磁浮列車懸浮系統(tǒng)控制技術(shù)

張和洪 福州大學(xué) 計(jì)算機(jī)與大數(shù)據(jù)學(xué)院，福建 福州 350108

前言

在當(dāng)今日益擁擠和迅速發(fā)展的城市交通環(huán)境下，磁懸浮列車作為一種先進(jìn)的現(xiàn)代交通工具，憑借其速遞快、摩擦損耗小、低能耗以及維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)，受到廣泛的關(guān)注與研究[1]。如圖 1所示，目前我國(guó)已經(jīng)在上海、長(zhǎng)沙、北京等地區(qū)建成了城市磁懸浮列車線路，涉及中低速、高速等類型的磁浮線路。在磁懸浮列車技術(shù)方面，我國(guó)在高速運(yùn)行、安全穩(wěn)定性以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。然而，要實(shí)現(xiàn)技術(shù)的真正突破和持續(xù)發(fā)展，仍然面臨一系列的挑戰(zhàn)。磁懸浮列車的懸浮技術(shù)是其運(yùn)行的核心和基礎(chǔ)，直接關(guān)系到列車的穩(wěn)定性、安全性和舒適性。因此，懸浮技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新和提升成為當(dāng)前發(fā)展的焦點(diǎn)。

（1）上海 （2）長(zhǎng)沙 （3）北京

圖 1 磁懸浮列車城市商業(yè)化運(yùn)營(yíng)線路

懸浮系統(tǒng)作為磁浮列車的核心子系統(tǒng)，在列車平穩(wěn)懸浮以及高效運(yùn)行方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。該系統(tǒng)通過(guò)磁力和電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)列車與軌道之間的非接觸懸浮，從而減少與軌道之間的摩擦力，使得磁浮列車能夠在高速狀態(tài)下幾乎無(wú)摩擦地行駛。磁浮列車懸浮系統(tǒng)工作原理如圖 2所示，列車的懸浮過(guò)程涉及到多個(gè)關(guān)鍵組件的協(xié)同作用：首先，位于車身下方的高精度傳感器將實(shí)時(shí)采集到的間隙信號(hào)等信息傳輸給懸浮控制器；其次，懸浮控制器計(jì)算所需的電流值并通過(guò)放大電路將電流加載到電磁鐵；最后，電磁鐵內(nèi)部的線圈受到電流作用，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)與軌道上的導(dǎo)電材料相互作用，從而形成一個(gè)向上的電磁力，使列車懸浮于軌道。通過(guò)精確控制電流的強(qiáng)度和方向，可以在列車和軌道之間產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁力，從而保持列車在額定的間隙運(yùn)行。

圖 2 磁浮列車懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

磁浮列車的每節(jié)車廂包含多個(gè)懸浮點(diǎn)，每個(gè)懸浮點(diǎn)呈矩形分布于車廂底部，通過(guò)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一定程度上的解耦，使得懸浮點(diǎn)彼此之間影響較小。故在設(shè)計(jì)懸浮控制器的過(guò)程中，通常以單點(diǎn)懸浮系統(tǒng)作為基本對(duì)象進(jìn)行建模和控制，該系統(tǒng)的具體模型如圖 3所示。

圖 3 單點(diǎn)懸浮系統(tǒng)模型圖

懸浮控制器控制能力的要求

在實(shí)際運(yùn)行中，磁浮列車的懸浮系統(tǒng)面臨著兩方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙信號(hào)的精準(zhǔn)采集與處理，以準(zhǔn)確衡量列車與軌道之間的間隙。其次，懸浮系統(tǒng)必須具備強(qiáng)大的抗干擾能力，以應(yīng)對(duì)內(nèi)部和外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)綜合控制品質(zhì)與列車運(yùn)行性能的影響。

