CN114954546A

CN114954546A - 用于控制高速列车升力翼的方法、计算机设备和存储介质

Info

Publication number: CN114954546A
Application number: CN202210780411.1A
Authority: CN
Inventors: 王成强; 向超群; 朱彦; 张洁; 刘翾
Original assignee: Central South University; CRRC Changchun Railway Vehicles Co Ltd
Current assignee: Central South University; CRRC Changchun Railway Vehicles Co Ltd
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2022-08-30

Abstract

本发明一种用于控制高速列车升力翼的方法、计算机设备和存储介质，其中方法包括：在接收到起升信号时：首先控制所述起升装置动作以驱动升力翼升起至设定位置，然后控制所述翼尾收缩装置动作以驱动所述翼尾伸展，最后控制所述攻角变换装置动作以将升力翼的攻角变换到设定角度；在接收到攻角变换信号时：首先获取目标角度，然后控制所述攻角变换装置动作，以将升力翼的攻角变换到所述目标角度；在接收到降落信号时，控制所述攻角变换装置动作以将所述升力翼的攻角归零，控制所述翼尾收缩装置动作以将所述翼尾收缩，控制所述起升装置动作以驱动升力翼降落。本发明所提供的技术方案，能够降低对列车升力控制的难度。

Description

用于控制高速列车升力翼的方法、计算机设备和存储介质

技术领域

本发明属于高速列车的升力翼控制技术领域，具体涉及一种用于控制高速列车升力翼的方法、一种计算机设备和一种计算机解读存储介质。

背景技术

中国高铁已成为中国先进自主技术的代名词，正向着更高速更高效的方向发展，目前中国高速列车运行的时速在200到400km/h之间，多条铁路线的运行时速维持在300 到350km/h之间，但是轮轨列车的高速运行将会加剧车轮磨损程度，缩短使用寿命，增大维修更换成本，同时列车的空气阻力大小将随其速度的平方成正比关系，功率能耗大小将随其速度的立方成正比关系，对轮轨列车提速的能耗效率和维护成本造成了挑战。为减少机械轮轨摩擦和空气阻力损耗达到节能的目的，学者和工程师们提出了带有升力翼的高速列车概念，打破传统高速列车气动外形设计理念，不仅能够通过升力翼舵面控制变化将风阻劣势转化为气动升力优势，还能通过气动升力减轻车身重量实现减少摩擦阻力与轮轨损耗，从而达到高速列车全寿命周期增加与列车整体节能降耗的作用。

此外，高速列车线路常常跨越距离非常远，将会受到不同自然环境的影响，有些甚至会引发安全事故，例如会出现横风现象。相较于零风速的环境，高速列车在横风环境中运行时，其气动特性会产生明显变化，导致列车所受到的气动载荷以及轮轨之间的作用力发生明显改变，产生横风效应。横风效应较小时，引起的横向气动力可能会和各气动转矩产生共振，导致列车的结构产生疲劳破坏；横风效应较大时，会使得列车轮轨间的动力学特性与原有设计产生巨大差异，从而造成列车的横向超限、脱轨，直接威胁到人的生命安全。当高速列车行驶在一些特殊的环境下，横风效应对列车的运行造成较大的影响，例如在列车经过特大桥梁、高架桥、山区的风口地段等区域时，横风的，横向作用力更加显著，造成列车脱轨、倾覆的可能性大大增加。

为了尽量避免高速列车在横风环境中出现脱轨现象，可以在列车上设置升力翼，可以通过控制升力翼降低列车的升力，从而实现高速列车的减速制动，并且在横风区域运行时，可以通过控制升力翼使列车背风侧的升力大于迎风侧的升力，从而避免列车出现倾覆，减小高速列车脱轨的概率。但是现有技术中在控制升力翼时需要改变升力翼的位置，存在控制难度大的问题。

综上所述可知，现有技术中在对列车的升力翼进行控制时，存在控制难度大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于控制高速列车升力翼的方法、计算机设备和存储介质，以至少解决上述现有技术中在对列车的升力翼进行控制时，存在控制难度大的问题。

