电磁型磁浮列车悬浮模块的分布式主动容错控制系统

摘要

一种电磁型磁浮列车悬浮模块的分布式主动容错控制系统，它包括单个悬浮模块上的八个电磁铁、四个独立的悬浮控制器以及第一传感器组、第二传感器组，八个电磁铁分成四个电磁铁组，每个电磁铁组包括两个串联的电磁铁，每个悬浮控制器通过斩波器与一个电磁铁组相连，所述第一传感器组和第二传感器组分别位于悬浮模块的两端，所有悬浮控制器、第一传感器组以及第二传感器组通过CAN总线相连，悬浮控制器通过CAN总线与磁浮列车的车载监控系统相连。本发明是一种能够容忍悬浮系统部分控制器、传感器、执行器故障，从而大大提高了其运行可靠性、稳定性以及安全性的电磁型磁浮列车悬浮模块的分布式主动容错控制系统。

说明书

技术领域

本发明主要涉及到磁浮列车悬浮控制系统领域，特指一种电磁型磁浮列车悬浮模块的分布式主动容错控制系统。

背景技术

现有技术中，悬浮控制系统是磁浮列车系统的重要组成部分。磁浮列车高速运行中，一旦悬浮系统的某个控制器、传感器或执行器(斩波器或电磁铁)发生故障，对应的悬浮点将会失稳或失效，此时酿成的损失将是难以估量的。工程实践表明，控制器、传感器和执行器故障已经成为导致悬浮控制系统失效的主要原因。面对如此庞大和复杂的磁浮列车悬浮控制系统，提高其安全性、可靠性和有效性就成为一个关键的技术要求。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够容忍悬浮系统部分控制器、传感器、执行器故障，从而大大提高了其运行可靠性、稳定性以及安全性的电磁型磁浮列车悬浮模块的分布式主动容错控制系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种电磁型磁浮列车悬浮模块的分布式主动容错控制系统，其特征在于：它包括单个悬浮模块上的八个电磁铁、四个独立的悬浮控制器以及第一传感器组、第二传感器组，八个电磁铁分成四个电磁铁组，每个电磁铁组包括两个串联的电磁铁，每个悬浮控制器通过斩波器与一个电磁铁组相连，所述第一传感器组和第二传感器组分别位于悬浮模块的两端，所有悬浮控制器、第一传感器组以及第二传感器组通过CAN总线相连，悬浮控制器通过CAN总线与磁浮列车的车载监控系统相连。

所述第一传感器组和第二传感器组均包括三个间隙传感器、一个加速度计、判断表决电路单元、主控DSP单元以及CAN总线控制模块，所述三个间隙传感器通过判断表决电路单元与主控DSP单元相连，加速度计与主控DSP单元相连，主控DSP单元通过CAN总线控制模块与CAN总线相连。

所述单个悬浮模块上的八个电磁铁为依次排列的第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁、第四电磁铁、第五电磁铁、第六电磁铁、第七电磁铁和第八电磁铁，第一电磁铁与第四电磁铁串联、第二电磁铁与第三电磁铁串联、第五电磁铁与第八电磁铁串联、第六电磁铁和第七电磁铁串联分别形成电磁铁组。

所述第一传感器组以第二电磁铁和第三电磁铁连接处为中轴线布置，所述第二传感器组以第五电磁铁和第六电磁铁连接处为中轴线布置。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明的电磁型磁浮列车悬浮模块的分布式主动容错控制系统，使得电磁型磁浮列车的悬浮模块具有了控制器冗余。当任何一个控制器通道(由两个串联的电磁铁以及相应的斩波器和控制器组成)彻底失效时，其他未发生故障的控制通道能够补偿失效电磁铁的作用力，从而保证模块仍然稳定悬浮。经过合理安排的8个电磁铁能够保证任何控制通道失效之后，其余控制通道的等效电磁力的作用点不会移动，使得故障前后系统模型的变化减小，从而使故障条件下系统的参数(比如电磁铁电流)较正常情况下的偏离减小，即减小了参数超出器件承受范围的危险，同时简化了控制算法的设计。传感器组A和传感器组B分别由经过合理配置的三个间隙传感器和一个加速度计，以及判断表决电路、主控DSP单元和CAN总线控制模块组成，当任何一个间隙传感器发生故障或者经过接缝时，首先通过表决器表决，剔除掉存在明显误差的信号，之后采用针对传感器的故障检测算法，对传感器进行诊断，屏蔽掉不正常的传感器通路；

2、本发明的电磁型磁浮列车悬浮模块的分布式主动容错控制系统，在设计控制系统初期就将可能发生的故障对系统的稳定性和安全性影响考虑在内。通过利用悬浮系统内部冗余(硬件冗余、解析冗余)能力，设计具有故障容错能力的控制器，使得在某些部件发生故障的情况下，闭环系统仍然能保持稳定，并在原定性能指标或性能指标有所降低但可接受的条件下，安全地完成悬浮控制任务。同时在传感器和控制器之间使用CAN总线网络进行数据交换，使得系统的连线大大减少，极大的提高数据传输的可靠性，非常有利于故障检测和维修，并且有利于上层的车载监控系统对各个智能节点的状态监控。各个智能节点通过网络连接在一起，真正组成了一个全数字化、信息化、智能化的悬浮控制系统。

