C02_悬浮与导向技术.ppt

1、牵引动力国家重点实验室,1,西南交通大学硕士学位课程,磁浮列车理论及技术,赵春发 牵引动力国家重点实验室,牵引动力国家重点实验室,2,第二讲 磁浮列车悬浮与导向控制技术,一、控制系统模型 二、控制策略与原则 三、控制器设计方法 四、控制对列车系统动力影响,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,3,一、控制系统模型,第二讲 磁浮列车悬浮与导向控制技术,高速常导磁浮列车系统,悬浮导向物理结构,牵引动力国家重点实验室,4,一、控制系统模型,第二讲 磁浮列车悬浮与导向控制技术,低速常导磁浮列车系统,悬浮导向物理结构,牵引动力国家重点实验室,5,一、控制系统模型,第二讲 磁浮列车悬

2、浮与导向控制技术,力学方程,电磁方程,关联方程,无控制的常导电磁悬浮系统 本质上不稳定！需要设计反馈控制系统！,悬浮导向数学模型,力学特性,牵引动力国家重点实验室,6,一、控制系统模型,第二讲 磁浮列车悬浮与导向控制技术,力学方程,电磁方程,关联方程,特点: (1) 控制对象是非线性的(2) 电磁悬浮质量m变化范围很大, 以及电气元件的不均一,控制对象具有结构不确定(3) 电磁铁电感较大，线圈电阻很小，电磁铁的延迟很大，它是引起悬浮系统不稳定的主要原因,牵引动力国家重点实验室,7,一、控制系统模型,第二讲 磁浮列车悬浮与导向控制技术,无控制的常导电磁悬浮系统本质上不稳定！需要设计反馈控制系统！

3、单铁悬浮系统是合适的控制对象模型,牵引动力国家重点实验室,8,二、控制策略与原则,间隙控制(airgap control )：相对位置控制，跟踪轨道长波不平顺。 平台控制(platform mode)：绝对位置控制，忽略线路不平顺干扰。,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,悬浮控制策略,大稳定裕度，强干扰能力； 低频跟踪，高频抑制； 快速响应，延时小； 频带分布合理； 功耗小。,悬浮控制目的与原则,轨道表面,轨道表面,牵引动力国家重点实验室,9,二、控制策略与原则,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,导向控制策略,等间隙控制(airgap control)：相对位置控制，跟踪左右轨道不平顺。 对中

4、控制(centre mode)：相对位置控制，跟踪线路中心方向不平顺。,大稳定裕度，强干扰能力； 低频跟踪，高频抑制； 快速响应，延时小； 频带分布合理； 功耗小。,导向控制目的与原则,牵引动力国家重点实验室,10,交流隐式法 通过电流反馈达到系统平衡,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,三、控制器设计方法与原则,交流显式法： 通过位置反馈和电路调谐达到平衡,直流显式法： 通过位置反馈达到平衡,反馈变量 (D V A I)控制变量（U / I / ）控制方法,牵引动力国家重点实验室,11,1. PID控制,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,比例：位移-刚度 积分：势能-能量 饱和问题微分：速度-

5、阻尼 噪声问题,牵引动力国家重点实验室,12,2. 状态观测器控制,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,13,3. DSP控制,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,14,4. 其他控制方法,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,Hinf鲁棒性控制 m方法 模糊控制 神经网络与人工智能控制 自适应控制 容错控制等等,牵引动力国家重点实验室,15,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,5. 控制系统综合实例,两级串联控制,牵引动力国家重点实验室,16,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,5. 控制系统综合实例,5.1 Hinf电流环控制器设计,数学模型： 标称控制

6、对象：摄动控制对象,对以上摄动对象，Hinf鲁棒控制器参数的求取，有直接状态空间法（Riccati方程求解）和回路成形法等方法。,牵引动力国家重点实验室,17,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,(a) 直接状态法,Open loop (0.1100 Hz),Close loop (0.1105Hz),I(s)/U(s),牵引动力国家重点实验室,18,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,(a) 直接状态法,L摄动(0.1105Hz),R摄动 (0.1100Hz),牵引动力国家重点实验室,19,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,(a) 直接状态法,R摄动 (0.1100Hz),(0.1105Hz),

