一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法技术方案

本发明专利技术涉及轨道交通装备与车辆，尤其为一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法，包括如下步骤：在磁浮列车车体、悬浮转向架、悬浮电磁铁、导向电磁铁上分别安装加速度传感器采集振动加速度信号；分别计算车体、悬浮转向架、悬浮电磁铁、导向电磁铁的单向振动加速度的非线性度；通过算数平均和加权平均得到高速磁悬浮列车振动响应的综合非线性度；通过磁浮列车系统振动响应的不稳定性指标计算公式判断磁浮列车系统稳定性。本发明专利技术定义了磁浮列车系统振动的综合非线性度和不稳定性评价指标，根据振动响应的非线性程度来评价磁浮系统的稳定性，量化了磁浮列车系统振动信号的不稳定性程度，更加贴近磁浮列车系统真实情况，提高控制性能。控制性能。控制性能。

【技术实现步骤摘要】
一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法


[0001]本专利技术涉及轨道交通装备与车辆，尤其是一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法。

技术介绍

[0002]目前世界上高速磁浮列车的悬浮模式主要有三种：一是EMS（Electromagnetic Suspension）型常导电磁悬浮，二是EDS（Electronic Suspension）型电动低温超导磁悬浮，三是永磁型高温超导磁悬浮。采用超导磁浮技术的列车，由于超导体具有完全抗磁性和磁通钉扎特性，悬浮和导向控制系统是自稳定的。对于常导吸力型高速磁悬浮列车，其悬浮间隙受到国家标准《高速磁浮交通车辆通用技术条件》的限制，从而出现了稳定性问题。当磁浮间隙超限后，列车运行轨迹会偏离平衡中心，电磁铁的电流环过载饱和，系统振动大幅增加甚至不收敛，导致系统发生失稳。磁浮系统的控制器参数、自激振动、车轨参数匹配、轨道不平顺、启动载荷、悬浮质量等因素均对磁浮列车的稳定性有影响。对于该类型的高速磁浮列车，需要通过各种技术手段，保证悬浮系统和导向系统的稳定性。
[0003]磁浮列车系统的稳定性与控制系统的非线性、振动响应的非线性存在密切的关系。实际工程中，通常根据悬浮间隙、间隙变化速度及加速度、悬浮电磁铁电流、磁场磁通密度等一些便于得到的现场测量信号来构造各种控制算法，实现磁浮列车系统的稳定悬浮和导向。在模型修正方面，普遍做法是将系统方程的非线性项在平衡点处进行泰勒展开，然后设计线性控制算法，但线性化处理使得模型丢失非线性特性。这样设计的控制算法，只能保证系统悬浮（导向）间隙在误差很小时快速收敛。当磁浮列车在线路运行，电磁铁与轨道之间的悬浮（导向）间隙很小，在非线性负载以及轨道微量变形的激励下，极易导致列车的失稳现象。磁浮列车在实际线路运行过程中，可能会出现极限环运动、多频率耦合、悬浮失稳振动等动力学行为。 由于工作环境复杂，负载变化大，磁浮列车需要控制能力强的非线性悬浮（和导向）控制系统。而非线性控制系统的参数设计是否合理将直接影响磁浮列车运行的稳定性，在实验中曾观察到因为控制环节非线性时滞导致的车轨共振现象。因此，非线性控制参数设计不合理也可能导致振动响应的高度非线性和系统运行的不稳定性。鉴于磁浮系统不稳定时系统振动响应具有显著的强非线性特征，可通过对系统振动响应的非线性程度的量化来评估系统的稳定性。
[0004]目前，对磁浮系统稳定性评价方法是：将悬浮系统方程的非线性项在平衡点处进行泰勒展开，建立线性控制状态方程并获得特征方程的解，根据劳斯判据判定系统是否稳定。然而，实际物理系统均不可能是线性系统，线性化处理使得模型丢失非线性特性，只能保证系统悬浮间隙在误差很小时的稳定性。然而，目前除了上述的磁浮系统平稳性理论评价方法之外，还没有基于振动信号的非线性特征来评价高速磁浮列车的系统运行稳定性的方法和标准。因此，需要通过非线性模型以及系统辨识来进一步靠近真实模型，以求能贴近真实情况，从而提高控制性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是通过提出一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法，以解决上述
技术介绍
中提出的缺陷。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：提供一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法，包括如下步骤：S1：在磁浮列车车体、悬浮转向架、悬浮电磁铁、导向电磁铁上分别安装加速度传感器采集振动加速度信号；S2：分别计算车体、悬浮转向架、悬浮电磁铁、导向电磁铁的单向振动加速度的非线性度；S3：通过算数平均和加权平均得到高速磁浮列车振动响应的综合非线性度；S4：通过磁浮列车系统振动响应的不稳定性指标计算公式判断磁浮列车系统稳定性。
[0007]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述S1中，所述车体端部测点 和车体中部纵向中心测点 分别安装一个垂向、横向、纵向三向加速度传感器；所述悬浮转向架上四个角的C型悬浮框上方安装垂向、横向、纵向三向振动加速度传感器；所述悬浮电磁铁前后端分别安装垂向、纵向两向振动加速度传感器；所述导向电磁铁前后端分别安装横向、纵向两向振动加速度传感器；其中，x方向为纵向，y方向为横向，z方向为垂向。
[0008]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述S2中，将磁浮列车各处的加速度传感器采集的振动加速度信号进行经验模态分解或噪声辅助经验模态分解，得到每个信号的分量，通过DQ算法或正交希尔伯特变换处理信号分量并得到信号的瞬时频率、幅值；计算获得每个信号的GZC平均频率和GZC局部幅值。
