车辆制动作用下磁敏桥墩支座隔振系统的仿人自适应控制方法及装置与流程

本发明涉及桥梁隔振技术领域，尤其涉及一种列车刹车制动作用下磁敏桥墩支座隔振系统的仿人自适应控制方法及平台。

背景技术：

铁路桥梁是交通生命线的重要组成部分，高速行驶的列车在铁路桥上会由于加速、减速或者紧急制动产生巨大的力，容易在垂向、横向、顺桥向墩-梁上产生较大的位移危及支座系统结构安全。传统的被动桥墩支座在一定程度可以起到很好隔振的效果，但是其刚度阻尼不可调，目前虽有阻尼可调器件和被动支座结合方式进行抗振防护，但仅调节阻尼是不够的，还需要在刹车初期通过快速调节刚度来改变结构固有频率、提高结构强度来提升抗振能力，然而现有桥墩支座系统在大冲击载荷下的缓冲和隔减振兼容能力有限。

磁敏橡胶由于材料的剪切模量和阻尼损耗因子在外加磁场下具有优良的力学可调性能，已用于缓冲隔振支座设计领域。磁敏桥墩支座具有刚度阻尼可调可控的特点，能够根据实际情况实时调整隔振状态，有效地隔离低频振动，因而能够应用于桥梁隔振系统。由于列车制动会产生巨大的墩顶剪切力、梁体位移，车桥系统多状态耦合振动情况十分复杂，给墩-梁及支座带来严重的结构安全隐患。目前，仿人智能控制策略在协调解决多状态耦合振动控制领域内取得了很多研究成果，而遗传算法有随机搜索能力及可扩展性强，能很好地对单个状态控制目标进行寻优。因而，由仿人智能控制器与遗传算法相结合来研究列车制动下引起的车、桥(支座)耦合振动控制问题具有一定的价值。

技术实现要素：

有鉴于此，本文发明提供了一种车辆制动作用下磁敏桥墩支座隔振系统的智能控制方法及平台，可以有效提高隔振能力。

本发明提供了一种车辆制动作用下磁敏桥墩支座隔振系统的仿人自适应控制方法，所述桥墩支座隔振系统包括：桥面、磁敏桥墩支座、桥墩及地基，所述磁敏桥墩支座设置于所述桥墩之上用于支撑所述桥面，所述磁敏桥墩支座为一个可同时变刚度和变阻尼的磁敏弹性体，其中，所述方法包括：

(1)采集隔振系统三个方向的振动状态，包括顺桥向、横桥向及垂桥向的位移、速度、加速度及力的大小；

(2)根据采集到的信息确定列车位置，并根据三个方向的振动幅度结合列车位置确定隔振系统的振动状态；

(3)根据步骤(2)判断各个磁敏桥墩支座位置处的振动状态，不同的振动状态对应着不同的控制输出，形成仿人自适应控制方法。根据所述步骤(1)提取出桥梁-支座系统各个位置的位移、速度、加速度及力的信号并转化为仿人自适应控制中的感知特征模型，并实时调整控制器参数，根据振动状态划分得到控制中的输出控制模型以及关联模型，其中输出控制模型包含了保持控制、比例控制、遗传算法控制及比例积分控制算法对磁敏桥墩支座控制力进行求解。

(4)根据磁敏桥墩支座的输入输出特性，计算步骤(3)求解得到磁敏桥墩支座控制力值对应的电流值，并根据计算出来的电流值调节所述磁敏桥墩支座的驱动电流。

进一步，所述振动状态根据仿人自适应控制方法划分为八种。具体包括：平衡状态a、顺桥向振动l、横桥向振动h、垂桥向振动v、顺横桥耦合振动lh、顺垂桥向耦合振动lv、横垂桥向耦合振动hv、顺横垂桥向耦合振动lhv。这八种振动状态类似，分别代表桥梁隔振系统三个方向上的振动烈度。通过仿人自适应算法控制磁敏桥墩支座电流使顺、横、竖桥向振动状态迅速恢复到平衡状态。

1.进一步，所述顺横垂桥向耦合振动lhv的感知特征模型为：多个特征基元进行“与”运算形成特征模态，且多个特征模态通过协调与冲突调解组合为感知特征模型。

采集系统中传感器感知到的输入信号纵向位移、纵向速度、纵向位移峰值以及墩顶剪力等，通过特征提取形成特征基元ux、uy、uz、vx、vy、vz、ax、ay、az、fx、fy、fz。上述特征基元分别为顺桥向、横桥向及垂桥向位移、速度、加速度及力的大小；

