高速EMS型磁悬浮铁路车辆整体工作情况比较分析外文翻译.doc

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大连交通大学2007届本科生毕业设计（论文）外文翻译
高速EMS型磁悬浮铁路车辆整体工作情况比较分析

*Shinichi KUSAGAWA,*Jumpei BABA,* Katsuhiko SHUTOH,*Eisuke MASADA
*东京科技大学，理工学院，电气工程系
日本，2641 Chiba 278-8510, Noda,Yamazaki
电话：[phone] 转 3767 传真：[phone]
E-Mail:[e-mail],shutoh@ee.
noda.tus.ac.jp,[e-mail]
**东京大学，理工学院，电气工程系
日本，Tokyo 113-8656，Bunkyo-ku,7-3-1 Hongo
电话: [phone] /传真: [phone]
E-Mail : [e-mail]

摘要：一方面由于磁悬浮轨道车辆的高速运行引起了巨大的间隙高频变化，这要求高强度磁场和高速控制。另一方面，车辆整体减重是为了实现具有短定子牵引原理的高速磁悬浮系统的关键问题。为了解决这些问题，使系统控制性能能够满足处理高速运行的要求，讨论并比较了三种控制方案。磁悬浮车辆运行性能的仿真结果表明提议的方案可以减轻电磁控制器的重量，也可以保证控制性能。
关键词：控制性能，电磁悬浮，磁悬浮与车辆减重。
1 导言
电磁悬浮系统（EMS）被命名为HSST,具有这个系统的磁悬浮轨道系统将于2005年四月初在日本NAGOYA作为一种城市运输工具投入使用。该系统在运行测试中时速可达130千米，但投入使用时最大时速被限定在100km。可是，为了将来扩大其在高速中途系统中的应用和提高乘坐舒适度和火车性能，重新限定了EMS系统的时速。
另外，车辆整体重量的减少是实现具有短定子牵引原理的高速磁悬浮系统的关键问题。由于包括支撑结构和电流控制器在内的磁体的重量，在整体重量中占了相当大的一部分，重新提出一个控制方案来探讨磁体减重问题。
由于高速磁悬浮列车的运行引起了巨大的间隙高频变化，这就需要高强度磁场及高速控制。但这会使得磁体和控制器二者的重量更大。这样磁悬浮系统的驱动单元变得更重。考虑到这个原因，悬浮系统的重量必须降低。为了解决这些相互矛盾的客观原因，越过传统方案提出悬浮系统的最新控制方案。为了在高速中列车能够按照正确的轨迹运行和提供给乘客足够的乘车舒适度，该方案的控制参数已最优化。
图1 东山线路磁浮HSST新型列车
图2 日本Nagoya地区东山线路（TKL）平面图（9.2km）

2 数字模型
2.1 磁悬浮模型
为了阐明提出方案的基本特性，建立了一个以磁悬浮系统为基础的简单模型，正如图3中所示，两个转向架支撑一个车体。为控制车体的运行方向，置于车体前面的转向架称之为前转向架，另外一个称为后转向架。每个转向架上成排放着四个磁铁，并假定磁体自身为一个坚硬的物体，其长度为2.5m 。作为一个被动系统，其排除了左右导向系统，例如HSST-100 。
假定包括空气弹簧K和节气闸C在内的二系悬浮在转向架和车体之间合为一体。另外假定间隙传感器安放在转向架前后，以便提高它们的可靠性。在间隙检测结果被输入到每一个转向架控制器之前将其均值化。

2.2 悬浮控制系统
图4是对应于图3的控制框图，表1列出悬浮控制系统的每一个变量。按照HSST-100的数据估计表中的每一个变量值。由于前后转向架的结构对称，后转向架的控制框图不用表示出来。前转向架的参变量用”f”表示，后转向架用”r”表示。
在图4中，虚线包围的控制模型表示磁悬浮的控制框图。如果假定名义操作点（z,i）的间隙波动为△z，电磁流的偏差为△i，以及电压的偏差△e；△wg表示车体垂直方向位移，△wf表示车体摇枕模型位移。将这两个值和△z比较，输出值应用于二系悬浮系统并将其作为外力变化反馈给控制模型。
在图4的控制模型电路图里，对间隙控制，串联电路可以对间隙波动（△z）作出快速反应，控制回路由电流控制器组成，关系由式（1）表示。间隙大小由悬浮控制器控制，其关系由式（2）表示。另外，与间隙信号误差对应的速度反馈被添加到控制模型上来稳定响应。包括K和C在内的两个控制器的每一个参数都通过使用GA使其最优化，以便解决运行轨迹和乘客乘坐舒适度问题。
Current Controller Gcc（s）=Ccc*Kcc/s (1)
Lift Controller Glc(s)=Clc*Klc(K+1/sT) (2)

