車輛制動作用下磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)的仿人自適應(yīng)控制方法及裝置與流程

本發(fā)明涉及橋梁隔振技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種列車剎車制動作用下磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)的仿人自適應(yīng)控制方法及平臺。

背景技術(shù)：

鐵路橋梁是交通生命線的重要組成部分，高速行駛的列車在鐵路橋上會由于加速、減速或者緊急制動產(chǎn)生巨大的力，容易在垂向、橫向、順橋向墩-梁上產(chǎn)生較大的位移危及支座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全。傳統(tǒng)的被動橋墩支座在一定程度可以起到很好隔振的效果，但是其剛度阻尼不可調(diào)，目前雖有阻尼可調(diào)器件和被動支座結(jié)合方式進行抗振防護，但僅調(diào)節(jié)阻尼是不夠的，還需要在剎車初期通過快速調(diào)節(jié)剛度來改變結(jié)構(gòu)固有頻率、提高結(jié)構(gòu)強度來提升抗振能力，然而現(xiàn)有橋墩支座系統(tǒng)在大沖擊載荷下的緩沖和隔減振兼容能力有限。

磁敏橡膠由于材料的剪切模量和阻尼損耗因子在外加磁場下具有優(yōu)良的力學(xué)可調(diào)性能，已用于緩沖隔振支座設(shè)計領(lǐng)域。磁敏橋墩支座具有剛度阻尼可調(diào)可控的特點，能夠根據(jù)實際情況實時調(diào)整隔振狀態(tài)，有效地隔離低頻振動，因而能夠應(yīng)用于橋梁隔振系統(tǒng)。由于列車制動會產(chǎn)生巨大的墩頂剪切力、梁體位移，車橋系統(tǒng)多狀態(tài)耦合振動情況十分復(fù)雜，給墩-梁及支座帶來嚴重的結(jié)構(gòu)安全隱患。目前，仿人智能控制策略在協(xié)調(diào)解決多狀態(tài)耦合振動控制領(lǐng)域內(nèi)取得了很多研究成果，而遺傳算法有隨機搜索能力及可擴展性強，能很好地對單個狀態(tài)控制目標進行尋優(yōu)。因而，由仿人智能控制器與遺傳算法相結(jié)合來研究列車制動下引起的車、橋(支座)耦合振動控制問題具有一定的價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本文發(fā)明提供了一種車輛制動作用下磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)的智能控制方法及平臺，可以有效提高隔振能力。

本發(fā)明提供了一種車輛制動作用下磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)的仿人自適應(yīng)控制方法，所述橋墩支座隔振系統(tǒng)包括：橋面、磁敏橋墩支座、橋墩及地基，所述磁敏橋墩支座設(shè)置于所述橋墩之上用于支撐所述橋面，所述磁敏橋墩支座為一個可同時變剛度和變阻尼的磁敏彈性體，其中，所述方法包括：

(1)采集隔振系統(tǒng)三個方向的振動狀態(tài)，包括順橋向、橫橋向及垂橋向的位移、速度、加速度及力的大小；

(2)根據(jù)采集到的信息確定列車位置，并根據(jù)三個方向的振動幅度結(jié)合列車位置確定隔振系統(tǒng)的振動狀態(tài)；

(3)根據(jù)步驟(2)判斷各個磁敏橋墩支座位置處的振動狀態(tài)，不同的振動狀態(tài)對應(yīng)著不同的控制輸出，形成仿人自適應(yīng)控制方法。根據(jù)所述步驟(1)提取出橋梁-支座系統(tǒng)各個位置的位移、速度、加速度及力的信號并轉(zhuǎn)化為仿人自適應(yīng)控制中的感知特征模型，并實時調(diào)整控制器參數(shù)，根據(jù)振動狀態(tài)劃分得到控制中的輸出控制模型以及關(guān)聯(lián)模型，其中輸出控制模型包含了保持控制、比例控制、遺傳算法控制及比例積分控制算法對磁敏橋墩支座控制力進行求解。

(4)根據(jù)磁敏橋墩支座的輸入輸出特性，計算步驟(3)求解得到磁敏橋墩支座控制力值對應(yīng)的電流值，并根據(jù)計算出來的電流值調(diào)節(jié)所述磁敏橋墩支座的驅(qū)動電流。

進一步，所述振動狀態(tài)根據(jù)仿人自適應(yīng)控制方法劃分為八種。具體包括：平衡狀態(tài)a、順橋向振動l、橫橋向振動h、垂橋向振動v、順橫橋耦合振動lh、順垂橋向耦合振動lv、橫垂橋向耦合振動hv、順橫垂橋向耦合振動lhv。這八種振動狀態(tài)類似，分別代表橋梁隔振系統(tǒng)三個方向上的振動烈度。通過仿人自適應(yīng)算法控制磁敏橋墩支座電流使順、橫、豎橋向振動狀態(tài)迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài)。

