一种磁浮列车轨道不平顺的抑制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种磁浮列车轨道不平顺的抑制方法及系统，包括以下步骤：S100，利用线性系统理论建立系统标称模型，设计基于标称模型的标称控制器；S200，构建基于观测器的残差生成器，系统正常运行时，残差生成器的输出残差值为零，当出现轨道不平顺时，残差值受此影响偏离零，残差信号中包含了轨道不平顺信息；S300，残差信号产生的残差传递给补偿控制器；S400，利用梯度下降法在线迭代更新补偿控制器参数的数值，用于实现使补偿控制器抑制轨道不平顺的目标。本发明专利技术通过构建基于观测器的残差生成器及对被控对象进行补偿的补偿控制器，用梯度下降法在线迭代更新补偿控制器参数的数值，实现轨道不平顺抑制作用，响应迅速、物理实现简单。

A method and system to restrain track irregularity of maglev train

【技术实现步骤摘要】
一种磁浮列车轨道不平顺的抑制方法及系统
本专利技术涉及磁浮列车轨道不平顺
，特别是涉及一种磁浮列车轨道不平顺的抑制方法及系统。
技术介绍
磁悬浮列车是以非接触的电磁力实现车辆的支撑和导向控制。由于列车与轨道的相互作用，轨距、轨向、水平和髙低等轨道几何形位在不断地变化，结果在轨道上形成了上述轨道不平顺。而轨道不平顺是引起磁悬浮列车振动的主要根源，严重的轨道不平顺不仅会引起磁悬浮列车的剧烈振动，使轨道与磁悬浮列车之间作用力加大，甚至会导致磁悬浮列车与轨道直接相碰撞，危及行车安全。因此，为了确保磁悬浮列车的安全稳定运行，如何研究一种对磁悬浮列车轨道不平顺的抑制方法及系统，成了本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种磁浮列车轨道不平顺的抑制方法及系统，通过在线迭代更新补偿控制器参数的数值，从而实现使补偿控制器抑制轨道不平顺的目标。一方面，本专利技术提供了一种磁浮列车轨道不平顺的抑制方法，包括以下步骤：S100，利用线性系统理论建立系统标称模型，设计基于标称模型的标称控制器；S200，构建基于观测器的残差生成器，系统正常运行时，残差生成器的输出残差值为零，当出现轨道不平顺时，残差值受此影响偏离零，残差信号中包含了轨道不平顺信息；S300，残差信号产生的残差传递给补偿控制器；S400，利用梯度下降法在线迭代更新补偿控制器参数的数值，用于实现使补偿控制器抑制轨道不平顺的目标。进一步地，步骤S400具体为：S401，补偿控制器根据残差生成补偿控制量；S402，标称控制器输出的控制量与补偿器生成的补偿控制量共同作为系统输入作用于被控对象上；S403，利用梯度下降法在线迭代更新补偿控制器参数的数值，进而调整作用于被控对象上的系统输入，用于实现使补偿控制器抑制轨道不平顺的目标。进一步地，所述标称控制器利用参考输入与系统输出的差值作为输入；所述残差控制器的输入为作用于被控对象上的输入与系统输出之和。进一步地，所述被控对象的空间表达形式为：其中，k表示离散时刻，x(k+1)为k+1时刻系统状态，x(k)为k时刻系统状态，u(k)为系统输入，y(k)为系统输出，A、B、C和D为系统参数；所述标称控制器的空间表达形式为：其中，xc(k+1)为k+1时刻标称控制器状态，xc(k)为k时刻标称控制器状态，e(k)为系统误差，uc(k)为标称控制器输出，Ac、Bc、Cc和Dc为标称控制器参数；所述残差生成器的表达形式为：其中，xo(k+1)为k+1时刻残差生成器状态，xo(k)为k时刻残差生成器状态，y(k)为系统输出，yo(k)为残差生成器观测值，r(k)为残差生成器输出，u(k)为系统输入，Ao、Bo、Co、Do和Lo为残差生成器参数。进一步地，所述补偿控制器的离散形式为：其中，xq(k+1)为k+1时刻补偿控制器状态，xq(k)为k时刻补偿控制器状态，uq(k)为补偿控制器输出，r(k)为补偿控制器输入，Aq、Bq、Cq和Dq均为补偿控制器参数。进一步地，通过如下公式在线迭代更新补偿控制器参数Aq和Bq的参数分量θAB,q：其中，i为迭代次数，λ为迭代步长，k0是窗口初始值，N是窗口宽度，T为矩阵转置运算符，e(k)为系统误差，u(k)为系统输入控制量，We(k)是与参数无关的关于误差e(k)的权重值，Wu(k)是与参数无关的关于控制量u(k)的权重值，为u(k)对θAB,q(k)的偏导数，为e(k)对θAB,q(k)的偏导数，θAB,q(i+1)为k+1时刻参数，θAB,q(i)为k时刻参数。