2.3 轨道模拟
不考虑车辆负载的随机因素，仅考虑如图5所示的轨道偏移。轨道跨度为20m（通常为标准值），梁间中心点偏距2mm。也就是说轨道被假定为一条幅值1mm，波长20m的正弦曲线。

3 控制程序
3.1 混合控制引入间隙控制
如图4所示的悬浮控制器采用混合控制方案来制止电磁流产生巨大的间隙信号误差（如图6所示）。
基于（2）式的PI控制器被用于通常的轨道位移测量（例如，梯度或正弦轨道变化）。控制方案转变成PI控制，当轨道出现异常变化，间隙信号误差（=△z,-△z）相对输入值（=2mm）差距越来越大。考虑HSST的名义运行间隙，确定该值约几毫米（6到10mm）。例如，HSST-100的名义运行间隙是8mm，而2mm占了总长的25%，这个值就不能被忽略。

3.2 模糊逻辑应用到间隙控制
轨道明显的不平顺和在间隙控制系统中处理高频噪音的能力应与乘坐舒适度相配合。图4所示的悬浮控制器引用模糊控制来处理悬浮控制系统的间隙信号误差。该悬浮控制系统可以充分的遵循轨道大负荷位移。（如图7所示）
设计一个模糊控制器需要三步：模糊化，推理规则和除去模糊化。
第一步，通过传感器获得的值转换为相应语言参量的值。第二步完成模糊推理，模糊推理给出控制变量的语言值。第三步，这些语言值转换为控制变量的数值以便完成所要求的任务。执行完这三步后，控制器用迭代方式进行协调。该程序采用文本形式如下。

语言输入变量是间隙信号误差（＝△z）。输入的模糊集有五个隶属函数（如图8（a））。伴着若干隶属函数，控制精度稍有提高，但也有相当少的隶属函数对精度控制没有多大影响。随着隶属函数数量的提高，管理器也变得越来越大以至提高了预算时间。高斯函数的使用精确控制着隶属函数的小数量。在高斯函数中中间的隶属函数的等级被假定为1.0，其重量变化与间隙误差信号成反比。语言输出变量参考电流Δir,Δir 和Δi 比较后用于电流控制器。语言输出变量的模糊集也有五个隶属函数，如图8（b）所示。文献[4]采用Mamdani所用的最大最小规则的模糊推理方法。

（a）输入值y隶属函数
（a）输入值x隶属函数

图8 模糊控制隶属函数标识（B：大，S：小，N：负的，Z：零，P：正的）

4 仿真结果及讨论
为了证明前一章所提及的悬浮系统控制特性，在以下两种条件下的运行仿真分析了间隙控制特性，如铁轨位移异常情况。车辆运行速度被限定在中速范围，大约200km/h，这个速度是HSST未来目标。由于后转向架的动力学特性与前转向架相同，所以文中只表示出前转向架（用f表示）的仿真结果。
□ 噪声情况下的铁轨检测信号
□ 铁轨接头处出现异常值
4.1 噪音情况
文献[5]证明了在铁轨形状（振幅和杆间距离）变化时可控性的影响。根据文献[6]、[7]的检测项目， 检测到影响控制性能的因素。将铁轨表面粗糙度产生的随机振动（噪声）作用于铁轨，根据车辆速度和跨距，铁轨位移近似为一正弦波。假定铁轨位移：跨距20m（＝标准长度），振幅2mm，周期长20m。
4.1.1 运行特性
图9表示间隙检测信号在噪声情况下间隙变化()的对比结果并将该结果作为每一个控制方案的输入值。
在所有情况中，尽管确定了在间隙变化时会出现一些变形，但了解到噪音的影响可能会消除输入值但可获稳定运行。然而下面具有模糊控制的轨道特性会比其他两种情况下（PI控制和杂交控制）的特性更优良。
图10表示在噪声情况下电磁流的变化。在模糊控制下可以确定会引起源于噪声的不规则振动；也可以确定与其他两种情况相比，在模糊控制下的浮动范围很大（尽管振幅波动的绝对值很小）。另一方面，在PI控制和混合控制两种情况下，电磁流的峰值显著降低，其振幅波动也很小。根据这两个系统（PI控制和混合控制）给出电流调节器的优化值。
图9 针对噪声情况下轨道改造的间隙变化

