对悬浮控制系统数字化软件设计的探讨

尹力明 上海轨道交通设备发展有限公司 (200233)

尹力明 （1951年～），男，大学本科，教授级高级工程师。主要研发方向：磁悬浮技术、电机与拖动控制、城市轨道交通车辆。

0 前 言

在我国研发中低速磁浮列车的许多参与单位，考虑前期的基础研究经历，先后已经渡过近30年的时间。到目前为止，已经建立了3条长度大于1.5km的试验线（在上海、唐山和株洲都有实体独立投资建设的包括车库、高架轨梁、大斜率坡道、道岔和不同半径弯道的线路），建造了三列、5型试验列车（北京控股公司造了三型，上海磁浮公司和株洲电力机车厂各一型，株洲线见图1），均取得了大量的技术成果，也获得了宝贵的经验教训和技术储备[1]。

但是，在系统集成和运行调试的过程中，悬浮控制系统的品质，一直困扰着研发人员，许多分系统的设计、制造和调试，也受到不同的影响。可见，悬浮控制系统最终成了衡量研发单位的技术和知识水平的标杆，也是研发项目成败的关键核心技术。

该系统同样也经历了先从模拟电路进行技术摸索，在取得调试参数和运行经验后，逐步过渡到数字控制系统的全过程。尽管早期的试验车在模拟电路的控制系统施控下，也实现了稳定的悬浮和运行，但是，这种系统所固有的缺陷，同样也是令人头疼的。如环境和部件的温度变化、轨道变形带来的平顺度变化、电路的零位电压的漂移等等，都会引起系统的固有参数发生改变，以致悬浮系统出现工作不稳定。由于控制器分别安装在车体的不同位置上，为了防尘和防水，又要有一定的防护条件。为此，要想修改系统模拟电路中的关键参数，是非常不方便的。

图1 株洲的线路和列车

自从引入了数字化控制系统以后，悬浮控制系统可以比较自由地采取多种控制算法对列车进行悬浮控制，还取得了相当理想的静、动态效果，并为列车的远程无线指令的控制和系统状态的检测、系统参数通过车载网络的在线修改、运行数据的采集和处理等，提供了很好的软硬件平台。诚然，数字化硬件平台由于技术的提高和完善，功能和架构也都达到了比较完善的技术阶段，但是，由于悬浮控制软件设计人员的知识水平和实践基础，使得在这个硬件平台上实施的软件设计技巧和水平，在实际的运行试验和调试中，却有明显的差异。本文就所了解的设计中的几个关键技术问题，提出一些建议和意见。

1 数字化软件的优势

图2 悬浮系统固有特性

磁悬浮控制系统与电机牵引和拖动控制系统，在执行元件的机械和电气特性上的传递函数，有着极大的不同。牵引和拖动控制系统中的执行元件—电机，其固有的电气和机械特性就是稳定结构，还具备较宽裕的线性范围。为此，对其实施的各种控制算法和设计的各种系统参数，都是为了提高电机的运行水平和品质。但是，磁悬浮控制系统中的执行元件—悬浮电磁铁，由于其固有的电气和机械特性是不稳定的结构和呈非线性的变化特性，因而，悬浮控制系统的算法和系统参数的选取，要相对麻烦和复杂一点。

比如，早期为模拟电路设计的悬浮电磁铁的数学模型及系统可以用图2来描述。但是，从自动控制理论来讲，这一项中就含有不稳定的结构。

为此，采用模拟电路的悬浮控制系统，在矫正网络的选择中，很难设计一个电路，能够产生相关矫正环节，以获得在传递函数表达式的分子上实施抵消矫正的效果。为此,经常使用的是超前校正网络，甚至采用两级超前矫正网络。

但是，在数字软件设计中，建立这样数学表达式，却是十分容易的。于是，这个不稳定的系统环节被改造成特性稳定的环节，再将其矫正成典型的自控教科书中推荐的“Ⅱ”型系统和带有快速电流环的位置、电流双环系统，就可以兼顾快速性和稳定性，并具备位置跟踪无差的特性。

由于中低速磁浮列车的转向架与车体之间安装了用空气弹簧减震的二次系，其固有的特性频率很低，只有1Hz[2]。为此，上述数学模型中的控制参数m，只是悬浮控制点的转向架模块的质量和转向架模块的转动惯量的等效质量之和，列车车体作用在转向架上的等效承载质量，可以看成是相对稳定的外加干扰力。