进一步地，通过如下公式在线迭代更新补偿控制器参数Cq的参数分量θC,q：其中，i为迭代次数，λ为迭代步长，k0是窗口初始值，N是窗口宽度，T为矩阵转置运算符，e(k)为系统误差，u(k)为系统输入控制量，We(k)是与参数无关的关于误差e(k)的权重值，Wu(k)是与参数无关的关于控制量u(k)的权重值，为u(k)对θAB,q(k)的偏导数，为u(k)对θAB,q(k)的偏导数，θC,q(i+1)为k+1时刻参数，θC,q(i)为k时刻参数。进一步地，通过如下公式在线迭代更新补偿控制器参数Dq的参数分量θD,q：其中，i为迭代次数，λ为迭代步长，k0是窗口初始值，N是窗口宽度，T为矩阵转置运算符，e(k)为系统误差，u(k)为系统输入控制量，We(k)是与参数无关的关于误差e(k)的权重值，Wu(k)是与参数无关的关于控制量u(k)的权重值，为u(k)对θD,q(k)的偏导数，为e(k)对θD,q(k)的偏导数，θD,q(i+1)为k+1时刻参数，θD,q(i)为k时刻参数。进一步地，磁浮列车轨道不平顺的抑制方法中还包括用于提高被控对象对参考输入的跟踪能力的前置滤波器，所述前置滤波器根据参考输入生成滤波控制分量，所述滤波控制分量与标称控制器输出的控制量、补偿器生成的补偿控制量共同作为系统输入作用于被控对象上。另一方面，本专利技术还提供了一种磁浮列车轨道不平顺的抑制系统，包括分别与被控对象相连的标称控制器、残差生成器和补偿控制器，所述残差控制器还与补偿控制器相连，其中：所述标称控制器为利用线性系统理论建立的系统标称模型而设计；所述残差生成器基于观测器而构建，系统正常运行时，残差生成器的输出残差值为零，当出现轨道不平顺时，残差值受此影响偏离零，残差信号中包含了轨道不平顺信息，残差信号产生的残差传递给补偿控制器；所述补偿控制器据残差生成补偿控制量，利用梯度下降法在线迭代更新补偿控制器参数的数值，用于实现使补偿控制器抑制轨道不平顺的目标。本专利技术提供的磁浮列车轨道不平顺的抑制方法及系统，首先，利用线性系统理论建立系统标称模型，设计基于标称模型的标称控制器；其次，构建基于观测器的残差生成器，在系统正常运行时，残差生成器的输出残差值为零，当出现轨道不平顺时，残差值会受此影响偏离零，从而使得残差信号中包含了轨道不平顺信息；再次，残差信号产生的残差传递给补偿控制器；最后，利用梯度下降法在线迭代更新控制器参数的数值，从而实现使控制器抑制轨道不平顺的目标。相比现有仅利用标称控制器进行轨道不平顺控制的方法，本专利技术通过构建基于观测器的残差生成器及对被控对象进行补偿的补偿控制器，用梯度下降法在线迭代更新补偿控制器参数的数值，进而调整作用于被控对象上的系统输入，最终实现使补偿控制器抑制轨道不平顺的目标。进一步地，本专利技术中还包括前置滤波器，所述前置滤波器根据参考输入生成滤波控制分量，所述滤波控制分量与标称控制器输出的控制量、补偿器生成的补偿控制量共同作为系统输入作用于被控对象上，进而调整作用于被控对象上的系统输入，最终实现使补偿控制器抑制轨道不平顺的目标，前述前置滤波器可以提高被控对象对参考输入的跟踪能力，更好地实现轨道不平顺的抑制目标。附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁浮列车轨道不平顺的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS100，利用线性系统理论建立系统标称模型，设计基于标称模型的标称控制器；/nS200，构建基于观测器的残差生成器，系统正常运行时，残差生成器的输出残差值为零，当出现轨道不平顺时，残差值受此影响偏离零，残差信号中包含了轨道不平顺信息；/nS300，残差信号产生的残差传递给补偿控制器；/nS400，利用梯度下降法在线迭代更新补偿控制器参数的数值，用于实现使补偿控制器抑制轨道不平顺的目标。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁浮列车轨道不平顺的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100，利用线性系统理论建立系统标称模型，设计基于标称模型的标称控制器；
S200，构建基于观测器的残差生成器，系统正常运行时，残差生成器的输出残差值为零，当出现轨道不平顺时，残差值受此影响偏离零，残差信号中包含了轨道不平顺信息；
S300，残差信号产生的残差传递给补偿控制器；
S400，利用梯度下降法在线迭代更新补偿控制器参数的数值，用于实现使补偿控制器抑制轨道不平顺的目标。


