中车株机研究者提出一种新型磁浮列车自抗扰悬浮控制器

电磁悬浮型（EMS）列车是一种新型轨道交通车辆，目前国内已建成多条商业运营线路。磁浮车辆具有转弯半径小、爬坡能力强、能耗低等特点。悬浮系统作为磁浮列车的关键子系统，可保障车辆与轨道无接触运行。悬浮系统在悬浮控制器的作用下，可使车辆与轨道间的气隙保持在8～10mm范围内，因此悬浮控制算法的稳定性和鲁棒性是保障磁浮列车稳定可靠运行的关键因素。

• 基于韩京清提出的跟踪微分器，张文进等提出一种综合控制函数来改变边界层开关曲线，得到一种新型跟踪微分器，将悬浮气隙输入跟踪微分器后得到阻尼信号，结合比例积分微分（PID）控制器可实现系统稳定悬浮。有文献提出的微分器具有较好的精度和抗噪能力，能够应对悬浮气隙干扰量对悬浮系统的影响，但并未涉及垂向加速度的扰动处理过程和干扰对悬浮系统的影响。

• 胡轲珽等提出基于强化学习的悬浮控制算法，试验结果表明基于强化学习算法模型的控制算法获得了优于传统PID的控制效果，但模型所需经验数据较多，且训练模型的过程较复杂，所提出的控制算法在工程中实现的难度较大。王金锁等将自抗扰广义预测控制律应用至悬浮系统，获得了较好的跟踪性和鲁棒性，但控制律的参数较多，实际工程中的参数整定难度较大。

• 王盼盼等提出一种改进自抗扰控制器，将其应用至磁浮列车牵引系统速度跟踪控制过程，并提出自抗扰控制器的调参方法，该调参方法需对系统函数在低频范围内进行等效处理后，再根据调试经验对参数进行整定，最终试验结果表明，整定后的自抗扰控制器控制效果良好，但磁浮列车悬浮系统受到的扰动量频率较高，该方法未涉及高频信号的处理，因此该方法对悬浮系统的适用性不足。

• 苗欣等使用粒子群优化算法（PSO）对悬浮控制参数进行离线优化，获得了较好的系统带宽和阻尼等参数，但该方法并未考虑悬浮系统在实际工程中常见的干扰量（垂向加速度和悬浮气隙等状态量存在的干扰）对悬浮过程的影响。

为提高磁浮列车悬浮系统的抗干扰性和稳定性，中车株洲电力机车有限公司、磁浮交通车辆系统集成湖南省重点实验室的蒋毅、廖看秋 等研究者，提出基于粒子群优化算法的自抗扰悬浮控制器。

图1 粒子群优化算法与仿真模型

研究者建立了单电磁铁悬浮系统模型，并根据模型设计了自抗扰控制器，针对自抗扰控制器的参数较多导致参数整定较难的问题，引入粒子群优化算法将控制过程中气隙给定值和气隙反馈值的误差输入适应度函数，对控制参数对应的控制效果进行评价，从而通过自适应寻优获得模型的自抗扰控制参数。

图2 单悬浮架试验平台

图3 自抗扰控制振动抑制效果验证试验结果

将粒子群优化算法自适应寻优获得的自抗扰控制器和传统PID控制器分别作用于悬浮系统，仿真结果表明：

1）起浮试验中，悬浮系统从20mm起浮至10mm并保持稳定悬浮，与PID控制器相比，自抗扰控制器未产生超调量，达到稳态误差为0的状态耗时约为PID耗时的80%。

2）模拟制动夹钳作用工况的仿真试验中，悬浮系统在PID控制器作用下出现失稳状态（处于“吸死”状态），自抗扰控制器可避免悬浮系统出现失稳状态，同时自抗扰控制作用时的积分绝对误差（IAE）指标约为PID作用时的13.3%，时间加权的积分绝对误差（ITAE）指标约为PID作用时的10.9%。

3）过轨缝台阶仿真试验中，自抗扰控制作用时悬浮系统调节过程中的超调量约为PID作用时的73.8%，调整时间约为PID的7.5%，同时自抗扰控制的IAE指标约为PID的15.2%，ITAE指标约为PID的14.3%。

4）电磁铁与轨道共振仿真试验中，自抗扰控制作用时，悬浮气隙变化量约为PID作用时的2.5%，IAE指标约为PID作用时的3.4%，ITAE指标约为PID作用时的3.3%。

在单悬浮架试验平台进行电磁铁-轨道振动抑制验证试验，对比PID控制器和经PSO自适应寻优后的ADRC控制器的振动抑制效果，对比试验结果表明：系统受加速度扰动（幅值5m/s2、频率10Hz的正弦扰动）和气隙扰动（幅值2mm、频率2Hz的正弦扰动）时，自抗扰控制作用下的悬浮系统的气隙变化量约为PID作用时的22.8%，IAE指标约为PID作用时的19.6%，ITAE指标约为PID作用时的20.7%。

研究者指出，试验结果表明，系统受垂向加速度和悬浮气隙干扰时，相较于传统比例积分微分（PID）控制器，经粒子群优化算法自适应寻优的自抗扰控制器具有更好的抗干扰性和鲁棒性，可为磁浮列车悬浮系统控制算法的工程应用提供新思路。

本工作成果发表在2024年第7期《电气技术》，论文标题为“基于粒子群优化算法的磁浮列车自抗扰悬浮控制器研究”，作者为蒋毅、廖看秋 等。本课题得到湖南省科技创新计划项目的支持。

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