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磁浮列车悬浮系统的数字控制技术研究

张锟  
【摘要】:悬浮控制是磁悬浮列车的核心和关键技术。论文对EMS型磁浮列车悬浮系统的数字控制问题进行了深入分析和研究,首先从理论上分析了转向架的解耦功能,证明悬浮模块是独立的控制单元,然后给出了基于分布磁场模型的电磁力计算,在此基础上,研究了悬浮模块的解耦控制算法。 论文主要包括以下内容: 转向架的解耦问题研究。转向架是EMS型中低速磁浮列车的基本支撑单元,其运动学解耦问题一直未得到彻底解决。本文利用内自由度的概念,消去冗余的关节运动,建立了正向运动学方程;通过分析,首次得到了正向运动学方程以解析形式表达的逆解。这一结果扩展了国内外已有的研究成果,对于研究系统解耦性能和设计列车、轨道具有重要意义。 基于分布磁场的电磁力计算。磁浮系统研究中常用的电磁力公式是基于点模型的,当电磁铁与轨道不平行时该式与实际力相差较大。本文首次研究了电磁铁相对于轨道存在俯仰角时的电磁力与力矩的解析表达形式,并利用有限元数值计算结果验证了所得到的解析公式的正确性。 基于Volterra算子的单电磁铁悬浮系统稳定性分析。针对强非线性的悬浮控制系统进行稳定性分析的工作较为鲜见。本文利用基于Volterra算子的非线性系统稳定性理论,建立了单铁悬浮系统采用PD控制算法时的稳定性判别方法。 悬浮模块的双点解耦控制算法。悬浮模块是转向架的基本组成单元,它本身是刚体,对其两端分别施加独立控制的结构是不恰当的,尤其在悬浮模块动态运动幅度较大时更加明显。本文首次将悬浮模块作为一个整体对象加以建模,并提出了一种消除双端运动学耦合的控制算法。仿真结果证明了算法的有效性。


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