磁浮列車導(dǎo)向控制系統(tǒng)及其仿真

1、磁浮列車導(dǎo)向控制系統(tǒng)及其仿真陳紅艷(西南交通吠學(xué)磁浮技術(shù)昭究所成都610031 )摘 要：和傳扯地軌列軍柑龜浮列車是附離申 運行二因而肆向密制技術(shù)是芯一項i鍥的技朮，本s 字向控制技 術(shù)的關(guān)健問題作了分析并建芷了柑應(yīng)的數(shù)學(xué)焯型沒計相應(yīng)的桂制器，建立了竹詞架的橫型豐對轉(zhuǎn)向架的樟型進行仿真 b1的結(jié)果給出了各神ml化時氣幢的iimi:關(guān)鍵字:磁浮列車；f向s b制器；轉(zhuǎn)i架中圖分類號：【l"(u文獻標(biāo)識碼! a文章編號:1817 0633( 2007 )()5()()56-(bguidance control system and its simulation of maglev tra

2、inchen hongyan(researc i liislitule <»i marlex reclinal(ig) southwefit jiaotong hniversit), chrngdu 610031 )abstract: (jjni|>ared vvilh irarlitional railway trailu rnaglrs i rain is running ahov<h lh<* lr;i(-k. ihrrrfurr. ils guhlanre cunl rol iceli - nohigy is umlouldetllv crucial-

3、 in thia rmpri; lias尸il un 山尸 hii;ih>is nf kr； prohlents “ maglr guiclaikm- c(mlr(il trrliriolhv, eslal)lihr he nialhenialical models, c»)rre<jk)ndiriii eonhdlitt has been desigiieil wnl u|» llie bdgie nialhrnafi(fcaj mode i. lurtlirrnkirr, simulates i he liogic model. siiniilarion r

4、esult shows i lie variatjon regnlahim <d thr air 真已卩 uhile v；n inns sliriin lanl (a(l«>rs liavt1 changed.keywords： maglcv train; (iuidance; cont ml fen bogie0引言磁懸浮列車是一種依靠屯磯場特有的“同杜相斥薯性相吸” 的持性將車輛托起使整牛列車懇淳在線路上，利用電磁力進行 導(dǎo)向并利用直線電機將電能直接轉(zhuǎn)換成推進力來推動列車前進 的晟新穎的第五代交通運輸工具從懸評機理上可分為電磁懸浮 emsleciroinagnelic

5、 suspimisio )和電動懸浮(lds,elrrlroi ywn) |垢種。最新的電磯懸浮式磁浮列半§蹲國f smpick 簡稱 tr)08 型和 h 本的 hssijilt 列車足懸浮力和導(dǎo)向力介二詼 勸控制，但不適用于高速磁浮列華: 于離心丿j隨速度的增加而急劇增道 時引起的橫向動態(tài)附加力增大弋 需要的導(dǎo)向力較大用懇浮磁鐵產(chǎn)生的橫向力e2不能滿足要求. 只有用單獨的導(dǎo)向電磁鐵才能實現(xiàn)叫因此彳文主坐是針對ems 磁浮列p的導(dǎo)向控制問題的研究ems磁浮列車的導(dǎo)向系統(tǒng)與懸浮系統(tǒng)類似,是在車輛側(cè)面 z冥 切專門用于導(dǎo)向的電磁鐵和車體與導(dǎo)向軌側(cè)面之間保持 一定間隙 當(dāng)車輛左右偏移吋車

6、上的導(dǎo)向也磁鐵的側(cè) 面柑m作用.使車輛恢復(fù)到正常位置 控制系統(tǒng)通過對導(dǎo)向磁鐵 1p的電流進行控制來保持這一側(cè)向間隙從而達到控制列車運 行方向的目的.擰制線圈的電流"門為瞬時氣隙電磁力為:'(i!i 5電磁力f僅険h向忝暢畫tihlv iihfllic青暢速爾樹順及過彎道 八喲束罰車沿軌道方向運行.1導(dǎo)向控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立磁浮列車孑向系統(tǒng)的建m 應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點 和敍術(shù)要求璉応車廂、1向模塊以及彈性軌道的模型 盡管系 統(tǒng)i i i t多自由度但水平加句的運動表征了系統(tǒng)的主要性能,木 文僅苦慮導(dǎo)向控制系統(tǒng)水平方向的系統(tǒng)忤能1.1單對電磁鐵導(dǎo)向系統(tǒng)假設(shè):忽略繞組磁通電磁

