本發(fā)明屬于交通減振控制，更具體地，涉及一種基于電渦流阻尼器的主動(dòng)耗能減振方法。

背景技術(shù)：

1、懸掛式單軌交通是一種車輛直接懸吊在軌道梁下方運(yùn)行的新制式軌道交通，由于其軌道梁在上，車輛在下的特殊車橋結(jié)構(gòu)形式，在運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性方面明顯不足于傳統(tǒng)軌道交通項(xiàng)目。當(dāng)帶有脈動(dòng)成分的近地風(fēng)繞過非流線形斷面的軌道梁時(shí)，會(huì)產(chǎn)生的漩渦脫落和流動(dòng)分離現(xiàn)象，導(dǎo)致運(yùn)行于軌道梁上的車輛受到復(fù)雜的空氣作用力，產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)響應(yīng)，會(huì)顯著降低車輛運(yùn)行的安全性和舒適性。懸掛式單軌交通系統(tǒng)線路常采用并行雙線形式，并且兩條線路軌道梁彼此分離，這導(dǎo)致上游線路車橋與下游線路車橋之間存在顯著的氣動(dòng)干擾現(xiàn)象，尤其是在極端風(fēng)荷載的作用下，這些效應(yīng)會(huì)得到放大，車輛的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)明顯增大，也會(huì)嚴(yán)重影響懸掛式單軌鐵路上車輛運(yùn)行的舒適性和安全性。懸掛式單軌交通在通過線路小半徑曲線、道岔以及強(qiáng)風(fēng)條件下，會(huì)產(chǎn)生鐘擺效應(yīng)，運(yùn)行平穩(wěn)性變差，乘坐舒適度降低，這些缺陷在也在一定程度上限制了懸掛式單軌交通在國內(nèi)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2、為了減小懸掛式單軌交通運(yùn)營過程中振動(dòng)響應(yīng)，提高其運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性，一般采取被動(dòng)控制的方式在車輛安裝粘滯阻尼器，傳統(tǒng)的液體粘滯阻尼器為液體油壓結(jié)構(gòu)，密封件老化、磨損之后漏油問題嚴(yán)重，耐久性差，壽命短，由于油的溫度敏感性，嚴(yán)寒和高溫地區(qū)的使用性能受到影響，阻尼器的啟動(dòng)摩擦力大，無法抑制結(jié)構(gòu)微小振動(dòng)，致使結(jié)構(gòu)疲勞損壞，且當(dāng)前阻尼器的阻尼力的大小無法根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)精確主動(dòng)調(diào)節(jié)，尤其是在風(fēng)速等級(jí)較大的時(shí)候，在極端風(fēng)荷載的作用下，梁在上車在下的懸掛式單軌產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)將得到放大，系統(tǒng)所需的阻尼力大小已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其本身的能力范疇，導(dǎo)致系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)無法得到有效抑制，行車舒適感及安全性將顯著降低，同時(shí)將嚴(yán)重?fù)p傷甚至破壞阻尼器，導(dǎo)致其喪失阻尼功能。

3、因此，針對(duì)懸掛式單軌交通，急需創(chuàng)新懸掛式單軌交通減振耗能新技術(shù)，并設(shè)計(jì)一種主動(dòng)耗能減振方法或者裝置，從而有效抑制各種運(yùn)行情況下的振動(dòng)響應(yīng)，從而提高行車舒適感及安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(一)要解決的技術(shù)問題

2、基于上述背景技術(shù)提及的缺陷，本發(fā)明公開了一種基于電渦流阻尼器的主動(dòng)耗能減振方法，根據(jù)電渦流阻尼器基本工作原理，結(jié)合懸掛式單軌交通的結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)行方式，采用電渦流阻尼器取代傳統(tǒng)粘滯的油阻尼器，將改進(jìn)的電渦流阻尼器安裝于懸掛式單軌車體振動(dòng)響應(yīng)最大的的底部中心區(qū)域，并將電渦流阻尼器內(nèi)部設(shè)計(jì)成一種內(nèi)部導(dǎo)體板可以根據(jù)需要進(jìn)行高度自由調(diào)節(jié)的方式，通過試驗(yàn)測試以及仿真模擬精細(xì)化設(shè)計(jì)電渦流阻尼器內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，具象化阻尼器的輸出阻尼力大小，以主動(dòng)調(diào)節(jié)車輛系統(tǒng)減振所需要的阻尼大小，實(shí)時(shí)對(duì)懸掛式單軌交通在通過線路小半徑曲線、道岔以及強(qiáng)風(fēng)等條件下的各種振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行能量消耗及控制，解決懸掛式單軌車輛長期以來運(yùn)行平穩(wěn)性差和乘坐舒適度差的詬病，為懸掛式單軌交通減振耗能提供一種全新的差異化設(shè)計(jì)的控制方式，以有效抑制懸掛式單軌交通各種運(yùn)行情況下的振動(dòng)響應(yīng)。

