张锟[1]2004年在《磁浮列车悬浮系统的数字控制技术研究》文中提出悬浮控制是磁悬浮列车的核心和关键技术。论文对EMS型磁浮列车悬浮系统的数字控制问题进行了深入分析和研究,首先从理论上分析了转向架的解耦功能,证明悬浮模块是独立的控制单元,然后给出了基于分布磁场模型的电磁力计算,在此基础上,研究了悬浮模块的解耦控制算法。 论文主要包括以下内容: 转向架的解耦问题研究。转向架是EMS型中低速磁浮列车的基本支撑单元,其运动学解耦问题一直未得到彻底解决。本文利用内自由度的概念,消去冗余的关节运动,建立了正向运动学方程;通过分析,首次得到了正向运动学方程以解析形式表达的逆解。这一结果扩展了国内外已有的研究成果,对于研究系统解耦性能和设计列车、轨道具有重要意义。 基于分布磁场的电磁力计算。磁浮系统研究中常用的电磁力公式是基于点模型的,当电磁铁与轨道不平行时该式与实际力相差较大。本文首次研究了电磁铁相对于轨道存在俯仰角时的电磁力与力矩的解析表达形式,并利用有限元数值计算结果验证了所得到的解析公式的正确性。 基于Volterra算子的单电磁铁悬浮系统稳定性分析。针对强非线性的悬浮控制系统进行稳定性分析的工作较为鲜见。本文利用基于Volterra算子的非线性系统稳定性理论,建立了单铁悬浮系统采用PD控制算法时的稳定性判别方法。 悬浮模块的双点解耦控制算法。悬浮模块是转向架的基本组成单元,它本身是刚体,对其两端分别施加独立控制的结构是不恰当的,尤其在悬浮模块动态运动幅度较大时更加明显。本文首次将悬浮模块作为一个整体对象加以建模,并提出了一种消除双端运动学耦合的控制算法。仿真结果证明了算法的有效性。
盛蓉蓉[2]2006年在《悬浮控制方法的研究与数字实现》文中提出磁浮列车作为一种新型的交通工具,正以其速度快、乘坐舒适、污染小、噪声低等优点受到越来越多的关注,其中悬浮技术是磁浮列车的核心和关键技术之一。悬浮性能的好坏主要取决于控制系统的设计;由于悬浮系统本身固有的非线性特性和开环不稳定性,以及参数摄动和外干扰引起的不确定性等问题,增加了悬浮控制技术的难度。因此,开展悬浮控制技术的研究具有重要意义。 本文以磁浮列车为研究对象,进行了悬浮控制器的设计,整个设计以单电磁铁为悬浮试验对象。首先,简要介绍了悬浮电磁铁的基本结构和工作原理,建立了数学模型。对影响悬浮系统性能的因素进行了分析,进而提出了相应的解决方法。设计了具有良好鲁棒性的滑模(变结构)悬浮控制器,并通过仿真与PID、状态反馈控制方法进行了对比,初步验证了滑模变结构控制器的可行性。 其次,根据单电磁铁悬浮系统的特点,设计了基于双DSP(TMS320F2812、TMS320LF2407)的数字悬浮控制器,完成了硬件系统的搭建和控制算法的编程。进行了单电磁铁悬浮试验,试验证明该控制器具有良好的稳定性和鲁棒性,对干扰信号具有令人满意的抑制效果,可以实现稳定悬浮。
张翼[3]2006年在《基于DSP的磁浮列车悬浮控制器的研究》文中研究说明磁浮列车作为一种新型的陆上轨道交通工具,具有速度快、能耗低、乘坐舒适、噪音小等优点,并已在工程实践中得以应用。对于电磁吸浮型磁浮列车,悬浮控制是其关键部分,由于该系统的非线性和不稳定性,需要通过主动控制使其稳定悬浮。 本文建立了单电磁铁悬浮系统(SMLS)的非线性动态模型,并在平衡点附近线性化,得到相应的磁悬浮系统线性化模型和对应的系统状态方程。在系统能控和能观的基础上,设计了基于单电磁铁的电压反馈控制、PID控制、模糊控制和模糊PID控制,对这几种控制方法进行了仿真分析,并对各种控制方法的性能特点进行了比较。 在对磁悬浮系统理论分析的基础上,对SMLS采用数字控制器以实现其悬浮控制。本文设计了基于数字信号处理器TMS320F2812的数字控制器,其功能包括信号的采集、基于算法的信号处理以及运算结果的输出等。初步实验表明该数字控制器能够实现稳定的悬浮控制并具有良好的抗干扰能力。