7、鐵磁路中鐵磁材料的磁導(dǎo)率無窮大(忽略鐵心 和導(dǎo)軌中的磁阻),磁協(xié)均勻降落到氣隙i：實際中的導(dǎo)向是e型電磁鐵、我們可以將e型電磁鐵看作 泉陰個u型磁鐵n為磁鐵繞組的匝數(shù).a為詼芯極面積占的 £z(是成非線性的平方反比關(guān)系這是電磁%本質(zhì)jm p<i所在1“mr'w|.iwr.國1對電磁鐵導(dǎo)向系統(tǒng)俯視圖圖i是單對屯磁鐵導(dǎo)向系統(tǒng)俯視圖用也分別泉左右兩邊 向電磁佚打?qū)к壍臋M向吸力,z, zr v右兩邊電磁佚的氣隙 分別為左右兩邊屯磁鐵的電流心!分別為左右兩邊電磁鐵到 對中線的距離由于力學(xué)關(guān)系電做鐵叫小 在水平方向的運動稈為卜t+e仝dt ifi-fej ；(il1-卜;+帥;1

8、i ell匕弋叫以完全描述導(dǎo)向電磁鐵fr水平方向的運動，但山于i 這兒個方程都楚非線性微分方稈，要準(zhǔn)確求解是非常困難的，為i 利用成熟的線性系統(tǒng)理論分析和設(shè)計導(dǎo)向控制系統(tǒng)通常均掙 以上非線性方m在丄作平衡點處(如n)線性化得到一個近似 的線性化模sl磁浮列車轉(zhuǎn)向架恰好在導(dǎo)軌屮心線位詈時倆邊| 的代隙相等補電流相等沐導(dǎo)向電磁鐵嚴(yán)生的電磁力左右兩邊i 相等則這點(加稱為平衡點 若在平衡點處位置和電流分別(2)一自 £0 fe 11 b automation information有,和勺變化，將位置，電流瞬時值代入式，并在平衡 點處以泰勒級數(shù)展開，并忽略高次項的影響得到線性化形式r（ z

9、, i）f1川）(3)1 1t *0zok =h學(xué)匚&表示氣隙增加（減?。﹩?zo位長度時、磁力減?。ㄔ黾樱┑闹?ki表示線圈電流有1a的增加 （減少）時磁力增加（減小）的數(shù)值當(dāng)軌道不變時左右電流的 變化量相同.只是一邊是增加，一邊是減少，可以得到nia&=k7az-k,ai+-y-f以（為狀態(tài)變屋得到狀態(tài)空間方程為：式屮 h二 fgan if&101 丨丨°'o -01一也+上丄n 11 ait+,12m jaz=l10 j az究水平方i nj的運動h j ,應(yīng)考慮以下問題：（1 ）乘客所感受到的是 車箱的左右運動，乘坐舒適性可用水平方向的運動表示

10、;（2）歹u 車在軌道上某點靜態(tài)懸浮時,軌道和車體可能發(fā)生共振；（3 ）不 規(guī)則軌道對行車性能的影響；（4）過軌道接縫時位移傳感器信號 的突變對系統(tǒng)行為的影響；（5）軌道動態(tài)特性對系統(tǒng)行為的影 響：（6）液斥阻尼及減震彈簧對系統(tǒng)領(lǐng)帶的影響；（7）行車速度對 系統(tǒng)性能的影響；（x）變化的載荷對系統(tǒng)性能的影響,基于以上考慮可以把磁懸浮列車系統(tǒng)模型簡化為如圖2所 亦系統(tǒng)，認(rèn)為左、右模塊完全對稱，除水平方向的運動外,其余的 自由度（包括鉛錘、質(zhì)心運動、及繞各軸的角運動）另文分析一本文 僅考慮導(dǎo)向控制系統(tǒng)采用加速度反饋時水平方向的系統(tǒng)特性,.根據(jù)前文的分析可以得到轉(zhuǎn)向架的平動方程和擺動方程 （考慮軌道的