可见，采用数字化悬浮控制系统之后，系统设计变得更加灵活，这就是系统数字化的优势，下面的介绍还可以证明这一点。

2 时间常数函数化

在图1中的电气环节中，有这样一项，

如果能够获得在不同气隙下的电流环的最佳闭环特性，则电流环的矫正网络环节的对消时间常数，就应该相应地也有同样的变化规律，并带有随气隙而变化的函数关系，才能保证悬浮系统在任意气隙下，都有较相同和较稳定的调节特性。

对于气隙位置环的矫正网络，其关键的对消环节的时间常数（调试过程中会获得这样的数据），也应该成为与气隙变化成相同函数变化关系的参数。

这些与气隙变化成函数关系的参数，可以以一定步长列出表单，在系统运行时，用对应的气隙数值去查表，以及使用插值的方式带入矫正网络实施控制。当然，与气隙变化成函数关系的多种控制参数，也可以用最小二乘法转换成幂级数形式，运算起来可以更快一些。这种变参数的控制方式，在国内外的数字控制系统中应用十分广泛，非常成熟。

对电气时间常数有一定影响的参数还有悬浮电磁铁的电阻R，它与电磁铁的绕组温度t有关。实际上电磁铁上已经安装有温度传感器，可以引进这个电阻与温度的函数关系，处理方式与电感相同。

数字悬浮控制系统可以把气隙δ和温度t作为参数变量，并带入电感L（δ）和电阻R（t）中，为实时改变时间常数提供了方便。

3 非线性特性线性化

悬浮电磁铁的电磁吸力，既有随控制电流i的平方而变化的函数关系，又有随气隙δ呈反比变化的函数关系，具有两元影响的输出特性。过去的悬浮系统，都是在额定气隙附近做线性化处理，往往在静态和平顺的线路上，可以调出比较理想的悬浮特性。但是，一旦出现进入部件特性的非线性区和超出稳定范围的条件，这种线性化的控制系统则无法满足宽裕度的控制范围。这就是不稳定的磁悬浮系统经过超前校正后，仍处于线性系统的工作模式而带来的不足之处。

如果在系统的电流控制输出中，加入一个随气隙呈“反”反比变化和随电流呈“反”平方变化的特性环节，就可以使悬浮电磁力的变化，与电流的变化或气隙的变化呈现线性变化的特性，系统就可以用经典及成熟的控制系统来实现悬浮控制，见图3。这个控制参数随电流i和气隙δ的变化的取值策略，同样可以用查表和插值的方法来调取，更可以用最小二乘法处理的幂函数来计算。控制用的最终计算数值,可以放在双DSP计算机的采样计算机中完成。可见，倘若用模拟电路来实施悬浮控制，上述方式都是无法实现的，数字控制系统的优越性就体现在这里。

图3 设置反特性曲线的示意

4 加强支持和保护软件的设计

在许多科研项目中，院校从事计算机数字控制的研究人员，对控制对象的软件设计，往往侧重于功能软件的编程，容易忽视保护和支持软件的设计。而对于有极强的应用背景的项目，常常力不从心，也没有实际的设计经验和设计技巧。在磁悬浮控制系统中，像气隙或电流超限、软件程序跑飞或死机、检测到的各种信号出现异常、带有门槛型的保护控制、关键点更换程序模块而需要建立转换的软件回环的宽度、乘法转换加法、矩阵算法转换成乘法等，都是需要有一定的编程技巧。

作为主抓总体的软件架构设计师，必须要提前进行预先研究和理论分析，建立起软件的正确设计流程。多个功能模块的串接和切换，还要考虑软件的代码统一和流程优化。否则软件中的瑕疵太多，运行时除了品质不好外，还会带来程序运行时间长或运行不稳定的问题，测试时就非常难于发现问题和症结。实现这样的目标，必须在第一线考察和观测才能积累出丰富的经验和教训，同时需要研究和观察的时间和调试的耐心。尽管西门子公司、阿尔斯通公司、克诺尔公司及株洲时代集团的数字控制系统，已经实现了大批量的现场运用，可是在调试和运营中，还是经常发现软件瑕疵。因此，应用型数字软件的设计是非常不容易的，需要通过多种渠道不断地学习和实践，再加上实物仿真[2]和半实物仿真,最终获取优良的控制品质。完全通过现场运行去掌握关键的控制参数，实际上是一种少慢差费的调试方法，尽量利用静止条件来调试（如轮轨列车的滚动试验台），可以预先呈现许多可以不断重现的问题和状态，就能够按部就班地从容解决问题，这是线路试验难以做到的条件。当然，在静态实物仿真实验获得较好的效果时，上线试验就可以减少许多时间。