图10 电磁流的变化

4.1.2 乘坐舒适度特性
当间隙检测信号发生在噪声环境中，为了检测乘坐舒适度特性，摘录了车体每一个控制方案垂向加速度（△wg）。加速度应用傅立叶变换，通过重力加速度划分振幅来获得幅值的频率特性。振动加速度应用JR作为乘车舒适度的一个标准。比较该标准和车体垂向加速度，根据1、3之间（小于1：非常好～大于3：非常糟糕）的乘坐舒适度系数把乘坐舒适标准曲线划分五个区域。

加速度峰值[g]
频率[Hz]

图11 车体垂向加速度频率特性

图11表示在噪声情况下检测间隙信号，根据车体垂向加速度（△wg）的幅值对乘车舒适度进行分析的结果。
由于这是HSST系统在250km/h以下的低中速区域或更低速度区域，图显示的是在JR乘坐舒适标准（在每一个例中加速度幅值引入该区域）的水平下所有足够令人满意的乘坐舒适模拟个例。在PI控制和混合控制情况下，噪声情况下的频率元件的输入被降低，超过了宽频范围。且此情况下乘车舒适特性比在模糊控制条件下稍有提高。根据图9和图11，可以确定运行特性和乘客乘车舒适度之间有一定的联系。
4.2 铁轨铰接处异常值的出现
铁轨铰接处出现在梁间且梁间存有间隙。另外，假定间隙有大的振幅并将其认作异常值，与正常情况下近似为正弦波的铁轨位移比较。另外，相对梁间长度出现一个超宽频带。当铁轨的变化作用于输入（△Zr）时，控制性能被限定。
在HSST系统中考虑正常运行的间隙长度，假定从铁轨底部到滑轨之间为5mm，宽度为梁间跨长（20m）的0.5%（100mm）。
图12为铁轨变化的概念性方案，图13表示包括异常值在内的铁轨变化的真实输入。以车辆速度为200km/h为例，为什么每个周期都要检测两个脉冲，原因在于间隙传感器的排片和水准测量的影响。此外，尽管异常值的最高振幅是5mm，但由于每一个模块中的前后传感器检测的值被平均化并把之后输入△Zr作为铁轨位移信号，所以事实上输入值比5mm小的多。

图13 铁轨异常变化
图12 铁轨异常变化概念图

4.2.1 运行特性
根据以上假设，图14表示对于每一个控制方案针对铁轨铰接处(△Zr)异常输入的间隙（△Zf）变化结果。
在PI控制下，明显的间隙信号引起了激烈的不规则反应，该反应引起了巨大的空气间隙偏差或者出现误差相互抵消的现象。这可能会影响乘车舒适性。另一方面，在混合控制和模糊控制两种情况下，异常输入值的影响可能会显著降低，间隙长度的变化竟比正常运行的HSST-100系统的间隙长度小达1mm。
图15表示在PI控制下的电磁流（△Zi）的变化。在PI控制下，出现了由异常输入引起的陡脉冲和一个巨大的负载可能会牵制电流控制器等现象。另一方面，在混合控制和模糊控制两种情况下，电磁流的峰值显著的降低以及相对于PI控制条件下，此条件下电磁流的浮动范围很小。基于这些方案（混合控制和模糊控制）电流控制器给出最优值。

图14 针对铁轨铰接点异常输入的间隙变化
图15 电磁流变化
时间[m]
时间[m]

加速度峰值[g]
频率[Hz]

图16 车体垂直加速度频率特性

4.2.2 乘坐舒适度
图16表示当钢轨发生异常变化时，根据车体（Δwg）垂向加速度的峰值来分析乘车舒适度的结果。
该图表示了对于JR乘车舒适性标准水平以下的所有足够令人满意的模拟情况。顺便说一下，在PI控制情况下，异常输入在高频区内出现峰值。另一方面，在混合控制和模糊控制情况下，没有峰值，且加速度幅值降低，宽频区（包括从4～8Hz的人体最敏感带）幅值平滑。
4.3 控制性能比较
根据模拟结果，为比较三种控制方案的控制性能，用图17－（a）(噪声情况)和图17－（b）（异常情况）来表示最大控制值和每一个速度的相位延迟。
在噪声情况下，针对所有控制条件，间隙长度的浮动对噪声下间隙检测信号的每一个速度都不太敏感。
在异常情况下，异常值影响反映。由于在PI控制情况下，车辆速度变得很小，异常值的影响更加明显。另一方面，在混合控制和模糊控制两种情况下，间隙长度对每一个速度的波动不是很敏感而且另人满意的车辆运行速度已达200km/h。
其次，在噪声和异常情况中，在PI控制和混合控制中，相位延迟随两种情况下速度的提高而变大。在高速时相位会延迟一个半周期。由于以上影响这个结果是不可取的。另一方面，在模糊控制情况下，对于其他两种控制方法，相位延迟非常小。可以说，模糊控制的控制性能要优于非模糊控制情况。
5 磁体和电流控制器的减重
为了评估新型控制方案对磁悬浮车辆的磁体和电流控制器减重的影响，对三种控制方案的电磁流的均方根值和峰值进行了预测，如图10，图15所示。表二摘录了该结果。
在噪声情况下，由于间隙的变化没有超过限定值（=2mm），混合控制不用改变控制方案。结果PI控制和混合控制获得了同样结果。另一方面，在模糊控制情况下，和PI控制情况（基本情况）比较，电磁流均方根提高了0.64%，其峰值提高了2.08%。

