电磁永磁混合悬浮磁悬浮模型车控制方案的研究

论文题目: 电磁永磁混合悬浮磁悬浮模型车控制方案的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 电机与电器

作者: 徐正国

导师: 金能强

关键词: 电磁永磁混合悬浮,状态反馈,混合模糊,直接自适应模糊控制

文献来源: 中国科学院研究生院（电工研究所）

发表年度: 2005

论文摘要: 传统的EMS磁悬浮系统的悬浮磁极在结构上简单可靠而且技术上已经相当成熟,但是这种悬浮磁极还有一些需要改进的地方,主要是悬浮磁极在稳定悬浮时流过悬浮磁极的电流较大,因此悬浮磁极的功耗也很大,磁极的发热也很严重,为确保列车可靠悬浮,必须沿轨道梁分段铺设供电轨以备列车进站停车或者中途紧急停车时给车上的悬浮磁极和车载控制系统供电。因此减少悬浮磁极的功耗不但可以大大减少供电轨的长度甚至取消供电轨,还可以在载重量不变的情况下适当增加悬浮气隙,这对于降低吸引悬浮型磁悬浮列车系统的整体造价和提高其运行的可靠性都有显著的意义。随着永磁体磁性能的提高和制造工艺的进一步完善,采用电磁永磁混合悬浮技术成为解决传统EMS磁悬浮系统悬浮功耗问题的非常具有竞争力的方案。采用电磁永磁混合悬浮技术可以显著降低悬浮磁极的功耗,优化EMS型磁悬浮系统的结构从而降低系统造价。本文主要对电磁永磁混合悬浮系统的不同控制方案进行研究,并研制了一套用于四点悬浮磁悬浮模型车悬浮控制系统的实验装置,对不同控制方案进行了实验验证。 EMS型磁悬浮系统的控制分为线性控制和非线性控制两类。传统EMS型磁悬浮系统主要采用线性状态反馈控制,这种控制方案结构简单,易于用模拟的方法来实现,但是由于EMS型磁悬浮系统固有的强非线性和时变的特点,状态反馈控制难以获得好的动态性能和鲁棒性。 为了改善线性控制系统的鲁棒性和控制性能,本文提出了综合状态反馈控制和模糊PID控制优点的混合模糊控制方案,给出了该混合模糊控制器的实现原理和设计方法。模糊控制的优点在于在控制的设计过程中可以融入人的经验和智慧,对控制性能的要求可以方便地通过规则的不同设计反应出来,因此减少了在控制器设计过程中对系统数学模型依赖性。并且由于模糊控制的本质非线性也使控制系统获得了更强的鲁棒性。计算机仿真和实验结果都证明了混合模糊控制方案相对与传统线性控制方案的优越性。 为了使非线性的模糊控制方案能获得更强的鲁棒性,本文提出了针对EMS型混合悬浮系统的直接自适应模糊控制方案。该方案将自适应技术引入模糊控制器,从而使非线性的模糊控制器同时具有了时变的特点,并大大简化了模糊控制器控制规则的设计过程,同时将使控制器的设计过程几乎不需要再对受控对象的数学模型进行分析。尽管直接自适应模糊控制方案前期设计比较复杂,控制器的运算量大,但是由于其优良的动、静态性能和很强的鲁棒性,直接自适应模糊控制方案仍然是最有前途的方案之一。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 磁悬浮列车的发展概况

1.1.1 背景介绍

1.1.2 磁悬浮列车的分类

1.1.3 国外磁悬浮铁路的发展概况

1.1.4 磁悬浮技术在中国的发展概况

1.1.5 中国发展磁悬浮列车的重要意义

1.2 论文工作的意义与内容安排

1.2.1 论文工作的提出

1.2.2 论文工作的主要贡献

1.2.3 论文内容的安排

第二章 电磁永磁混和悬浮模型小车的结构及其参数

2.1 系统的机械结构

2.1.1 车体

2.1.2 长定子导轨

2.1.3 驱动用斩波器

2.2 悬浮控制系统

2.3 系统参数

2.4 本章小结

第三章 电磁永磁混和悬浮模型小车悬浮系统的工作原理

3.1 单磁极的悬浮原理

3.2 磁悬浮模型车四点悬浮耦合问题的解决方案

3.2.1 机械解耦

3.2.2 算法解耦

3.2.3 四个磁极分别单独控制

3.3 本章小结

第四章 混和悬浮系统的线性控制

4.1 悬浮控制的特点和方法

4.2 状态反馈控制

4.2.1 状态反馈控制器设计的理论基础

4.2.2 状态反馈控制器的仿真和实验结果

4.3 最优控制

4.4 本章小结

第五章 混和悬浮系统的模糊控制

5.1 模糊逻辑的历史

5.2 什么是模糊逻辑

5.3 何时要用到模糊逻辑技术

5.4 模糊集与模糊控制

5.4.1 从经典集合到模糊集合

5.4.2 模糊集合的运算

5.4.3 模糊关系

5.4.4 模糊规则与模糊推理

5.5 模糊控制器的基本原理

5.5.1 模糊控制器的基本结构

5.5.2 模糊器

5.5.3 输入输出量的尺度变换与输入输出空间的模糊分割

5.5.4 模糊控制规则库

5.5.5 解模糊器

5.6 模糊PID控制器

5.6.1 直接控制型模糊PID控制器

5.6.2 增益调整型模糊PID控制器

5.6.3 混和型模糊PID控制器

5.7 模糊PID控制器在EMS磁悬浮系统中的应用

5.8 状态反馈内嵌模糊PD的混合模糊控制方案

5.9 混合模糊控制器的计算机仿真与试验结果

5.10 本章小结

第六章 混和悬浮系统的自适应模糊控制

6.1 模糊逻辑系统的模糊基函数展开

6.2 混合悬浮系统直接自适应模糊控制器的李雅普诺夫设计方法

6.2.1 理论分析

6.2.2 直接型自适应模糊控制器的设计

6.2.3 计算机仿真及试验结果

6.3 本章小结

第七章 全文总结

攻读博士期间发表的主要论文

致谢

论文答辩说明

发布时间: 2005-08-23

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