混合多磁铁磁浮列车悬浮系统协调预测控制研究

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随着铁路高速化逐渐成为世界交通发展的热点,磁浮列车技术应运而生。磁悬浮列车运行快速、高效便捷、环境友好,是未来高速列车的发展趋势。而悬浮控制技术的好坏是决定磁浮列车平稳运行的前提,因此,提高悬浮控制系统的性能至关重要。目前,国内外针对纯电磁铁磁浮列车悬浮控制的算法已有一定的研究,但电磁永磁混合悬浮的研究还较少,而混合悬浮与纯电磁悬浮相比,能耗低而且施工难度和成本较小。对于悬浮控制算法而言,模型预测控制具有强大的处理带约束控制问题的能力,而且发展成熟。且目前绝大多数悬浮控制或是选取单电磁铁不考虑耦合作用,或是选取整个悬浮模块进行解耦,但这些研究方案未考虑模块间的协调关系,不利于系统整体性能的改善。因此,本文以电磁永磁混合型磁浮列车为研究对象,进行悬浮系统的协调预测控制算法研究。主要研究如下:(1)根据单磁铁混合悬浮系统的非线性模型特点,建立了以电压为控制量的混合多磁铁悬浮非线性模型,并应用非线性控制系统理论分析了模型的稳定性,利用MATLAB/Simulink工具对模型进行了仿真,验证了模型的不稳定性。(2)在混合悬浮模型的基础上,利用交叉耦合方法对悬浮模块两端进行协调控制,并分析影响同步性能的因素,接着利用MATLAB/Simulink工具对模型受扰以及参数失配状况进行分析。(3)在多磁铁协调的基础上,采用模型预测控制方法,设计混合多磁铁悬浮系统的无约束预测控制器。通过加入模拟突加负载和轨道面不平的干扰,分析预测控制器的性能,并对其控制能力进行仿真验证。为进一步提升控制性能,对系统状态变量和控制量的大小进行约束限制,设计约束预测控制器并选用路径跟踪内点法来进行求解。分析内点法的潜在缺陷,采用性能更优的粒子群优化算法,在首先利用罚函数法处理约束的基础上,设计粒子群智能优化算法来求解有约束模型预测控制器。(4)通过MATLAB仿真验证所设计控制算法的可实现性和有效性。仿真结果表明基于粒子群优化的约束协调预测控制器具有较好的控制效果,能够较好地满足磁浮列车悬浮的多约束、实时性和抗干扰的控制性能要求。图55幅,表6个,参考文献56篇。
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