1）信號(hào)有效提取能力

一方面，由于磁浮列車的高速運(yùn)行環(huán)境以及復(fù)雜的運(yùn)行工況，傳感器對(duì)間隙的采集易受到噪聲干擾，噪聲來(lái)源包括氣候、溫度、機(jī)械振動(dòng)、軌道地形等。為了克服這些因素帶來(lái)的問(wèn)題，傳感器和測(cè)量系統(tǒng)通常需要采用抗干擾技術(shù)，包括濾波器、噪聲補(bǔ)償算法和高精度傳感器設(shè)計(jì)，以提高測(cè)量精度。目前我國(guó)磁懸浮控制系統(tǒng)整體框架仍然采用以PID（比例-積分-微分）為核心的誤差糾正控制策略。該方法對(duì)信號(hào)的處理較為“粗糙”，在處理復(fù)雜噪聲環(huán)境下的信號(hào)處理問(wèn)題上存在一定的局限性。如何在外部干擾頻繁且快速變化的工況下提取有效間隙等信號(hào)，是提高控制品質(zhì)的前提。

2）抗干擾能力

另一方面，磁浮列車懸浮系統(tǒng)屬于非最小相位系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有顯著的非線性特性，系統(tǒng)內(nèi)部存在動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)的高度耦合，易受到多源擾動(dòng)的影響導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)模型的復(fù)雜性。基于這些特性，同時(shí)還需要滿足磁浮列車運(yùn)行的穩(wěn)定性以及乘客的舒適性，這對(duì)于控制器的抗擾動(dòng)性能要求極高。傳統(tǒng)控制器在靠近平衡點(diǎn)時(shí)通常能夠提供較好的控制品質(zhì)，但一旦系統(tǒng)偏離平衡點(diǎn)，其性能以及抗干擾能力顯著下降。如何在眾多擾動(dòng)源對(duì)被控系統(tǒng)產(chǎn)生影響前進(jìn)行估計(jì)和反饋補(bǔ)償，形成一種多源擾動(dòng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)方法并解決內(nèi)/外部擾動(dòng)問(wèn)題，是控制性能的關(guān)鍵。

磁懸浮列車懸浮技術(shù)發(fā)展演變

如圖 4所示，自首次提出磁懸浮原理開始，磁懸浮技術(shù)的研究和探索至今已經(jīng)歷100多年。

國(guó)內(nèi)外磁懸浮研究現(xiàn)狀

1922年，德國(guó)首次系統(tǒng)提出了電磁懸浮原理，并于1934年獲得了世界上第一個(gè)有關(guān)磁懸浮技術(shù)的專利[2]。隨后在1971年，德國(guó)MBB飛機(jī)公司完成了速度為90km/h的第一輛磁懸浮原理車TR01，并建設(shè)了一條長(zhǎng)660m的試驗(yàn)線，將其投入試驗(yàn)運(yùn)行[3]。1976年，德國(guó)展示了以長(zhǎng)定子線性電機(jī)為原理的TR系列載人磁懸浮列車。在之后的幾十年里，德國(guó)持續(xù)進(jìn)行了該類型磁懸浮列車的研制工作[4]。

日本自1970年開始研究磁懸浮技術(shù)，而在1979年，日本國(guó)鐵（Japanese National Railway，JNR）研制的ML500試驗(yàn)車在宮崎試驗(yàn)線上創(chuàng)造了空載速度達(dá)到517km/h的世界紀(jì)錄[5]。2003年，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的新型試驗(yàn)車MLX01-901的試驗(yàn)速度達(dá)到了581km/h，再次刷新了地面交通工具的最高試驗(yàn)速度記錄[6]。在2015年，L0型磁懸浮列車實(shí)現(xiàn)了載人603km/h的試驗(yàn)速度，這一成就創(chuàng)下了有車廂車輛的最高陸地速度紀(jì)錄[7]。

在20世紀(jì)60年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員提出了建設(shè)真空管道磁懸浮線路的設(shè)想。自2003年以來(lái)，美國(guó)鐵路員工Swartzwelte提出了美國(guó)地鐵的思路，即在美國(guó)建設(shè)真空管道磁懸浮地鐵系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)城市之間的直線連接，旨在形成暢通無(wú)阻的地下交通網(wǎng)絡(luò)。2017年，HyperloopOne首次在真空環(huán)境中全面測(cè)試其超級(jí)高鐵技術(shù)。他們利用電動(dòng)磁懸浮技術(shù)，在內(nèi)華達(dá)沙漠搭建了長(zhǎng)達(dá)500米的真空管道試驗(yàn)線，并成功實(shí)現(xiàn)了最高時(shí)速310km/h的運(yùn)行速度[8]。

