高速磁浮车主动悬浮导向控制稳定性研究

论文摘要

常导磁悬浮列车（EMS）的车载电磁铁和铁磁轨道之间悬浮间隙小，电磁力具有非线性特性，系统运行稳定性受摄动影响大。有关低速磁悬浮列车的实验表明：1-DOF主动控制存在稳定性问题。因此对于高速磁悬浮列车，悬浮、导向稳定性是稳定运行的首要问题。 为了满足高速磁浮列车动力学与控制系统稳定要求，本文提出了悬浮与导向的2-DOF主动控制解决方案。利用ADAMS与MATLAB协同平台，阐述了基于单轨正交模型的主动悬浮与导向LQG控制器设计方法。进行了单轨正交模型的高速运行仿真，验证了LQG控制器的鲁棒稳定性。以此为基础，在环行轨道上对单转向架模型以300K-m／h的速度进行了运行仿真，悬浮与导向2-DOF主动控制的鲁棒性得到了综合验证。仿真结果表明：在2-DOF控制器的主动控制下，高速运行的仿真模型垂向与横向能够保持稳定。 影响高速磁浮列车稳定性的三个主要因素是：系统刚性问题、非结构摄动和控制器的模态截取误差。由于动力学与控制系统刚度和非结构摄动是客观存在的动态特征，因此，为了提高空间轨道高速运行的稳定性，只有悬浮与导向EMS采用2-DOF主动控制，适度减小模态截取误差。2-DOF控制器设计具有创新性，其方案在技术上也是可行的，具有工程意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的内容、目的和意义
• 1.2 磁浮列车国内外发展与现状
• 1.3 虚拟样机与协同平台技术
• 1.3.1 虚拟样机技术在ADAMS中的实现
• 1.3.2 仿真协同平台
• 1.4 本论文的主要工作
• 本章小结
• 第二章 线性时不变系统（LTI）及控制系统设计
• 2.1 LTI定义、特点及模型形式
• 2.2 LTI模型积分一般算法与仿真步骤
• 2.3 控制系统分析工具
• 2.3.1 时域响应分析
• 2.3.2 频域响应分析
• 2.4 MIMO控制系统设计
• 2.4.1 极点配置法
• 2.4.2 LQG控制法
• 2.4.3 极点配置法与LQG设计法的对比
• 本章小结
• 第三章 多体动力学模型及线性分析
• 3.1 哈密尔顿原理
• 3.2 拉氏方程与约束条件的完整性
• 3.3 一般积分迭代算法及仿真步骤
• 3.4 线性分析
• 3.4.1 初始状态与准平衡状态
• 3.4.2 模态分析
• 3.4.3 瞬时工作点与线性分析
• 3.4.4 多体动力学与控制器闭环系统仿真验证的必要性
• 本章小结
• 第四章 单轨正交模型的仿真
• 4.1 单轨正交模型仿真的目的
• 4.2 仿真模型的几点假设
• 4.3 单轨正交模型及方程
• 4.4 1-DOF主动控制及分析
• 4.5 2-DOF主动控制器设计及分析
• 4.6 单轨正交主动控制模型的建立
• 4.6.1 建立模型的外形轮廓
• 4.6.2 建立模型的常量参数
• 4.6.3 建立模型的状态变量
• 4.6.4 建立模型的力学关系
• 4.6.5 建立开环模型脚本仿真输出
• 4.6.6 MATILAB中模型的仿真及控制器鲁棒稳定性分析
• 4.6.7 ADAMS中建立两自由度LQG控制器
• 4.6.8 单轨正交模型导向主动控制的特殊说明
• 4.7 爬坡仿真验证
• 4.8 某试验轨道仿真验证
• 本章小结
• 第五章 单转向架模型环行轨道高速仿真
• 5.1 单转向架模型仿真的主要目标
• 5.2 单转向架模型的说明
• 5.3 单转向架模型环形轨道运行仿真及分析
• 5.3.1 环形轨道轨道参数
• 5.3.2 环形轨道运行结果及分析
• 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