C02懸浮與導向技術ppt課件

1、牽引動力國家重點實驗室1牽引動力國家重點實驗室2第二講 磁浮列車懸浮與導向控制技術第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室3一、控制系統(tǒng)模型第二講 磁浮列車懸浮與導向控制技術 軌 道磁 極u高速常導磁浮列車系統(tǒng)牽引動力國家重點實驗室4一、控制系統(tǒng)模型第二講 磁浮列車懸浮與導向控制技術 軌 道磁 極u低速常導磁浮列車系統(tǒng)牽引動力國家重點實驗室5一、控制系統(tǒng)模型mmzmgF220( )4mN A iFAiNiANiRu22020022第二講 磁浮列車懸浮與導向控制技術 軌 道磁 極u力學方程電磁方程關聯(lián)方程無控制的常導電磁懸浮系統(tǒng)本質上不穩(wěn)定！需要設計反饋控制系統(tǒng)！aKKKuad

2、ddpd牽引動力國家重點實驗室6一、控制系統(tǒng)模型mmzmgF220( )4mN A iFAiNiANiRu22020022第二講 磁浮列車懸浮與導向控制技術 軌 道磁 極u力學方程電磁方程關聯(lián)方程特點: (1) 控制對象是非線性的 (2) 電磁懸浮質量m變化范圍很大, 以及電氣元件的不均一, 控制對象具有結構不確定 (3) 電磁鐵電感較大，線圈電阻很小，電磁鐵的延遲很大，它是引起 懸浮系統(tǒng)不穩(wěn)定的主要原因牽引動力國家重點實驗室7一、控制系統(tǒng)模型220( )4mN A iF第二講 磁浮列車懸浮與導向控制技術 無控制的常導電磁懸浮系統(tǒng)本質上不穩(wěn)定！需要設計反饋控制系統(tǒng)！單鐵懸浮系統(tǒng)是合適的控制對象

3、模型牽引動力國家重點實驗室8二、控制策略與原則間隙控制(airgap control )：相對位置控制，跟蹤軌道長波不平順。平臺控制(platform mode)：絕對位置控制，忽略線路不平順干擾。第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 懸浮控制策略大穩(wěn)定裕度，強干擾能力；低頻跟蹤，高頻抑制；快速響應，延時??；頻帶分布合理；功耗小。懸浮控制目的與原則軌道表面軌道表面牽引動力國家重點實驗室9二、控制策略與原則第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 導向控制策略等間隙控制(airgap control)：相對位置控制，跟蹤左右軌道不平順。對中控制(centre mode)：相對位置控制，跟蹤線路中心方向不平順

4、。大穩(wěn)定裕度，強干擾能力；低頻跟蹤，高頻抑制；快速響應，延時??；頻帶分布合理；功耗小。導向控制目的與原則牽引動力國家重點實驗室10交流隱式法通過電流反饋達到系統(tǒng)平衡第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 三、控制器設計方法與原則交流顯式法：通過位置反饋和電路調(diào)諧達到平衡直流顯式法：通過位置反饋達到平衡n 反饋變量 (D V A I)n 控制變量U / I / ）n 控制方法牽引動力國家重點實驗室11dtkI磁浮系統(tǒng)pkdtdkdck+-+-0zeuiz1. PID控制第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 n 比例：位移-剛度 n 積分：勢能-能量 飽和問題n 微分：速度-阻尼 噪聲問題牽引動力國家重點實

5、驗室1220002+2 x1 x+-za2. 狀態(tài)觀測器控制第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 1Tlas + 11Tlbs + 1Ths + 1Thsw021s2Dw0K1K3K2C01sf-KI22CF+-+-+I0Iac濾波器觀測器控制器牽引動力國家重點實驗室133. DSP控制第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室144. 其他控制方法第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 Hinf魯棒性控制m方法模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡與人工智能控制自適應控制容錯控制等等牽引動力國家重點實驗室15第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 5. 控制系統(tǒng)綜合實例加速度表間隙傳感器前級控制器斬波器電磁鐵電流環(huán)