中國(guó)上海自2000年引進(jìn)了德國(guó)的磁懸浮鐵路技術(shù)。到了2002年12月底，上海磁懸浮鐵路的單線正式通車運(yùn)營(yíng)。而到2003年底，雙線工程也完成，使得該線路的總長(zhǎng)度達(dá)到了30公里，這是我國(guó)第一條商業(yè)運(yùn)營(yíng)的高速磁懸浮鐵路[9]。2004年1月，西南交通大學(xué)組織召開了“超高速高溫超導(dǎo)磁懸浮車系統(tǒng)”方案論證會(huì)，并提出了速度超過(guò)600km/h的載人超高速真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)方案[10]。在2014年6月，全球首個(gè)真空管道超高速磁懸浮列車環(huán)形試驗(yàn)線系統(tǒng)Super-Maglev建成，并實(shí)現(xiàn)了在0.029個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下連續(xù)運(yùn)行10小時(shí)的記錄[12]。目前，我國(guó)在中低速領(lǐng)域和高速領(lǐng)域都已成功實(shí)現(xiàn)了磁懸浮列車的商業(yè)運(yùn)營(yíng)，然而在關(guān)鍵懸浮控制技術(shù)以及列車抗干擾性能的研究上，依然有巨大的提升潛力，因此如何加快突破當(dāng)前的技術(shù)瓶頸是科研人員亟需解決的問(wèn)題。

圖 5 PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

人工被動(dòng)調(diào)參控制模式

直至目前，懸浮控制器仍以PID為主（其結(jié)構(gòu)如圖 5所示），其原理簡(jiǎn)單且易于實(shí)施[11]，但隨著受控對(duì)象的變化或工況的改變，控制器參數(shù)需要不斷重新校準(zhǔn)，這種控制策略僅適用于單一工況下。無(wú)法滿足復(fù)雜工況下的高性能信號(hào)跟蹤、控制參數(shù)自主優(yōu)化、自適應(yīng)、抗內(nèi)部/外部擾動(dòng)能力、快速響應(yīng)能力等懸浮系統(tǒng)控制問(wèn)題。自我國(guó)研究磁懸浮列車以來(lái)，許多學(xué)者將新型控制策略應(yīng)用于懸浮系統(tǒng)中，如魯棒控制、滑模控制、模糊控制等。這類控制器本質(zhì)上還是沿用以往的操作經(jīng)驗(yàn)對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行人工調(diào)整和對(duì)控制模式進(jìn)行人工切換。

人工智能控制模式

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)浪潮的持續(xù)推進(jìn)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)成為了懸浮控制領(lǐng)域的一項(xiàng)備受關(guān)注的技術(shù)。強(qiáng)化學(xué)習(xí)以其在復(fù)雜環(huán)境下自主學(xué)習(xí)和優(yōu)化控制策略的能力而聞名。在磁浮列車懸浮系統(tǒng)中，引入強(qiáng)化學(xué)習(xí)可以為控制器提供更高的自主性和適應(yīng)性。通過(guò)將強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法與磁浮列車懸浮系統(tǒng)集成，可以不斷地學(xué)習(xí)和優(yōu)化控制策略，以應(yīng)對(duì)不同工況和擾動(dòng)源的變化[13]-[16]。然而該方法雖然減少了人工調(diào)參的需求，但是其帶來(lái)的不確定性和不穩(wěn)定性仍是一大問(wèn)題，現(xiàn)該模式還處于理論階段。

智能化自抗擾控制模式

在眾多擾動(dòng)源對(duì)被控系統(tǒng)產(chǎn)生影響之前，通過(guò)觀測(cè)、估計(jì)和消除這些擾動(dòng)源，是有效提升磁浮列車懸浮系統(tǒng)控制品質(zhì)的關(guān)鍵。