1.進一步，所述順橫垂橋向耦合振動lhv的感知特征模型為：多個特征基元進行“與”運算形成特征模態(tài)，且多個特征模態(tài)通過協(xié)調(diào)與沖突調(diào)解組合為感知特征模型。

采集系統(tǒng)中傳感器感知到的輸入信號縱向位移、縱向速度、縱向位移峰值以及墩頂剪力等，通過特征提取形成特征基元ux、uy、uz、vx、vy、vz、ax、ay、az、fx、fy、fz。上述特征基元分別為順橋向、橫橋向及垂橋向位移、速度、加速度及力的大小；

lhv的特征模態(tài)包括：q71||ux|＞uxt，q72||uy|＞uyt，q73||uz|＞uzt，q74|ux·vx＞0，q75|ux·vx＜0，q76|uy·vy＞0，q77|uy·vy＜0，q78|uz·vz＞0，q79|uz·vz＜0，q710||fx|＞fxt，q711||fy|＞fyt，q712||fz|＞fzt，共12種。

其中，uxt、uyt、uzt分別為磁敏橋墩支座順橋向、橫橋向及垂橋向位移閾值，fxt、fyt、fzt分別墩頂剪力、橫向力及傳遞到地基的力的閾值；

lhv的感知特征模型

進一步，所述順橫垂橋向耦合振動lhv的輸出控制模型為：ψ7＝{ψ71，ψ72，ψ73，ψ74}。

其中，ψ71：u(k)＝u(k-1)；ψ72：u(k)＝u(k-1)+kp1·δe(k)；ψ73：遺傳算法；ψ74：u(k)＝u(k-1)+kp2·δe(k)+k1·e(k)。

進一步，所述順橫垂橋向耦合振動lhv的關(guān)聯(lián)模型為：ω7＝{w71，w72，w73，w74}。

進一步，磁敏橋墩支座控制力的輸入輸出特性是指：支座輸出控制力與控制電流i、支座位移x、支座速度之間的力學(xué)關(guān)系。

進一步，實時調(diào)整控制器參數(shù)是指：根據(jù)橋梁當前的振動特性設(shè)定參數(shù)校正級，使控制器的自適應(yīng)性能更好。

本發(fā)明還提供了一種基于車輛制動作用下磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)裝置，包括：

磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)，主要由激振器、橋面、磁敏橋墩支座、橋墩及地基組成，所述磁敏橋墩支座設(shè)置于所述橋墩之上用于支撐所述橋面，所述磁敏橋墩支座為一個可同時變剛度和變阻尼的磁敏彈性體，所述振動器用于模擬車輛制動所產(chǎn)生的振動效果；

激振器模塊，模擬所述車輛制動工況；

傳感及信號處理模塊，測量所述模擬的車輛制動作用下磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)在所述激勵下的振動信號參量并進行處理；

控制器模塊，用于選擇輸出如上所述的方法，控制所述磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明實施例利用仿人自適應(yīng)控制算法能夠在多狀態(tài)耦合、多控制條件、振動情況復(fù)雜的基礎(chǔ)上綜合考慮控制目標，得到最優(yōu)控制集。將仿人自適應(yīng)控制算法引入列車緊急制動下磁敏支座橋梁系統(tǒng)的隔振中，用以解決磁敏支座隔振控制效果不佳的問題，它可以根據(jù)振動烈度自動選擇適合的控制方法并自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制參數(shù)，通過算法在線同時調(diào)節(jié)多個磁敏支座電流值，達到最優(yōu)的隔減振效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是本發(fā)明提供的車輛制動作用下的磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)的仿人自適應(yīng)控制方法實施的流程示意圖

圖3是本發(fā)明體統(tǒng)的車輛制動作用下磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)振動狀態(tài)劃分示意圖

具體實施方式

請參考圖1，是本發(fā)明提供的磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置主要包括橋墩支座隔振系統(tǒng)、激振器、傳感模塊、信號處理模塊以及控制器模塊。其中，磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)包括橋面(6)、磁敏橋墩支座(7)、橋墩(8)及地基(9)；激振器(10)敲擊橋面模擬車輛制動順橫垂橋向耦合振動情況；傳感模塊包括三軸加速度傳感器(1)、以及垂橋向應(yīng)變片(2)、橫橋向振動應(yīng)變片(3)、順橋向振動應(yīng)變片(4)和三軸力傳感器(5)，分別用以采集列車制動作用下隔振系統(tǒng)裝置橋面及支座處垂橋向、橫橋向以及順橋向的加速度值、力的大小、位移大?。恍盘柼幚砟K包括信號放大及濾波；控制器模塊根據(jù)振動信號及控制方法輸出適當?shù)目刂齐娏鳌?/p>

