對(duì)懸浮控制系統(tǒng)數(shù)字化軟件設(shè)計(jì)的探討

尹力明 上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 (200233)

尹力明 （1951年～），男，大學(xué)本科，教授級(jí)高級(jí)工程師。主要研發(fā)方向：磁懸浮技術(shù)、電機(jī)與拖動(dòng)控制、城市軌道交通車輛。

0 前 言

在我國(guó)研發(fā)中低速磁浮列車的許多參與單位，考慮前期的基礎(chǔ)研究經(jīng)歷，先后已經(jīng)渡過近30年的時(shí)間。到目前為止，已經(jīng)建立了3條長(zhǎng)度大于1.5km的試驗(yàn)線（在上海、唐山和株洲都有實(shí)體獨(dú)立投資建設(shè)的包括車庫、高架軌梁、大斜率坡道、道岔和不同半徑彎道的線路），建造了三列、5型試驗(yàn)列車（北京控股公司造了三型，上海磁浮公司和株洲電力機(jī)車廠各一型，株洲線見圖1），均取得了大量的技術(shù)成果，也獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和技術(shù)儲(chǔ)備[1]。

但是，在系統(tǒng)集成和運(yùn)行調(diào)試的過程中，懸浮控制系統(tǒng)的品質(zhì)，一直困擾著研發(fā)人員，許多分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試，也受到不同的影響。可見，懸浮控制系統(tǒng)最終成了衡量研發(fā)單位的技術(shù)和知識(shí)水平的標(biāo)桿，也是研發(fā)項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵核心技術(shù)。

該系統(tǒng)同樣也經(jīng)歷了先從模擬電路進(jìn)行技術(shù)摸索，在取得調(diào)試參數(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后，逐步過渡到數(shù)字控制系統(tǒng)的全過程。盡管早期的試驗(yàn)車在模擬電路的控制系統(tǒng)施控下，也實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的懸浮和運(yùn)行，但是，這種系統(tǒng)所固有的缺陷，同樣也是令人頭疼的。如環(huán)境和部件的溫度變化、軌道變形帶來的平順度變化、電路的零位電壓的漂移等等，都會(huì)引起系統(tǒng)的固有參數(shù)發(fā)生改變，以致懸浮系統(tǒng)出現(xiàn)工作不穩(wěn)定。由于控制器分別安裝在車體的不同位置上，為了防塵和防水，又要有一定的防護(hù)條件。為此，要想修改系統(tǒng)模擬電路中的關(guān)鍵參數(shù)，是非常不方便的。

圖1 株洲的線路和列車

自從引入了數(shù)字化控制系統(tǒng)以后，懸浮控制系統(tǒng)可以比較自由地采取多種控制算法對(duì)列車進(jìn)行懸浮控制，還取得了相當(dāng)理想的靜、動(dòng)態(tài)效果，并為列車的遠(yuǎn)程無線指令的控制和系統(tǒng)狀態(tài)的檢測(cè)、系統(tǒng)參數(shù)通過車載網(wǎng)絡(luò)的在線修改、運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和處理等，提供了很好的軟硬件平臺(tái)。誠然，數(shù)字化硬件平臺(tái)由于技術(shù)的提高和完善，功能和架構(gòu)也都達(dá)到了比較完善的技術(shù)階段，但是，由于懸浮控制軟件設(shè)計(jì)人員的知識(shí)水平和實(shí)踐基礎(chǔ)，使得在這個(gè)硬件平臺(tái)上實(shí)施的軟件設(shè)計(jì)技巧和水平，在實(shí)際的運(yùn)行試驗(yàn)和調(diào)試中，卻有明顯的差異。本文就所了解的設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，提出一些建議和意見。

1 數(shù)字化軟件的優(yōu)勢(shì)

