陳 琛,徐俊起,倪 菲,林國斌,吳 晗
(1. 同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海201804;2. 同濟(jì)大學(xué)磁浮交通工程技術(shù)研究中心,上海201804;3. 同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,上海201804;4. 中國科學(xué)院力學(xué)研究所流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100109)
由于磁浮列車能夠滿足社會(huì)發(fā)展過程中人民對于快節(jié)奏運(yùn)輸?shù)男枨?,而且能夠在一定情況下達(dá)到節(jié)約能源、較少土地使用面積的目的,因此中國、韓國、日本、德國、美國等再一次將磁浮列車作為一項(xiàng)重點(diǎn)研究計(jì)劃[1-3]。磁浮列車的懸浮系統(tǒng)是保證列車在不同工況下穩(wěn)定運(yùn)行的核心前提,因此在人工智能技術(shù)廣泛應(yīng)用的大背景下,為了提高磁浮列車運(yùn)力以及懸浮穩(wěn)定性,很多專家和學(xué)者針對懸浮控制算法的設(shè)計(jì)及優(yōu)化進(jìn)行了相應(yīng)討論,并取得了很多有價(jià)值的研究成果。
近年來,磁浮列車在靜態(tài)工況下的懸浮穩(wěn)定性問題已經(jīng)逐步得到了解決,但如何保證運(yùn)行過程中復(fù)雜擾動(dòng)共同作用下的懸浮穩(wěn)定性仍然是阻擋磁浮交通發(fā)展的核心問題之一。對于傳統(tǒng)磁浮列車懸浮控制方法,首先采用泰勒展開法在系統(tǒng)平衡點(diǎn)附近展開非線性系統(tǒng)表達(dá)式,然后在此基礎(chǔ)上基于線性理論設(shè)計(jì)相關(guān)控制器[4-7]。由于磁浮列車懸浮間隙為8~12 mm,車軌間隙很小,因此在自身強(qiáng)非線性、載重?cái)_動(dòng)以及軌道不平順激勵(lì)下可能導(dǎo)致列車掉點(diǎn)甚至砸軌現(xiàn)象。此外,軌道梁柔性變形/地基沉降產(chǎn)生的“臺(tái)階”現(xiàn)象都有可能影響行車安全。與傳統(tǒng)的只考慮列車自身與固定負(fù)載的控制方法相比,越來越多的先進(jìn)控制算法和系統(tǒng)優(yōu)化方法開始逐步注重列車在運(yùn)行過程中綜合擾動(dòng)下的魯棒性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
王輝等[8]通過增益控制表自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)的閉環(huán)反饋參數(shù),并且在柔性軌道梁的基礎(chǔ)上討論了控制算法在提升魯棒性方面的相關(guān)優(yōu)化方法。由于控制算法的設(shè)計(jì)基于近似線性模型,優(yōu)化效果有限,在誤差較大時(shí)同樣會(huì)面臨控制性能下降的問題。Sun等[9]對軌道采樣并進(jìn)行相應(yīng)的模態(tài)分析,從理論上保證了懸浮系統(tǒng)的短時(shí)間收斂性,并且設(shè)計(jì)了滑模算法來提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。然而,鑒于算法的復(fù)雜性和兼容性,目前還沒有得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。He等[10]設(shè)計(jì)了一種與磁浮列車懸浮系統(tǒng)對應(yīng)的反饋非線性觀測器,通過觀測器電流環(huán)的實(shí)時(shí)反饋實(shí)現(xiàn)了列車的穩(wěn)定懸浮,但并未驗(yàn)證該算法在復(fù)雜工況下的魯棒性和反饋跟蹤能力。Su 等[11]基于磁浮列車懸浮系統(tǒng)的T?S模糊模型設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模糊自適應(yīng)控制律,并且基于數(shù)值仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的懸浮穩(wěn)定性以及在已知有界干擾下的抗干擾能力。然而,該方法存在跟蹤性交叉、對系統(tǒng)參數(shù)變化響應(yīng)不及時(shí)、無法考慮未知干擾等問題。Wang 等[12]基于卡爾曼濾波器對懸浮系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行采樣,并根據(jù)采樣狀態(tài)預(yù)測下一時(shí)刻的懸浮狀態(tài)以解決柔性軌道變形下的控制性能退化問題。該方法無法實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)預(yù)測,因此無法形成有效的前饋控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)控制中的應(yīng)用已有很長時(shí)間,近年來隨著訓(xùn)練算法的完善與計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能呈指數(shù)級增長?;谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能在地震波結(jié)構(gòu)控制[13]、圖像識(shí)別[14]、語音識(shí)別[15]等領(lǐng)域的應(yīng)用迅速而廣泛。