附图说明

图1是电磁型磁浮列车车厢的侧视结构示意图；

图2是电磁型磁浮列车车厢的俯视结构示意图；

图3是本发明的框架结构示意图；

图4是本发明中第一传感器组的框架结构示意图；

图5是本发明中第一传感器组的主程序流程示意图；

图6是本发明中第一传感器组的中断子程序流程示意图；

图7是本发明所采用的分布式主动容错控制方法中主程序的流程示意图；

图8是本发明所采用的分布式主动容错控制方法中中断服务程序的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明主要用于电磁型磁浮列车，电磁型磁浮列车模块悬浮系统的车厢示意图如图1和图2所示。悬浮模块(1n，其中n＝1，2，…，8)为列车的基本悬浮单元，每节车厢两侧的底部对称地分布着若干悬浮模块，每侧悬浮模块的数量由列车的具体型号而定，如图所示本实施例中的悬浮模块数目为8，悬浮模块11、12、13、14、15、16、17、18分成两部分对称布置于车厢两侧的底部。

如图3所示，本发明的一种电磁型磁浮列车悬浮模块的分布式主动容错控制系统，它包括单个悬浮模块上的八个电磁铁、四个独立的悬浮控制器以及第一传感器组41、第二传感器组42，八个电磁铁分成四个电磁铁组，每个电磁铁组包括两个串联的电磁铁，每个悬浮控制器通过斩波器与一个电磁铁组相连，所述第一传感器组41和第二传感器组42分别位于悬浮模块的两端，所有悬浮控制器、第一传感器组41以及第二传感器组42通过CAN总线5相连，悬浮控制器通过CAN总线5与磁浮列车的车载监控系统相连。在本实施例中，单个悬浮模块上的八个电磁铁为依次排列的第一电磁铁21、第二电磁铁22、第三电磁铁23、第四电磁铁24、第五电磁铁25、第六电磁铁26、第七电磁铁27和第八电磁铁28，第一电磁铁21与第四电磁铁24串联、第二电磁铁22与第三电磁铁23串联、第五电磁铁25与第八电磁铁28串联、第六电磁铁26和第七电磁铁27串联分别形成电磁铁组。四个独立的悬浮控制器分别为第一控制器31、第二控制器32、第三控制器33和第四控制器34，第一控制器31用来对第一电磁铁21与第四电磁铁24串联形成的电磁铁组进行控制，第二控制器32用来对第二电磁铁22与第三电磁铁23串联形成的电磁铁组进行控制，第三控制器33用来对第五电磁铁25与第八电磁铁28串联形成的电磁铁组进行控制，第四控制器34用来对第六电磁铁26和第七电磁铁27串联形成的电磁铁组进行控制。悬浮系统运行时，通过故障诊断算法实时检测系统状态。一旦发生故障，控制器则根据故障诊断的结果，进行控制律切换，采用该故障模型对应的控制参数进行控制，以补偿失效电磁铁的作用力，达到容错的目的。CAN总线5用于将第一传感器组41和第二传感器组42的信号传送给控制器，同时将故障状态和悬浮状态上传给车载监控系统。把CAN总线5引入容错控制系统中，使得各个网络节点之间的连线大大减少，可以有效的降低系统连接线路故障。并且可以把信号、控制、执行、监控、维护在一个网络中实现，这个系统的各个智能化节点真正组成一个完整的数字化、信息化、智能化控制系统。

本发明首先根据现有的成熟的故障诊断理论(如基于状态的故障诊断)为悬浮系统设计故障诊断算法。然后为处于正常状态和各种故障状态(如某个控制器失效、某个电磁铁或某个斩波器失效)下的模块悬浮系统分别建立模型，为每个模型根据不同的控制理论(如最优控制理论)分别设计相应的最优控制器，以保证系统在正常和故障状态下，其控制性能都达到最优。将设计好的各个控制器参数存储于控制器的存储器中，以备发生故障时进行切换调用。在悬浮系统运行时，通过故障诊断算法实时检测系统状态。一旦发生故障，控制器则根据故障诊断的结果，进行控制律切换，采用该故障模型对应的控制参数进行控制，以达到容错的目的。

为处于正常状态和各种故障状态下的系统分别设计的最优控制器的输入信号为列车悬浮间隙的设定值，采用了第一传感器组41测得的悬浮间隙信号c₁，列车竖直方向加速度信号和第二传感器组42所测得的悬浮间隙信号c₂，列车竖直方向加速度信号以及电磁铁电流信号作为反馈信号，采用合适的控制理论(如最优控制理论)，根据系统在所考虑状态下的数学模型以及输入信号和反馈信号，设计出相应的控制器参数，以控制电磁铁电流大小，从而产生合适的电磁力，使得列车在运行过程中能够稳定悬浮，悬浮间隙始终保持在设定值附近，并且在列车启动、停车以及受到外部扰动时具有优良的动态性能。