圖2 懸浮系統(tǒng)固有特性

磁懸浮控制系統(tǒng)與電機(jī)牽引和拖動(dòng)控制系統(tǒng)，在執(zhí)行元件的機(jī)械和電氣特性上的傳遞函數(shù)，有著極大的不同。牽引和拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件—電機(jī)，其固有的電氣和機(jī)械特性就是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，還具備較寬裕的線性范圍。為此，對(duì)其實(shí)施的各種控制算法和設(shè)計(jì)的各種系統(tǒng)參數(shù)，都是為了提高電機(jī)的運(yùn)行水平和品質(zhì)。但是，磁懸浮控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件—懸浮電磁鐵，由于其固有的電氣和機(jī)械特性是不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和呈非線性的變化特性，因而，懸浮控制系統(tǒng)的算法和系統(tǒng)參數(shù)的選取，要相對(duì)麻煩和復(fù)雜一點(diǎn)。

比如，早期為模擬電路設(shè)計(jì)的懸浮電磁鐵的數(shù)學(xué)模型及系統(tǒng)可以用圖2來描述。但是，從自動(dòng)控制理論來講，這一項(xiàng)中就含有不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

為此，采用模擬電路的懸浮控制系統(tǒng)，在矯正網(wǎng)絡(luò)的選擇中，很難設(shè)計(jì)一個(gè)電路，能夠產(chǎn)生相關(guān)矯正環(huán)節(jié)，以獲得在傳遞函數(shù)表達(dá)式的分子上實(shí)施抵消矯正的效果。為此,經(jīng)常使用的是超前校正網(wǎng)絡(luò)，甚至采用兩級(jí)超前矯正網(wǎng)絡(luò)。

但是，在數(shù)字軟件設(shè)計(jì)中，建立這樣數(shù)學(xué)表達(dá)式，卻是十分容易的。于是，這個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)環(huán)節(jié)被改造成特性穩(wěn)定的環(huán)節(jié)，再將其矯正成典型的自控教科書中推薦的“Ⅱ”型系統(tǒng)和帶有快速電流環(huán)的位置、電流雙環(huán)系統(tǒng)，就可以兼顧快速性和穩(wěn)定性，并具備位置跟蹤無差的特性。

由于中低速磁浮列車的轉(zhuǎn)向架與車體之間安裝了用空氣彈簧減震的二次系，其固有的特性頻率很低，只有1Hz[2]。為此，上述數(shù)學(xué)模型中的控制參數(shù)m，只是懸浮控制點(diǎn)的轉(zhuǎn)向架模塊的質(zhì)量和轉(zhuǎn)向架模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的等效質(zhì)量之和，列車車體作用在轉(zhuǎn)向架上的等效承載質(zhì)量，可以看成是相對(duì)穩(wěn)定的外加干擾力。

可見，采用數(shù)字化懸浮控制系統(tǒng)之后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加靈活，這就是系統(tǒng)數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)，下面的介紹還可以證明這一點(diǎn)。

2 時(shí)間常數(shù)函數(shù)化

在圖1中的電氣環(huán)節(jié)中，有這樣一項(xiàng)，

如果能夠獲得在不同氣隙下的電流環(huán)的最佳閉環(huán)特性，則電流環(huán)的矯正網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)的對(duì)消時(shí)間常數(shù)，就應(yīng)該相應(yīng)地也有同樣的變化規(guī)律，并帶有隨氣隙而變化的函數(shù)關(guān)系，才能保證懸浮系統(tǒng)在任意氣隙下，都有較相同和較穩(wěn)定的調(diào)節(jié)特性。

對(duì)于氣隙位置環(huán)的矯正網(wǎng)絡(luò)，其關(guān)鍵的對(duì)消環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)（調(diào)試過程中會(huì)獲得這樣的數(shù)據(jù)），也應(yīng)該成為與氣隙變化成相同函數(shù)變化關(guān)系的參數(shù)。

這些與氣隙變化成函數(shù)關(guān)系的參數(shù)，可以以一定步長(zhǎng)列出表單，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，用對(duì)應(yīng)的氣隙數(shù)值去查表，以及使用插值的方式帶入矯正網(wǎng)絡(luò)實(shí)施控制。當(dāng)然，與氣隙變化成函數(shù)關(guān)系的多種控制參數(shù)，也可以用最小二乘法轉(zhuǎn)換成冪級(jí)數(shù)形式，運(yùn)算起來可以更快一些。這種變參數(shù)的控制方式，在國(guó)內(nèi)外的數(shù)字控制系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，非常成熟。