11、彈性變化）.并根據(jù)方程建立轉(zhuǎn)向架的閉環(huán)系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)框圖見圖3。12閉環(huán)控制方案從上式知系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定,因此用閉環(huán)控制方案實現(xiàn)系統(tǒng) 的穩(wěn)定控制 通過選擇不同的控制對象（電丿電流）以及不同的 控制方案（電壓作為控制對象的反饋控制；電流作為控制對象的 氣隙、速度反饋控制；電流作為控制對象的氣隙、速度、加速度反 饋控制；pii）控制方式）的研究仿真結(jié)果顯示控制x寸象為電流的 控制方案兼有系統(tǒng)靜態(tài)剛度大、抗干擾能力強、穩(wěn)定范圍寬等優(yōu) 點.對系統(tǒng)有更好的模擬忤 本文主要采用以電流作為控制對象 的氣隙、速度、加速度反饋控制。電流的控制規(guī)律為ai=krb az+kt a&+k,a則閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)方稈為

12、：a&-仏哋一i0-k1k kk ni+k k片 i卩 4j£jt_e圖3轉(zhuǎn)向架的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(7)12( m+k k)一a ikom+k ku 41.3轉(zhuǎn)向架建模磁浮列車系統(tǒng)的建模,az鈕應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及技 術(shù)要求建立車箱、轉(zhuǎn)向架模塊以及彈性軌道的模型:事實表明 軌道彈性的影響是必須加以考慮的它直接影響系統(tǒng)的性能口盡 管系統(tǒng)有許多自由度、水平方向的運動表征系統(tǒng)的主要性能研2仿真分析采用matlab/simll、k仿真平臺，搭建單對電磁鐵導(dǎo)向系 統(tǒng)仿宜圖主要星研究控制方案的優(yōu)劣，確定以電流為控制對象 的位置-速度-加速度反饋控制佩定控制參數(shù)口再根據(jù)轉(zhuǎn)向架的 閉

13、壞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建m tlab/simulink的仿真框圖仿 真在不同外力、作用點、速度以及軌道彈性變化轉(zhuǎn)向架各點電流 和氣隙的變化規(guī)律口主要仿真參數(shù)見表i：表1導(dǎo)向控制系統(tǒng)仿真參數(shù)導(dǎo)|'-1架軌 道 而hrlhr?zl3<-心12磁浮列車轉(zhuǎn)向架模型2007年5月第5冊總第73冊iu( kg)n（匝）a( cm2)ia)心（mm）l( m)(kgnr')400095150030103300()由于仿真過程中所加的外力的大小和作用點不同，轉(zhuǎn)向架 的運動狀態(tài)也不相同。仿真過程屮，軌道沒有變化.分別仿真外力為100牛和 1000牛的持續(xù)外力，作用點分別在rr?r2兩點以及門小

14、兩點連線 的中點上八氣隙波形的橫坐標(biāo)是時間單位是秒縱坐標(biāo)是長度, 單位是米。仿真結(jié)果：當(dāng)軌道沒有變化時，外力對轉(zhuǎn)向架的影響與外力的大小和 作用點和關(guān)”卜力的大小影響氣隙穩(wěn)態(tài)值，作用點影響轉(zhuǎn)向架的 運動狀態(tài)，可能會有單純的平動，單純的擺動，同時平動和擺動” 前兩種情況比較特殊較多發(fā)生后一種情況耀不規(guī)則的軌道和行車速度對列車的穩(wěn)定性有影響仿真無 外力條件下,軌道不同的變化所產(chǎn)牛.的影響；軌道相同變化條件57-i2gisl評 i：ew 廠,< f - ：y ：5 wg 4 述、h 2g+； - ；卜、：zw !二:佻譏亠止張足侖蔣啟龍山磁型磁浮列車導(dǎo)向方研究鐵道學(xué)報,199921増4趙文峰等matlab控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真.沔安電子科技大學(xué)出版社,下、行車速度的不同所產(chǎn)半的影響3圖4是在左邊軌道以振幅2 毫米，波長25米的止弦波變化，行車速度125米毎秒和左邊軌 道以振幅2毫米波長25米的正弦波變化行車速度2.5米每秒 兩種條件下轉(zhuǎn)向架上各點的氣隙變化波形:根據(jù)圖示結(jié)樂，軌道 不同的變化對氣隙的變化有不同的影響單邊變化和雙邊變化 也有所不同,但同一時刻氣隙的變化和軌道的變化量之和始終 為零;不同的速度對氣隙的影響不同，速度較低h 4軌道的微分的 影響較小速度較高時軌道的微分的影響較k3