C悬浮与导向技术课件.pptx

1、牵引动力国家重点实验室1第二讲 磁浮列车悬浮与导向控制技术第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术 牵引动力国家重点实验室2一、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 低速常导磁浮列车系统牵引动力国家重点实验室4一、控制系统模型mmzmgF220()4mN A iFAiNiANiRu22020022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！aKKKuadddpd牵引动力国家重点实验室5一、控制系统模型mmzmgF220(

2、)4mN A iFAiNiANiRu22020022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6一、控制系统模型220()4mN A iF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！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7二、控制策略与原则间隙控制(airgap control)：相对位置控

3、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8二、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

4、原则牵引动力国家重点实验室9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n 反馈变量(D V A I)n 控制变量（U/I/）n 控制方法牵引动力国家重点实验室10dtkI磁浮系统pkdtdkdck+-+-0zeuiz1.PID控制第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术 n 比例：位移-刚度 n 积分：势能-能量 饱和问题n 微分：速度-阻尼 噪声问题牵引动力国家重点实验室1120002+2 x1 x+-za2.状态观测器控制第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术 1Tlas+11Tl

5、bs+1Ths+1Thsw021s2Dw0K1K3K2C01sf-KI22CF+-+-+I0Iac滤波器观测器控制器牵引动力国家重点实验室123.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134.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14第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术 5.控制系统综合实例加速度表间隙传感器前级控制器斩波器电磁铁电流环控制器电流环互感器前级控制系统电流环子系统两级串联控制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

6、5.1 Hinf电流环控制器设计数学模型：标称控制对象：摄动控制对象itLitRu)()(1)/(/1)(P0000sRLRsWsPsP)()(0 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16第二讲 磁浮列车悬浮导向控制技术 Bode DiagramFrequency(rad/sec)Phase(deg)Magnitude(dB)-40-30-20-10010Kw1=2000Kw1=200Kw1=2010-1100101102103104105-90-45045(a)直接状态法Open loop(0.11

7、00 Hz)Close loop(0.1105Hz)I(s)/U(s)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 Bode DiagramFrequency(rad/sec)Phase(deg)Magnitude(dB)-25-20-15-10-50510-1100101102103104105-90-450L0=0.1513L=0.3L=0.15L=0.1L=0.05(a)直接状态法L摄动(0.1105Hz)Bode DiagramFrequency(rad/sec)Phase(deg)Magnitude(dB)-20-15-10-5010-11001011021031041

8、05-90-45045R=1.5,1,0.5,0.3 R摄动(0.1100Hz)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 Bode DiagramFrequency(rad/sec)Phase(deg)Magnitude(dB)-25-20-15-10-50510-1100101102103104105-90-450L0=0.1513L=0.3L=0.15L=0.1L=0.05(a)直接状态法R摄动(0.1100Hz)(0.1105Hz)Bode DiagramFrequency(rad/sec)Phase(deg)Magnitude(dB)-20-15-10-5010-11

9、00101102103104105-90-45045R=1.5,1,0.5,0.3 L摄动R摄动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(b)回路成形法Ctrl1Ctrl2P(s)W2iur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。ssLc)(1close loop transfer ()1()csS sL ss0001()controller transfer ()()()cL sRC sS sP ss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 5.2 悬浮子系统控制器设计 数学模型：d

10、dIRU1dfdfimdCICFdmdFFym 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。dadddpdKKKu 控制规律ddfpfiddfidafiFCKRCKRCKRCm)()()(111 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%。可求得三个反馈系数。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 5.3 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

11、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。,1/s021/s200a实际控制规律：aKKKuadddpd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 5.4 SIMPACK中控制器的设置牵引动力国家重点实验室235.5.单铁电磁悬浮动态仿真 模型及其参数 质量:m=210kg，Mc500kg，200k800kg 二系悬挂系统:fs=1Hz,s=2 轨道:f1=17Hz，1=0.01 悬浮控制系统:fn=7Hz，n=2。第二讲 磁浮列车悬与浮导向控制技术 牵引

12、动力国家重点实验室24名义工况仿真（500kg）00.511.520.50.550.60.650.70.75guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg00.511.5210121416182022magnet dis(mm)time(s)00.511.52-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)00.511.52101214161820airgap(mm)time(s)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2500.511.52-15-10-505magnet acc(m/s2time(s)Mc=500kg00.511.

