高速磁浮车-轨耦合实验平台的开发及应用.pdf

experimental platform.Mechanics in Engineering,2023,45(4):728-735ZhangWeiwei,Wu Han,Zeng Xiaohui.Development and application of high-speed magnetic levitation vehicle-rail coupling力与第45卷第4期2023年8 月实践学应用研究高速磁浮车-轨耦合实验平台的开发及应用1)张伟为为吴晗2)曾晓辉（中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室，北京10 0 19 0)(中国科学院大学未来技术学院，北京10 0 0 49)摘要车辆和导轨的耦合振动问题是影响磁悬浮列车安全性和舒适性的重要问题之一。为解决车辆高速运行时面临的稳定性难题，开发并建设了一套高速磁浮车-轨耦合实验平台。平台围绕常导磁浮车的电磁铁模块进行展开设计，其中轨道模块外接激励器，可以模拟各种速度和不平顺下的轨道条件。控制系统基于实车的控制器、斩波器和传感器进行改造，应用DSPACE快速控制原型技术，实现对嵌入式算法的实时监控和在线修改的功能。建立了柔性轨道多体动力学联合仿真模型，便于快速模拟不同控制算法和力学环境下电磁铁的悬浮稳定性。最后，依托实验平台和联合仿真模型，测试了中低速和高速阶段下电磁铁模块的实际悬浮性能。实验表明本平台具有开展高速车-轨-控制器耦合测试和控制算法快速设计的能力，为高速车-轨耦合振动研究、悬浮控制算法优化提供了可靠的设备基础。关键词石磁悬浮车辆，快速控制原型，多体动力学联合仿真，稳定性控制中图分类号：U270.1文献标识码：Adoi:10.6052/1000-0879-22-611DEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFHIGH-SPEEDMAGNETICLEVITATION VEHICLE-RAIL COUPLING EXPERIMENTALPLATFORMI)ZHANGWeiweiWUHan2)ZENG Xiaohui(Key Laboratory for Mechanics in Fluid Solid Coupling Systems,Institute of Mechanics,Chinese Academy ofSciences,Beijing 100190,China)(School of Future Technology,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract The vehicle-rail coupling is one of the most critical issues affecting the safety and comfort of maglevvehicles.A high-speed magnetic levitation vehicle-rail coupling experimental platform is developed andconstructed to study the suspension stability at high speed.The structure is designed based on the actualelectromagnet module of the maglev vehicle and the rail module,which is connected to an external exciter tosimulate various rail conditions at different speeds and irregularities.The control system is modified based onthe real maglev controller,chopper and sensors,and the DSPACE rapid control prototype technology is appliedto monitor and modify the embedded algorithm online.A corresponding multi-body-dynamic co-simulationmodel with flex rail is established,which is convenient to quickly simulate the suspension stability underdifferent control algorithms and mechanical environments.Finally,the actual real-time control performances ofsuspension were tested at low,medium and high speeds.Experiments showed that the platform could carry outhigh-speed vehicle-rail coupling tests,which provides a reliable equipment basis for the study of the vehicle-rail2022-11-08收到第1稿，2 0 2 3-0 1-12 收到修改稿。