2.根据权利要求1所述的磁浮列车轨道不平顺的抑制方法，其特征在于，步骤S400具体为：
S401，补偿控制器根据残差生成补偿控制量；
S402，标称控制器输出的控制量与补偿器生成的补偿控制量共同作为系统输入作用于被控对象上；
S403，利用梯度下降法在线迭代更新补偿控制器参数的数值，进而调整作用于被控对象上的系统输入，用于实现使补偿控制器抑制轨道不平顺的目标。


3.根据权利要求2所述的磁浮列车轨道不平顺的抑制方法，其特征在于，所述标称控制器利用参考输入与系统输出的差值作为输入；所述残差控制器的输入为作用于被控对象上的输入与系统输出之和。


4.根据权利要求3所述的磁浮列车轨道不平顺的抑制方法，其特征在于，所述被控对象的空间表达形式为：



其中，k表示离散时刻，x(k+1)为k+1时刻系统状态，x(k)为k时刻系统状态，u(k)为系统输入，y(k)为系统输出，A、B、C和D为系统参数；
所述标称控制器的空间表达形式为：



其中，xc(k+1)为k+1时刻标称控制器状态，xc(k)为k时刻标称控制器状态，e(k)为系统误差，uc(k)为标称控制器输出，Ac、Bc、Cc和Dc为标称控制器参数；
所述残差生成器的表达形式为：



其中，xo(k+1)为k+1时刻残差生成器状态，xo(k)为k时刻残差生成器状态，y(k)为系统输出，yo(k)为残差生成器观测值，r(k)为残差生成器输出，u(k)为系统输入，Ao、Bo、Co、Do和Lo为残差生成器参数。


5.根据权利要求4所述的磁浮列车轨道不平顺的抑制方法，其特征在于，所述补偿控制器的离散形式为：



其中，xq(k+1)为k+1时刻补偿控制器状态，xq(k)为k时刻补偿控制器状态，uq(k)为补偿控制器输出，r(k)为补偿控制器输入，Aq、Bq、Cq和Dq均为补偿控制器参数。


6.根据权利要求5所述的磁浮列车轨道不平顺的抑制方法，其特征在于，通过如下公式在线迭代更新补偿控制器参数Aq和Bq的参数分量θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志强，翟明达，龙志强，李晓龙，苗欣，江守亮，刘纪龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，中车青岛四方机车车辆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43