跟蹤微分器在磁浮列車(chē)懸浮間隙處理中的應(yīng)用*

張文躍 佟來(lái)生 王 瀅 侯 磊 朱躍歐

(1. 中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司， 412001， 株洲；2. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 611756， 成都∥第一作者， 高級(jí)工程師)

懸浮系統(tǒng)是磁浮列車(chē)的核心子系統(tǒng)，而懸浮間隙檢測(cè)的準(zhǔn)確度對(duì)于實(shí)現(xiàn)整個(gè)懸浮系統(tǒng)的平穩(wěn)控制具有重大影響。一般采用非接觸式的電渦流傳感器進(jìn)行懸浮間隙檢測(cè)，但磁浮列車(chē)通過(guò)軌道接縫時(shí)，由于接縫處沒(méi)有金屬材料，無(wú)法形成感應(yīng)渦流，因此懸浮間隙檢測(cè)值會(huì)發(fā)生信號(hào)失真(見(jiàn)圖1)，嚴(yán)重影響磁浮列車(chē)的懸浮性能。

圖1 懸浮傳感器路間隙探頭過(guò)軌道接縫時(shí)的輸出特性

為了解決上述問(wèn)題，現(xiàn)有的方法是：在磁浮列車(chē)運(yùn)行方向設(shè)置多個(gè)懸浮間隙探頭(見(jiàn)圖2)，通過(guò)多路信號(hào)比較，舍棄畸變信號(hào)而保留其他正常信號(hào)，以提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。但該方法對(duì)于磁浮列車(chē)高速行駛時(shí)或通過(guò)連續(xù)密集軌道接縫時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)兩路甚至三路懸浮間隙檢測(cè)值同時(shí)畸變的情況，導(dǎo)致懸浮系統(tǒng)控制效果惡化甚至失穩(wěn)。為此，本文提出了一種基于雙曲正切的非線性跟蹤微分器(TANH-TD)結(jié)合聯(lián)合濾波的懸浮間隙處理方法，能夠獲取更準(zhǔn)確的懸浮間隙信號(hào)，可進(jìn)一步提高懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 TANH-TD原理

圖2 懸浮傳感器探頭分布及通過(guò)軌道接縫示意圖

若系統(tǒng)

(1)

的任意解均滿足：z1(t)→0,z2(t)→0,其中t→∞，則對(duì)任意有界可積函數(shù)v(t)和任意常數(shù)T>0，系統(tǒng)

(2)

的解x1(t)滿足

(3)

式中：

R——系統(tǒng)時(shí)間尺度參數(shù)；

x1,x2——分別為系統(tǒng)跟蹤信號(hào)和近似微分；

上述定理表明了x1(t)是的對(duì)原函數(shù)v(t)的平均收斂，x2(t)弱收斂意義下對(duì)函數(shù)v(t)導(dǎo)數(shù)的近似微分。

為了便于工程實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)二階離散系統(tǒng)最速綜合控制函數(shù)給出上述定理的離散形式[2]：

(4)

式中：

h——采樣步長(zhǎng)；

x(k)=(x1(k),x2(k))T——t=kh時(shí)的系統(tǒng)輸出信號(hào)；

u——綜合控制函數(shù)。

綜合控制函數(shù)主要影響跟綜信號(hào)x1(t)和微分信號(hào)x2(t)跟蹤收斂的動(dòng)態(tài)性能，其選取的首要原則是在接近平衡點(diǎn)時(shí)應(yīng)具有線性函數(shù)特點(diǎn)，而在遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)時(shí)應(yīng)具有非線性函數(shù)特點(diǎn)，以保證跟蹤的快速性并減小因控制器切換產(chǎn)生的抖振；其次，函數(shù)特性應(yīng)該盡量光滑、連續(xù)，參數(shù)整定應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單易行。

針對(duì)跟蹤微分器綜合控制函數(shù)形式復(fù)雜、參數(shù)較多、整定繁瑣及輸出抖振等問(wèn)題，采用雙曲正切函數(shù)作為綜合控制函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)跟蹤微分器。下面給出綜合控制函數(shù)的具體形式[3]：

(5)

