C悬浮与导向技术实用实用教案

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1、1一、控制系统(kn zh x tn)模型第二讲 磁浮列车(lich)悬浮与导向控制技术 高速常导磁浮列车(lich)系统悬悬浮浮导导向向物物理理结结构构第1页/共40页第一页，共41页。2一、控制系统(kn zh x tn)模型第二(d r)讲 磁浮列车悬浮与导向控制技术 低速(d s)常导磁浮列车系统悬悬浮浮导导向向物物理理结结构构第2页/共40页第二页，共41页。3一、控制系统(kn zh x tn)模型第二讲 磁浮列车悬浮(xunf)与导向控制技术 力学(l xu)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！悬悬浮浮导导向向数数学学模模型型力学特性力

2、学特性力学特性力学特性第3页/共40页第三页，共41页。4一、控制系统(kn zh x tn)模型第二讲 磁浮列车(lich)悬浮与导向控制技术 力学(l xu)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第4页/共40页第四页，共41页。5一、控制系统(kn zh x tn)模型第二讲 磁浮列车(lich)悬浮与导向控制技术 无控制的常导电(dodin)磁悬浮系统本质上不稳定！需要设计反馈控制系统！单铁悬浮

3、系统是合适的控制对象模型第5页/共40页第五页，共41页。6二、控制策略与原则(yunz)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(xinl)不平顺干扰。第二讲 磁浮列车(lich)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第6页/共40页第六页，共41页。7二、控制策略与原则(yunz)第二讲 磁浮列车悬浮(xunf)导向控制技术 导向(do xin)控制策略等间隙控制(airgap co

4、ntrol)：相对位置控制，跟踪左右轨道不平顺。对中控制(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第7页/共40页第七页，共41页。8交流隐式法通过电流反馈达到(d do)系统平衡第二(d r)讲 磁浮列车悬浮导向控制技术 三、控制器设计方法(fngf)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n 反馈变量 (D V A I)n 控制变量（U / I / ）n 控制方法第8页/共40页第八页，共41页。91. PID控制(kngzh

5、)第二(d r)讲 磁浮列车悬浮导向控制技术 n 比例：位移-刚度(n d) n 积分：势能-能量 饱和问题n 微分：速度-阻尼 噪声问题第9页/共40页第九页，共41页。102. 状态(zhungti)观测器控制第二讲 磁浮列车(lich)悬浮导向控制技术 第10页/共40页第十页，共41页。113. DSP控制(kngzh)第二讲 磁浮列车(lich)悬浮导向控制技术 第11页/共40页第十一页，共41页。124. 其他(qt)控制方法第二讲 磁浮列车悬浮(xunf)导向控制技术 Hinf鲁棒性控制(kngzh)m方法模糊控制(kngzh)神经网络与人工智能控制(kngzh)自适应控制(k

6、ngzh)容错控制(kngzh)等等第12页/共40页第十二页，共41页。13第二(d r)讲 磁浮列车悬浮导向控制技术 5. 控制系统(kn zh x tn)综合实例两级串联(chunlin)控制第13页/共40页第十三页，共41页。14第二(d r)讲 磁浮列车悬浮导向控制技术 5. 控制系统综合(zngh)实例5.1 Hinf电流(dinli)环控制器设计数学模型： 标称控制对象：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。第14页/共40页第十四页，共41页。15第二(d r)讲 磁浮列车悬浮导向控制技术 (

7、a) 直接(zhji)状态法Open loop(0.1100 Hz)Close loop(0.1105Hz)I(s)/U(s)第15页/共40页第十五页，共41页。16第二讲 磁浮列车(lich)悬浮导向控制技术 (a) 直接(zhji)状态法L摄动(0.1105Hz)R摄动 (0.1100Hz)第16页/共40页第十六页，共41页。17第二讲 磁浮列车悬浮(xunf)导向控制技术 (a) 直接(zhji)状态法R摄动 (0.1100Hz)(0.1105Hz)L摄动R摄动第17页/共40页第十七页，共41页。18第二讲 磁浮列车(lich)悬浮导向控制技术 (b) 回路(hul)成形法Ctrl

8、1Ctrl2P(s)W2iur电流环控制系统(kn zh x tn)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。第18页/共40页第十八页，共41页。19第二(d r)讲 磁浮列车悬浮导向控制技术 5.2 悬浮(xunf)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(jigu)。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(jigu)，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，并以加速度反馈等效强度等于悬浮质量的20%。可求得三