請參考圖2，是本發(fā)明提供的車輛制動作用下的磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)的仿人自適應(yīng)控制方法實施的流程示意圖。其具體方法如下：

步驟s21、采集圖1磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)裝置橋面及磁敏橋墩支座三個橋向的位移、速度、加速度及力信號。

該磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)裝置中設(shè)置有兩對即4個磁敏橋墩支座，置于裝置橋面的四個角下。橋面四個角上及側(cè)面裝上應(yīng)變片、加速度傳感器及力傳感器檢測三個方向上的振動信號。采用圖1中(10)的小錘子同時敲擊橋面，用以模擬垂向、橫向和順向耦合振動，即lhv振動狀態(tài)。

步驟s22、將步驟s21中采集回來的信號進行處理。請參考圖3，是本發(fā)明體統(tǒng)的車輛制動作用下磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)振動狀態(tài)劃分示意圖。根據(jù)振動強度判斷磁敏橋墩支座隔振系統(tǒng)的振動狀態(tài)，所述的振動狀態(tài)包括平衡狀態(tài)a、順橋向振動l、橫橋向振動h、垂橋向振動v、順橫橋耦合振動lh、順垂橋向耦合振動lv、橫垂橋向耦合振動hv、順橫垂橋向耦合振動lhv，共八種狀態(tài)。此實施方案中僅考慮耦合振動最為復(fù)雜的lhv振動工況及其控制方案。

此步驟，利用位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器及力傳感器檢測隔振試驗裝置的振動情況。信號處理模塊將傳感器(圖1中(1)、(2)、(3)、(4)、(5))檢測到三個方向的加速度、位移及力的信號采集回來并進行處理。信號輸入控制器中，判斷其是否符合lhv耦合振動狀態(tài)，若隔振系統(tǒng)裝置的振動狀態(tài)為lhv，則執(zhí)行下一步。

步驟s23、根據(jù)采集到的加速度信號值與設(shè)定的標準值進行比較計算，在線實時調(diào)整控制器的各個參數(shù)。

步驟s24、根據(jù)隔振系統(tǒng)裝置振動強度設(shè)計控制算法，輸出控制模型。此過程包括感知特征模型、關(guān)聯(lián)模型、輸出控制模型三部分。其中，輸出控制模型包括保持控制、比例控制、遺傳算法控制以及比例積分控制，根據(jù)不同振動情況選擇適合的控制方法求解出最優(yōu)控制電流。

感知特征模型、輸出控制模型、關(guān)聯(lián)模型三部分說明如下：

(一)感知特征模型

感知特征模型為：多個特征基元進行“與”運算形成特征模態(tài)，且多個特征模態(tài)通過協(xié)調(diào)與沖突調(diào)解組合為感知特征模型。

其中，ux、uy、uz、vx、vy、vz、ax、ay、az、fx、fy、fz為隔振系統(tǒng)裝置四個磁敏支座三個方向上的位移、速度、加速度及力的輸入信號基元，ux、uy、uz、ax、ay、az、fx、fy、fz分別為順橋向、橫橋向及垂橋向位移、加速度及力的大小，由應(yīng)變片、加速度傳感器及力傳感器采集回來；vx、vy、vz為順橋向、橫橋向及垂橋向速度大小，通過加速度信號積分得到；

lhv的特征模態(tài)包括：q71||ux|＞uxt，q72||uy|＞uyt，q73||uz|＞uzt，q74|ux·vx＞0，q75|ux·vx＜0，q76|uy·vy＞0，q77|uy·vy＜0，q78|uz·vz＞0，q79|uz·vz＜0，q710||fx|＞fxt，q711||fy|＞fyt，q712||fz|＞fzt，共12種。

其中，uxt、uyt、uzt分別為磁敏橋墩支座順橋向、橫橋向及垂橋向位移閾值，fxt、fyt、fzt分別墩頂剪力、橫向力及傳遞到地基的力的閾值；

lhv的感知特征模型

(二)輸出控制模型

輸出控制模型為：ψ7＝{ψ71，ψ72，ψ73，ψ74}。

其中，ψ71：u(k)＝u(k-1)；ψ72：u(k)＝u(k-1)+kp1·δe(k)；ψ73：遺傳算法；ψ74：u(k)＝u(k-1)+kp2·δe(k)+k1·e(k)。