戴玉[4]2018年在《无气隙传感器悬浮控制器研究》文中研究说明中低速磁浮列车具有爬坡能力强、转弯半径小、噪音小、安全舒适、建造维修成本低等优势,我国城市轨道交通建设正在兴起一股磁浮热潮。悬浮控制器是磁浮列车的核心技术之一,悬浮系统的可靠稳定依赖于气隙传感器的可靠性。目前普遍采用叁个气隙传感器冗余设计以提高悬浮的可靠性和解决过轨道接缝的问题,因此也带来成本高的问题。本文研究无气隙传感器的悬浮控制器,探索采用电磁铁电感量检测来间接辨识悬浮气隙的技术,实现低成本和高可靠性。论文主要开展如下研究:单电磁铁的控制研究。建立了单电磁铁悬浮系统动态数学模型;采用气隙外环电流内环的控制方案设计悬浮控制器,分析悬浮斩波器工作原理,设计了电流环补偿网络,能实现对电流指令的快速跟随;分别基于平衡点线性化和精确线性化方法设计气隙环,仿真证明精确线性化方法具有对外界扰动力不敏感的优点。气隙辨识方案研究。提出了通过检测电感电流变化率估算电磁铁电感量,从而间接得到气隙的研究思路。利用有限元分析了电感量和气隙关系曲线;基于Simulink仿真,分析了气隙辨识和横向偏移工况时的系统响应,证明了气隙辨识方案的可行性;结合中低速磁浮列车电磁铁的实际参数,讨论电感辨识的具体实现,设计减法去基值和高倍数放大电路提取电流脉动以估算电感量,解决了电流微小脉动的提取难题。悬浮控制器的设计与实验。设计了以ARM+FPGA为核心的悬浮控制器,包括信号调理、数字滤波、悬浮控制、气隙辨识等模块;在同济大学中低速磁浮基地悬浮转向架上,开展单电磁铁悬浮测试,进行了悬浮控制和气隙辨识实验,实现了单电磁铁悬浮系统的稳定悬浮及电感量和气隙辨识,辨识精度在±5%以内,测得了气隙和电感量关系曲线。通过本论文的研究,无气隙传感器的悬浮控制器能够较精确辨识出悬浮气隙,用于悬浮控制,有望实现工程化。
李剑锋[5]2005年在《常导高速磁浮列车搭接结构的悬浮控制技术研究》文中指出搭接结构悬浮控制是高速磁浮列车悬浮技术的关键问题之一。搭接结构增加了列车悬浮系统的冗余能力,提高了列车在高速行驶时的安全性。但是,同一搭接结构上的两个悬浮点之间具有很强的耦合作用,在对搭接结构进行悬浮控制时,如果对两个悬浮点独立进行悬浮控制设计,很难使搭接结构稳定悬浮,因此必须考虑它们之间的耦合作用。本文建立搭接结构数学模型,采用微分几何方法对搭接结构进行解耦并线性化,将搭接结构解耦为两个独立的子系统,对两个子系统采用状态反馈方法分别设计控制器,得到搭接结构悬浮控制的非线性控制律,并进行了不同情况下的仿真。仿真结果表明,设计的悬浮控制器能够使搭接结构稳定悬浮。针对悬浮控制中信号处理和悬浮控制算法的复杂性,提出了双DSP并行处理的思想。在对搭接结构进行悬浮控制时,两个悬浮点之间需要实时交换状态信息,并且传感器与数字悬浮控制器之间也要传输数据,两类信息交换是通过RS-485串行通信来实现的。为此,本文搭建了基于RS-485串行通信的双DSP F2812数字悬浮控制器平台,为搭接结构悬浮实验创造了良好的基础。同时,从理论上分析了串行通信延迟对搭接结构单悬浮点系统稳定性的影响,得到了使系统稳定悬浮的延迟时间范围。由于系统的延迟时间落在使系统稳定的范围内,所以控制算法中采用原控制参数能够使系统稳定。这一结论为搭接结构悬浮控制串行通信波特率的选取提供了参考。本文最后在原理型搭接装置上进行了悬浮控制实验,实验结果表明:文中所设计的控制方法能够实现原理型搭接装置的稳定悬浮,而且搭接装置上的一个点出现故障时,另一个点的悬浮间隙最大增加量仅为0.8mm左右,由此说明该方法能够确保搭接结构冗余功能的实现。
刘茹[6]2007年在《磁浮列车悬浮系统PID自整定控制研究》文中进行了进一步梳理磁浮列车作为一种新型的陆上轨道交通工具，具有速度快、能耗低、乘坐舒适、噪音小等优点，并已在工程实践中得以应用。对于电磁吸力型磁浮列车，由于开环不稳定，悬浮控制系统便成为磁浮列车控制中很关键的一部分，需要通过闭环反馈控制使其稳定悬浮。本文建立了单电磁铁悬浮系统(SMLS)的非线性数学模型，并在平衡点附近线性化，得到相应的磁悬浮系统线性化模型和对应的系统状态方程。在此基础上，仿真分析了单磁铁的PID控制和PID模糊自整定控制并对这两种控制方法的性能特点进行比较。由于电磁吸力型磁浮列车的非线性和大滞后环节特性，使得悬浮系统平衡只能是一个动态平衡。悬浮模块两电磁铁之间的机械耦合不可避免。因此在前述基础上，提出交错解耦控制，并进行仿真分析。在对磁悬浮系统理论分析的基础上，针对悬浮模块设计了数字控制器以实现其稳定悬浮。控制器采用TI公司的TMS320F2812作为数字信号处理器，器功能包括信号的采集、基于算法的信号处理以及运算结果的输出等。实验表明该数字控制器能够实现稳定的悬浮控制并具有良好的抗干扰能力。
