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电磁永磁混合悬浮磁悬浮模型车控制方案的研究

徐正国  
【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。


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