對(duì)電氣時(shí)間常數(shù)有一定影響的參數(shù)還有懸浮電磁鐵的電阻R，它與電磁鐵的繞組溫度t有關(guān)。實(shí)際上電磁鐵上已經(jīng)安裝有溫度傳感器，可以引進(jìn)這個(gè)電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系，處理方式與電感相同。

數(shù)字懸浮控制系統(tǒng)可以把氣隙δ和溫度t作為參數(shù)變量，并帶入電感L（δ）和電阻R（t）中，為實(shí)時(shí)改變時(shí)間常數(shù)提供了方便。

3 非線性特性線性化

懸浮電磁鐵的電磁吸力，既有隨控制電流i的平方而變化的函數(shù)關(guān)系，又有隨氣隙δ呈反比變化的函數(shù)關(guān)系，具有兩元影響的輸出特性。過去的懸浮系統(tǒng)，都是在額定氣隙附近做線性化處理，往往在靜態(tài)和平順的線路上，可以調(diào)出比較理想的懸浮特性。但是，一旦出現(xiàn)進(jìn)入部件特性的非線性區(qū)和超出穩(wěn)定范圍的條件，這種線性化的控制系統(tǒng)則無法滿足寬裕度的控制范圍。這就是不穩(wěn)定的磁懸浮系統(tǒng)經(jīng)過超前校正后，仍處于線性系統(tǒng)的工作模式而帶來的不足之處。

如果在系統(tǒng)的電流控制輸出中，加入一個(gè)隨氣隙呈“反”反比變化和隨電流呈“反”平方變化的特性環(huán)節(jié)，就可以使懸浮電磁力的變化，與電流的變化或氣隙的變化呈現(xiàn)線性變化的特性，系統(tǒng)就可以用經(jīng)典及成熟的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)懸浮控制，見圖3。這個(gè)控制參數(shù)隨電流i和氣隙δ的變化的取值策略，同樣可以用查表和插值的方法來調(diào)取，更可以用最小二乘法處理的冪函數(shù)來計(jì)算?？刂朴玫淖罱K計(jì)算數(shù)值,可以放在雙DSP計(jì)算機(jī)的采樣計(jì)算機(jī)中完成。可見，倘若用模擬電路來實(shí)施懸浮控制，上述方式都是無法實(shí)現(xiàn)的，數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)越性就體現(xiàn)在這里。

圖3 設(shè)置反特性曲線的示意

4 加強(qiáng)支持和保護(hù)軟件的設(shè)計(jì)

在許多科研項(xiàng)目中，院校從事計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的研究人員，對(duì)控制對(duì)象的軟件設(shè)計(jì)，往往側(cè)重于功能軟件的編程，容易忽視保護(hù)和支持軟件的設(shè)計(jì)。而對(duì)于有極強(qiáng)的應(yīng)用背景的項(xiàng)目，常常力不從心，也沒有實(shí)際的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)技巧。在磁懸浮控制系統(tǒng)中，像氣隙或電流超限、軟件程序跑飛或死機(jī)、檢測(cè)到的各種信號(hào)出現(xiàn)異常、帶有門檻型的保護(hù)控制、關(guān)鍵點(diǎn)更換程序模塊而需要建立轉(zhuǎn)換的軟件回環(huán)的寬度、乘法轉(zhuǎn)換加法、矩陣算法轉(zhuǎn)換成乘法等，都是需要有一定的編程技巧。