朱付景[7]2007年在《基于双位置环反馈的悬浮控制研究》文中进行了进一步梳理悬浮控制是磁浮列车的一项关键技术,目前采用的基于相对间隙反馈的单位置环控制系统在克服轨道扰动的性能方面有待进一步的提高和改进。本文围绕双位置反馈在悬浮控制中的应用展开研究,采用理论分析与仿真实验相结合的方法,主要完成了以下工作:首先,建立了单铁悬浮控制系统的数学模型,在此基础上对悬浮控制系统设计中常用的几种反馈进行了对比和分析,介绍了目前应用较为广泛的单位置环串级控制系统。其次,根据互补滤波器的思想讨论了基于双位置环的单铁悬浮控制系统的模型、滤波器的设计、闭环系统的稳定性分析等问题;从对给定信号的响应能力、抗轨道扰动性能和抗负载扰动能力等几个方面对双位置反馈和单位置反馈两种控制方案进行了对比和分析;从系统的稳定性角度分析了高通滤波器和低通滤波器参数的变化对系统的影响。然后,将双位置反馈控制的原理推广应用于速度环,详细讨论了基于双速度环的悬浮控制系统。从抗轨道随机扰动能力、对坡道的跟踪能力、弹性轨道上抑制车轨共振能力等几个方面与常规的单速度环系统作了对比分析,比较了频率加权求和与代数求和两种双速度环方法的特点。最后,搭建了以DSP为运算核心、FPGA为数字逻辑核心的数字控制器硬件平台,编制了基于DSP内部的定时器中断机制运行的悬浮控制程序,进行了单铁和单转向架的悬浮控制实验,比较了两种控制方案的实验效果,验证了理论分析结果的正确性。
张鼎[8]2005年在《基于扩张状态观测器和非线性PID的数字式悬浮控制系统研究》文中认为悬浮控制技术是磁浮列车的核心技术之一。本文主要开展磁浮列车悬浮控制器的控制算法研究和数字式悬浮控制器的开发方法研究，主要包括以下方面： (1) 扩张状态观测器方法研究。深入研究一类不依赖于被观测对象模型的扩张状态观测器的结构和特性，并应用基于多目标优化技术的遗传算法搜索扩张状态观测器参数，取得了良好效果。 (2) 次速电流环研究。分析了电流环在悬浮控制器系统中的作用和意义，结合经典PI型电流环和最速电流环，设计了一种次速电流环，其电流调节速度与最速电流环相当，稳态精度及抗干扰能力与PI型类似。 (3) 非线性PID悬浮控制方法研究。讨论了线性PID方法的特点与缺陷，采用非线性函数代替原来的常数增益，克服了参数间的耦合影响，在提高控制系统快速性的同时又能抑制超调。针对单电磁铁悬浮控制问题，设计基于次速电流环和扩张状态观测器的非线性PID悬浮控制器，仿真结果表明，扩张状态观测器能较好地跟踪系统输出真值及其微分，非线性PID控制较线性PID控制调节速度加快60％，超调量减小40％。 (4) 基于PC的DSP仿真开发平台研究。分析悬浮控制器一般开发方法的特点，设计一种基于PC的嵌入式系统快速开发平台，完成平台各功能单元的测试。 (5) 在本文设计的开发平台上开展混合磁铁悬浮系统的实验研究。实现了非线性PID的悬浮控制算法；设计四象限斩波器及其驱动保护电路、模拟信号预处理电路；完成斩波器测试、次速电流环调试、扩张状态观测器调试及软起软落调试，实现混悬装置的稳定悬浮。