3、(二)技術(shù)方案

4、本發(fā)明公開了一種基于電渦流阻尼器的主動(dòng)耗能減振方法，電渦流阻尼器安裝并固定于懸掛式單軌車廂底部中線位置和車輛內(nèi)部走行面的下方，所述電渦流阻尼器包括自下而上設(shè)置的導(dǎo)體板調(diào)節(jié)裝置、導(dǎo)體板、永磁體、質(zhì)量塊、彈簧和直線軸承，導(dǎo)體板的下方設(shè)置有可升降控制的導(dǎo)體板調(diào)節(jié)裝置，固定于車廂兩側(cè)的所述直線軸承能帶動(dòng)下方的質(zhì)量塊進(jìn)行軸向的自由水平滑動(dòng)，所述質(zhì)量塊的左右兩側(cè)通過彈簧與車廂側(cè)壁連接，質(zhì)量塊的底部設(shè)有永磁體；

5、所述基于電渦流阻尼器的主動(dòng)耗能減振方法包括：

6、步驟1：實(shí)時(shí)采集懸掛式單軌的車輛運(yùn)行過程中的橫向速度v(t)和加速度a(t)；

7、步驟2：判斷加速度a(t)＞a0是否成立，a0為預(yù)設(shè)的加速度閾值，若是，則執(zhí)行下一步驟，若否，則不會(huì)向?qū)w板高度調(diào)節(jié)裝置發(fā)出控制指令；

8、步驟3：建立車輛系統(tǒng)的狀態(tài)方程其中s(t)為車輛的系統(tǒng)狀態(tài)向量，包含橫向速度和加速度，為車輛系統(tǒng)的狀態(tài)向量求導(dǎo)，a為系統(tǒng)特性矩陣，能根據(jù)車輛的質(zhì)量、阻尼和剛度得到，u(t)為系統(tǒng)所需的橫向控制力，b為控制力的作用位置矩陣，能根據(jù)電渦流阻尼器的輸出阻尼力的作用位置坐標(biāo)得到，f(t)為外部作用，d為外部作用位置矩陣，均由傳感器測量得到；

9、步驟4：通過最優(yōu)控制原理計(jì)算得到最優(yōu)的橫向控制力u(t)；

10、步驟5：當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑r≥1000m時(shí)，由電渦流阻尼器的阻尼力提供車輛系統(tǒng)的橫向控制力u(t)，并滿足：

11、

12、其中，fc為阻尼力，n為磁極對(duì)數(shù)，am為單個(gè)永磁體在導(dǎo)體板上的投影面積，t3是導(dǎo)體板的厚度，σ為導(dǎo)體板的磁導(dǎo)率，bre為永磁鐵剩余磁通密度，t1為永磁體的厚度，v(t)為導(dǎo)體板的運(yùn)動(dòng)速度，即步驟1中采集的車輛的橫向速度，t2為永磁鐵與導(dǎo)體之間的間距，此時(shí)t2作為待求的可控變量；

13、當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑r＜1000m時(shí)，由電渦流阻尼器的阻尼力提供車輛系統(tǒng)的橫向控制力u(t)和離心力，并滿足：

14、

15、其中，m為懸掛式單軌車輛的車體的總質(zhì)量，r為車輛運(yùn)行線路的轉(zhuǎn)彎半徑，求解得到作為可控變量的永磁鐵與導(dǎo)體板之間的間距t2；

16、步驟6：根據(jù)步驟5中新計(jì)算出的永磁鐵與導(dǎo)體板之間的間距t2，控制導(dǎo)體板高度調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行垂直上升，使導(dǎo)體板上升高度為δ＝t0-t1-t2，t0為質(zhì)量塊與導(dǎo)體板處于初始位置時(shí)的間距，實(shí)時(shí)提供系統(tǒng)所需最優(yōu)的橫向控制力，以進(jìn)行主動(dòng)平衡控制。