[0009]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述经验模态分解步骤如下：S1.1：找出信号数据序列 的局部极大值点和极小值点；S1.2：通过三次样条插值函数连接极大值点得到上包络线，通过三次样条插值函数连接极小值点得到下包络线；S1.3：求上下包络线的均值 ；S1.4：用输入信号数据序列 减去上下包络线的均值 得到新的数据序列 ；S1.5：重复S1.1
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S1.4，直到 是本征模态函数。
[0010]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述本征模态函数满足：局部极值点和过零点的数目必须相等或最多相差一个，且局部最大值的上包络线和局部最小值的下包络线均值必须为零。
[0011]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述DQ算法的公式如下：；
[0012]其中， 表示振动加速度的瞬时频率， 表示对时间 求导数， 表示时间 内经验模态分解的信号分量。
[0013]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述S2中，所述GZC平均频率 计算如下：
；其中， 、 和 分别是四分之一周期、二分之一周期和一个周期；所述GZC局部幅值 计算如下：；其中， 、 和 分别是四分之一周期、二分之一周期和一个周期对应的幅值。
[0014]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述S2中单个测点的非线性度 计算方法如下：；其中， 表示求标准差， 和 分别是振动加速度的瞬时频率和GZC平均频率， 是GZC局部幅值， 是时间 内 的平均值；通过非线性度 的计算方法计算获得车体测点 、车体测点 、悬浮转向架、悬浮电磁铁和导向电磁铁上各测点安装的传感器采集的各通道的振动加速度信号的非线性度；并通过如下计算获得车体、悬浮转向架、悬浮电磁铁、导向电磁铁的单向振动加速度的非线性度：所述车体的垂向振动非线性度 、横向振动非线性度 、纵向振动非线性度 计算公式分别为：；；；其中， 、 和 分别是车体端部测点 安装的传感器采集的垂向振动加速度 、横向振动加速度 、纵向振动加速度 的非线性度； 、 和 分别是车体中部纵向中心测点 安装的传感器采集的垂向振动加速度 、横向振动加速度 、纵向振动加速度 的非线性度；所述悬浮转向架垂向振动非线性度 、横向振动非线性度 、纵向振动非线性度 计算公式分别为：；；；其中， 、 和 分别是悬浮转向架垂向振动加速度 、横向振动加速度 、纵向振动加速度 的非线性度，下标 为转向架安装的三向传感器
的编号， 为悬浮转向架传感器的数量；所述悬浮电磁铁的垂向振动非线性度 、纵向振动非线性度 计算公式分别为：；；其中， 、 分别是悬浮电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：在磁浮列车车体、悬浮转向架、悬浮电磁铁、导向电磁铁上分别安装加速度传感器采集振动加速度信号；S2：分别计算车体、悬浮转向架、悬浮电磁铁、导向电磁铁的单向振动加速度的非线性度；S3：通过算数平均和加权平均得到高速磁悬浮列车振动响应的综合非线性度；S4：通过磁浮列车振动响应的不稳定性指标计算公式判断磁浮列车系统稳定性。2.根据权利要求1所述的一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法，其特征在于：所述S1中，所述车体端部测点 和车体中部纵向中心测点分别安装一个垂向、横向、纵向三向加速度传感器；所述悬浮转向架上四个角的C型悬浮框上方安装垂向、横向、纵向三向振动加速度传感器；所述悬浮电磁铁前后端分别安装垂向、纵向两向振动加速度传感器；所述导向电磁铁前后端分别安装横向、纵向两向振动加速度传感器；其中，x方向为纵向，y方向为横向，z方向为垂向。3.根据权利要求2所述的一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法，其特征在于：所述S2中，将磁浮列车各处的加速度传感器采集的振动加速度信号进行经验模态分解或噪声辅助经验模态分解，得到每个信号的分量，通过DQ算法或正交希尔伯特变换处理信号分量并得到信号的瞬时频率、幅值；计算获得每个信号的GZC平均频率和GZC局部幅值。4.根据权利要求3所述的一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法，其特征在于：所述经验模态分解步骤如下：S1.1：找出信号数据序列的局部极大值点和极小值点；S1.2：通过三次样条插值函数连接极大值点得到上包络线，通过三次样条插值函数连接极小值点得到下包络线；S1.3：求上下包络线的均值；S1.4：用输入信号数据序列减去上下包络线的均值得到新的数据序列；S1.5：重复S1.1
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S1.4，直到是本征模态函数。5.根据权利要求4所述的一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法，其特征在于：所述本征模态函数满足：局部极值点和过零点的数目必须相等或最多相差一个，且局部最大值的上包络线和局部最小值的下包络线均值必须为零。6.根据权利要求5所述的一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法，其特征在于：所述DQ算法的公式如下：；其中，表示振动加速度的瞬时频率，表示对时间求导数，表示时间内经验模态分解的信号分量。
7.根据权利要求6所述的一种评价高速磁悬浮列车系统运行稳定性的方法，其特征在于：所述S2中，所述GZC平均频率计算如下：；其中，、和分别是四分之一周期、二分之一周期和一个周期；所述GZC局部幅值计算如下：；其中，、和分别是四分之一周期、二分之一周期和一个周期对应的幅...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈双喜，
申请(专利权)人：成都大学，
类型：发明
国别省市：