为至少解决上述问题，第一方面，本发明提供了一种用于控制高速列车升力翼的方法，所述升力翼包括翼尾，并设置有翼尾收缩装置、攻角变换装置、整体旋转装置和起升装置，其特征在于，所述方法包括：在接收到起升信号时：首先控制所述起升装置动作以驱动升力翼升起至设定位置，然后控制所述翼尾收缩装置动作以驱动所述翼尾伸展，最后控制所述攻角变换装置动作以将升力翼的攻角变换到设定角度；在接收到攻角变换信号时：首先获取目标角度，然后控制所述攻角变换装置动作，以将升力翼的攻角变换到所述目标角度；在接收到降落信号时，控制所述攻角变换装置动作以将所述升力翼的攻角归零，控制所述翼尾收缩装置动作以将所述翼尾收缩，控制所述起升装置动作以驱动升力翼降落。

根据本发明的一个实施例，还包括：在接收到转向信号时，控制所述整体旋转装置工作以将所述升力翼整体旋转180°。

根据本发明的一个实施例，所述整体旋转装置包括第一电机、第一减速器和第一自锁设备，控制所述整体旋转装置包括：在接收到转向信号时，控制所述第一自锁设备动作以解除对所述第一电机的自锁，在将所述升力翼整体旋转180°时，控制所述第一设备动作以将所述第一电机自锁。

根据本发明的一个实施例，所述攻角变换装置包括第二电机、第二减速机和第二自锁设备，控制所述攻角变换装置动作包括：当升力翼的攻角变换到设定角度时，控制所述第二自锁设备以将所述升力翼自锁；当接收到攻角变换信号时，首先控制所述第二自锁设备动作以解除所述升力翼的自锁，当将升力翼的攻角变换到所述目标角度时，控制所述第二自锁设备动作以将所述升力翼自锁；当接收到降落信号时，首先控制所述第二自锁设备动作以解除所述升力翼的自锁。

根据本发明的一个实施例，所述设定角度为15°。

根据本发明的一个实施例，所述起升装置包括第一气缸机构和第一电磁阀，所述第一电磁阀连接所述第一气缸机构，控制所述升降装置工作包括：控制所述第一电磁阀打开以驱动所述升力翼起升，控制所述第一电磁阀关闭以驱动所述升力翼降落。

根据本发明的一个实施例，所述翼尾收缩装置包括第二气缸机构和第二电磁阀，所述第二电磁阀连接所述第二气缸机构，控制所述翼尾收缩装置包括：控制所述第二电磁阀开启以驱动所述翼尾伸展，控制所述第二电磁阀关闭以驱动所述翼尾收缩。

第二方面，本发明还提供了一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有用于在所述处理器上执行的计算机程序指令，所述处理器执行该计算机程序指令时，实现如上述任意一项实施例所述的用于控制高速列车升力翼的方法。

第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，所述计算机指令由处理器运行时，实现如上述任意一项实施例所述的用于控制高速列车升力翼的方法。

本发明所提供的技术方案，在控制升力翼起升时，首先通过起升装置驱动升力翼起升至设定位置，然后通过翼尾收缩装置驱动翼尾伸展，最后通过攻角变换装置将升力翼的攻角变换到设定角度；在接收到攻角变换信号时，可以通过攻角变换装置变换升力翼的攻角；在控制升力翼降落时，首先通过攻角变换装置将升力翼的攻角归零，然后控制翼尾收缩装置将翼尾收缩，最后控制起升装置动作驱动升力翼降落。由于在对列车的升力进行调节时，本发明的技术方案不需要移动升力翼，只需要将升力翼的攻角变换到设定角度即可，因此与现有技术相比，可以降低对升力翼控制的难度。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1为根据本发明的一种用于控制高速列车升力翼的方法的流程图；

图2为根据本发明的一种升力翼的结构示意图；

图3为根据本发明的一种升力翼的部分结构示意图；

图4为根据本发明的一种计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本领域技术人员应知，下文所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1和图2，图1所示出的是本申请的一种用于控制高速列车升力翼的方法的流程图，图2所示出的是一种高速列车的升力翼，该升力翼包括翼尾11，并设置有翼尾收缩装置1、攻角变换装置2、整体旋转装置3和起升装置4，其中翼尾收缩装置1用于驱动翼尾11伸缩，攻角变换装置2用于变换升力翼的攻角，整体旋转装置3用于控制升力翼的整体旋转。图1所示出的方法用于控制图2所示出的升力翼进行控制，下面结合图1所示出的流程，对本申请的用于控制高速列车升力翼的方法做详细的介绍。

