C02懸浮與導(dǎo)向技術(shù)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(dǎo)向控制技術(shù)第二講 磁浮列車懸與浮導(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 軌 道磁 極u高速常導(dǎo)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(dǎo)向控制技術(shù) 軌 道磁 極u低速常導(dǎo)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(dǎo)向控制技術(shù) 軌 道磁 極u力學方程電磁方程關(guān)聯(lián)方程無控制的常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)本質(zhì)上不穩(wěn)定！需要設(shè)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(dǎo)向控制技術(shù) 軌 道磁 極u力學方程電磁方程關(guān)聯(lián)方程特點: (1) 控制對象是非線性的 (2) 電磁懸浮質(zhì)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(jié)構(gòu)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(dǎo)向控制技術(shù) 無控制的常導(dǎo)電磁懸浮系統(tǒng)本質(zhì)上不穩(wěn)定！需要設(shè)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(dǎo)向控制技術(shù) 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(yīng)，延時小；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(dǎo)向控制技術(shù) 導(dǎo)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(yīng)，延時小；頻帶分布合理；功耗小。導(dǎo)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(dǎo)向控制技術(shù) 三、控制器設(shè)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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) Hinf魯棒性控制m方法模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與人工智能控制自適應(yīng)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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 5. 控制系統(tǒng)綜合實例5.1 Hinf電流環(huán)控制器設(shè)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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) (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(shè)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(dǎo)向控制技術(shù) 5.2 懸浮子系統(tǒng)控制器設(shè)計 數(shù)學模型： ddIRU1dfdfimdCICFdmdFFym 對懸浮子系統(tǒng)控制設(shè)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，具有很強的魯棒性。dadddpdKKKu 控制規(guī)律ddfpfiddfidafiFCKRCKRCKRCm)()()(111 設(shè)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(zhì)量的20%

11、。可求得三個反饋系數(shù)。牽引動力國家重點實驗室22第二講 磁浮列車懸浮導(dǎo)向控制技術(shù) 5.3 觀測器的設(shè)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(zhì)關(guān)系，獨立于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此具有極強的魯棒性。(3) 觀測器的輸出信號，應(yīng)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(dǎo)向控制技術(shù) 5.4 SIMPACK中控制器的設(shè)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(zhì)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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 牽引動力國家

14、重點實驗室27質(zhì)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(dǎo)向控制技術(shù) 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(zhì)量攝動下的仿真( Mc=200kg ）第二講 磁浮列車懸與浮導(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù)

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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 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(dǎo)向控制技術(shù) 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(jié)頭動力學仿真軌道高低結(jié)頭5mm，標準參數(shù)下的響應(yīng) 第二講 磁浮列車懸與浮導(dǎo)向控制技術(shù) 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(jié)頭5mm，標準參數(shù)下的響應(yīng) 軌道低結(jié)頭動力學仿真第二講 磁浮列車懸與浮導(dǎo)向控制技術(shù) 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(jié)頭2mm，標準參數(shù)下的響應(yīng) 軌道低結(jié)頭動力學仿真第二講 磁浮列車懸與浮導(dǎo)向控制技術(shù) 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