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高速磁浮列车悬浮系统性能优化问题研究

翟明达  
【摘要】:随着近年来国内外多条商业运营线路的开通,磁浮列车逐渐成为轨道交通领域研究和发展的热点和焦点。高速磁浮列车作为一种新型轨道交通制式,对于解决大城市间的快速交通问题,建立和完善我国高效立体的高速客运体系具有重要意义。本文以时速600公里高速磁浮列车悬浮系统为研究对象,对悬浮系统的性能优化问题展开研究。论文针对高速磁浮列车悬浮搭接结构建立数学模型,并根据模型特性设计标称控制器。由于高速磁浮列车长期运行过程中各种扰动的影响,悬浮系统性能开始出现退化。为分析和研究列车运行过程中的悬浮系统性能,本文提出了适合悬浮系统的动态性能评价指标,并结合工程中常见的引发悬浮系统性能退化的扰动因素,对悬浮系统性能的退化情况作了重点地分析和讨论。为优化和改善列车运行过程中的悬浮系统性能,提出了一种基于Youla参数化的悬浮系统性能优化框架。同时,为实现悬浮系统性能的在线优化,设计了基于残差驱动的悬浮系统在线优化算法。围绕高速磁浮列车悬浮系统的工程化应用,设计并研制出了高速磁浮列车悬浮控制器,并利用双悬浮架试验平台完成了基本的悬浮性能测试。本文主要成果和创新如下:(1)针对高速磁浮列车中的悬浮搭接结构,建立了非线性的高速悬浮系统数学模型。结合高速悬浮系统基本功能原理以及主要结构,,对高速悬浮系统模型特性进行分析并设计了标称控制器。利用Simulink搭建了非线性悬浮系统模型并对标称控制器进行了动态仿真,客观地分析和评价了悬浮系统标称性能。由于采用标称性能指标对运行过程中的悬浮系统性能进行评价存在缺陷,提出了适合于悬浮系统的动态性能评价指标,从而为后续章节的讨论和研究打下了坚实的基础。(2)针对高速磁浮列车运行过程中悬浮系统的动态特性,总结并分析了工程中常见的引发悬浮系统性能退化的扰动因素。针对载荷变化、线路曲线变化等确定性扰动,分析并讨论了确定性扰动对悬浮系统性能的不利影响以及相应的控制与优化方案。针对非确定性扰动未知、偶发且不可预测的特性,围绕轨道随机不平顺、梁端切向扭转角变化对悬浮系统性能的不利影响,重点分析并讨论了悬浮系统性能的退化情况。(3)为优化和改善高速磁浮列车运行过程中的悬浮系统性能,提出了一种基于Youla参数化的悬浮系统性能优化框架。该框架可以在不改变现有控制器的主体结构的基础上,通过设计基于观测器的残差生成器来监测扰动发生时系统的状态变化,并通过动态调整Youla参数矩阵Q(7)z(8)实现对现有控制器的动态补偿,从而实现对悬浮系统性能的优化。(4)为实现高速磁浮列车悬浮系统性能的在线优化,设计了基于残差驱动的悬浮系统在线优化算法。完成了悬浮系统在线优化算法的稳定性证明。利用基于Youla参数化的悬浮系统性能优化框架,给出了Youla参数矩阵Q(7)z(8)参数向量的在线更新规律,从而实现了对悬浮系统性能的在线优化。通过开展扰动下的高速悬浮系统性能的在线优化仿真,验证了在线优化算法的有效性。(5)围绕高速磁浮列车悬浮系统的工程化应用,首先对高速磁浮列车悬浮控制器中的硬件电路进行了设计,其次,针对高速磁浮列车悬浮控制器的软件系统,实现了基于双DSP核心处理芯片的软件架构,从而设计并研制出了高速磁浮列车悬浮控制器。最后,搭建了高速磁浮双悬浮架试验平台,利用双悬浮架试验平台开展了一系列的悬浮系统性能测试,验证了研制的悬浮控制器的基本功能。本文提出的基于Youla参数化的悬浮系统性能优化框架以及基于残差驱动的悬浮系统在线优化算法,可以为我国时速600公里高速磁浮列车的研制和应用提供一定的理论与技术支撑。论文成果对于优化和改善高速磁浮列车长期运行过程中的悬浮系统性能具有参考价值,有助于我国时速600公里高速磁浮列车的商业化应用。


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