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（中車株洲電力機(jī)車有限公司 磁浮系統(tǒng)研究所，湖南 株洲 412001）

1 研究背景

近年來(lái)，交通擁堵已成為影響人們?nèi)粘Ｉ詈椭萍s社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題，為此很多城市均大力發(fā)展輕軌、地鐵等公共軌道交通系統(tǒng)，但不同的軌道交通制式都存在一定的局限性和適用范圍[1]。

磁浮列車是一種具有造價(jià)相對(duì)較低、使用壽命較長(zhǎng)、爬坡能力較強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)的新型軌道交通產(chǎn)品，其相對(duì)于其他軌道交通產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是：磁浮列車是在F型軌道上懸浮運(yùn)行，鐵軌與車輛不接觸，故磁浮列車可以解決輪軌黏著力的限制和摩擦力的損耗問(wèn)題。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)的軌道交通制式，磁浮列車的上述特點(diǎn)使得它成為軌道交通領(lǐng)域的重要補(bǔ)充和新興力量[2]。

磁浮列車實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮的關(guān)鍵是對(duì)懸浮傳感器采集間隙信號(hào)的正確處理。磁浮列車經(jīng)過(guò)軌縫時(shí)，懸浮傳感器的3個(gè)間隙檢測(cè)探頭的輸出信號(hào)會(huì)不一致，而且由于軌道安裝誤差、路基沉降、緊固件松動(dòng)等原因[3]，導(dǎo)致軌縫兩側(cè)的軌道高度不一致，即出現(xiàn)軌道臺(tái)階。因此，磁浮列車在經(jīng)過(guò)軌縫時(shí)的間隙信號(hào)處理不當(dāng)會(huì)帶來(lái)階躍干擾等影響，易使懸浮控制出現(xiàn)過(guò)度調(diào)節(jié)，影響懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致磁浮列車發(fā)生振動(dòng)或砸軌等現(xiàn)象，影響磁浮列車的商業(yè)化進(jìn)程。

到目前為止，磁浮領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)磁浮列車發(fā)生振動(dòng)或砸軌的具體成因尚未達(dá)成共識(shí)，解決方法也尚在實(shí)驗(yàn)摸索階段，其研究主要包括優(yōu)化軌道參數(shù)和優(yōu)化懸浮控制技術(shù)兩個(gè)方面。理論和實(shí)踐均證明，優(yōu)化軌道參數(shù)可以提高磁浮列車的懸浮系統(tǒng)穩(wěn)定性，但并不能完全杜絕磁浮列車發(fā)生振動(dòng)或砸軌現(xiàn)象的發(fā)生，且極大地增加了磁浮交通系統(tǒng)的系統(tǒng)造價(jià)和維護(hù)難度。此外，解決磁浮列車發(fā)生振動(dòng)或砸軌的方法就是優(yōu)化懸浮控制技術(shù)。T.E.Alberts等[4]分析了磁浮列車-橋梁耦合系統(tǒng)的特征根，指出差分型PD 控制器可以保證耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低磁浮列車發(fā)生振動(dòng)或砸軌現(xiàn)象出現(xiàn)的概率，李云鋼等[5]也得到了類似的結(jié)論。但是磁浮列車上的懸浮傳感器所處的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，干擾信號(hào)強(qiáng)烈，傳輸過(guò)程中還會(huì)引入噪聲信號(hào)，且間隙信號(hào)的微分信號(hào)會(huì)進(jìn)一步放大噪聲。雖然Wang H.等[6]設(shè)計(jì)了一種狀態(tài)觀測(cè)器，將反應(yīng)軌道振動(dòng)狀態(tài)變量引入控制系統(tǒng)，可以在一定程度上抑制自激振動(dòng)，但其對(duì)于磁浮列車經(jīng)過(guò)軌道臺(tái)階時(shí)偶發(fā)的振動(dòng)和砸軌現(xiàn)象沒(méi)有明顯的改善效果。

基于已有研究現(xiàn)狀，本文立足于理論研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有長(zhǎng)沙磁浮工程車上運(yùn)用的懸浮傳感器型號(hào)及其數(shù)據(jù)特點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)分析磁浮列車在經(jīng)過(guò)不同工況的軌道縫隙時(shí)的間隙信號(hào)特點(diǎn)，區(qū)分開(kāi)理想軌縫和軌道臺(tái)階，提出在不同工況下的間隙信號(hào)處理算法，并結(jié)合仿真結(jié)果，分析間隙信號(hào)處理算法的效果，并利用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)磁浮列車過(guò)軌縫時(shí)的間隙信號(hào)處理算法，以提高磁浮列車的懸浮系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而提升磁浮列車在軌道交通市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2 磁浮列車過(guò)軌縫的間隙信號(hào)特點(diǎn)

