载人磁悬浮车悬浮控制策略与控制方法的研究

论文摘要

磁浮列车作为一种新型地面交通工具,已经在实践中得到了成功的应用。从高速磁浮列车启动那一刻开始,就需要将车体悬浮,并在整个运行过程中列车就要求稳定安全的运行,依靠悬浮控制系统实现列车悬浮,因此悬浮控制电磁铁的工作特性及悬浮的控制系统是个值得仔细研究的问题。本文以沈阳市科学宫的磁悬浮展品车为研究背景。首先,以单电磁铁为研究对象,对悬浮系统进行了详细的分析并建立了数学模型。通过在平衡点附近线性化,得到系统的状态方程和传递函数。PID控制以结构简单、可靠性高、易于工程实现等优点至今仍被广泛应用。在系统模型参数变化不大的情况下,PID控制性能优良,但在工程上有许多无法建立精确数学模型的复杂控制对象和非线性控制对象,若采用传统的PID进行控制,难于获得比较理想的控制效果。对于磁悬浮控制系统,他是一个大惯量非线性系统,为改善其动态响应性能,采用基于BP神经网络PID控制算法。在MATLAB平台上,编写M函数,对系统进行了仿真研究。仿真结果表明,同传统的PID控制器相比,神经网络PID控制器对模型、环境具有较好的适应能力与较强的鲁棒性,有效的改善了系统的控制性能。其次,根据单点电磁铁悬浮系统的特性,设计了以TMS320LF2407A型号的DSP为微处理器的数字悬浮控制器,该芯片集成了许多控制所需的功能模块,与以往的模拟控制器相比大大减少了硬件的设计,IGBT驱动器件采用混合集成电路EXB481,其内置的保护电路大大提高了系统的可靠性。软件部分利用C语言编写。论文的最后对设计的悬浮控制器进行了总结,提出了本次设计未讨论的关键技术问题以及未来的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 磁悬浮车在过内外发展的状况
• 1.2.1 德国磁悬浮车的发展概况
• 1.2.2 日本磁悬浮车的发展概况
• 1.2.3 我国磁悬浮车的发展概况
• 1.3 悬浮列车的原理介绍
• 1.3.1 磁悬浮列车的悬浮原理
• 1.3.2 磁悬浮列车的驱动原理
• 1.4 神经网络PID控制概述
• 1.5 论文的主要内容
• 第二章 载人磁浮车悬浮系统分析
• 2.1 载人磁悬浮车的结构
• 2.2 电磁铁的悬浮原理
• 2.3 单电磁铁的数学模型
• 2.3.1 电磁力方程
• 2.3.2 垂直方向的动力学方程
• 2.3.3 电压方程
• 2.3.4 状态方程
• 2.4 数学模型的线性化
• 2.5 系统状态方程的能观能控性
• 2.6 本章小结
• 第三章 神经网络的理论基础
• 3.1 神经网络的基本理论
• 3.1.1 人工神经网络模型
• 3.1.2 人工神经网络的网络结构
• 3.1.3 神经网络的学习方法
• 3.1.4 神经网络的学习算法
• 3.2 神经网络控制
• 3.2.1 神经网络控制概述
• 3.2.2 神经网络控制的结构和基本原理
• 3.3 BP神经网络
• 3.3.1 BP神经网络结构
• 3.3.2 BP算法
• 3.3.3 BP算法的改进
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于BP神经网络PID的磁悬浮控制器的设计
• 4.1 经典PID原理
• 4.2 基于BP神经网络的PID控制
• 4.2.1 BP神经网络PID的结构
• 4.2.2 BP神经网络PID的算法
• 4.3 磁悬浮神经网络PID控制器的设计及仿真
• 4.3.1 基于BP神经网络PID控制器的设计
• 4.3.2 仿真研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 数字悬浮控制系统的设计
• 5.1 整体结构思路
• 5.2 数字信号处理器TMS320LF2407A
• 5.2.1 TMS320LF2407A特征简介
• 5.2.2 中央处理单元
• 5.3 硬件电路的设计
• 5.3.1 悬浮主电路的设计
• 5.3.2 IGBT驱动部分电路设计
• 5.3.3 电源的设计
• 5.3.4 A/D采样电路的设计
• 5.3.5 保护电路设计
• 5.4 数字悬浮控制器软件的设计
• 5.4.1 DSP程序设计及调试环境概述
• 5.4.2 程序设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 附录A 悬浮控制程序
• 在学研究成果
• 致谢