图17 根据每一个方案的极大值和相位延迟对三种方案的控制特性分析

其次，在异常情况下，采用混合控制，电磁流的均方根降低0.6%；采用模糊控制，电磁流的均方根降低0.56%。采用这两种控制电磁流的峰值均会降低4.11%。 由此，电流均方根决定了线圈绕组和磁铁核心尺寸。峰值影响核心磁饱和性能和电磁控制器的体积。图18为磁铁体积降低的设想。

因为铁轨横断面不能改变，电流均方根的降低会使得磁铁线圈的长度降低（如B所示的区域），因此核心牙的高度会缩短同样长度（如A所示区域）。电流峰值的降低会引起核心长度的缩短（如图C所示区域）。因此，磁体重量的降低在噪声情况下估计为0.0%（在杂交控制中）和-6.64%（在模糊控制中），在异常情况下估计为6.33%（在杂交控制中）和6.10%（在模糊控制中）。

影响电磁控制器尺寸的瞬时功耗可能会随着电流峰值的降低而降低。我们早期根据电力设备的数据进行的研究表明电磁控制器重量的降低几乎与其功耗峰值的减少成正比。电磁控制器的重量在噪声情况下被认为降低0.0%（杂交控制中）和-4.16%（在模糊控制中），在异常情况下被认为降低8.22%（在杂交控制中）和8.23%（在模糊控制中）。表三摘录了该结果。考虑到乘客最大允许量和可允许的不合格磁体的数量等方面的需求设计了这些设备。对车辆运行的动态特性进行仿真预测，并在此基础上进行说明书修改。假设最坏的情况排除在基本情况之外。
每一个HSST-100型磁悬浮车辆组件的重量分配的实践数据表明磁铁和控制器的重量占了整体重量的25%，二者比率约为2：1。噪声情况下，混合控制方案和模糊控制方案的磁体和电磁控制器的整体减重估计分别占整车重量（HSST-100：15吨）的0.0%和-2.18%，在异常情况下估计分别占整车重量（HSST-100：15吨）的2.16%和2.56%。表4摘录了这个结果。
这些值不太大，但可以阐明一点：设计一个适当的的磁悬浮控制系统也可以分别对其各个组件进行减重，这就是从另一个角度理解一个高速系统。磁浮车辆重量的详细分析证明控制性能的改进和悬浮系统重量的改进可以减少其他组件重量，像阻尼悬浮系统。尽管车辆整体重量只降低很小的百分比（除了噪声条件下采用模糊控制的情况），但协同作用影响了其他组件的质量；例如轻型车辆的驱动系统也减少了自身的体积和重量。
6 结论
本文为了实现具有短定子牵引原理的高速磁悬浮系统，我们已经对目前的一个HSST-100悬浮车辆提出采用三种控制方案，并比较各个方案的控制性能。短定子牵引原理对间隙的高频变化作出强烈反映。所以，可以说与传统控制方案相比，提议的方案在各个方面均赋予优良的悬浮特性。混合控制的控制性能在实现优良的乘车舒适性，车辆整体减重以及能耗方面等均优于PI控制和模糊控制。另一方面，模糊控制的控制性能在铁轨的随动特性和在高速运行中的稳定性方面优于PI控制和混合控制。
为了实现具有短定子牵引原理的高速悬浮系统，车辆整体减重和悬浮系统的控制性能的改进十分重要。考虑到这些相互矛盾的目标之间的平衡关系，应用领域不得不选择一项合适的技术。磁悬浮车辆应用新型混合控制方案和模糊控制方案实现了这两个相互矛盾的目标。进一步研究将对有关悬浮车辆整体减重的控制性能进行详细评定。

参考文献

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