如图1所示，本申请所提供的用于控制高速列车升力翼的方法，其包括：

在步骤S1中，对升力翼的起升控制：

当接收到起升信号时，控制起升装置4动作以驱动升力翼起升，当升力翼起升到设定位置时，控制起升装置4停止工作，使升力翼停止起升。例如，上述设定位置可以为升力翼可以达到的最高位置，即控制起升装置4驱动升力翼到达最高位置。

当升力翼起升到设定位置时，控制翼尾收缩装置1动作以驱动翼尾11伸展，当升力翼的翼尾11展开后，可以对列车的升力进行调节。

当升力翼的翼尾11伸展后，控制攻角变换装置2动作，以将升力翼的攻角变换到设定角度，提高对列车升力的调节效果，保证列车运行的稳定性。

在步骤S2中，对升力翼的攻角控制：当接收到攻角变换信号时，首先获取目标角度，然后控制攻角变换装置2动作，以将升力翼的攻角变换到目标角度。在本实施例中，可以采集列车所处横风环境的风向，并根据风向获取目标角度，该目标角度是指在横风环境中最适合的攻角；然后控制攻角变换装置2动作，将升力翼的攻角变换到目标角度上。

在步骤S3中，对升力翼的降落控制：当接收到降落信号时，控制攻角变换装置2动作，以将升力翼的攻角归零，然后控制翼尾收缩装置1动作以将翼尾11收缩、控制起升装置4动作以驱动升力翼降落。在本实施例中，在列车经过隧道等高度有限的空间时，需要将升力翼降落，列车的总控设备(如列车的总控制器)可以发出升力翼的降落信号；在接收到该降落信号时，可以控制攻角变换装置10动作将升力翼的攻角归零、控制翼尾收缩装置1动作将翼尾11收缩，以便于升力翼的降落。

可以理解的是，上述步骤S1、步骤S2和步骤S3是用于控制高速列车升力翼的控制方法所包含的控制逻辑，其编号用于对逻辑控制的作用进行区分，不表示逻辑控制执行的先后顺序。

综上所述可知，本申请所提供的技术方案中，在对列车的升力进行调节时，只需要将升力翼的攻角变换到设定角度即可，与现有技术中改变升力翼位置的方法相比，可以降低对升力翼控制的难度。

在一个实施例中，在对升力翼的起升控制过程中，当述翼尾11伸展后，判断升力翼是否需要换向，如果需要，则控制整体旋转装置3工作以将所述升力翼整体旋转180°；在升力翼的工作过程中，判断是否接受到换向信号，如果接收到，则控制整体旋转装置3工作以将升力翼整体旋转180°相应地，在对升力翼的降落控制过程中，当翼尾11收缩后，判断升力翼是否需要换向，如果需要，则控制整体旋转装置3工作以将升力翼整体旋转180°。由于升力翼结构的特殊性，其不是对称结构，因此在列车转向时，其方向也随之发生变化，本实施例的设置方式，可以控制升力翼的转向，以在列车的运行方向发生变化时，使升力翼的转角能够产生相应的变化。

在一个实施例中，上述整体旋转装置3包括第一电机、第一减速器和第一自锁设备，其中第一电机通过第一减速器可以驱动升力翼整体转动，第一自锁设备为机械自锁设备，可以对升力翼进行自锁以防止其整体转动。在本实施例中，当升力翼完成换向时，第一自锁设备启动以将升力翼自锁；当升力翼需要转向时，第一自锁设备关闭以解除升力翼的自锁。

上述第一电机可以采用伺服电机，其控制方法为三环控制，三环控制包括电流环控制、速度环控制和位置环控制，即通过第一电机的电流、转速和升力翼的位置对第一电机进行控制。上述电流环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给第一电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定经控制器调节后，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制第一电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。上述速度环是通过检测的第一电机上的编码器信号来进行负反馈调节，它的环内经控制器输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包合了速度环和电流环，即根据第一电机的转速反馈调节第一电机的电流。上述位置环是最外环，可认在驱动器和第一电机的编码器间构建也可以在外部控制器和编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定。上述第一电机的编码器安装于其尾部，用于采样电机的转速。三环控制的优点在于，在加入适当的控制算法例如工程中常用的PID控制后，给定需要转动的位置，能够及时的转到此位置，并具有较好的抗扰性等。

