基于磁通反馈的混合悬浮控制与防吸死方法研究

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为了解决传统EMS悬浮系统的缺点,并顺应国家对轨道交通节能提速的发展战略,国防科技大学积极开展了速度200km/h的永磁电磁混合悬浮型中速磁浮列车的研制工作,并于2018年成功研制出第五代新型磁浮试验样车。混合悬浮中速磁浮列车采用永磁电磁混合悬浮方案,与传统电磁型磁悬浮方案相比,前者能够有效减小系统的悬浮功耗;但是随着永磁体的加入,对于悬浮系统而言,控制难度增大、吸死后果更严重的问题也随之而来。本文以国防科技大学研制的永磁电磁型混合中速磁浮列车为研究对象,开展了磁通反馈控制方法与防吸死技术的研究。(1)首先建立了永磁电磁型混合悬浮系统的单点控制开环数学模型,以电流和磁通密度作为状态变量之一分别建立对应的线性模型;并对建立的线性模型的稳定性、能控性、能观性等进行分析。随后针对永磁电磁混合单点悬浮系统设计了基于电流反馈的单点混合控制方法,仿真研究证明控制方法能够满足性能要求。(2)其次,本文讨论了磁通密度的获取方法,分别介绍了传感器测量方法与虚拟磁通观测技术,其中传感器测量主要分析了基于霍尔效应原理和基于电磁感应原理的测量方法;同时,研究了基于电流型和电压型的虚拟磁通观测器,设计了基于磁通反馈的混合悬浮控制方法。通过仿真和试验对比,相对于电流反馈的混合控制方法,基于磁通反馈的方法在系统超调、稳态过程都具有明显优势。(3)探究混合悬浮双点模型的控制方法。针对混合悬浮双点模型两点相互耦合的问题,提出了基于反馈线性化的解耦控制方法,通过解耦控制可以将两个相互耦合的系统转化为两个独立的子系统,该方法能够减小两点的相互影响,提高系统的控制性能。(4)最后,针对永磁电磁型混合悬浮系统的吸死情况进行研究,阐述了产生吸死情况的原因,并提出了不同吸死工况下的解决方法。根据分析情况,对于鲜有研究的外力干扰导致间隙突变造成的吸死情况,本文设计了基于干扰观测器的磁通反馈防吸死控制,并对设计的干扰观测器进行稳定性分析,实验结果表明采用基于干扰观测器的控制方案能够有效降低干扰对系统的影响,提高了系统的抗干扰能力,降低了吸死情况发生的概率。本文中,对于永磁电磁型混合悬浮系统,建立了基于磁通反馈的混合悬浮控制方法,同时设计了基于干扰观测器的防吸死控制方法。本文研究成果已经应用到了混合悬浮转向架的试验和160型磁浮列车的悬浮控制系统之中,对混合悬浮中速磁浮列车的进一步研发和工程化具有一定的参考价值。
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