6、控制器電流環(huán)互感器前級控制系統(tǒng)電流環(huán)子系統(tǒng)兩級串聯(lián)控制牽引動力國家重點實驗室16第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 5. 控制系統(tǒng)綜合實例5.1 Hinf電流環(huán)控制器設計數(shù)學模型： 標稱控制對象：攝動控制對象itLitRu)()(1)/(/1)(P0000sRLRsWsPsP)()(0 對以上攝動對象，Hinf魯棒控制器參數(shù)的求取，有直接狀態(tài)空間法Riccati方程求解和回路成形法等方法。牽引動力國家重點實驗室17第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 Bode DiagramFrequency (rad/sec)Phase (deg)Magnitude (dB)-40-30-20-10010Kw1=

7、2000Kw1=200Kw1=2010-1100101102103104105-90-45045(a) 直接狀態(tài)法Open loop(0.1100 Hz)Close loop(0.1105Hz)I(s)/U(s)牽引動力國家重點實驗室18第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 Bode DiagramFrequency (rad/sec)Phase (deg)Magnitude (dB)-25-20-15-10-50510-1100101102103104105-90-450L0=0.1513L=0.3L=0.15L=0.1L=0.05(a) 直接狀態(tài)法L攝動(0.1105Hz)Bode Diagr

8、amFrequency (rad/sec)Phase (deg)Magnitude (dB)-20-15-10-5010-1100101102103104105-90-45045R=1.5, 1, 0.5, 0.3 R攝動 (0.1100Hz)牽引動力國家重點實驗室19第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 Bode DiagramFrequency (rad/sec)Phase (deg)Magnitude (dB)-25-20-15-10-50510-1100101102103104105-90-450L0=0.1513L=0.3L=0.15L=0.1L=0.05(a) 直接狀態(tài)法R攝動 (0.

9、1100Hz)(0.1105Hz)Bode DiagramFrequency (rad/sec)Phase (deg)Magnitude (dB)-20-15-10-5010-1100101102103104105-90-45045R=1.5, 1, 0.5, 0.3 L攝動R攝動牽引動力國家重點實驗室20第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 (b) 回路成形法Ctrl1Ctrl2P(s)W2iur電流環(huán)控制系統(tǒng)模型虛線所圍部分控制回路，設開環(huán)回路傳遞函數(shù)為：此回路傳函具有低頻跟蹤好，高頻魯棒性好，內(nèi)穩(wěn)定特點。ssLc)(1close loop transfer ( )1( )csS sL ss0

10、001()controller transfer ( )( )( )cL sRC sS sP ss牽引動力國家重點實驗室21第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 5.2 懸浮子系統(tǒng)控制器設計 數(shù)學模型： ddIRU1dfdfimdCICFdmdFFym 對懸浮子系統(tǒng)控制設計，采用了PD控制器效果相當于機械彈簧阻尼器）魯棒狀態(tài)觀測器的結構。PD控制器參數(shù)有明顯的物理意義，便于參數(shù)調(diào)節(jié)；觀測器獨立于系統(tǒng)結構，具有很強的魯棒性。dadddpdKKKu 控制規(guī)律ddfpfiddfidafiFCKRCKRCKRCm)()()(111 設定懸浮系統(tǒng)特征頻率和阻尼系數(shù)，并以加速度反饋等效強度等于懸浮質量的20%

11、?？汕蟮萌齻€反饋系數(shù)。牽引動力國家重點實驗室22第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 5.3 觀測器的設計(1)系統(tǒng)可測信號為懸浮間隙與磁鐵加速度，控制反饋系統(tǒng)的阻尼信號通過觀測器得到。(2)觀測器的狀態(tài)變量 ，其狀態(tài)方程反映了信號的本質關系，獨立于系統(tǒng)結構，因此具有極強的魯棒性。(3) 觀測器的輸出信號，應該具有低頻跟蹤、高頻濾波的效果，其中間頻率的選取將反映該特性。,1/s021/s2w0 x0a實際控制規(guī)律：aKKKuadddpd牽引動力國家重點實驗室23第二講 磁浮列車懸浮導向控制技術 5.4 SIMPACK中控制器的設置牽引動力國家重點實驗室245.5. 單鐵電磁懸浮動態(tài)仿真 模型及其參

12、數(shù) 質量: m=210kg，Mc500kg，200k800kg 二系懸掛系統(tǒng): fs=1Hz, xs=2 軌道: f1= 17Hz， x1= 0.01 懸浮控制系統(tǒng): fn =7Hz， xn=2。 第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室25名義工況仿真500kg）00.511.520.50.550.60.650.70.75guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg00.511.5210121416182022magnet dis(mm)time(s)00.511.52-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)00.511.