在一个实施例中，上述攻角变换装置2包括第二电机和第二减速机，其中第二电机可以为采用步进(或伺服)电机，将其加挂刹车装置的结构，并在输出部分加入减速器与顶部齿轮传动机构进行啮合，如图3所示，第二减速机20直接传动连接升力翼转轴，驱动转轴转动，最终带动升力攻角的变化。在本实施例中，可以采用自抗扰算法优化后的三环控制方法对第一电机进行控制。本实施例的设置方式，采用自抗扰算法对三环控制方法进行改进，可以提高对于电机控制的实时性、抗扰性以及鲁棒性。

上述采用自抗扰算法对三环控制方法进行改进后，所得到的控制方法包括：

(1)电流环传统自抗扰控制器的设计：考虑到q轴电流为转矩电流分量，以q轴为例进行自抗扰控制器设计，d轴自抗扰控制器设计方法与q轴同理。q轴电流环微分方程如下：

其中R_s是电机的定子电阻，参数L为对dq轴电感的估计值，u_q是dq轴电压，ω是电机转子转速，ψ_f为电机转子永磁磁链。

基于上式可设计电流环一阶自抗扰控制器。根据自抗扰控制基本原理，将上式改写为：

其中，b_c＝1/L，f_c为电流环总扰动，表达如下式所示：

为观测总扰动f_c，设计电流环二阶线性ES0(Extended State Observer扩展状态观测器)，方程如下所示：

其中，

和

分别是i_q和f_c观测的值，β₁和β₂为观测器增益系数。

线性状态误差反馈控制律采用比例P控制形式，增益取k_p＝w_c。控制律u₀和控制量u_q的表达如下式所示：

考虑理想情况，令z₁＝i_q,z₂＝f_c，可得理想电流闭环传递函数如下式所示：

其中，ω_c为***的剪切频率。

(2)位置环传统自抗扰控制器的设计：

根据PMSM(Permanent-magnet synchronous motor永磁同步电机)的等效直流电机模型可写出***动力学方程如下式所示：

其中B为粘滞阻尼系数，J为等效总转动惯量，K_t＝p₀ψ_f为电磁力矩系数，p0是电机极对数，T_L为负载转矩。

基于上式可设计位置环二阶自抗扰控制器。将电流闭环控制***传递函数近似为1，即近似有

进一步得出：

其中，b_p＝K_t/J，f_p是位置环总扰动，表达如下式所示：

为观测总扰动f_p，设计位置环三阶线性ESO方程如下式所示：

其中，

和

分别是电机转角θ，电机转速n,和f_p的观测值，β₁、β₂和β₃为观测器增益系数。

线性状态误差反馈控制律采用比例-微分PD控制形式，控制律u₀和控制量

表达如下式所示：

同理可得理想位置闭环传递函数如下式所示：

在一个实施例中，上述攻角变换装置还包括第二自锁设备，该第二自锁设备可以为机械自锁设备，能够对第二电机进行自锁以防止其攻角发生变化，例如，第二自锁设备可以采用设有蜗轮蜗杆的减速器，在实现减速器对第二电机减速的同时，还能够通过蜗轮蜗杆的自锁性能实现自锁。因此，在对升力翼的起升控制中，当升力翼的攻角变换到设定角度时，可以通过自锁设备将升力翼的攻角锁定，以防止其发生变化；相应地，在对升力翼的攻角控制过程中，当接收到攻角变换信号时，首先控制自锁设备动作以解除对升力翼攻角的自锁；在将攻角变换到目标角度时，控制自锁设备动作以将升力翼的攻角自锁，将攻角稳定在目标角度；在对升力翼的降落控制过程中，当接收到降落信号时，首先控制自锁设备动作以将升力翼的自锁解除。

在一个实施例中，上述设定角度为15°。由于升力翼的攻角为15°时，其能够提供的升阻比最好，因此本实施例的设置方式中将设定角度设置为15°，能够改善升力翼的升阻比。

在一个实施例中，上述起升装置4包括第一气缸机构和第一电磁阀，第一气缸机构的伸缩方向为升力翼的高度方向，第一电磁阀与第一气缸机构连接，可以通过控制第一电磁阀的开启和关闭控制第一气缸机构的伸缩，进而驱动升力翼的起升和降落。例如，第一气缸机构可以为三级气缸，在控制第一电磁阀开启时可以使第一气缸机构伸展，从而驱动升力翼起升；在控制电磁阀关闭时可以驱动第一气缸机构收缩，从而驱动升力翼降落。