為了解決負(fù)載變化以及軌道不平順擾動(dòng)對車軌耦合懸浮系統(tǒng)造成的易共振、易失穩(wěn)問題,提出了一種用于磁浮列車懸浮系統(tǒng)的預(yù)測控制算法。在考慮非線性車軌耦合動(dòng)力學(xué)的情況下,利用對未來相對較短時(shí)間范圍內(nèi)懸浮狀態(tài)的有效預(yù)測和負(fù)載估計(jì)來實(shí)現(xiàn)預(yù)測控制。以多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)為核心,提出了一種基于人工智能(AI)的懸浮狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng),并采用遺傳算法對負(fù)載估計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和預(yù)瞄控制律進(jìn)行優(yōu)化。最后,通過現(xiàn)有懸浮數(shù)據(jù)的小規(guī)模仿真驗(yàn)證了該控制算法的控制性能。
單點(diǎn)懸浮模型如圖1所示。圖1中,ztar為期望懸浮間隙,z1為當(dāng)前懸浮間隙,m為車體質(zhì)量,g為重力加速度,F(xiàn)lev為電磁鐵產(chǎn)生的懸浮力,F(xiàn)g為負(fù)載擾動(dòng)力,i為懸浮電流,N為電磁鐵線圈匝數(shù),A為電磁鐵磁極面積,R為電磁鐵繞組電阻,L為電磁鐵繞組電感,v(t)為某一時(shí)刻的控制量[16]。
式中:μ0為真空磁導(dǎo)率。對式(1)在平衡點(diǎn)(z0,i0)處進(jìn)行線性化處理,并且為了描述系統(tǒng)行為,采用間隙傳感器、加速度計(jì)以及電流互感器構(gòu)成相應(yīng)的狀態(tài)變量組合方式,表達(dá)式如下所示:
在目前的研究中,離散模型是預(yù)測控制算法設(shè)計(jì)的必要條件。定義采樣周期T,得到如下表征某個(gè)時(shí)間段懸浮狀態(tài)的離散時(shí)間狀態(tài)空間形式:
式中:Ad、Bd、Cd、Dd分別表示離散時(shí)間狀態(tài)空間方程的常數(shù)項(xiàng)矩陣。
以圖2 的控制系統(tǒng)框圖來說明所提出的概念。懸浮系統(tǒng)通過間隙傳感器以及加速度計(jì)測量懸浮狀態(tài)來進(jìn)行主動(dòng)控制。通過多種傳感器的測量,由反饋和前饋兩方面組成預(yù)測控制量的輸出,進(jìn)而輸出懸浮力,即由執(zhí)行器(電磁鐵)產(chǎn)生主動(dòng)控制力的指令信號(hào)。反饋控制使用懸浮狀態(tài)響應(yīng)的傳感器進(jìn)行測量,如懸浮間隙和加速度。前饋控制利用當(dāng)前某個(gè)時(shí)間段(由控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)者定義)的懸浮狀態(tài)未來值實(shí)現(xiàn)。前饋控制部分的輸出成為動(dòng)作預(yù)測。
研究表明,在已知外部輸入未來值(如受控輸出的參考值)時(shí)具有預(yù)測動(dòng)作的預(yù)測控制大大提高了控制性能[17]。然而,在目前的情況下,由于因果關(guān)系的規(guī)律,一般無法得到實(shí)現(xiàn)預(yù)演作用所必需的負(fù)載波形未來值,因此提出了基于人工智能的負(fù)載估計(jì)系統(tǒng),利用負(fù)載數(shù)據(jù)來對負(fù)載變化進(jìn)行有效估計(jì)。
控制量根據(jù)懸浮信息和負(fù)載擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)變化,控制量為沿時(shí)間序列變化的向量,此時(shí)寫作v(k)。圖2中的主動(dòng)控制量可以描述為
式(6)和式(7)中:Kff、Kfb分別為前饋和反饋增益矩陣;wp(k)為預(yù)測懸浮間隙的序列向量;wp為k時(shí)刻預(yù)測得到的懸浮間隙。可以定義np為預(yù)瞄樣本數(shù)(預(yù)瞄長度)并將其作為設(shè)計(jì)參數(shù),使預(yù)瞄控制系統(tǒng)達(dá)到最佳控制性能。前饋控制量vff(k)在設(shè)計(jì)過程中可作為預(yù)瞄動(dòng)作。Kff、Kfb可通過以下步驟獲取。
步驟1 確定預(yù)瞄長度,并且引入離散時(shí)間狀態(tài)空間方程(4),如下所示:
假定式(7)給出的np個(gè)負(fù)載擾動(dòng)樣本可用,則式(5)中的預(yù)測作用是有效的。在懸浮控制問題中,磁浮列車懸浮系統(tǒng)輸出的期望值可以定義為外部輸入??刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)的目的是使懸浮系統(tǒng)在一定的負(fù)載擾動(dòng)下輸出跟蹤預(yù)定的期望值。然而,在目前情況下無法得到負(fù)載擾動(dòng)下的懸浮系統(tǒng)穩(wěn)定性。
為了將預(yù)測控制算法應(yīng)用于受到負(fù)載擾動(dòng)的懸浮系統(tǒng),提出了一種基于人工智能的負(fù)載估計(jì)系統(tǒng),用來重現(xiàn)式(6)中的前饋控制量vff(k)=Kffwp(k)。
波形估計(jì)系統(tǒng)的詳細(xì)框圖如圖3所示。波形估計(jì)系統(tǒng)包括用于波形估計(jì)的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、用于信號(hào)處理的線性濾波器F(z-1),其中z-1是產(chǎn)生z-1h(k)=h(k-1)的單位延遲算子,np個(gè)樣本所需的純延遲元素為z-np。設(shè)np為控制系統(tǒng)設(shè)定器的自然數(shù)樣本,則純延遲元素矩陣Li可以描述為
表1 樣本來源Tab.1 Sample sources
在所提出的波形估計(jì)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,將估計(jì)的負(fù)載數(shù)據(jù)與實(shí)際負(fù)載數(shù)據(jù)之間的誤差e(k)作為輸入信號(hào)的一部分。引入此反饋環(huán)節(jié),使優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)過程中,利用其與觀測到的負(fù)載擾動(dòng)的偏差,獲得一個(gè)校正未來懸浮間隙估計(jì)值w?p(k)的函數(shù)。
假定反饋控制回路采樣頻率f=1 000 Hz,此時(shí)采樣周期T=0.001 s(T值很?。?,在kT時(shí)刻懸浮間隙誤差Δz1可以滿足如下關(guān)系:
代入比例?積分?微分(PID)控制算法的最一般形式可以得到離散PID控制算法。積分部分完全取決于以往的誤差信號(hào),所以根據(jù)控制量增量Δvfb(k)=vfb(k)-vfb(k-1)給出離散增量式PID控制算法,如下所示:
預(yù)測控制律和負(fù)載估計(jì)系統(tǒng)都存在可優(yōu)化的可調(diào)參數(shù),對可調(diào)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化可以有效提高控制性能?;谌斯ぶ悄艿呢?fù)載估計(jì)系統(tǒng)如圖3所示。
3.1.1 預(yù)測控制律
對式(8)中的受控輸出Y(k)進(jìn)行如下定義:
為實(shí)現(xiàn)垂向振動(dòng)主動(dòng)控制中控制性能和懸浮電磁鐵之間的平衡,定義增廣狀態(tài)向量Ha(k)和控制輸入向量v(k)的個(gè)元素的加權(quán)因子qw,i和rw,j作為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。
3.1.2 負(fù)載估計(jì)系統(tǒng)
在濾波器F(z-1)和多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中存在負(fù)載估計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù),用來生成未來負(fù)載估計(jì)以執(zhí)行準(zhǔn)預(yù)測動(dòng)作。
(1)濾波器F(z-1)
通過壓力傳感器獲得的負(fù)載變化信號(hào)處理濾波器可以定義為
式中:Nd為常數(shù),通過Nd定義濾波器F(z-1)的死區(qū)時(shí)間為τ;a1、a2、b0、b1、b2為濾波器F(z-1)的可調(diào)參數(shù),表征濾波器的頻率特性。
式(21)中的濾波器F(z-1)被用于控制器以及負(fù)載估計(jì)系統(tǒng)的濾波。F(z-1)當(dāng)前形式即為二階濾波器與死區(qū)疊加的形式。實(shí)際上,任何數(shù)字濾波器都可作為F(z-1)來處理負(fù)載變化。
(2)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中需要優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)為權(quán)值與偏差。此外,一些超參數(shù)同樣需要進(jìn)行優(yōu)化,如式(10)中形成輸入層的隱含層單元數(shù)量和樣本數(shù)ni、式(7)中用于確定輸出層寬度的np,這些超參數(shù)必須在偏差參數(shù)優(yōu)化前確定。