作為主抓總體的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)師，必須要提前進(jìn)行預(yù)先研究和理論分析，建立起軟件的正確設(shè)計(jì)流程。多個(gè)功能模塊的串接和切換，還要考慮軟件的代碼統(tǒng)一和流程優(yōu)化。否則軟件中的瑕疵太多，運(yùn)行時(shí)除了品質(zhì)不好外，還會(huì)帶來程序運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)或運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，測(cè)試時(shí)就非常難于發(fā)現(xiàn)問題和癥結(jié)。實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，必須在第一線考察和觀測(cè)才能積累出豐富的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，同時(shí)需要研究和觀察的時(shí)間和調(diào)試的耐心。盡管西門子公司、阿爾斯通公司、克諾爾公司及株洲時(shí)代集團(tuán)的數(shù)字控制系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大批量的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用，可是在調(diào)試和運(yùn)營(yíng)中，還是經(jīng)常發(fā)現(xiàn)軟件瑕疵。因此，應(yīng)用型數(shù)字軟件的設(shè)計(jì)是非常不容易的，需要通過多種渠道不斷地學(xué)習(xí)和實(shí)踐，再加上實(shí)物仿真[2]和半實(shí)物仿真,最終獲取優(yōu)良的控制品質(zhì)。完全通過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行去掌握關(guān)鍵的控制參數(shù)，實(shí)際上是一種少慢差費(fèi)的調(diào)試方法，盡量利用靜止條件來調(diào)試（如輪軌列車的滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)），可以預(yù)先呈現(xiàn)許多可以不斷重現(xiàn)的問題和狀態(tài)，就能夠按部就班地從容解決問題，這是線路試驗(yàn)難以做到的條件。當(dāng)然，在靜態(tài)實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)獲得較好的效果時(shí)，上線試驗(yàn)就可以減少許多時(shí)間。

5 雙處理計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[3][4]，也是十分重要的，采用雙DSP（Digit Signal Processor）數(shù)字信號(hào)處理芯片是最好的選擇。其中一個(gè)DSP主要用來實(shí)施外部多種信號(hào)的采集和處理，另一個(gè)DSP則主要完成懸浮控制算法的全部任務(wù)，它們之間用雙口RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、暫存和數(shù)據(jù)提取。

實(shí)現(xiàn)懸浮控制的DSP，除了完成額定懸浮氣隙的位置環(huán)的反饋跟蹤和起落控制外，還要同時(shí)完成電流環(huán)的電流反饋控制。所以，兩個(gè)控制環(huán)的離散控制采樣周期的分配就非常重要。氣隙的位置控制環(huán)的采樣周期應(yīng)該設(shè)置在2~4ms之內(nèi)，電流環(huán)的采樣周期則應(yīng)該設(shè)置在0.2～0.4ms之內(nèi)，相差十倍頻程。

為此，進(jìn)行信號(hào)采集的另外一個(gè)DSP，它的離散采樣周期，必須與實(shí)施懸浮控制的DSP同步并一致。氣隙傳感器信號(hào)的讀取，每次采集5～7次，去掉1～2個(gè)最大和最小，其余的做平均運(yùn)算。為此，氣隙傳感器的信號(hào)送到雙口RAM專用存儲(chǔ)區(qū)實(shí)施刷新的時(shí)間周期，應(yīng)該與懸浮控制使用的DSP一致，也是2～4ms之內(nèi)，這期間還要留出與車載通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的時(shí)間。而電流傳感器的信號(hào)采樣周期，則應(yīng)該與電流環(huán)的采樣周期一致并同步，即0.2～0.4ms之內(nèi)，期間也是每次采集5～7次，去掉1～2個(gè)最大和最小，其余的做平均計(jì)算后，再送到雙口RAM的專用存儲(chǔ)區(qū)去刷新。

保護(hù)控制的各類門檻數(shù)據(jù)，則應(yīng)該在懸浮控制的DSP中執(zhí)行，應(yīng)該引起注意的是，保護(hù)指令一旦發(fā)出，對(duì)執(zhí)行端來講，需要建立一個(gè)有斜率并漸變的控制規(guī)律，不能跳變。漸變的時(shí)間，由試驗(yàn)效果來確定。