1）国家自然科学基金项目（518 0 552 2，116 7 2 3 0 6，5149 0 6 7 3）资助。2）吴晗，博士，高级工程师，研究方向为车辆动力学和预测控制等。E-mail：w u h a n i me c h.a c.c n引用格式：张伟为，吴晗，曾晓辉.高速磁浮车-轨耦合实验平台的开发及应用.力学与实践，2 0 2 3，45(4)：7 2 8-7 3 5729第4期张伟为等：高速磁浮车-轨耦的开发及应用coupling vibration and optimization of the high-speed control algorithm.Keywordsmaglev vehicles,rapid control prototype,multi-body dynamics co-simulation,stability control常导磁悬浮列车具有快捷舒适、载客量大、编组灵活、快起快停、绿色环保和维护量少等优点，与地区区域发展和经济效益相适应-2。此外，高速常导磁悬浮列车在10 0 0 150 0 km距离上，运行时间仅需2 3 h，是地面最快的大型交通工具3。结构上，磁浮架抱轨运行，无脱轨风险，安全可靠，具有广阔的发展前景。磁悬浮车辆和导轨的耦合振动是影响列车安全和舒适性的重要问题之一，制约着磁浮车辆的最高运行速度。王辉等4通过单铁磁悬浮实验发现，轨道的支撑刚度和阻尼会影响控制器性能，当支撑刚度和阻尼不足，车辆会悬浮失稳。徐俊起等5通过对长沙磁浮快线实验调试发现，轨道接缝台阶干扰会使悬浮系统超调，且悬浮稳定性会随着车速的增加而急剧下降，以至于发生滑撬或砸轨现象。黎松奇等6 通过磁浮车辆-柔性轨道动力学模型研究发现轨道跨距长度和轨道结构参数限制着磁浮车辆的最高运行速度。吴晗等研究发现，当气动波动频率接近车-轨固有频率时会产生共振，且随着车-轨耦合振幅增大，悬浮静差也会增大。Zhou等8 研究发现，随着车辆速度变化，当控制器和轨道参数不匹配时，车辆会和轨道共振并且后车电磁铁的振动更为剧烈。翟婉明等9 指出车-轨-控制器之间的耦合作用影响着磁浮系统稳定性，当控制器频率和轨道基频接近时，即使车辆低速过岔，依旧极易出现车-轨共振和车辆横向剧烈摇摆问题。唐昊天等10 研究发现，车速变化会改变载荷的特征频率，当载荷频率接近轨道的固有频率时会发生共振，其中二次共振车速在速度范围之内。为防止车-轨耦合共振，工程中常用增大轨道梁质量和刚度的方法，然而这将大幅提高路线施工成本。因此有必要通过车轨耦合稳定性研究寻求适当的工程改进措施，这不仅具有重大的理论意义，更对交通建设有直接的经济效益。数值模拟和实车试验是针对磁浮车-轨耦合研究的主要方法。赵春发等1采用数值方法开展了磁浮车辆-轨道-控制器的大系统动力学研究。Sun等12 通过实车实验研究了参数扰动下车轨耦合振动系统的Hopf分岔问题。孙友刚等13 采用向量式有限元法建立了车-轨-桥磁力耦合数值模型，并通过全尺寸磁浮车辆现场实验验证了模型的有效性。任旭东等14 通过6 0 0 km高速磁浮列车实车试验，研究轨道条件、运行速度对车-轨耦合振动和悬浮稳定性的影响。数值模型的准确性需要大量实验验证，而新算法的实车嵌入式实验则存在一定的安全和经济风险。高速磁浮车一轨耦合实验平台的开发及应用有利于积极开展车-轨-控制器耦合的动力学综合测试，为仿真试验验证、结构轻量化设计和控制器算法优化提供数据支撑，为算法前期优化和嵌入式实验提供可靠的设备基础。为研究高速磁浮车-轨耦合振动，开发了一套基于快速控制原型技术的高速磁浮气动-车-轨耦合的实验平台方案，并搭建了与之对应的柔性轨道多体动力学联合仿真模型，平台适用于研究各种速度和不平顺轨道条件下车-轨耦合悬浮稳定性问题。具体而言，本文展开介绍了试验台的结构组成、控制系统和控制策略。最后，通过实验验证了中低速和高速下车辆的悬浮性能，证明了实验平台具有开展高速磁浮车-轨-控制器耦合动力学综合测试的能力，验证了多体动力学联合仿真平台的准确性。1高速磁浮车-轨耦合实验平台1.1结构设计平台聚焦于运行在上海磁浮线的德国EMS（e l e c t r o-ma g n e t i c s u s p e n s i o n）型磁浮列车的悬浮系统。该磁浮列车以TR（T r a n s r a Pi d）型为代表，属于常温电磁吸引式悬浮。设计时参考了TR型磁浮列车的一个悬浮模块，属于长定子直线同步电机形式。