式中：第一項(xiàng)表示t時(shí)刻跟蹤誤差[x1(t)-v(t)]對(duì)綜合控制函數(shù)的影響，a1、b1為跟蹤誤差[x1(t)-v(t)]的權(quán)重系數(shù)；第二項(xiàng)表示t時(shí)刻近似微分x2(t)對(duì)綜合控制函數(shù)的影響，a2、b2為近似微分x2(t)的權(quán)重系數(shù)。為了均衡考慮t時(shí)刻跟蹤誤差[x1(t)-v(t)]和近似微分x2(t)對(duì)綜合控制函數(shù)的影響，不妨令a2=a1=a,b1=b2=b。

雙曲正切函數(shù)在原點(diǎn)附近有良好的近似線性性質(zhì)，而在遠(yuǎn)離原點(diǎn)時(shí)具有非線性函數(shù)的特點(diǎn)，滿足跟蹤微分器綜合控制函數(shù)的要求，同時(shí)由于函數(shù)光滑連續(xù)，有利于較小甚至消除系統(tǒng)的輸出抖動(dòng)。

2 TANH-TD的數(shù)值仿真

為分析TANH-TD的濾波性能和跟蹤效果，構(gòu)建跟蹤微分器的仿真模型，并進(jìn)行數(shù)值仿真。設(shè)置采樣頻率為1 000 Hz，輸出跟蹤信號(hào)和微分信號(hào)的初試狀態(tài)為零，然后仿真分析TANH-TD對(duì)帶噪聲的正弦信號(hào)濾波性能和對(duì)階躍信號(hào)的跟蹤性能。為分析時(shí)間尺度參數(shù)R對(duì)跟蹤微分器輸出的影響，采用帶有方差為0.3的高斯白噪聲的正弦信號(hào)作為輸入，參數(shù)a和b的取值分別為18.0和0.1，R取值分別為10.0、50.0、100.0，仿真結(jié)果如圖3所示。為探究參數(shù)a對(duì)跟蹤微分器輸出的影響，以a取值分別為1.0、10.0和20.0，R和b取值分別為20.0和0.1進(jìn)行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。為研究參數(shù)b對(duì)跟蹤微分器輸出的影響，以b取值分別為0.1、1.0和10.0，R和a取值分別為20.0和18.0進(jìn)行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

1) 由圖3可見(jiàn)：R取值越大，輸出跟蹤信號(hào)濾波效果越差，但是跟蹤性能優(yōu)越；R取值越小，輸出跟蹤信號(hào)濾波效果越好，但是存在較大的時(shí)延，跟蹤效果不佳。

圖3 參數(shù)R對(duì)跟蹤器輸出的影響

圖4 參數(shù)a對(duì)跟蹤器輸出的影響

圖5 參數(shù)b對(duì)跟蹤器輸出的影響

2) 由圖4可見(jiàn)：a取值越小，輸出的跟蹤信號(hào)濾波效果越好，但存在較大偏差，跟蹤效果不佳；a取值越大，輸出跟蹤信號(hào)濾波效果變差，但是跟蹤性能較好。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)a=10.0和a=20.0時(shí)，跟蹤性能差距不明顯，說(shuō)明在a增大到一定程度后，繼續(xù)增加對(duì)跟蹤性能影響基本不大。

3) 由圖5可見(jiàn)：b取值越大，輸出跟蹤信號(hào)濾波效果越差，且跟蹤性能也變差，當(dāng)b=10.0時(shí)，跟蹤信號(hào)不僅相位滯后而且誤差明顯；b取值越小，輸出跟蹤信號(hào)濾波效果和跟蹤效果均有提升。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)b=1.0和b=0.1時(shí)，跟蹤性能差距不明顯，但濾波性能仍有提升，說(shuō)明在b增大到一定程度后，繼續(xù)增加只對(duì)濾波性能有影響。

綜上可知，R作為系統(tǒng)時(shí)間尺度參數(shù)，其選取應(yīng)權(quán)衡濾波性能和跟蹤性能的需求；a作為綜合控制函數(shù)的幅值，其在一個(gè)既定范圍內(nèi)是與跟蹤性能成正比的，故選取時(shí)應(yīng)該注意不宜過(guò)大；b作為綜合控制函數(shù)的近似線性區(qū)間的斜率，其取值應(yīng)盡量小，過(guò)大會(huì)造成跟蹤信號(hào)的幅值和相位嚴(yán)重失真。