17、優(yōu)選的，采集橫向速度v(t)和加速度a(t)的傳感器包括加速度傳感器和速度傳感器，傳感器將采集的橫向速度v(t)和加速度a(t)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與分析。

18、優(yōu)選的，所述加速度傳感器和速度傳感器安裝在車體底部位置，所述控制器安裝在車輛的車廂內(nèi)。

19、優(yōu)選的，所步驟4具體包括：

20、步驟4.1：建立車輛系統(tǒng)的性能指標(biāo)函數(shù)j：

21、

22、其中st(t)為系統(tǒng)狀態(tài)s(t)的轉(zhuǎn)置矩陣，q、r為控制參數(shù)，ut(t)為橫向控制力u(t)的轉(zhuǎn)置矩陣，t為時(shí)間，t初為初始時(shí)間；

23、步驟4.2：采用lagrange乘子法，引入乘子向量λ(t)，將性能指標(biāo)函數(shù)j等式的約束泛函極值問題轉(zhuǎn)化為無約束泛函極值問題，建立并求解lagrange函數(shù)l：

24、

25、其中，t初為初始時(shí)間，λt(t)為乘子向量λ(t)的轉(zhuǎn)置，將lagrange函數(shù)l對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)向量s(t)和橫向控制力u(t)進(jìn)行變分處理并令之為零，求解得到控制力u(t)＝-r-1btλ(t)；

26、步驟4.3：為了使橫向控制力u(t)能由狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)，建立乘子向量λ(t)與系統(tǒng)狀態(tài)向量s(t)之間的線性變換關(guān)系矩陣z(t)，設(shè)λ(t)＝p(t)z(t)，其中p(t)為待求解矩陣，此時(shí)控制力u(t)＝-r-1btp(t)z(t)，為了求解p(t)，根據(jù)函數(shù)l取極小值的必要條件以及對(duì)λ(t)的求導(dǎo)變換，建立非線性矩陣微分方程：

27、

28、根據(jù)控制的意義，當(dāng)t→∞時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)充分接近零狀態(tài)

29、

30、求解p(t)，將矩陣p(t)代入方程u(t)＝-r-1btp(t)z(t)，設(shè)控制力狀態(tài)反饋增益矩陣g＝r-1btp(t)，利用matlab中二次型控制器lqr函數(shù)求解控制力狀態(tài)反饋增益矩陣g＝lqr(a,b,q,r)，得到最優(yōu)的橫向控制力u(t)＝-gz(t)。

31、優(yōu)選的，所述橫向控制力u(t)能通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃的優(yōu)化算法計(jì)算得到。

32、優(yōu)選的，所述步驟1-6按照預(yù)設(shè)周期循環(huán)執(zhí)行。

33、優(yōu)選的，所述高度調(diào)節(jié)裝置與導(dǎo)體板之間設(shè)有導(dǎo)體背板，質(zhì)量塊與永磁體之間設(shè)有磁體背板。

34、(三)有益效果

35、1.本發(fā)明采用電渦流阻尼器代替?zhèn)鹘y(tǒng)粘滯油阻尼器，徹底解決漏油問題，提高阻尼器使用壽命，減少運(yùn)維成本；改進(jìn)創(chuàng)新電渦流阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將內(nèi)部導(dǎo)體板設(shè)計(jì)為可以主動(dòng)調(diào)節(jié)高度，使得電渦流阻尼器主動(dòng)改變阻尼力的大小，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制力輸出且穩(wěn)定性高，提高系統(tǒng)振動(dòng)控制能力的范疇，以及應(yīng)對(duì)極端情況的主動(dòng)適應(yīng)能力；

36、2.在硬件改進(jìn)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還針對(duì)懸掛式單軌交通的特性設(shè)計(jì)了一套主動(dòng)耗能減振方法，故其減振方法屬于軟硬件結(jié)合改進(jìn)技術(shù)，通過建立電渦流阻尼器的阻尼力大小與各項(xiàng)核心參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了阻尼器阻尼力的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)控制，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確穩(wěn)定的控制力輸出；通過設(shè)計(jì)控制器主動(dòng)控制算法，根據(jù)車輛系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及線路情況，進(jìn)行條件判斷和計(jì)算分析，得到最優(yōu)輸出控制力大小，從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)精準(zhǔn)振動(dòng)控制。