9、个反馈系数。第19页/共40页第十九页，共41页。20第二(d r)讲 磁浮列车悬浮导向控制技术 5.3 观测器的设计(shj)(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(shch)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。1/sw021/s2w0x0da实际控制规律：第20页/共40页第二十页，共41页。21第二讲 磁浮列车悬浮(xunf)导向控制技术 5.4 SIMPACK中控制器的设置(shzh)第21页/共

10、40页第二十一页，共41页。225.5. 5.5. 单铁电磁悬浮动态单铁电磁悬浮动态(dngti)(dngti)仿真仿真 模型及其参数 质量: m=210kg，Mc500kg，200k800kg 二系悬挂(xungu)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(d r)讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术 第22页/共40页第二十二页，共41页。23名义(mngy)工况仿真（500kg）第二讲 磁浮列车(lich)悬与浮导向控制技术 第23页/共40页第二十三页，共41页。24名义(mngy)工况仿真（500kg

11、）第二(d r)讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术 第24页/共40页第二十四页，共41页。25质量(zhling)摄动下的仿真( Mc=200kg ）第二(d r)讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术 第25页/共40页第二十五页，共41页。26质量(zhling)摄动下的仿真( Mc=200kg ）第二讲 磁浮列车(lich)悬与浮导向控制技术 第26页/共40页第二十六页，共41页。27车轨共振(gngzhn)仿真f1=17Hz, fs=1Hz, fn=3Hz第二(d r)讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术 第27页/共40页第二十七页，共41页。28f1=17Hz, fs=1Hz, fn=3Hz车轨

12、共振(gngzhn)仿真第二讲 磁浮列车(lich)悬与浮导向控制技术 第28页/共40页第二十八页，共41页。29f1=17Hz, fs=1Hz, fn=2Hz车轨共振(gngzhn)仿真第二(d r)讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术 第29页/共40页第二十九页，共41页。30f1=3Hz, fs=1Hz, fn=20Hz车轨共振(gngzhn)仿真第二(d r)讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术 第30页/共40页第三十页，共41页。31f1=7Hz, fs=1Hz, fn=7Hz车轨共振(gngzhn)仿真第二讲 磁浮列车(lich)悬与浮导向控制技术 第31页/共40页第三十一页，共41页

13、。32f1=7Hz, fs=1Hz, fn=7Hz, xn=0.5, xs=0.3 车轨共振(gngzhn)仿真第二(d r)讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术 第32页/共40页第三十二页，共41页。33名义工况下悬浮(xunf)系统频率特性正弦波输入(shr)，0.001*sin(2*3.14*f), f=1,100 第二讲 磁浮列车(lich)悬与浮导向控制技术 第33页/共40页第三十三页，共41页。34轨道(gudo)低结头动力学仿真轨道高低结头5mm，标准参数(cnsh)下的响应 第二讲 磁浮列车(lich)悬与浮导向控制技术 第34页/共40页第三十四页，共41页。35轨道(gudo

14、)高低结头5mm，标准参数下的响应 轨道(gudo)低结头动力学仿真第二(d r)讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术 第35页/共40页第三十五页，共41页。36轨道高低(god)结头2mm，标准参数下的响应 轨道(gudo)低结头动力学仿真第二讲 磁浮列车(lich)悬与浮导向控制技术 第36页/共40页第三十六页，共41页。37轨道高低结头2mm，标准(biozhn)参数下的响应 轨道(gudo)低结头动力学仿真第二讲 磁浮列车(lich)悬与浮导向控制技术 第37页/共40页第三十七页，共41页。381mm波幅10Hz正弦波不平顺(pngshn)激励瞬态过程第二讲 磁浮列车(lich)悬与浮

15、导向控制技术 第38页/共40页第三十八页，共41页。39在EMS磁浮系统中，主动(zhdng)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(wnt)要复杂得多。 四、控制对列车系统动力(dngl)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，甚至引起车轨道振动，延长轨道安定时间，甚至引起车/轨系统共振失稳

16、；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，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。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 第39页/共40页第三十九页，共41页。牵引(qinyn)动力国家重点实验室40感谢您的欣赏(xnshng)！第40页/共40页第四十页，共41页。内容(nirng)总结1。(2) 电磁悬浮质量m变化范围很大, 以及电气元件的不均一,。平台控制(platform mode)：绝对位置控制，忽略线路不平顺干扰。等间隙控制(airgap control)：相对(xingdu)位置控制，跟踪左右轨道不平顺。对中控制(centre mode)：相对(xingdu)位置控制，跟踪线路中心方向不平顺。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。感谢您的欣赏第四十一页，共41页。