2.1 懸浮傳感器過(guò)軌縫情況概述

懸浮傳感器過(guò)軌縫示意圖如圖1所示。懸浮傳感器位于F型軌道內(nèi)側(cè)，間隙檢測(cè)探頭與F型軌道平行并保持一定的可變間距，此間距用于表征磁浮列車的懸浮高度。由于道岔和軌道材料特性等因素的影響，軌道之間會(huì)出現(xiàn)不同個(gè)數(shù)、不同縫寬的軌縫，甚至有些軌縫會(huì)形成一定高度錯(cuò)位的軌道臺(tái)階[3]，懸浮傳感器的3個(gè)間隙檢測(cè)探頭隨著磁浮列車的運(yùn)行經(jīng)過(guò)不同工況的軌縫時(shí)，會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)，該電平信號(hào)經(jīng)懸浮控制器解碼后轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的具體間隙數(shù)值，該數(shù)值用于表征懸浮傳感器與F型軌道的間距，即磁浮列車的懸浮高度。

2.2 懸浮傳感器過(guò)軌縫的間隙信號(hào)特點(diǎn)

懸浮傳感器過(guò)軌縫簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。軌縫的兩個(gè)軌道平面之間存在一定的縫差和高差?？p差是指兩段F型軌道在軌道延伸方向的橫向距離差值，它是考慮到軌道制造材料的熱脹冷縮特性等因素必須設(shè)計(jì)的差值，即軌縫的縫差是工程設(shè)計(jì)中必須存在的。高差即軌道臺(tái)階，是指兩段F型軌道相對(duì)地面的垂向距離差值，其是路基沉降等不可抗外力因素帶來(lái)的偏差，且是工程實(shí)施要規(guī)避的差值[7]。

當(dāng)高差為0 mm時(shí)，軌縫即理想軌道縫隙。當(dāng)縫差為35 mm、高差為0 mm時(shí)，懸浮傳感器經(jīng)過(guò)理想軌縫時(shí)的間隙信號(hào)特點(diǎn)如圖3所示。由圖可知，懸浮傳感器的3 路間隙值在過(guò)軌縫時(shí)會(huì)依次出現(xiàn)間隙值的波動(dòng)變化，其變化趨勢(shì)是先變大再變小，最后回歸最初間隙值，即懸浮傳感器經(jīng)過(guò)理想軌道縫隙時(shí)，間隙數(shù)值會(huì)有波動(dòng)，但經(jīng)過(guò)理想軌縫最初和最后的間隙信號(hào)數(shù)值是相等的。

圖2 傳感器過(guò)軌縫簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of simplified sensor structure through rail joints

圖3 理想軌縫的間隙信號(hào)圖Fig.3 Signal diagram of ideal rail gaps

當(dāng)高差不為零時(shí)，即軌縫處形成了軌道臺(tái)階。當(dāng)縫差為35 mm、高差為2 mm時(shí)，懸浮傳感器經(jīng)過(guò)軌道臺(tái)階時(shí)的間隙信號(hào)特點(diǎn)如圖4所示。

圖4 高差為2 mm的軌道臺(tái)階間隙信號(hào)圖Fig.4 Signal diagram of track step clearance with a height difference of 2 mm

由圖4可見(jiàn)，懸浮傳感器的3 路間隙值在過(guò)軌縫時(shí)依次出現(xiàn)間隙值的波動(dòng)變化，其變化趨勢(shì)是先變大再變小，但最后沒(méi)有回歸最初間隙值，即懸浮傳感器經(jīng)過(guò)軌道臺(tái)階前后的間隙信號(hào)數(shù)值存在一個(gè)差值，此間隙差值體現(xiàn)為軌縫的高差，即軌道臺(tái)階的高度。

必需提出的是，懸浮傳感器在經(jīng)過(guò)軌縫時(shí)的間隙信號(hào)數(shù)值的具體圖像變換與軌縫的縫差值大小、高差值大小以及磁浮列車經(jīng)過(guò)軌縫時(shí)的運(yùn)行速度等都有一定的關(guān)系，但變化趨勢(shì)是類似的[4]，并不影響磁浮列車經(jīng)過(guò)軌縫的間隙信號(hào)特點(diǎn)的提取與分析，所以本文選取上述代表性圖像進(jìn)行描述，對(duì)其他類似的具體圖像不作展示和闡述。