lhv的特征模态包括：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种。

其中，uxt、uyt、uzt分别为磁敏桥墩支座顺桥向、横桥向及垂桥向位移阈值，fxt、fyt、fzt分别墩顶剪力、横向力及传递到地基的力的阈值；

lhv的感知特征模型

进一步，所述顺横垂桥向耦合振动lhv的输出控制模型为：ψ7＝{ψ71，ψ72，ψ73，ψ74}。

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

进一步，所述顺横垂桥向耦合振动lhv的关联模型为：ω7＝{w71，w72，w73，w74}。

进一步，磁敏桥墩支座控制力的输入输出特性是指：支座输出控制力与控制电流i、支座位移x、支座速度之间的力学关系。

进一步，实时调整控制器参数是指：根据桥梁当前的振动特性设定参数校正级，使控制器的自适应性能更好。

本发明还提供了一种基于车辆制动作用下磁敏桥墩支座隔振系统装置，包括：

磁敏桥墩支座隔振系统，主要由激振器、桥面、磁敏桥墩支座、桥墩及地基组成，所述磁敏桥墩支座设置于所述桥墩之上用于支撑所述桥面，所述磁敏桥墩支座为一个可同时变刚度和变阻尼的磁敏弹性体，所述振动器用于模拟车辆制动所产生的振动效果；

激振器模块，模拟所述车辆制动工况；

传感及信号处理模块，测量所述模拟的车辆制动作用下磁敏桥墩支座隔振系统在所述激励下的振动信号参量并进行处理；

控制器模块，用于选择输出如上所述的方法，控制所述磁敏桥墩支座隔振系统。

本发明的有益效果：

本发明实施例利用仿人自适应控制算法能够在多状态耦合、多控制条件、振动情况复杂的基础上综合考虑控制目标，得到最优控制集。将仿人自适应控制算法引入列车紧急制动下磁敏支座桥梁系统的隔振中，用以解决磁敏支座隔振控制效果不佳的问题，它可以根据振动烈度自动选择适合的控制方法并自适应调节控制参数，通过算法在线同时调节多个磁敏支座电流值，达到最优的隔减振效果。

附图说明

图1是本发明提供的磁敏桥墩支座隔振系统装置结构示意图

图2是本发明提供的车辆制动作用下的磁敏桥墩支座隔振系统的仿人自适应控制方法实施的流程示意图

图3是本发明体统的车辆制动作用下磁敏桥墩支座隔振系统振动状态划分示意图

具体实施方式

请参考图1，是本发明提供的磁敏桥墩支座隔振系统装置结构示意图。该装置主要包括桥墩支座隔振系统、激振器、传感模块、信号处理模块以及控制器模块。其中，磁敏桥墩支座隔振系统包括桥面(6)、磁敏桥墩支座(7)、桥墩(8)及地基(9)；激振器(10)敲击桥面模拟车辆制动顺横垂桥向耦合振动情况；传感模块包括三轴加速度传感器(1)、以及垂桥向应变片(2)、横桥向振动应变片(3)、顺桥向振动应变片(4)和三轴力传感器(5)，分别用以采集列车制动作用下隔振系统装置桥面及支座处垂桥向、横桥向以及顺桥向的加速度值、力的大小、位移大小；信号处理模块包括信号放大及滤波；控制器模块根据振动信号及控制方法输出适当的控制电流。

请参考图2，是本发明提供的车辆制动作用下的磁敏桥墩支座隔振系统的仿人自适应控制方法实施的流程示意图。其具体方法如下：

步骤s21、采集图1磁敏桥墩支座隔振系统装置桥面及磁敏桥墩支座三个桥向的位移、速度、加速度及力信号。

该磁敏桥墩支座隔振系统装置中设置有两对即4个磁敏桥墩支座，置于装置桥面的四个角下。桥面四个角上及侧面装上应变片、加速度传感器及力传感器检测三个方向上的振动信号。采用图1中(10)的小锤子同时敲击桥面，用以模拟垂向、横向和顺向耦合振动，即lhv振动状态。

步骤s22、将步骤s21中采集回来的信号进行处理。请参考图3，是本发明体统的车辆制动作用下磁敏桥墩支座隔振系统振动状态划分示意图。根据振动强度判断磁敏桥墩支座隔振系统的振动状态，所述的振动状态包括平衡状态a、顺桥向振动l、横桥向振动h、垂桥向振动v、顺横桥耦合振动lh、顺垂桥向耦合振动lv、横垂桥向耦合振动hv、顺横垂桥向耦合振动lhv，共八种状态。此实施方案中仅考虑耦合振动最为复杂的lhv振动工况及其控制方案。

此步骤，利用位移传感器、速度传感器、加速度传感器及力传感器检测隔振试验装置的振动情况。信号处理模块将传感器(图1中(1)、(2)、(3)、(4)、(5))检测到三个方向的加速度、位移及力的信号采集回来并进行处理。信号输入控制器中，判断其是否符合lhv耦合振动状态，若隔振系统装置的振动状态为lhv，则执行下一步。

步骤s23、根据采集到的加速度信号值与设定的标准值进行比较计算，在线实时调整控制器的各个参数。

步骤s24、根据隔振系统装置振动强度设计控制算法，输出控制模型。此过程包括感知特征模型、关联模型、输出控制模型三部分。其中，输出控制模型包括保持控制、比例控制、遗传算法控制以及比例积分控制，根据不同振动情况选择适合的控制方法求解出最优控制电流。