直流励磁绕组由场地的440 V电源供给，电磁铁线圈通直流电后会产生交链电磁铁和定子导磁体的纵向主磁场，轨道被外磁场磁化后会产生向上的电磁吸力，使电磁铁和长定力730实践2023年第45卷学子轨道形成8 10 mm的悬浮气隙。实验装置结构如图1所示，实车电磁铁和走行机构由一系悬挂连接，走行机构和简化的车体横梁之间由二系悬挂连接，轨道顶面中心和电液油压泵式作动缸刚性连接，两端通过空气弹簧支撑在立柱上。由于悬浮稳定性试验主要关注垂向自由度，为防止偏心导致的安全性隐患，走行机构、车体横梁和轨道通过直线滑轨约束在支撑立柱上。试验中，可以通过调整轨道支撑空气弹簧的压力来模拟不同的轨道弹性支承条件。作动系统可以实现时间历程复现振动试验，即可以根据实测数据复现轨道随机不平顺。orbital hydraulicactuatortracktrack springselectromagnetsprimarysuspensionbody crossbeambody hydraulic actuatorsecondarysuspensiontravelingmechanism（b）实际模型(a）三维模型(b)Actual model(a)3D model 图1高速磁浮车-轨耦合实验平台Fig.1High-speed magnetic levitation vehicle-rail coupling experimental platform在过去的工程实践中，道岔等轻型钢梁上的耦合振动问题严重15，甚至会导致悬浮失效，因此试验台选择钢箱梁作为主要结构。对应有限元模型如图2 所示，参考实际约束情况，使用ANSYS计算了带定子轨道在背架滑轨、两端支承空气弹簧和顶部作动器共同约束下的振动模态，其前六阶自振频率及振型如图3 所示。00.501.00 m0.250.75图2试验台钢梁有限元模型Fig.2Steel track finite element model1.2控制系统和穴余设计平台控制系统将DSPACE快速控制原型技术应用于实车控制器，实现了对实车电磁铁控制系统的改造。如图4所示，电磁铁模块的12 个磁极分别由2 个独立的控制单元并行控制。控制器由间隙处理板、接口变换板、DSP控制芯片和斩波器组成。其中间隙处理板负责对间隙信号和加速度信号进行初步滤波和类型转换，DSP芯片在接收到实际物理信号后会根据嵌入式算法进行计算。接口变换板则配合斩波器根据计算的控制信号实现对电磁铁的实时悬浮控制。区别于传统控制器，平台控制系统采用DSPACE实时仿真系统替换原嵌入式算法，DSP芯片退化为状态信号和输出信号的中断器，并通过高速CAN总线和DSPACE硬件MicroLabBox通讯。管理计算机与Microlabbox之间通过以太网通讯，可以实时监控和记录状态量变化并在线修改控制参数。实际运营中，磁浮车辆的传感器和控制器长期处于强磁环境中，随着设备的老化，故障难以避免。容错设计和九余设计可以保障车辆的安全性和可靠性。首先，平台通过两组加速度和间隙传感器配合一个控制器的组合，实现了传感器机械穴余。其次，软件穴余方面算法会自动检测传感器状态，融合正常信号并剔除故障信号，以提高系统容错性。最后，在控制器穴余方面，正常状态下两组独立的控制器并行控制，而当输出异常时，另一台控制器的输出会接管异常控制器，并向上位机发送警告信号。结合快速控制原型技术，管理计算机可以实时监测传感器运行状态、记录运行状态信号和警告信号，更可以在线切换嵌入式容错算法的控制模式和人为更改控制参数。731张伟为等：高速磁浮车-轨耦合实验平台的开发及应用第4期ANSYSANSTS0.064maximum0958:05733gmaximum68.8504.080.0438.070:0360.0630.0520.0288.8210.04260.0310.014400.00722049.021.5482e-0.0106Y1.0265e00.500.500.250.750.250.75(a)1阶模态：141.49 Hz(b)2阶模态：150.8 8 Hz(a)1st mode:141.49 Hz(b)2ndmode:150.88HzANSYSANSTS20R2.095maximum0.C38lmaximum0.0808.060.0708.850.0600.0508.0470.0408.0398.0310.0308.0230.0208.8150.810.0896.2782e-0.0079389Y8.5809e-Y00.5000.500.250.750.250.75(c)3阶模态：157.18 Hz(d)4阶模态：2 0 1.8 3 Hz(c)3rd mode:157.18 Hz(d)4th mode:201.83 HzANSYSANSTS20.071maximum0.06438X0.0638.0558:8310.0478:8440.0398.8370.0318.0308.8230.0230.0138.0160.0070.0098495.0918e8.002966YY00.500.500.250.750.250.75(e)5阶模态：2 10.8 3 