13、52304050607080current/voltage(A/V)time(s)00.511.5267891011magnet force(kN)time(s)00.511.52-0.08-0.06-0.04-0.020aigap differetial(P/T)(m/s)time(s)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质量摄动下的仿真(Mc=200kg）00.511.520.30.350.40.450.5guideway dis(mm)time(s)Mc=200kg00.511.5210121416182022magnet dis(mm

14、)time(s)00.511.52-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)00.511.52101214161820airgap(mm)time(s)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2700.511.520.70.80.911.1guideway dis(mm)time(s)Mc=800kg00.511.5210121416182022magnet dis(mm)time(s)00.511.52-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)00.511.52101214161820airgap(mm)tim

15、e(s)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2800.511.520.40.50.60.70.80.91guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg00.511.52510152025magnet dis(mm)time(s)00.511.52-15-10-50carbody dis(mm)time(s)00.511.525101520airgap(mm)time(s)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2900.511.52-15-10-50

16、5magnet acc(m/s2time(s)Mc=500kg00.511.52020406080current/voltage(A/V)time(s)00.511.5267891011magnet force(kN)time(s)00.511.52-0.15-0.1-0.0500.050.1aigap differetial(P/T)(m/s)time(s)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3000.20.40.60.800.511.5guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg00.20.40.

17、60.8051015202530magnet dis(mm)time(s)00.20.40.60.8-20-15-10-505carbody dis(mm)time(s)00.20.40.60.8051015202530airgap(mm)time(s)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3100.511.521919.219.419.619.82020.2guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg00.511.5228303234363840magnet dis(mm)time(s)00.511.

18、52-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)00.511.528101214161820airgap(mm)time(s)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3200.511.523.53.63.73.83.9guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg00.511.5212141618202224magnet dis(mm)time(s)00.511.52-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)00.511.521012141618

19、20airgap(mm)time(s)f1=7Hz,fs=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3300.511.523.23.43.63.84guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg00.511.5212141618202224magnet dis(mm)time(s)00.511.52-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)00.511.52101214161820airgap(mm)time(s)f1=7Hz,fs=1Hz,fn=7Hz,n=0.5,s=0.3 车轨共振仿真第二讲

20、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 010203040506070809010000.20.40.60.811.21.4amplitude(mm)frequency(Hz)Depth=1mmguidewaymagnetcarbodyairgap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35012340.560.580.60.620.640.660.68guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg0123410121416182022magnet di

21、s(mm)time(s)01234-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)012348101214161820airgap(mm)time(s)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3601234-15-10-505magnet acc(m/s2time(s)Mc=500kg01234203040506070current/voltage(A/V)time(s)012346.577.588.599.5magnet force(kN)time(s)01234-0.04-0.0200.0

22、20.040.06aigap differetial(P/T)(m/s)time(s)轨道高低结头5mm，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37012340.560.580.60.620.640.660.68guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg0123410121416182022magnet dis(mm)time(s)01234-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)012348101214161820airgap(mm)time(s)轨道高低结头2mm，标准参数下的响

23、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3801234-8-6-4-202magnet acc(m/s2time(s)Mc=500kg01234203040506070current/voltage(A/V)time(s)012346.577.588.5magnet force(kN)time(s)01234-0.04-0.0200.020.04aigap differetial(P/T)(m/s)time(s)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3951015205678

24、9Magnetic Force(kN)Airgap(mm)Mc=500kg9919929939949959964.44.64.855.25.42nd Susp Force(kN)Spring displacement(mm)20304050607056789Magnetic Force(kN)Current(A)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40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，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；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。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