在一个实施例中，上述翼尾收缩装置1包括第二气缸机构和第二电磁阀，其中第二电磁阀于第二气缸机构连接，可以通过第二电磁阀控制第二气缸机构的伸展和收缩；上述翼尾装配在第二气缸机构上，当第二气缸机构伸展和收缩时，可以驱动翼尾伸展和收缩。例如，当控制第二电磁阀打开时，可以使第二气缸机构伸展，从而驱动翼尾伸展；当控制第二电磁阀关闭时，可以使第二气缸机构收缩，从而驱动翼尾收缩。

根据本发明的第二方面，本发明还提供了计算机设备，如图4所示，该设备包括处理器、存储器、通信接口和通信总线，处理器、存储器和通信接口通过通信总线完成相互间的通信。处理器用于提供计算和控制能力。存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作***和计算机程序指令。该内存储器为非易失性存储介质中的操作***和计算机程序指令的运行提供环境。上述装置的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。存储器用于存储计算机程序指令，该计算机程序指令使处理器执行上述本发明如图1所示的用于控制高速列车升力翼的方法。

根据本发明的第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序指令来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序指令可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序指令在执行时，可实现上述本发明如图2所示的用于控制高速列车升力翼的方法。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程 ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路 (Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体地限定。

虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求保护范围内的模块组成、等同或替代方案。

Claims

1.一种用于控制高速列车升力翼的方法，所述升力翼包括翼尾，并设置有翼尾收缩装置、攻角变换装置、整体旋转装置和起升装置，其特征在于，所述方法包括：

在接收到起升信号时：首先控制所述起升装置动作以驱动升力翼升起至设定位置，然后控制所述翼尾收缩装置动作以驱动所述翼尾伸展，最后控制所述攻角变换装置动作以将升力翼的攻角变换到设定角度；

在接收到攻角变换信号时：首先获取目标角度，然后控制所述攻角变换装置动作，以将升力翼的攻角变换到所述目标角度；

在接收到降落信号时，控制所述攻角变换装置动作以将所述升力翼的攻角归零，控制所述翼尾收缩装置动作以将所述翼尾收缩，控制所述起升装置动作以驱动升力翼降落。

2.根据权利要求1所述的用于控制高速列车升力翼的方法，其特征在于，还包括：在接收到转向信号时，控制所述整体旋转装置工作以将所述升力翼整体旋转180°。

3.根据权利要求2所述的用于控制高速列车升力翼的方法，其特征在于，所述整体旋转装置包括第一电机、第一减速器和第一自锁设备，控制所述整体旋转装置包括：在接收到转向信号时，控制所述第一自锁设备动作以解除对所述第一电机的自锁，在将所述升力翼整体旋转180°时，控制所述第一设备动作以将所述第一电机自锁。

4.根据权利要求1所述的用于控制高速列车升力翼的方法，其特征在于，所述攻角变换装置包括第二电机、第二减速机和第二自锁设备，控制所述攻角变换装置动作包括：当升力翼的攻角变换到设定角度时，控制所述第二自锁设备以将所述升力翼自锁；

当接收到攻角变换信号时，首先控制所述第二自锁设备动作以解除所述升力翼的自锁，当将升力翼的攻角变换到所述目标角度时，控制所述第二自锁设备动作以将所述升力翼自锁；

当接收到降落信号时，首先控制所述第二自锁设备动作以解除所述升力翼的自锁。

5.根据权利要求1或4所述的用于控制高速列车升力翼的方法，其特征在于，所述设定角度为15°。

6.根据权利要求1所述的用于控制高速列车升力翼的方法，其特征在于，所述起升装置包括第一气缸机构和第一电磁阀，所述第一电磁阀连接所述第一气缸机构，控制所述升降装置工作包括：控制所述第一电磁阀打开以驱动所述升力翼起升，控制所述第一电磁阀关闭以驱动所述升力翼降落。

7.根据权利要求1所述的用于控制高速列车升力翼的方法，其特征在于，所述翼尾收缩装置包括第二气缸机构和第二电磁阀，所述第二电磁阀连接所述第二气缸机构，控制所述翼尾收缩装置包括：控制所述第二电磁阀开启以驱动所述翼尾伸展，控制所述第二电磁阀关闭以驱动所述翼尾收缩。

8.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有用于在所述处理器上执行的计算机程序指令，所述处理器执行该计算机程序指令时，实现如权利要求1-8任意一项所述的用于控制高速列车升力翼的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机指令，所述计算机指令由处理器运行时，实现根据权利要求1-8的任意一项所述的用于控制高速列车升力翼的方法。