由于實(shí)施懸浮控制的DSP要進(jìn)行較為復(fù)雜的控制算法的運(yùn)算，采樣周期又較短，只有采用各行其職的雙DSP的計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，才能保證軟件設(shè)計(jì)的完整性，從而提高軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少程序中的瑕疵。

6 設(shè)置冗余式“1oo2”計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

由于磁懸浮列車的支撐是由懸浮電磁鐵來完成，懸浮控制器是否具備可靠和穩(wěn)定工作品質(zhì)，就成為總體設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)，也就成為磁浮列車的非常重要的系統(tǒng)部件之一。為了提高懸浮控制器的可靠性，建議其計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采取二選一的模式，見圖4。雖然增加了一套硬件，大約要提高幾千元的成本，但是，保障了系統(tǒng)的可靠性和安全性，對(duì)載有乘客的交通工具來講，應(yīng)該是值得的。兩套DSP計(jì)算機(jī)配置完全一致，同步運(yùn)行完全相同的控制軟件，外部的傳感器信號(hào)則兵分兩路輸入計(jì)算機(jī)。兩個(gè)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)，可以通過由FPGA燒制的“二選一”判決器來進(jìn)行優(yōu)選，再送入功率斬波器，對(duì)懸浮電磁鐵實(shí)施控制。這樣的設(shè)計(jì)，一旦出現(xiàn)一臺(tái)計(jì)算機(jī)故障，不會(huì)使懸浮控制器失效。

圖4 1oo2冗余計(jì)算機(jī)配置結(jié)構(gòu)

7 開展全面和認(rèn)真的運(yùn)行考核試驗(yàn)

磁浮列車只有實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定和可靠的懸浮，才能對(duì)牽引和電制動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)、車載網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)系統(tǒng)、車輛及線路的各部件的設(shè)計(jì)功能，進(jìn)行全面的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行整改和修改設(shè)計(jì)。即使列車完成了各部件的功能試驗(yàn)，還要進(jìn)行整車的型式試驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，以給用戶和乘客提供一個(gè)完整和舒適的交通運(yùn)輸工具。誠然，列車還要進(jìn)行長(zhǎng)距離的載客運(yùn)行試驗(yàn)(至少10萬km)，以獲取“故障下線次數(shù)/每萬km”（MDBF）和“故障間隔時(shí)間”(MTBF)數(shù)據(jù)。按照上海申通集團(tuán)的地鐵運(yùn)營(yíng)要求，前一個(gè)數(shù)據(jù)要小于1次，后一個(gè)數(shù)據(jù)要達(dá)到150h以上。為此懸浮控制系統(tǒng)必須盡快完成全部的試驗(yàn)和考核，否則后面的各類試驗(yàn)，沒有一年半的時(shí)間，將很難全部完成。

8 結(jié) 語

總之，國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行研究和試驗(yàn)的三個(gè)磁懸浮工程項(xiàng)目，絕不是以往在高等院校開展的預(yù)先研究裝置，也不是用于原理改進(jìn)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證試驗(yàn)的中試階段，而是到達(dá)了載客運(yùn)營(yíng)前的運(yùn)行考核階段，應(yīng)該充分關(guān)注系統(tǒng)的RAMS各項(xiàng)指標(biāo)。當(dāng)前，三地的試驗(yàn)列車都已經(jīng)使用了數(shù)字化的懸浮控制器，運(yùn)行試驗(yàn)中也都暴露出一些結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)需要完善的問題，尤其是懸浮控制器。為此，本文只是作為學(xué)術(shù)研究中的技術(shù)探討，供項(xiàng)目執(zhí)行單位參考。

[1]尹力明，劉俊艷，馮國(guó)強(qiáng).交流變頻控制系統(tǒng)在城市軌道交通上的應(yīng)用［J］.裝備機(jī)械，2010.(2).44.

[2]尹力明，趙華，劉俊艷.中低速磁浮列車動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試方法初探［J］.上海電氣技術(shù)，2011.(1).1.

[3]李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社［M］，2002.

[4]劉向東.DSP技術(shù)原理與應(yīng)用［M］，北京：中國(guó)電力出版社，2007.