13、52101214161820airgap(mm)time(s)第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室2600.511.52-15-10-505magnet acc(m/s2time(s)Mc=500kg00.511.52304050607080current/voltage(A/V)time(s)00.511.5267891011magnet force(kN)time(s)00.511.52-0.08-0.06-0.04-0.020aigap differetial (P/T)(m/s)time(s)名義工況仿真500kg）第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家

14、重點實驗室27質量攝動下的仿真( Mc=200kg ）00.511.520.30.350.40.450.5guideway dis(mm)time(s)Mc=200kg00.511.5210121416182022magnet dis(mm)time(s)00.511.52-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)00.511.52101214161820airgap(mm)time(s)第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室2800.511.520.70.80.911.1guideway dis(mm)time(s)Mc=800kg00.5

15、11.5210121416182022magnet dis(mm)time(s)00.511.52-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)00.511.52101214161820airgap(mm)time(s)質量攝動下的仿真( Mc=200kg ）第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室2900.511.520.40.50.60.70.80.91guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg00.511.52510152025magnet dis(mm)time(s)00.511.52-15-10-50carbody d

16、is(mm)time(s)00.511.525101520airgap(mm)time(s)車軌共振仿真f1=17Hz, fs=1Hz, fn=3Hz第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室3000.511.52-15-10-505magnet acc(m/s2time(s)Mc=500kg00.511.52020406080current/voltage(A/V)time(s)00.511.5267891011magnet force(kN)time(s)00.511.52-0.15-0.1-0.0500.050.1aigap differetial (P/T)(m/s)t

17、ime(s)f1=17Hz, fs=1Hz, fn=3Hz車軌共振仿真第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室3100.20.40.60.800.511.5guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg00.20.40.60.8051015202530magnet dis(mm)time(s)00.20.40.60.8-20-15-10-505carbody dis(mm)time(s)00.20.40.60.8051015202530airgap(mm)time(s)f1=17Hz, fs=1Hz, fn=2Hz車軌共振仿真第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術

18、 牽引動力國家重點實驗室3200.511.521919.219.419.619.82020.2guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg00.511.5228303234363840magnet dis(mm)time(s)00.511.52-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)00.511.528101214161820airgap(mm)time(s)f1=3Hz, fs=1Hz, fn=20Hz車軌共振仿真第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室3300.511.523.53.63.73.83.9guideway

19、dis(mm)time(s)Mc=500kg00.511.5212141618202224magnet dis(mm)time(s)00.511.52-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)00.511.52101214161820airgap(mm)time(s)f1=7Hz, fs=1Hz, fn=7Hz車軌共振仿真第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室3400.511.523.23.43.63.84guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg00.511.5212141618202224magnet dis(mm)t

20、ime(s)00.511.52-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)00.511.52101214161820airgap(mm)time(s)f1=7Hz, fs=1Hz, fn=7Hz, xn=0.5, xs=0.3 車軌共振仿真第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室35名義工況下懸浮系統(tǒng)頻率特性正弦波輸入，0.001*sin(2*3.14*f), f=1,100 010203040506070809010000.20.40.60.811.21.4amplitude (mm)frequency(Hz)Depth=1mmguideway

21、magnetcarbodyairgap第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室36012340.560.580.60.620.640.660.68guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg0123410121416182022magnet dis(mm)time(s)01234-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)012348101214161820airgap(mm)time(s)軌道低結頭動力學仿真軌道高低結頭5mm，標準參數(shù)下的響應 第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室3701234-15-1

22、0-505magnet acc(m/s2time(s)Mc=500kg01234203040506070current/voltage(A/V)time(s)012346.577.588.599.5magnet force(kN)time(s)01234-0.04-0.0200.020.040.06aigap differetial (P/T)(m/s)time(s)軌道高低結頭5mm，標準參數(shù)下的響應 軌道低結頭動力學仿真第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室38012340.560.580.60.620.640.660.68guideway dis(mm)time(s)Mc=500kg0123410121416182022magnet dis(mm)time(s)01234-12-10-8-6-4-20carbody dis(mm)time(s)012348101214161820airgap(mm)time(s)軌道高低結頭2mm，標準參數(shù)下的響應 軌道低結頭動力學仿真第二講 磁浮列車懸與浮導向控制技術 牽引動力國家重點實驗室3901234-8-6-4-202magnet acc(m/s2time(s)Mc=500kg01234203040506070current/voltage(A/V)time(s)01