5 双处理计算机的硬件设计

计算机数字控制系统的硬件设计[3][4]，也是十分重要的，采用双DSP（Digit Signal Processor）数字信号处理芯片是最好的选择。其中一个DSP主要用来实施外部多种信号的采集和处理，另一个DSP则主要完成悬浮控制算法的全部任务，它们之间用双口RAM随机存储器进行数据交换、暂存和数据提取。

实现悬浮控制的DSP，除了完成额定悬浮气隙的位置环的反馈跟踪和起落控制外，还要同时完成电流环的电流反馈控制。所以，两个控制环的离散控制采样周期的分配就非常重要。气隙的位置控制环的采样周期应该设置在2~4ms之内，电流环的采样周期则应该设置在0.2～0.4ms之内，相差十倍频程。

为此，进行信号采集的另外一个DSP，它的离散采样周期，必须与实施悬浮控制的DSP同步并一致。气隙传感器信号的读取，每次采集5～7次，去掉1～2个最大和最小，其余的做平均运算。为此，气隙传感器的信号送到双口RAM专用存储区实施刷新的时间周期，应该与悬浮控制使用的DSP一致，也是2～4ms之内，这期间还要留出与车载通讯网络进行数据交换的时间。而电流传感器的信号采样周期，则应该与电流环的采样周期一致并同步，即0.2～0.4ms之内，期间也是每次采集5～7次，去掉1～2个最大和最小，其余的做平均计算后，再送到双口RAM的专用存储区去刷新。

保护控制的各类门槛数据，则应该在悬浮控制的DSP中执行，应该引起注意的是，保护指令一旦发出，对执行端来讲，需要建立一个有斜率并渐变的控制规律，不能跳变。渐变的时间，由试验效果来确定。

由于实施悬浮控制的DSP要进行较为复杂的控制算法的运算，采样周期又较短，只有采用各行其职的双DSP的计算机硬件结构，才能保证软件设计的完整性，从而提高软件运行的稳定性，减少程序中的瑕疵。

6 设置冗余式“1oo2”计算机结构

由于磁悬浮列车的支撑是由悬浮电磁铁来完成，悬浮控制器是否具备可靠和稳定工作品质，就成为总体设计追求的目标，也就成为磁浮列车的非常重要的系统部件之一。为了提高悬浮控制器的可靠性，建议其计算机系统采取二选一的模式，见图4。虽然增加了一套硬件，大约要提高几千元的成本，但是，保障了系统的可靠性和安全性，对载有乘客的交通工具来讲，应该是值得的。两套DSP计算机配置完全一致，同步运行完全相同的控制软件，外部的传感器信号则兵分两路输入计算机。两个计算机的运算结果数据，可以通过由FPGA烧制的“二选一”判决器来进行优选，再送入功率斩波器，对悬浮电磁铁实施控制。这样的设计，一旦出现一台计算机故障，不会使悬浮控制器失效。

图4 1oo2冗余计算机配置结构

7 开展全面和认真的运行考核试验

磁浮列车只有实现了稳定和可靠的悬浮，才能对牵引和电制动系统、机械制动系统、车载网络、信号系统、车辆及线路的各部件的设计功能，进行全面的调试，发现问题并进行整改和修改设计。即使列车完成了各部件的功能试验，还要进行整车的型式试验和动力学试验，以给用户和乘客提供一个完整和舒适的交通运输工具。诚然，列车还要进行长距离的载客运行试验(至少10万km)，以获取“故障下线次数/每万km”（MDBF）和“故障间隔时间”(MTBF)数据。按照上海申通集团的地铁运营要求，前一个数据要小于1次，后一个数据要达到150h以上。为此悬浮控制系统必须尽快完成全部的试验和考核，否则后面的各类试验，没有一年半的时间，将很难全部完成。

8 结 语

总之，国内正在进行研究和试验的三个磁悬浮工程项目，绝不是以往在高等院校开展的预先研究装置，也不是用于原理改进设计的验证试验的中试阶段，而是到达了载客运营前的运行考核阶段，应该充分关注系统的RAMS各项指标。当前，三地的试验列车都已经使用了数字化的悬浮控制器，运行试验中也都暴露出一些结构和设计需要完善的问题，尤其是悬浮控制器。为此，本文只是作为学术研究中的技术探讨，供项目执行单位参考。

[1]尹力明，刘俊艳，冯国强.交流变频控制系统在城市轨道交通上的应用［J］.装备机械，2010.(2).44.

[2]尹力明，赵华，刘俊艳.中低速磁浮列车动力学特性测试方法初探［J］.上海电气技术，2011.(1).1.

[3]李永东.交流电机数字控制系统.机械工业出版社［M］，2002.

[4]刘向东.DSP技术原理与应用［M］，北京：中国电力出版社，2007.