7、L摄动,R摄动,牵引动力国家重点实验室,20,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,(b) 回路成形法,Ctrl1,Ctrl2,P(s),W2,i,u,r,电流环控制系统模型,虚线所围部分控制回路，设开环回路传递函数为：此回路传函具有低频跟踪好，高频鲁棒性好，内稳定特点。,牵引动力国家重点实验室,21,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,5.2 悬浮子系统控制器设计,数学模型：,对悬浮子系统控制设计，采用了PD控制器（效果相当于机械弹簧阻尼器）鲁棒状态观测器的结构。PD控制器参数有明显的物理意义，便于参数调节；观测器独立于系统结构，具有很强的鲁棒性。,控制规律,设定悬浮系统特征频率和阻尼系数，并以加

8、速度反馈等效强度等于悬浮质量的20%。可求得三个反馈系数。,牵引动力国家重点实验室,22,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,5.3 观测器的设计,(1)系统可测信号为悬浮间隙与磁铁加速度，控制反馈系统的阻尼信号通过观测器得到。 (2)观测器的状态变量 ，其状态方程反映了信号的本质关系，独立于系统结构，因此具有极强的鲁棒性。 (3) 观测器的输出信号，应该具有低频跟踪、高频滤波的效果，其中间频率的选取将反映该特性。,实际控制规律：,牵引动力国家重点实验室,23,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,5.4 SIMPACK中控制器的设置,牵引动力国家重点实验室,24,5.5. 单铁电磁悬浮动态仿真,模

9、型及其参数质量: m=210kg，Mc500kg，200k800kg二系悬挂系统: fs=1Hz, xs=2轨道: f1= 17Hz， x1= 0.01悬浮控制系统: fn =7Hz， xn=2。,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,25,名义工况仿真（500kg）,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,26,名义工况仿真（500kg）,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,27,质量摄动下的仿真( Mc=200kg ）,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,28,质量摄动下的仿真( Mc=200kg ）

10、,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,29,车轨共振仿真,f1=17Hz, fs=1Hz, fn=3Hz,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,30,f1=17Hz, fs=1Hz, fn=3Hz,车轨共振仿真,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,31,f1=17Hz, fs=1Hz, fn=2Hz,车轨共振仿真,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,32,f1=3Hz, fs=1Hz, fn=20Hz,车轨共振仿真,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,33,f1=7Hz, fs

11、=1Hz, fn=7Hz,车轨共振仿真,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,34,f1=7Hz, fs=1Hz, fn=7Hz, xn=0.5, xs=0.3,车轨共振仿真,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,35,名义工况下悬浮系统频率特性,正弦波输入，0.001*sin(2*3.14*f), f=1,100,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,36,轨道低结头动力学仿真,轨道高低结头5mm，标准参数下的响应,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,37,轨道高低结头5mm，标准参数下的响应,轨道低结

12、头动力学仿真,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,38,轨道高低结头2mm，标准参数下的响应,轨道低结头动力学仿真,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,39,轨道高低结头2mm，标准参数下的响应,轨道低结头动力学仿真,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,40,1mm波幅10Hz正弦波 不平顺激励瞬态过程,第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术,牵引动力国家重点实验室,41,在EMS磁浮系统中，主动控制的电磁悬浮本质上是不稳定的，因此，磁浮列车系统的动力稳定性是其最核心的问题之一 。,低速或静止悬浮下，EMS磁浮系统的动力稳定性更多地依赖于控制参数的调整，而高速时由于车辆与轨道的动力影响，稳定性问题要复杂得多。,四、控制对列车系统动力性能影响,悬浮控制器频率、轨道一阶频率与车体二系悬挂频率任意两者靠得太近，都会加剧轨道振动，延长轨道安定时间，甚至引起车/轨系统共振失稳； 在磁悬浮车轨系统的频率设计中应当使系统的三个特征频率之间具有足够的距离，从而根本上避免电磁悬浮系统共振失稳。,第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术,