此次，設(shè)置了兩對即4個磁敏支座，仿人自適應(yīng)控制需要根據(jù)控制器輸入信號將振動狀態(tài)分為四種不同的情況進行處理。第一種，當車輛制動處于初期，對橋梁隔振系統(tǒng)順、橫、垂橋向有影響但振動均為減弱時，采用保持控制，即ii(k+1)＝ii(k)(i＝1，2，3，4)；第二種，當車輛制動處于急速上升期，對隔振系統(tǒng)順、橫、垂橋向中某一個方向或者幾個方向影響較大時，采用遺傳算法整定4個磁敏支座電流控制參數(shù)i1、i2、i3、i4；第三種，當車輛制動處于最后制動階段，對橋梁隔振系統(tǒng)順、橫、垂橋向影響均為較大時，采用比例控制，快速降低振動幅值；第四種，當車輛制動停止，橋梁隔振系統(tǒng)處于振動恢復(fù)時，采用比例積分控制，降低振動響應(yīng)時間。

其中，第二、三、四種情況的控制參數(shù)設(shè)置具體方法如下：

第二種，控制方法為遺傳算法，三個方向上的單控制目標分別如下所示。

剪切位移控制目標為：剪切力控制目標為：橫向力控制目標為：傳遞到地基的力控制目標為：

綜合考慮剪切位移、剪力、橫向力及傳遞到地基的力將控制目標設(shè)定為：

minj(i)＝min[w1(j1(i)/|uxtop|)+w2(j2(i)/|fxtop|)+w3(j3(i)/|fytop|)+w4(j4(i)/|fztop|)]。均衡四個控制目標權(quán)重，將其加權(quán)系數(shù)w1、w2、w3、w4均取值為0.25。

步驟s25、根據(jù)輸出控制模型計算磁敏支座控制力，并根據(jù)控制力與電流關(guān)系表達式推出其控制電流值。磁敏橋墩支座控制力的輸入輸出特性是指：其中，ηm0、ηm1、km0、km1、cm0、cm1、k1為常系數(shù)，z、y為支座控制力的內(nèi)變量，x、分別為支座位移、速度。將其帶入振動平衡方程式[m]{a}+[c]{v}+[k]{u}+[d]fd＝{r}中，利用遺傳算法求解使平衡方程式成立且控制目標最優(yōu)的控制參數(shù)，首先得到最優(yōu)支座控制力，再反解得到磁敏支座外加激勵，即4個磁敏支座最優(yōu)的控制電流值i1、i2、i3、i4。

其中，{a}、{v}、{u}為三橋向加速度、速度及位移向量值，[m]、[c]、[k]分別為模型質(zhì)量、阻尼，剛度矩陣；fd為磁敏支座三個方向上提供的力值，由外加電流形成的磁場控制；[d]為定位矩陣，確定支座力位置及方向；{r}為列車制動力。

第三種及第四種控制方法分別為比例控制方法和比例積分控制方法，其參數(shù)由自適應(yīng)遺傳算法自動確定。

磁敏支座的輸出控制電流值i∈[0a，2a]，由上述方法確定磁敏支座的最優(yōu)控制電流值i1、i2、i3、i4。

(三)關(guān)聯(lián)模型

關(guān)聯(lián)模型為：ω7＝{w71，w72，w73，w74}。其作用是隔振系統(tǒng)裝置在順橋向、橫橋向及垂橋向發(fā)生較大振動情況時，協(xié)調(diào)感知模型與輸出控制模型之間的關(guān)系，得出最優(yōu)的輸出控制電流。

具體表述由生成規(guī)則“if...then...”產(chǎn)生，則有

由上述三個模型部分共同作用，實現(xiàn)系統(tǒng)裝置的仿人自適應(yīng)控制。感知模型主要負責應(yīng)變片、加速度傳感器、力傳感器信號的采集及判斷，并經(jīng)過關(guān)聯(lián)模型與輸出控制模型取得聯(lián)系，最終由輸出控制模型得到最優(yōu)控制電流參數(shù)。

步驟s26、判斷振動是否結(jié)束，若未結(jié)束則繼續(xù)上述各步驟，用相同的狀態(tài)劃分方法及控制算法控制耦合情況更為簡單的順橋向振動l、橫橋向振動h、垂橋向振動v、順橫橋耦合振動lh、順垂橋向耦合振動lv、橫垂橋向耦合振動hv情況。若橋梁隔振系統(tǒng)已恢復(fù)平衡狀態(tài)則停止控制。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。