Hz(f)6阶模态：2 9 3.47 Hz(e)5th mode:210.83 Hz(f)6th mode:293.47 Hz图3 车轨道自激振动频率和前6 种模态Fig.3 Self-excited vibration frequency and the first six modes of tracktracksuspensionsensorssuspension sensorscoil1coil6+coil7+coil12magneticpole platechopper 1chopper 2transferdSPACEtransferswitchesinterfaceinterfaceswitchesboardhardware-boardcan-microlabbox+can-+processingprocessingboardboardinternetMATLAB/SimulinkRTI/ControlDesk/TargetLinkmanage computer图4基于实时仿真系统的悬浮控制系统结构Fig.4 Structure of suspension control system based on real-time simulation system力732实践2023年第45卷学因此，本平台为容错设计、穴余设计和故障诊断提供了设备基础。1.3控制策略嵌入式算法根据功能分为串行的信号沟通模块和主体控制模块。如图5所示，当控制系统激活后，改进控制器和MicroLabBox会首先进入自检状态，如果存储空间和算法状态正常则会进入安全位置互检状态。互检时，两者会根据CAN2.0A协议确认沟通状态并收发真实状态和安全电流测试信号。只有自检互检正常后才会进入正常运行模式。信号沟通模块主要负责通过RTI（r e a l t i m e i n t e r f a c e s）接口解析状态信号并传输控制电流。期间还需要负责信号滤波、融合和故障排除。考虑到滤波效果和时滞效应，平台选择了二阶低通滤波器来处理状态信号。主体控制模块主要负责根据管理计算机命令、处理后状态信号和控制律完成对电磁铁悬浮状态的辨识和控制，并且在接收到结束命令时还需要完成对各模块的重置。SuspensionSimulinkalgorithmcontrolleractivationMain control moduleafteractivationcompilationElectromagnets levitatingstateReal-time sensormeasurementGapprocessingAlgorithmuploadof electromagnetsuspensionboard collectsjudgment and control decisionmicrolabboxstatusstatusinformationSignal filtering and signal processingLevitating statechangeofInterfaceconverterelectromagnetunderreal-timeboardgeneratesVariables initializationcontrolCAN signalsCalculationof control current basedinspectionNo,on status information and control lawCoil generates suspension forceacquisitionandIs.theNo,alarmIstheprogramproceduresSignal communication modulestorage normal?running properly?produces CAN signals and transmitsChoppergeneratePWMdrivethemto the suspension controllerpulsesYesYesAccessto currentAccessto currentCANsignalCANsignalInterfaceconverterSignal communicationmoduleboard reads and parsesparses and processes CAN signalsNoCANsignalsintoactualphysical signalsDoesthecontrol stop?CANNo,alarmCANNo,alarmYescommunicationcommunicationnormal?normal?YesTYesInitializationActivatingthemainProgramuninstallationcontrol moduleand shutdown图5控制策略流程图Fig.5Control strategyflow chart2联合仿真模型柔性轨道多体动力学联合仿真模型采用和实际平台相同的结构和控制系统，测试后的算法可以在RTI编译后直接嵌入MicroLabBox进行现场试验。