3 間隙信號(hào)處理算法及其可編程邏輯器件的實(shí)現(xiàn)

3.1 磁浮列車過(guò)軌縫的間隙信號(hào)處理算法

對(duì)于磁浮列車經(jīng)過(guò)軌縫高差為0 mm的理想軌縫時(shí)的間隙信號(hào)算法處理，可以采用小值平均的間隙信號(hào)處理算法，該算法的核心思想是通過(guò)提取懸浮傳感器在經(jīng)過(guò)理想軌縫時(shí)的間隙信號(hào)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)3 路間隙數(shù)值雖然在經(jīng)過(guò)軌縫時(shí)都有較大的波動(dòng)，但各自波動(dòng)范圍幾乎沒(méi)有交集，即3 路間隙數(shù)值中的某1 路發(fā)生波動(dòng)時(shí)，另外2 路間隙信號(hào)是沒(méi)有波動(dòng)的，且沒(méi)有波動(dòng)的2 路信號(hào)數(shù)值相對(duì)于波動(dòng)的那1 路信號(hào)的間隙數(shù)值偏小，且該偏小的間隙數(shù)值能正常表征懸浮傳感器與軌道的實(shí)際間隙值。綜上，讓等效間隙信號(hào)選取3路間隙信號(hào)中數(shù)值較小的兩路間隙信號(hào)的平均值作為間隙輸出值，可以消除懸浮傳感器在經(jīng)過(guò)軌縫時(shí)的間隙信號(hào)數(shù)值劇烈波動(dòng)的影響，還可以通過(guò)平均運(yùn)算減少間隙探頭的測(cè)量誤差。

此方法的實(shí)用性在實(shí)驗(yàn)線路和運(yùn)行線路中都得到了驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)線路上進(jìn)行懸浮傳感器過(guò)軌縫實(shí)驗(yàn)，設(shè)定縫差為35 mm，高差為0 mm，得到的間隙信號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)線路的間隙信號(hào)圖Fig.5 Gap signal diagram of experimental circuits

由圖5可知，等效信號(hào)巧妙地規(guī)避了信號(hào)檢測(cè)探頭過(guò)軌縫時(shí)間隙數(shù)值的劇烈變化，且等效間隙信號(hào)可以更準(zhǔn)確地表征磁浮列車的實(shí)際懸浮狀況。

在實(shí)際運(yùn)行線路上進(jìn)行懸浮傳感器過(guò)軌縫實(shí)驗(yàn)，得到的運(yùn)行線不砸軌間隙信號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 實(shí)際運(yùn)行線路的間隙信號(hào)圖Fig.6 Gap signal diagram of the actual operating line

由圖6可以得知，實(shí)際運(yùn)行間隙信號(hào)與實(shí)驗(yàn)室間隙信號(hào)不太相同，主要在于實(shí)際運(yùn)行間隙信號(hào)不經(jīng)過(guò)軌縫時(shí)，其間隙信號(hào)數(shù)值也會(huì)發(fā)生一定的上下波動(dòng)，但是波動(dòng)數(shù)值范圍遠(yuǎn)小于過(guò)軌縫時(shí)的間隙波動(dòng)數(shù)值范圍，小值平均間隙處理算法同樣適用于實(shí)際運(yùn)行線路的大部分路段。實(shí)踐證明，采取此間隙處理算法的磁浮列車可以順利通過(guò)高差為0 mm或高差可忽略不計(jì)的理想軌縫。

對(duì)于軌縫的高差不為0 mm 且高差較大（大于1 mm）的間隙信號(hào)，當(dāng)取縫差為35 mm，高差為2 mm，并采用小值平均間隙信號(hào)處理算法時(shí)，得到的軌道臺(tái)階間隙信號(hào)如圖7所示。

圖7 小值平均算法處理的軌道臺(tái)階間隙信號(hào)圖Fig.7 Signal diagram of track step clearance processed by small-value average algorithm

