移传感器采集一系悬架***位移，所述微分器将位移信息转换为一系悬架***的振动加速度。
4.根据权利要求2-3任一项所述的一种高速列车横向半主动悬架容错控制***，其特征在于，所述采集模块还包括设置在车***置上的位移传感器，所述位移传感器采集车体的横向位移。
5.根据权利要求1所述的一种高速列车横向半主动悬架容错控制***，其特征在于，所述故障检测模块接收到采集模块发送的一系悬架***的振动加速度、力矩车***移分别与预设标准范围进行比较，如果一系悬架***信号或者车***移信号超出对应的预设标准范围，则判定一系悬架***故障且发送工作指令至容错控制模块。
6.根据权利要求1所述的一种高速列车横向半主动悬架容错控制***，其特征在于，所述***还包括磁流变阻尼器，容错控制模块输出控制信号调节磁流变阻尼器输出力矩以保证一系悬架***故障时总输出力矩得到补偿保持平衡。
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