低速磁浮列车过轨道台阶的悬浮控制研究

论文摘要

由于轨道加工误差、安装误差和路基沉降等原因,在轨道接缝处容易出现高低不平的所谓台阶现象。试验表明,当磁浮列车在某速度区间通过一定大小的轨道台阶时,如果悬浮系统没有采用有效的控制方法,列车会发生剧烈振动甚至失稳。因此,仿真列车以不同运行速度通过不同大小轨道台阶的实际悬浮控制过程,研究与之相适应的抑制轨道台阶干扰的悬浮控制算法,对提高低速磁浮列车的运行品质具有重要的工程价值。本文的主要研究工作包括:1、以电磁型低速磁浮列车的电磁铁模块为研究对象,建立了两点悬浮系统模型,然后采用状态反馈控制方法,设计了两点悬浮控制算法,并对磁浮列车在平滑轨道上运行时的悬浮特性进行了仿真分析,从而验证了该模型的正确性。2、在磁浮列车过轨道台阶时,根据传感器测量间隙以及电磁铁与轨道台阶的实时几何关系,计算得到可真实反映电磁铁悬浮气隙的等效间隙。理论和仿真分析表明,当台阶高度和台阶持续长度不变时,磁浮列车以50km/h左右的运行速度通过轨道台阶时振动最剧烈;相同运行速度条件下,台阶高度越大,列车振动越剧烈;一定范围内的小长度轨道台阶对列车的影响最大。这与工程试验现象相吻合。3、通过对比列车过轨道台阶和受外力干扰时引发的振动现象,发现两种情形下传感器间隙和垂向速度信号的变化趋势截然相反。本文根据传感器间隙和垂向速度的变化趋势,以及传感器探头测量信号,提出三种能够正确辨识轨道台阶的方法。根据辨识出来的轨道台阶信息,对悬浮系统设定间隙进行实时补偿,动态改变悬浮平衡点,从而提出一种补偿设定间隙的控制算法。为了减小设定间隙变化对悬浮系统的影响,本文结合安排过渡过程理论,为设定间隙变化安排合理的过渡过程。仿真表明,该控制算法使得悬浮间隙波动幅值减小了近2/3,加速度波动幅值减小了近9/10,大大提高了列车抑制轨道台阶干扰能力。总之,本文的仿真结果验证了磁浮列车过台阶的试验现象,仿真也表明本文所提出的新控制方法对于克服台阶干扰具有明显效果,同时指出,本文提出的新控制方法最终还需要进一步的工程试验验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 磁浮列车技术发展概况
• 1.1.2 EMS 型低速磁浮列车过轨道台阶问题的提出背景及意义
• 1.2 EMS 型低速磁浮列车过轨道台阶问题研究现状
• 1.3 本文研究内容与章节安排
• 1.3.1 本文研究内容
• 1.3.2 本文章节安排
• 第二章 EMS 型磁浮列车两点悬浮系统结构与建模
• 2.1 EMS 型磁浮列车两点悬浮系统结构模型
• 2.1.1 EMS 型磁浮列车转向架结构
• 2.1.2 EMS 型磁浮列车两点悬浮系统物理模型
• 2.2 两点悬浮系统数学模型
• 2.2.1 两点悬浮系统开环模型
• 2.2.2 两点悬浮系统开环稳定性分析
• 2.3 两点悬浮系统仿真模型
• 2.3.1 传感器测得电磁铁加速度
• 2.3.2 两点悬浮系统仿真模型
• 2.3.3 基于平滑轨道的两点悬浮系统模型仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 考虑轨道台阶的两点悬浮系统仿真分析
• 3.1 低速磁浮线路描述
• 3.1.1 低速磁浮列车轨道特点及精度要求
• 3.1.2 轨道接缝和轨道台阶
• 3.2 轨道台阶等效悬浮间隙计算
• 3.2.1 传感器过轨道台阶分析
• 3.2.2 传感器间隙和等效间隙的区别
• 3.2.3 等效间隙仿真分析
• 3.3 几种常见轨道台阶的等效间隙计算
• 3.3.1 大长度轨道台阶等效间隙计算
• 3.3.2 中长度轨道台阶等效间隙计算
• 3.3.3 小长度轨道台阶等效间隙计算
• 3.4 不同条件下过轨道台阶仿真分析
• 3.4.1 大长度轨道台阶仿真分析
• 3.4.2 中长度轨道台阶仿真分析
• 3.4.3 小长度轨道台阶仿真分析
• 3.4.4 过轨道台阶时系统动态响应
• 3.4.5 以相同运行速度过三种轨道台阶时系统动态响应
• 3.5 本章小结
• 第四章 抑制轨道台阶干扰的两点悬浮控制算法研究
• 4.1 轨道台阶信息辨识
• 4.1.1 过轨道台阶时传感器间隙和加速度信号分析
• 4.1.2 轨道台阶的辨识方法
• 4.1.3 基于三探头间隙传感器的轨道台阶辨识技术
• 4.2 实时补偿设定间隙的抗轨道台阶干扰算法
• 4.2.1 实时补偿设定间隙的算法原理
• 4.2.2 设定间隙补偿算法仿真分析
• 4.3 设定间隙补偿回归算法
• 4.3.1 安排过渡过程理论基础
• 4.3.2 安排过渡过程的作用
• 4.3.3 安排过渡过程的基本方法
• 4.3.4 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文和参与的科研课题