由圖7可知，經(jīng)過(guò)小值平均間隙信號(hào)處理算法處理后的等效間隙會(huì)出現(xiàn)階躍信號(hào)，由于間隙信號(hào)的微分信號(hào)也是懸浮控制的一個(gè)重要控制參數(shù)，即階躍信號(hào)的微分信號(hào)是脈沖沖擊信號(hào)。顯然，“高差”值越大，階躍信號(hào)和脈沖信號(hào)越大，懸浮控制系統(tǒng)本身不是一個(gè)自穩(wěn)定系統(tǒng)，階躍信號(hào)和脈沖信號(hào)傳遞到懸浮控制反饋控制中，會(huì)導(dǎo)致比例項(xiàng)、微分項(xiàng)和控制電壓等一系列控制參數(shù)發(fā)生突變，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致懸浮控制系統(tǒng)失穩(wěn)（運(yùn)行線的砸軌間隙信號(hào)如圖8所示），最終發(fā)生振動(dòng)或砸軌現(xiàn)象[8]。

圖8 沖擊信號(hào)引發(fā)的砸軌間隙信號(hào)圖Fig.8 Gap signal diagram of rail impact caused by impact signal

需要提出的是，軌道臺(tái)階帶來(lái)的沖擊信號(hào)不是懸浮系統(tǒng)失穩(wěn)的充分條件，即磁浮列車過(guò)軌道臺(tái)階時(shí)間隙信號(hào)處理不當(dāng)帶來(lái)的階躍和脈沖信號(hào)的存在并不一定會(huì)引起磁浮列車發(fā)生振動(dòng)或者砸軌現(xiàn)象，因?yàn)閼腋】刂茀?shù)較多且控制權(quán)重不一樣，間隙信號(hào)和間隙微分信號(hào)只是懸浮控制參數(shù)之一，且間隙信號(hào)和間隙微分信號(hào)在參與懸浮控制調(diào)節(jié)前還會(huì)經(jīng)過(guò)一系列濾波等操作，但實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)卻顯示磁浮列車多在過(guò)軌道臺(tái)階位置處發(fā)生振動(dòng)和砸軌現(xiàn)象，所以可以推斷磁浮列車過(guò)軌縫時(shí)的間隙信號(hào)的處理對(duì)于懸浮控制具有至關(guān)重要的作用。

針對(duì)磁浮列車過(guò)軌縫間隙信號(hào)處理問(wèn)題，業(yè)界已有部分研究，且提出來(lái)一些解決方案，如國(guó)防科技大學(xué)的翟毅濤等[9]提出如下改進(jìn)算法：先識(shí)別軌道臺(tái)階，再利用分段函數(shù)進(jìn)行間隙補(bǔ)償。理論上該算法是可行的，但是因涉及二次函數(shù)分段實(shí)現(xiàn)和大量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，工程實(shí)踐比較復(fù)雜，在可編程邏輯器件平臺(tái)上資源受限的情況下更是難以實(shí)現(xiàn)。

本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)線和長(zhǎng)沙磁浮運(yùn)行線的磁浮列車過(guò)軌縫的間隙信號(hào)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，并考慮實(shí)際工程情況，提出一種新的磁浮列車過(guò)軌縫的間隙信號(hào)處理算法，設(shè)計(jì)的算法流程如圖9所示。即先依據(jù)第一個(gè)間隙探頭的數(shù)據(jù)變化規(guī)律進(jìn)行過(guò)軌縫識(shí)別，當(dāng)識(shí)別到第一個(gè)間隙探頭過(guò)軌縫結(jié)束時(shí)，對(duì)第二個(gè)間隙輸出信號(hào)進(jìn)行比例性補(bǔ)償；同理，再依據(jù)第二個(gè)間隙探頭的數(shù)據(jù)變化規(guī)律進(jìn)行過(guò)軌縫識(shí)別，在其過(guò)軌縫結(jié)束時(shí)對(duì)第三個(gè)間隙輸出信號(hào)進(jìn)行比例性補(bǔ)償；最后，輸出3個(gè)等效間隙的小值平均，并將其作為最終的等效間隙值。這種間隙信號(hào)處理算法將比例間隙補(bǔ)償和小值平均相結(jié)合，使得磁浮列車在通過(guò)軌縫時(shí)的間隙信號(hào)平緩過(guò)渡，無(wú)突變信號(hào)，且該算法便于在可編程邏輯器件上進(jìn)行軟件編程與實(shí)現(xiàn)。

圖9 過(guò)軌道臺(tái)階的間隙信號(hào)處理算法流程圖 Fig.9 Flow chart of gap signal processing algorithm for track steps

3.2 間隙信號(hào)處理算法的可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)