3 基于TANH-TD的三路間隙聯(lián)合濾波

懸浮傳感器在采集間隙數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)受到電磁場(chǎng)、軌道誤差等各種因素干擾，信號(hào)中往往帶有噪聲，其微分信號(hào)的提取也很困難，不利于判斷其信號(hào)值突變是否由過(guò)軌道接縫引起。目前，磁浮列車(chē)對(duì)懸浮間隙信號(hào)的處理主要是：通過(guò)空間錯(cuò)開(kāi)一定距離的3個(gè)間隙探頭所測(cè)得的數(shù)據(jù)(S1、S2、S3)先濾波，然后再根據(jù)過(guò)軌道接縫時(shí)刻不同來(lái)分離出一個(gè)比較可靠的間隙值。這種每時(shí)每刻舍棄三路懸浮間隙數(shù)值中最大的一個(gè)數(shù)據(jù)，并取另外兩路懸浮間隙均值的方法，可在一定程度上消除軌道接縫的干擾，但也會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)值比實(shí)際值偏小，影響控制效果。

由TANH-TD的原理及特性分析可知，跟蹤微分器產(chǎn)生的微分信號(hào)其實(shí)也是原信號(hào)濾波之后的“廣義導(dǎo)數(shù)”；跟蹤信號(hào)就是對(duì)原信號(hào)的濾波。根據(jù)這些特性，可以對(duì)三路間隙信號(hào)做如圖6所示聯(lián)合濾波，得到更能接近于實(shí)際懸浮間隙的檢測(cè)值。

圖6 聯(lián)合濾波流程圖

設(shè)置3組TANH-TD濾波器的參數(shù)，使得其在跟蹤性能優(yōu)先的同時(shí)完成一定濾波：當(dāng)某一路懸浮間隙數(shù)據(jù)明顯偏離額定懸浮間隙范圍閾值時(shí)，可以認(rèn)為此傳感器經(jīng)過(guò)軌道接縫或者出現(xiàn)了故障，此時(shí)輸出另外兩路懸浮間隙數(shù)據(jù)的均值；當(dāng)三路懸浮數(shù)據(jù)均處于額定懸浮間隙要求范圍內(nèi)時(shí)，比較三路懸浮間隙微分信號(hào)的大小，取微分信號(hào)絕對(duì)值較小的兩路數(shù)據(jù)的跟蹤信號(hào)均值。這樣的處理過(guò)程不會(huì)造成綜合檢測(cè)值比實(shí)際值偏小的問(wèn)題，同時(shí)相當(dāng)于又進(jìn)行了一次濾波過(guò)程，達(dá)到聯(lián)合濾波的效果，且消除了懸浮傳感器通過(guò)軌道接縫時(shí)出現(xiàn)的懸浮間隙突變。

以磁浮列車(chē)懸浮傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(如圖7、圖8、圖9所示)為分析對(duì)象，采用上述方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，然后對(duì)傳統(tǒng)的懸浮間隙處理方式和本文提出的方法進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖10～11所示。

圖7 懸浮間隙S1的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 懸浮間隙S2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖9 懸浮間隙S3的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖10 采用傳統(tǒng)方法得到的懸浮間隙處理結(jié)果

圖11 采用本文提出方法得到的懸浮間隙處理結(jié)果

由圖10～11可見(jiàn)，在懸浮傳感器通過(guò)軌道接縫時(shí)，傳統(tǒng)的懸浮間隙處理方式和本文提出的方法均能消除間隙突變。本文提出方法的優(yōu)勢(shì)在于：由于跟蹤微分器的濾波作用，噪聲信號(hào)被大幅度降低，處理信號(hào)更平穩(wěn)。另外，當(dāng)懸浮傳感器在通過(guò)軌道接縫前后，傳統(tǒng)的懸浮間隙處理方式由于直接去掉幅值最大的一組數(shù)據(jù)，導(dǎo)致傳感器未處于過(guò)縫時(shí)段輸出的氣隙值小于被控制的真實(shí)氣隙值12 mm，且在過(guò)縫時(shí)段(110～125 ms)波動(dòng)較大；而本文提出的方法可有效避免此情況，獲得更好的效果，更有利于懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析與數(shù)值仿真可知，TANH-TD在實(shí)際的工程問(wèn)題中有良好的性能，在消除懸浮傳感器過(guò)軌道接縫發(fā)生信號(hào)突變的同時(shí)，還可以達(dá)到跟蹤信號(hào)的“二次濾波”，有利于進(jìn)一步提高磁浮列車(chē)懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。