首先懸浮系統(tǒng)采用自抗擾控制（ADRC）技術(shù)作為基礎(chǔ)，構(gòu)建了能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)量噪聲抑制、內(nèi)部/外部擾動(dòng)觀測(cè)與抑制的主體控制框架。這個(gè)控制框架可以被視為給懸浮系統(tǒng)裝上強(qiáng)大的ADRC控制器“心臟”，從而明顯提升了其控制能力，相對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制架構(gòu)，有了顯著的改進(jìn)?；跀U(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的自抗擾控制架構(gòu)主要包括以下三個(gè)部分：1）擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（ESO），ESO的作用是估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)觀測(cè)的擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)做出反饋補(bǔ)償，從而實(shí)時(shí)地校準(zhǔn)系統(tǒng)的狀態(tài)；2）跟蹤微分器（TD），TD用于對(duì)信號(hào)的跟蹤以及微分信號(hào)的提取，其能夠從夾雜噪聲的信號(hào)中有效跟蹤原始信號(hào)，并且保持良好的微分品質(zhì)；3）狀態(tài)誤差反饋（SEF）控制器，SEF控制器通過(guò)引入狀態(tài)誤差反饋，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)更精確的控制[17][18]。其核心思想是通過(guò)ESO將不確定的實(shí)際受擾對(duì)象動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化為近似確定的積分串聯(lián)型系統(tǒng)，并通過(guò)控制器實(shí)施精確控制[19]。

其次，為了實(shí)現(xiàn)高性能控制品質(zhì)并滿足自主調(diào)參的需求，控制器本身應(yīng)具備多項(xiàng)智能特征，包括環(huán)境信息感知、自適應(yīng)調(diào)整、自主學(xué)習(xí)和自主決策等。這種智能自抗擾控制模式如圖 6所示。與傳統(tǒng)控制模式相比，這種控制器顯著增強(qiáng)了現(xiàn)有懸浮系統(tǒng)的控制品質(zhì)。這個(gè)階段可以被定義為磁浮列車懸浮控制器的智能化設(shè)計(jì)階段。

懸浮系統(tǒng)智能控制發(fā)展目標(biāo)

結(jié)合當(dāng)前磁浮列車懸浮系統(tǒng)控制技術(shù)的應(yīng)用需求和發(fā)展現(xiàn)狀，后續(xù)的發(fā)展將以智能化自抗擾控制為主要目標(biāo)。針對(duì)這個(gè)目標(biāo)，我們將制訂一項(xiàng)分步實(shí)施的、逐個(gè)突破的技術(shù)研究計(jì)劃。這一計(jì)劃將有助于推動(dòng)磁浮列車懸浮技術(shù)的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，以滿足列車在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定懸浮需求。

首先建立一個(gè)強(qiáng)抗擾和強(qiáng)適應(yīng)的控制架構(gòu)，將傳統(tǒng)的PID控制模式改造為主動(dòng)抗擾控制模式。在這個(gè)步驟中，我們計(jì)劃構(gòu)建一個(gè)多自由度的主動(dòng)抗擾控制體系，其中包括噪聲抑制、擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償、以及狀態(tài)快速響應(yīng)。這一體系將使得控制器的性能相比目前的PID控制方法有著更好的魯棒性和適應(yīng)性，從而滿足日益復(fù)雜工況的需求。

其次是為主動(dòng)抗擾控制架構(gòu)添加智能元素，使控制器具備環(huán)境信息感知和自適應(yīng)調(diào)整的能力。在這一階段，控制系統(tǒng)將借助智能認(rèn)知算法來(lái)提取更全面、有用的信息。系統(tǒng)將具備以下能力：信息感知、多源擾動(dòng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)、自適應(yīng)控制以及自主調(diào)參等。這些能力將使控制系統(tǒng)更加智能化，從而提高控制器的性能并適應(yīng)多變的工況環(huán)境。

結(jié)束語(yǔ)

磁浮列車懸浮技術(shù)的發(fā)展需要不斷地深入研究，未來(lái)懸浮技術(shù)將不僅僅滿足列車的平穩(wěn)懸浮和基本運(yùn)行，還需要應(yīng)對(duì)更多挑戰(zhàn)。因此，磁浮列車的懸浮控制器將需要更強(qiáng)的抗擾能力、適應(yīng)能力、自主調(diào)參能力和自主決策能力。隨著數(shù)字化和智能化技術(shù)的快速發(fā)展，懸浮技術(shù)也將朝著信息驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)抗擾控制和智能化控制方向發(fā)展。本文提出的具備多項(xiàng)智能特征的新型控制技術(shù)能夠滿足時(shí)代發(fā)展的要求，對(duì)于推動(dòng)控制器局部智能化的發(fā)展具有非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅煒寧,王強(qiáng).磁懸浮列車未來(lái)發(fā)展與展望[J].硅谷,2013(5):2.DOI:10.3969/j.issn.1671-7597.2013.05.004.