第一传感器组41和第二传感器组42的结构相同，如图4所示，本实施例中，以第一传感器组41为例，其包括三个间隙传感器、加速度计414、判断表决电路单元417、主控DSP单元418以及CAN总线控制模块419，三个间隙传感器包括第一间隙传感器411、第二间隙传感器412、第三间隙传感器413，三个间隙传感器通过判断表决电路单元417与主控DSP单元418相连，加速度计414与主控DSP单元418相连，主控DSP单元418通过CAN总线控制模块419与CAN总线5相连。第一传感器组41以第二电磁铁22和第三电磁铁23连接处为中轴线布置，所述第二传感器组42以第五电磁铁25和第六电磁铁26连接处为中轴线布置。当列车经过轨道1的接缝7时，在DSP定时器中断信号的驱动下，分别对三个间隙传感器的数据通过判断表决电路单元417进行正确性判断以隔离故障传感器，同时得到正确的数据。在得到无误的传感器信号后，主控DSP单元418把信号处理后通过CAN总线控制模块419发送给系统控制器，如果某一类传感器都发生故障，则主控DSP单元418把故障信息传递给控制器和列车运行监督控制系统，并启动相应的容错控制算法保证列车的安全。例如，当任何一个间隙传感器发生卡死、漂移、断路故障时，通过判断表决电路单元的选择，可以剔除故障传感器信号，选择其余正常的传感器信号作为反馈输入，使得悬浮系统稳定性不受影响，当某一类传感器都发生故障时，则通过发送特殊标记数据帧，将故障诊断信息传递给控制器，同时控制器采取容错控制算法，保证列车的安全运行。

如图7所示，本发明所采用的分布式主动容错控制方法中主程序的流程示意图。容错控制算法方法是基于CAN总线输入请求中断机制实现的，以最大程度减少网络诱导时滞的影响。总线控制器每产生一个输入请求中断，悬浮控制程序就计算一次控制量并输出，悬浮控制程序分为主程序和中断服务程序。主程序的工作流程是：控制器在上电后首先执行初始化任务，设置中断控制器、定时器、PWM产生器以及串行接口的工作方式，然后初始化控制算法中需要使用的各种变量，例如缓冲区和控制器参数等；然后等待总线输入请求中断发生，在等待过程中，控制器计算系统的运行时间，显示悬浮系统状态是否正常。如果发生定时器中断，返回上一步，否则跳出主程序，进入中断服务程序；中断服务程序执行完毕返回主程序后，重新等待DSP的定时器中断发生。如图8所示，本发明所采用的分布式主动容错控制方法中中断服务程序的流程示意图，DSP设置CAN总线输入请求中断，在总线输入中断到来后，控制器收集所有的最新传感器信息，以用来进行控制量运算。执行针对控制器本身的故障检测算法，如果控制通道发生故障，关闭该控制回路，并对其余未发生故障的控制器根据采用的主动容错算法改变控制器参数，补偿失效电磁铁的作用力，从而保证模块仍然稳定悬浮。检测获得的传感器信息，如果存在某一类传感器故障，则调用针对传感器的容错控制算法，保证系统的稳定悬浮。最后生成控制量，并写入PWM波寄存器，完成一次控制运算。

第一传感器组41和第二传感器组42的工作原理相同，以第一传感器组41为例，如图5所示，本发明中第一传感器组41的传感器数据采集和A/D转换主程序流程示意图，第一传感器组41作为自身带有MPU的智能传感节点，其对间隙和加速度的采集和A/D转换是通过自身DSP的内部定时中断机制来完成。定时器每隔一固定时间产生一次中断，第一传感器组41利用中断对位置和加速度采样并A/D转换后，利用基于状态的传感器故障诊断算法检测传感器工作状态，剔除掉故障传感器后，将正确数据串行化成CAN总线数据帧发送到对应的控制器上。程序流程为：

第一传感器组41在上电后首先执行初始化任务，设置中断控制器、定时器、PWM产生器以及CAN总线接口的工作模式，然后初始化控制算法中需要使用的各种变量，例如缓冲区和控制器参数等；等待DSP的定时器中断发生。在等待过程中，传感器模块计算系统的运行时间，显示悬浮系统运行状态是否正常。如果发生定时器中断，则进入中断子程序，否则重复步骤以上过程。

如图6所示，第一传感器组的中断子程序流程示意图，其中断子程序包括以下内容：设置DSP定时产生中断，以启动一个采样周期。利用该中断作为A/D转换的驱动信号，采用基于状态的传感器故障检测算法对各个传感器进行故障诊断，如果某一路传感器发生故障，则把该路传感器通路屏蔽如果检测到某一类传感器同时发生故障，则将该故障信息标记给控制器，控制器采取相应的容错控制算法进行补偿，保证列车的安全。最后将正常传感器信息打包成数据帧后发送到网络，传递给控制器。