通過優(yōu)化上述設(shè)計(jì)參數(shù),可將目標(biāo)函數(shù)最小化,定義為以下三個(gè)性能指標(biāo)的加權(quán)和:
式中:ρi(i=1,2,3)為加權(quán)因子。
評價(jià)閉環(huán)系統(tǒng)控制性能的性能目標(biāo)Jc定義為
式中:αRMS為均方根值求解函數(shù);αPeak為峰值求解函數(shù);l為疊加次數(shù);n為樣本長度;r、a分別為車軌之間的垂向絕對位移和垂向絕對加速度;下標(biāo)c表示主動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng),下標(biāo)off表示非主動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)。
真實(shí)行為和預(yù)測行為之間的誤差目標(biāo)函數(shù)Je定義為
式中:kf是仿真的最終樣本數(shù)是由前饋增益矩陣Kff歸一化所得。歸一化過程如下所示:
評估峰值控制力的懲罰目標(biāo)函數(shù)Jp定義為
對于給定的設(shè)計(jì)參數(shù)集,用于計(jì)算目標(biāo)函數(shù)Jc、Je、Jp的所有控制信號(hào)都是通過記錄或模擬負(fù)載干擾下是否對磁浮列車懸浮系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制的仿真得到的。
基于記錄下的負(fù)載變化數(shù)據(jù),控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)均在離線情況下采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。若將目標(biāo)函數(shù)定義為J=Je,僅能表征真實(shí)情況與預(yù)測情況之間的誤差,因此引入評價(jià)振動(dòng)抑制性能的目標(biāo)函數(shù)Jc和Jp。由于引入Jc和Jp之后使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)信號(hào)具有不確定性,因此采用智能遺傳算法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)、負(fù)載估計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和預(yù)測控制律進(jìn)行優(yōu)化。
基于所設(shè)計(jì)的主動(dòng)控制算法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)、負(fù)載估計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和預(yù)測控制律進(jìn)行優(yōu)化時(shí),可以采用相類似的非支配排序遺傳算法(NSGA)。這里僅對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)qw,i和rw,j進(jìn)行描述。
在對多目標(biāo)最優(yōu)問題進(jìn)行求解時(shí),由于目標(biāo)之間存在沖突無法比較,因此很難找到一個(gè)解使得所有的目標(biāo)函數(shù)同時(shí)最優(yōu)。對于多目標(biāo)優(yōu)化問題,通常存在一個(gè)解集,這種解即為Pareto最優(yōu)解。
假定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)qw,i和rw,j個(gè)體從屬于種群P,則個(gè)體共享后的適應(yīng)度fFit(qw,i)和共享函數(shù)s滿足如下關(guān)系:
式中:fFit_1(qw,i)為個(gè)體共享前的適應(yīng)度;d為歐氏距離;σshare為共享半徑;α為常數(shù)。
為了有效防止早熟收斂,同時(shí)保持群體多樣性,采用非支配分層方法的NSGA如圖4所示[18]。
由于磁浮列車運(yùn)行工況可劃分為空載、輕載、中載以及重載。因此,負(fù)載變化情況可假定為有界已知函數(shù),可采用線性函數(shù)疊加作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。由于上下客期間負(fù)載變化最為劇烈,假定0~1 s負(fù)載不變,1~9 s為停車上下客階段,9 s之后列車關(guān)門運(yùn)行。所采用的負(fù)載情況如圖5所示。
基于Matlab/Simulink 平臺(tái)建立控制器以及負(fù)載估計(jì)系統(tǒng),仿真參數(shù)如表2所示[19]。
代入數(shù)據(jù)對各個(gè)矩陣進(jìn)行求解得到:
車廂負(fù)載情況通過阻尼器和彈簧構(gòu)成的二系懸掛傳遞給懸浮架。假設(shè)負(fù)載變化通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綉腋∠到y(tǒng)控制算法。由于信號(hào)傳遞的實(shí)時(shí)性,假設(shè)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)忽略不計(jì),負(fù)載變化與網(wǎng)絡(luò)傳遞和控制算法輸出計(jì)算具有同步性。
表2 磁浮車軌耦合系統(tǒng)物理參數(shù)值Tab.2 Physical parameter values of magnetic levitation vehicle rail coupling system
基于上述系統(tǒng)參數(shù)定義,利用NSGA 對第3 節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化??刂葡到y(tǒng)采樣頻率為4 000 Hz。在如圖3 所示的負(fù)載估計(jì)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,以如圖5 所示負(fù)載擾動(dòng)樣本作為輸入信號(hào)。圖3 中的誤差e可基于估計(jì)負(fù)載和實(shí)際樣本得到。NSGA 參數(shù)如表3所示[18]。
表3 NSGA參數(shù)Tab.3 Parameters of NSGA
所取得Pareto 解集中的一組最優(yōu)解為qw,i=1.56,rw,j=2.32,Jc=0.52,Jp=0.68。
式(6)中負(fù)載擾動(dòng)wp(k)的未來估計(jì)值在0.01 s內(nèi)的預(yù)測長度np=20。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中定義兩個(gè)隱含層,單元數(shù)分別為50和30。利用線性矩陣不等式(LMI)獲得相關(guān)控制律,使得閉環(huán)系統(tǒng)從c(k)到Y(jié)(k)的H2范數(shù)最小。式(9)中的增廣矩陣Ka可以定義為
L和X滿足以下對LMI的求解:
式中:μ>0為閉環(huán)H2范數(shù);P為實(shí)對稱整定解矩陣的平方。式(20)中的加權(quán)矩陣Qw和Rw以及由Kff和Kfb表示的前饋矩陣和反饋矩陣可以根據(jù)LMI 的求解得到。
式(26)中懲罰目標(biāo)函數(shù)Jp中的控制輸入v的上界=80 V。
為了比較,得到了H2最優(yōu)狀態(tài)反饋控制律,對其進(jìn)行優(yōu)化,以使目標(biāo)函數(shù)滿足如下關(guān)系:
Jc和Jp采用NSGA進(jìn)行優(yōu)化。
對磁浮列車懸浮系統(tǒng)在不同算法下的控制性能進(jìn)行了比較,如圖6 所示。負(fù)載估計(jì)系統(tǒng)的預(yù)測控制比現(xiàn)有反饋控制的控制性能提高了約10%~20%。從圖6可知,在反饋控制下,2 s和8 s時(shí)的誤差峰值最大,8 s 時(shí)的誤差可以達(dá)到1.5 mm。雖然仍處于可控域,但是對于乘坐舒適性具有較大的負(fù)面影響。此外,結(jié)合圖7 和圖9 可知,在2 s 和8 s 時(shí)加速度幾乎為零,控制電流的輸出也在(24.0±0.5)A 波動(dòng)。這說明在誤差峰值較大的情況下,加速度和控制電流實(shí)時(shí)性降低,如果誤差進(jìn)一步增大,就可能出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。
在同等負(fù)載擾動(dòng)的影響下,由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對負(fù)載進(jìn)行訓(xùn)練和估計(jì),因此能夠基于負(fù)載估計(jì)系統(tǒng)提前進(jìn)行預(yù)瞄,增強(qiáng)控制的實(shí)時(shí)性和魯棒性。如圖7,在反饋控制誤差出現(xiàn)較大峰值時(shí),仍然能夠保對較小的誤差峰值(0.3 mm)。從圖8 和圖10看出,控制性能的實(shí)時(shí)性得到了有效增強(qiáng)。
(1)針對磁浮列車懸浮系統(tǒng)提出了一種振動(dòng)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由預(yù)測控制律和基于人工智能的負(fù)載估計(jì)系統(tǒng)組成。仿真結(jié)果表明,負(fù)載擾動(dòng)對于懸浮穩(wěn)定性具有顯著影響。因此,對于負(fù)載變化進(jìn)行有效估計(jì)并構(gòu)成前饋控制,能夠使懸浮系統(tǒng)在相同工況下增強(qiáng)懸浮控制的實(shí)時(shí)性和魯棒性。
(2)通過單點(diǎn)懸浮模型提出了一種基于遺傳算法的預(yù)見控制律和波形估計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方法。與傳統(tǒng)的狀態(tài)反饋加權(quán)因子優(yōu)化控制相比,基于人工智能的負(fù)載估計(jì)系統(tǒng)的預(yù)測控制算法具有更好的控制性能。