[2] 張延昭.德國(guó)磁懸浮列車研究概況[J].國(guó)際科技交流, 1993(4):4.DOI:CNKI:SUN:QQKL.0.1993-04-003.

[3] Dickman S .TRANSPORT - GERMANSDEBATE MAGLEV TRAIN[J].Nature, 1989:584-584.

[4] 熊嘉陽(yáng),鄧自剛.高速磁懸浮軌道交通研究進(jìn)展[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2021, 21(1):22.DOI:10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.01.008.

[5] Saijo T , Koike S , Tadakuma S.Characteristics of Linear Synchronous Motor Drive Cycloconverter for MaglevVehicle ML-500 at Miyazaki Test Track[J].IEEE Transactions on IndustryApplications, 1981, IA-17(5):533-543.DOI:10.1109/TIA.1981.4503994.

[6] Kusada S , Igarashi M , NemotoK ,et al.The Project Overview of the HTS Magnet for SuperconductingMaglev[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007,17(2):2111-2116.DOI:10.1109/TASC.2007.899691.

[7] KOEI T. Central Japan RailwayCompany[C]//2016-03-30)[2020-09-15]. http://English. Jr-central. Co.jp/compa-ny/ir/investor-meeting/_pdf/im_2016_03. Pdf.

[8] 蘇靖棋.超級(jí)高鐵(Hyperloop)可行性分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通, 2020(5):5.DOI:CNKI:SUN:XDGD.0.2020-05-027.

[9] Chen X, Tang F, Huang Z, et al.High-speed maglev noise impacts on residents: A case study in Shanghai[J].Transportation Research Part D: Transport and Environment, 2007, 12(6):437-448.

[10] 沈志云.關(guān)于我國(guó)發(fā)展真空管道高速交通的思考[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005(2):133-137.DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.2005.02.001.

[11] Ang K H, Chong G, Li Y. PID control system analysis, design, andtechnology[J]. IEEE transactions on control systems technology, 2005, 13(4):559-576.

[12] Deng Z , Zhang W , Zheng J ,et al.A High-Temperature SuperconductingMaglev Ring Test Line Developed in Chengdu, China[J].IEEE Transactions onApplied Superconductivity, 2016, 26(6):1-8.DOI:10.1109/TASC.2016.2555921..

[13] Zhao F, You K, Song S, et al. Suspension regulation ofmedium-low-speed maglev trains via deep reinforcement learning[J]. IEEETransactions on Artificial Intelligence, 2021, 2(4): 341-351.

[14] Zhao F, Jiang P, You K, et al. Setpoint tracking for the suspensionsystem of medium-speed maglev trains via reinforcement learning[C]//2019 IEEE15th International Conference on Control and Automation (ICCA). IEEE, 2019:1620-1625.

[15] Sun Y, Xu J, Chen C, et al. Reinforcement learning-based optimaltracking control for levitation system of maglev vehicle with input timedelay[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2022, 71: 1-13.

[16] Sun Y, Xu J, Wu H, et al. Deep learning based semi-supervisedcontrol for vertical security of maglev vehicle with guaranteed boundedairgap[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2021,22(7): 4431-4442.

[17] 韓京清.自抗擾控制技術(shù)[J].前沿科學(xué),2007.DOI:CNKI:SUN:QYKX.0.2007-01-004.

[18] 韓京清.從PID技術(shù)到"自抗擾控制"技術(shù)[J].控制工程, 2002,9(3):6.DOI:10.3969/j.issn.1671-7848.2002.03.003.

[19] 高志強(qiáng).自抗擾控制思想探究[J].控制理論與應(yīng)用,2013(12):13.DOI:10.7641/CTA.2013.31087.