陈强[9]2002年在《磁浮列车数字悬浮控制系统设计》文中认为磁悬浮列车作为一种新型的交通工具，正以其速度快、乘坐舒适、污染小、噪声低等优点受到越来越多的关注。悬浮控制技术是磁浮列车的核心和关键技术之一。传统的悬浮控制器采用模拟电路实现，它曾经为推动磁悬浮技术应用起到了重要的作用，但随着控制系统复杂性的增加，对列车各种性能要求的提高，模拟控制已不能适应磁浮列车技术发展的要求。而近二十年来，伴随着计算机、通信和微电子技术的进步，数字电子技术得到了突飞猛进地发展，出现了各种高速、高性能的微控制器和微处理器，这使得在磁浮列车的悬浮控制器中，由数字电路取代现有的模拟电路成为可能。 本文所研究的正是在原有模拟悬浮控制系统的基础上，进行新的数字悬浮控制器设计，整个设计以单电磁铁为悬浮试验对象。首先，简要介绍了单铁悬浮系统的基本结构和工作原理，并建立了单铁悬浮系统的数学模型。接着对影响悬浮系统性能的因素进行了分析，进而提出了相应的解决方法，供后面系统设计时参考。其次，根据单铁悬浮系统的特点，进行了数字悬浮控制器设计，这其中既包含了硬件设计，也包括了悬浮控制算法设计及实现(即软件设计)。在设计完成后，进行了单电磁铁悬浮试验，初步验证了数字悬浮控制器设计的可行性。同时结合悬浮效果，总结了存在的问题。最后，结合悬浮控制系统调试中遇到的实际问题，提出了在线调试的思想，并对调试系统的总体设计进行了研究。同时将其中的一部分关键技术给予了原理性的实现，为后面调试系统的进一步完善打下了基础。
郑永斌[10]2006年在《EMS型中低速磁浮列车悬浮模块的解耦控制研究》文中研究指明悬浮控制是EMS型磁浮列车的核心技术之一。目前,悬浮控制一般采用单铁控制方案,模块上的单悬浮点是磁浮列车悬浮控制的基本单元。但采用单铁控制方案无法从根本上抑制悬浮模块的内部状态耦合,模块系统内部的状态耦合问题已经成为进一步提高悬浮系统整体性能的瓶颈。本文把悬浮模块作为一个整体,采用模块悬浮控制方案,通过设计解耦控制算法,来解决悬浮模块内部状态耦合问题和提高悬浮控制性能。论文主要包括如下内容:(1)在一系列合理抽象和假设的基础上对模块悬浮系统进行了简化,从能量的角度建立了模块悬浮系统的数学模型,简要分析了模型的精确性,并进行了模块悬浮系统开环稳定性分析和模块内部两个悬浮端点之间的状态耦合分析。(2)在建立的数学模型基础上,基于逆系统方法对模块悬浮系统实施了解耦控制。考虑到模块悬浮系统在实际运行过程中存在未建模的动态特性、复杂的外部干扰和频繁的参数扰动等不确定性,设计了鲁棒性强的滑模解耦控制器。在实现这两种算法时,考虑到电磁铁线圈的大电感对控制信号的延迟作用,参考悬浮控制的串级控制思想,设计快速电流环加快电流响应的同时使得系统降阶;设计位置环实现解耦控制算法,使得系统按照一定的性能指标稳定悬浮在预定间隙。(3)为实现算法构建了以DSP为运算核心、FPGA为数字逻辑核心的数字控制器硬件平台,编制了基于DSP内部的定时器中断机制运行的悬浮控制程序。(4)通过仿真和实验,研究了本文设计的两种解耦控制方法的性能,结果表明,本文设计的两种控制方法能够解决模块悬浮系统内部的两个悬浮端点之间的耦合问题,提高悬浮控制性能。(5)对比了本文设计的两种解耦控制器的性能,与基于逆系统的解耦控制器相比,滑模解耦控制器具有更强的鲁棒性能,更适用于磁浮列车的悬浮控制。
参考文献：
[1]. 磁浮列车悬浮系统的数字控制技术研究[D]. 张锟. 国防科学技术大学. 2004
[2]. 悬浮控制方法的研究与数字实现[D]. 盛蓉蓉. 西南交通大学. 2006
[3]. 基于DSP的磁浮列车悬浮控制器的研究[D]. 张翼. 西南交通大学. 2006
[4]. 无气隙传感器悬浮控制器研究[D]. 戴玉. 西南交通大学. 2018
[5]. 常导高速磁浮列车搭接结构的悬浮控制技术研究[D]. 李剑锋. 国防科学技术大学. 2005
[6]. 磁浮列车悬浮系统PID自整定控制研究[D]. 刘茹. 西南交通大学. 2007
[7]. 基于双位置环反馈的悬浮控制研究[D]. 朱付景. 国防科学技术大学. 2007
[8]. 基于扩张状态观测器和非线性PID的数字式悬浮控制系统研究[D]. 张鼎. 国防科学技术大学. 2005
[9]. 磁浮列车数字悬浮控制系统设计[D]. 陈强. 中国人民解放军国防科学技术大学. 2002
[10]. EMS型中低速磁浮列车悬浮模块的解耦控制研究[D]. 郑永斌. 国防科学技术大学. 2006