感知特征模型、输出控制模型、关联模型三部分说明如下：

(一)感知特征模型

感知特征模型为：多个特征基元进行“与”运算形成特征模态，且多个特征模态通过协调与冲突调解组合为感知特征模型。

其中，ux、uy、uz、vx、vy、vz、ax、ay、az、fx、fy、fz为隔振系统装置四个磁敏支座三个方向上的位移、速度、加速度及力的输入信号基元，ux、uy、uz、ax、ay、az、fx、fy、fz分别为顺桥向、横桥向及垂桥向位移、加速度及力的大小，由应变片、加速度传感器及力传感器采集回来；vx、vy、vz为顺桥向、横桥向及垂桥向速度大小，通过加速度信号积分得到；

lhv的特征模态包括：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种。

其中，uxt、uyt、uzt分别为磁敏桥墩支座顺桥向、横桥向及垂桥向位移阈值，fxt、fyt、fzt分别墩顶剪力、横向力及传递到地基的力的阈值；

lhv的感知特征模型

(二)输出控制模型

输出控制模型为：ψ7＝{ψ71，ψ72，ψ73，ψ74}。

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

此次，设置了两对即4个磁敏支座，仿人自适应控制需要根据控制器输入信号将振动状态分为四种不同的情况进行处理。第一种，当车辆制动处于初期，对桥梁隔振系统顺、横、垂桥向有影响但振动均为减弱时，采用保持控制，即ii(k+1)＝ii(k)(i＝1，2，3，4)；第二种，当车辆制动处于急速上升期，对隔振系统顺、横、垂桥向中某一个方向或者几个方向影响较大时，采用遗传算法整定4个磁敏支座电流控制参数i1、i2、i3、i4；第三种，当车辆制动处于最后制动阶段，对桥梁隔振系统顺、横、垂桥向影响均为较大时，采用比例控制，快速降低振动幅值；第四种，当车辆制动停止，桥梁隔振系统处于振动恢复时，采用比例积分控制，降低振动响应时间。

其中，第二、三、四种情况的控制参数设置具体方法如下：

第二种，控制方法为遗传算法，三个方向上的单控制目标分别如下所示。

剪切位移控制目标为：剪切力控制目标为：横向力控制目标为：传递到地基的力控制目标为：

综合考虑剪切位移、剪力、横向力及传递到地基的力将控制目标设定为：

minj(i)＝min[w1(j1(i)/|uxtop|)+w2(j2(i)/|fxtop|)+w3(j3(i)/|fytop|)+w4(j4(i)/|fztop|)]。均衡四个控制目标权重，将其加权系数w1、w2、w3、w4均取值为0.25。

步骤s25、根据输出控制模型计算磁敏支座控制力，并根据控制力与电流关系表达式推出其控制电流值。磁敏桥墩支座控制力的输入输出特性是指：其中，ηm0、ηm1、km0、km1、cm0、cm1、k1为常系数，z、y为支座控制力的内变量，x、分别为支座位移、速度。将其带入振动平衡方程式[m]{a}+[c]{v}+[k]{u}+[d]fd＝{r}中，利用遗传算法求解使平衡方程式成立且控制目标最优的控制参数，首先得到最优支座控制力，再反解得到磁敏支座外加激励，即4个磁敏支座最优的控制电流值i1、i2、i3、i4。

其中，{a}、{v}、{u}为三桥向加速度、速度及位移向量值，[m]、[c]、[k]分别为模型质量、阻尼，刚度矩阵；fd为磁敏支座三个方向上提供的力值，由外加电流形成的磁场控制；[d]为定位矩阵，确定支座力位置及方向；{r}为列车制动力。

第三种及第四种控制方法分别为比例控制方法和比例积分控制方法，其参数由自适应遗传算法自动确定。

磁敏支座的输出控制电流值i∈[0a，2a]，由上述方法确定磁敏支座的最优控制电流值i1、i2、i3、i4。

(三)关联模型

关联模型为：ω7＝{w71，w72，w73，w74}。其作用是隔振系统装置在顺桥向、横桥向及垂桥向发生较大振动情况时，协调感知模型与输出控制模型之间的关系，得出最优的输出控制电流。

具体表述由生成规则“if...then...”产生，则有

由上述三个模型部分共同作用，实现系统装置的仿人自适应控制。感知模型主要负责应变片、加速度传感器、力传感器信号的采集及判断，并经过关联模型与输出控制模型取得联系，最终由输出控制模型得到最优控制电流参数。

步骤s26、判断振动是否结束，若未结束则继续上述各步骤，用相同的状态划分方法及控制算法控制耦合情况更为简单的顺桥向振动l、横桥向振动h、垂桥向振动v、顺横桥耦合振动lh、顺垂桥向耦合振动lv、横垂桥向耦合振动hv情况。若桥梁隔振系统已恢复平衡状态则停止控制。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。