因此，新算法的前期设计可以依托联合仿真平台经济、高效地迭代，最后再将成熟算法嵌入到实际电磁铁模块中进行验证测试。这种快速设计模式不仅降低了前期试验的事故率，更增强了算法优化效率。如图6 所示模型分为多体动力学和控制算法模块，以多体动力学模块为主导串行运行，通过SIMAT实现数据交换。其中柔性体-刚体混合模型基于ANSYS和SIMPACK共同搭建，ANSYS首先计算并整合了轨道的振动模态和离散信息，形成fbi文件后导入SIMPACK形成轨道柔性体，柔性体上的关键点则通过电磁力单元和刚性电磁铁相连。最后刚性电磁铁、走行机构和车体横梁SIMPACKMATLABco-simulating simpack modelinteractionmodulecorecontrol algorithmmoduleof thehigh-speedintegratedsensor signalsexperimentalplatformsensorsacutal signalselectromagnetdetectionofreceiverstateevaluationsuspensionorderfeedbacksignalsmemoryprocessorcalculatesignalcontrolsuspensionforcedeviationcompensationalgorithmregistersuspensioncontrol signalsforceelements图6 动力学与控制联合仿真流程图Fig.6Joint simulation flow chart of dynamics and control733张伟为等：商高速磁浮车一轨耦的开发及应用第4期通过二系和一系弹簧力元相互连接。联合仿真控制算法基于Simulink搭建，内容上和编译前的嵌入式算法一致。联合仿真开始后，动力模型会将初始状态传输给算法模块，算法模块会根据1.3节的控制逻辑实现对电磁铁状态的辨识和控制。控制周期结束后，动力学模块会根据控制信号计算动力学响应以反馈给控制算法模块。基于此，实现了柔性体多体动力学-控制算法联合仿真。3现场试验和结果分析现场试验时采用分散独立悬浮控制策略15,不考虑相邻悬浮点的耦合作用，电磁铁模块两控制器嵌入相同的控制算法并行运行。算法根据经典的状态反馈PID控制方法进行设计，以电流为控制量，与观测和滤波后的额定电流、间隙、速度和加速度状态量形成状态反馈闭环控制系统。检验了平台持续悬浮和中低速、高速车-轨-控制器耦合实验能力，同时基于现场试验数据验证了仿真模型的准确性。3.1持续悬浮试验本试验是平台悬浮、保持和落车能力的基础测试。图7 展示了完整的悬浮过程，管理计算机在2 0 s发送起浮命令，电磁铁从安全位置向额定间隙（10 mm）悬浮并在3 0 s保持稳定，此后电磁铁保持了8 0 s的稳定悬浮，直至110 s落车。整个控制周期内无间隙和电流超调，且波动较小，因此本平台具有基础车-控制器耦合悬浮试验的能力，为车-轨-控制器耦合试验提供了基础。25-controller1-controller 1-controller2-controller 220201515105100020406080100120140020406080100 120140time/stime/s(a)悬浮间隙变化(b）控制电流变化(a)Suspension gap variation(b)Control current variation图7持续悬浮试验Fig.7Continuous levitationexperiment3.2车-轨-控制器耦合试验和仿真模型验证长波不平顺是影响悬浮稳定性的重要激励，随着车速增大，轨道激励的频率逐渐增高。耦合试验将长波不平顺近似为正弦波，以上海磁浮示范线50 m双跨梁为计算标准，设计了9 0 km/h，135km/h，3 6 0 k m/h 和6 7 5km/h速度下的轨道激励，并根据工程经验选取了激励幅值114：速度除以跨距可以得到对应激励为1.0 Hz(1.0mm)，1.5 Hz(1.0 mm)，4 H z (0.5 m m)和 7.5 Hz(0.4mm)。作动缸控制系统由另一台计算机独立管理，车辆稳定悬浮后，作动缸在操作员的控制下逐渐加载（位移加载）。图8 展示了中低速和高速下车-轨相对间隙（传感器信号）的时间历程变化曲线，车辆在各种速度下均可以保持动态稳定最大相对振幅不超过1.4mm，因此本平台具有开展车-轨一控制器耦合综合力学试验的能力。通过对仿真和试验结果进行频谱分析，得到了如图9所示4种长波不平顺激励下电磁铁模块相对悬浮间隙波动信号的幅频曲线。图中结果说明，振动频率主要为轨道激扰频率，并未出现结构固有频率（一阶141Hz）。此外，表1对比了联合仿真和现场试验结果，发现模型误差随轨道激励频率即车辆速度呈先增加后减小的趋势，其中低速阶段精度最高（1.6%），中速阶段精度最低（8.5%）。