結(jié)合磁浮列車過(guò)軌縫的間隙信號(hào)特點(diǎn)和上文提到的各種仿真結(jié)果，利用verilog 編程語(yǔ)言[10]，在ISE 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)如圖10所示的含4個(gè)子模塊的gapSynth模塊。

圖10 可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)算法模塊Fig.10 Algorithm module of programmable logic devices

圖10中，gapSynthDiag 子模塊用于磁浮列車的懸浮傳感器的間隙探頭過(guò)軌縫的識(shí)別，gapControl 子模塊用于閥值判別，gapCompute 子模塊用于間隙值計(jì)算，gapFIFO 子模塊用于數(shù)據(jù)緩沖。整個(gè)模塊通過(guò)信號(hào)連接，用于實(shí)現(xiàn)磁浮列車過(guò)軌縫的間隙信號(hào)處理算法，并且通過(guò)了仿真平臺(tái)的驗(yàn)證[11]。設(shè)定縫差為35 mm，高差為2.0 mm，得到的間隙補(bǔ)償算法的仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 磁浮列車過(guò)軌縫的間隙補(bǔ)償算法仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of clearance compensation algorithm for maglev trains passing through rail joints

由圖11可知，標(biāo)定間隙1 用于進(jìn)行軌縫識(shí)別，識(shí)別完成后依次對(duì)間隙2和間隙3 進(jìn)行間隙補(bǔ)償，得到補(bǔ)償間隙2和補(bǔ)償間隙3，最后利用平均運(yùn)算得到的等效間隙用于等效間隙信號(hào)輸出。對(duì)比圖11和圖7可知，圖11的等效間隙沒(méi)有發(fā)生突變，過(guò)渡平滑，不會(huì)產(chǎn)生階躍信號(hào)，該等效間隙信號(hào)經(jīng)過(guò)后續(xù)微分處理后也不會(huì)產(chǎn)生脈沖沖擊信號(hào)。

算法處理前后的間隙信號(hào)對(duì)比如圖12所示。

圖12 算法處理前后的間隙信號(hào)對(duì)比圖Fig.12 Gap signal comparison before and after algorithm processing

如圖12所示，算法處理前，磁浮列車在經(jīng)過(guò)軌道臺(tái)階時(shí)，間隙信號(hào)的數(shù)值會(huì)發(fā)生劇烈波動(dòng)，即發(fā)生砸軌現(xiàn)象；經(jīng)算法處理后，磁浮列車在經(jīng)過(guò)軌道臺(tái)階時(shí)，間隙信號(hào)波動(dòng)數(shù)值明顯變小，且在正常運(yùn)行的間隙波動(dòng)范圍內(nèi)，可見(jiàn)該算法是可行的。

綜上可知，利用所提出的補(bǔ)償算法處理磁浮列車過(guò)軌縫時(shí)的間隙信號(hào)，可以避免軌道臺(tái)階帶來(lái)的階躍信號(hào)和脈沖信號(hào)影響，消除懸浮控制參數(shù)的突變，從而避免發(fā)生磁浮列車過(guò)軌道臺(tái)階時(shí)的砸軌現(xiàn)象，提高懸浮控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

懸浮控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的反饋控制系統(tǒng)，而作為懸浮控制參數(shù)的間隙信號(hào)及間隙信號(hào)的微分信號(hào)對(duì)于懸浮控制系統(tǒng)十分重要。本文系統(tǒng)地分析了磁浮列車過(guò)軌縫時(shí)的間隙信號(hào)特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)線運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)營(yíng)線運(yùn)行數(shù)據(jù)的間隙信號(hào)特點(diǎn)，對(duì)理想軌縫和軌道臺(tái)階進(jìn)行了區(qū)分，設(shè)計(jì)了一種間隙補(bǔ)償方法，有效地排除了軌道臺(tái)階帶來(lái)的階躍和脈沖等沖擊信號(hào)的干擾，消除了懸浮控制參數(shù)的突變。最后，利用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)了此算法。仿真結(jié)果表明，所提方法可極大提升懸浮控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，推進(jìn)磁浮列車的商業(yè)化進(jìn)程。但該算法不可避免地會(huì)帶來(lái)一定的延時(shí)和誤差，影響懸浮控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制效果，且該算法只針對(duì)磁浮列車過(guò)軌道臺(tái)階時(shí)的間隙信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化處理，并不能杜絕其他干擾信號(hào)對(duì)懸浮控制系統(tǒng)的影響，存在一定的局限性，這將是下一步的研究方向。