因此柔性轨道多体动力学联合仿真模型只能部分模拟实际的车-轨耦合特性，需要引入电磁铁模块的柔性以精确建模。这也证明了开发实车试验台的必要性。力734实践2023年第45卷学11.2nodisturbance12.0no disturbance1.0 Hz(1.0 mm)experiment4.0 Hz(0.5 mm)experiment1.5 Hz(1.0 mm)experiment7.5 Hz(0.4 mm)experiment10.811.2110.410.410.09.6VVVUVY9.68.89.2工56789105.25.66.06.46.8time/stime/s图8 车-轨-控制器耦合试验结果Fig.8Vehicle-rail-controller coupling experiments1.54.00 Hz(1.39mm)田1.00.5-1.0Hz止(1.0 mm)experiment2.170.81.0Hz(1.0mm)simulation4.00Hz-1.5Hz(1.0mm)experiment1.5Hz(1.0 mm)simulation4.0Hz(0.5 mm)10.60.8experiment4.0Hz(0.5 mm)simulation0.4(1.33 mm)7.5Hz(0.4mm)experiment7.5Hz(0.4mm)simulation7.50 Hz(0,59 mm)0.41.00.61.50 Hz(0.51 rhm)0.31412020.214115115112112930.4115715701.50Hz202(0.44 mm)2110.210.52930.211-0.21117.50 Hz(0.36 mm)1-0.400.11.00 Hz(0.i7 mm)-0.6101111.00Hz(0.32mm)-0.23-0.8510100200300510 100200300frequency/Hzfrequency/Hz(a）联合仿真结果(b)现场试验结果(a)The co-simulation results(b)The experimental results图9 悬浮间隙幅频曲线Fig.9Amplitude-frequency curves of suspension gap表1悬浮间隙的仿真和实验结果对比Table1Comparison of simulation and experimental results of suspension gapNo.Velocity/(kmhl)Simulation amplitude/mmExperimental amplitude/mmRelativeerror/%1900.3190.3141.56721350.6380.6908.15033601.3001.3594.53846750.6300.6201.5874结论本文开发了一套基于DSPACE快速控制原型技术的高速磁浮车-轨耦合试验平台，详细介绍了控制系统、余设计和控制策略。通过现场试验证明了平台具有开展中低速、高速车-轨-控制器耦合综合力学实验的能力，为磁浮稳定性和算法研究提供了可靠的设备基础。此外，搭建了柔性轨道多体动力学联合仿真模型，介绍了快速控制原型设计的流程。通过与现场试验对比指出了车辆柔性对于车-轨耦合效应的重要意义，印证了试验平台开发的现实意义。参考文献1吴祥明.高速磁浮上海示范线的建设.同济大学学报（自然科学版),2 0 0 2(7):8 14-8 18Wu Xiangming.Construction of Shanghai maglev demon-stration line.Journal of Tongji University(Natural Science),2002(7):814-818(in Chinese)2赵丰年，邱冰，彭立等.中低速磁浮在旅游交通领域适应性研究.（责任编辑：王永会）735第4期张伟为等：高速磁浮车-轨耦的开发及应用铁道勘察,2 0 2 1,47(1):59-6 3Zhao Fengnian,Qiu Bing,Peng Li,et al.Study on the ad-aptability of medium-low speed maglev in tourism trans-portation.Railway Investigation and Surveying,2021,47(1):59-63(in Chinese)3余浩伟，寇峻瑜，李艳.6 0 0 km/h高速磁浮在国内的适应性及工程化发展.铁道工程学报，2 0 2 0,3 7(12)：16-2 0,8 8Yu Haowei,Kou Junyu,Li Yan.Adaptability and engineer-ing development of 600 km/h high-speed maglev in China.Journal of Railway Engineering 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