磁悬浮列车简捷鲁棒控制与仿真研究

磁悬浮轨道列车作为一种现代化的交通工具,其悬浮系统具有非线性、不稳定的性质。针对该系统的特性,对其稳定性问题进行研究与讨论。根据悬浮轨道的力学结构,建立了悬浮系统具有非线性性质的物理模型。为了便于理解和研究,将非线性系统利用逆系统的反馈线性化方法线性化,就会得到轨道列车悬浮系统经过补偿后的伪线性系统方程。分析伪线性系统的特性,设计闭环简捷鲁棒控制器。利用MATLAB软件中的Simulink工具箱对控制系统进行仿真。仿真结果表明,控制器作用下的列车悬浮系统鲁棒性较强,悬浮稳定性较好。对于外部干扰具有较强抗扰性,能更好地达到稳定的悬浮控制要求。     

平面转子磁悬浮陀螺的原理、建模与分析

实现平面转子的稳定悬浮是磁悬浮陀螺的关键所在.介绍了一种利用微细加工方法实现的磁悬浮陀螺仪模型的悬浮系统.在该悬浮系统中,利用电感检测的方法获取转子的位置信号,并对该信号进行PID处理,再将其用于控制悬浮线圈中的电流大小对悬浮力进行控制,最终实现了平面转子的稳定悬浮.文中进行了系统建模,对系统悬浮力进行分析,同时利用Mat lab/simulink对其仿真,得出了转子位置的动态响应,并通过改变仿真参数,对系统结构、悬浮高度等参数进行优化.     

一种新型电磁阵列悬浮系统的结构设计与特性分析

研制了一种新型电磁悬浮系统装置,该装置利用电磁铁阵列与永磁铁提供空间三维方向的悬浮驱动力。与传统的电磁悬浮系统相比,该系统具有悬浮力大、磁场分布规律、运动范围广等特点,可以明显提高系统的使用效率基于有限元数值方法对悬浮电磁力特性以及合成磁场特性进行详细分析,并做了相关实验。结果表明所设计的电磁阵列悬浮系统装置可以在大气隙下使用,具有较好的稳定性和可控性。     

基于直线型Halbach结构的永磁电动悬浮系统的设计与实现

以永磁电动悬浮在航天磁悬浮助推、弹目交会实验等军事领域的实际应用为背景,基于直线型Halbach结构永磁电动悬浮技术设计了一个永磁电动悬浮实验平台,选择金属转盘作为永磁电动悬浮系统的轨道形式,并对直线型Halbach结构永磁体的几何形状进行了优化设计。最后,通过相关的静态特性实验测试,验证了永磁电动悬浮系统的基本特性,通过分析其与理论计算存在差异的原因,讨论了相应的补偿修正方法。另外,动态特性的测试得到了系统的欠阻尼特性。     

五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统的设计与实现

设计了一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统,通过分析几种悬浮系统结构的利弊,提出了利用两个相同永磁偏置轴向径向磁轴承作支撑轴承的五自由度悬浮方案.对开关磁阻电机本体及磁轴承进行了参数设计,并对磁轴承进行了有限元仿真分析.构建了五自由度磁悬浮开关磁阻电机实验平台,进行了动静态悬浮实验,实现了系统0 ～ 36 000 r/min的稳定悬浮.结果表明,系统悬浮性能优良,结构紧凑,参数设计合理.     

基于Halbach阵列的永磁电动悬浮仿真与性能影响因素分析

为了研究永磁电动悬浮中各参数对系统悬浮性能的影响,针对直线型Halbach永磁体阵列,基于电磁场理论分析,结合瞬态电磁场有限元模型,明确永磁体外部磁场的分布规律,之后分析了永磁电动悬浮系统的电磁特性与系统各参数的关系,最终提出了一种较优的永磁体结构方案.研究表明,永磁体阵列下部磁场呈近似正弦分布,电动悬浮系统低速时以磁阻力为主,高速时以悬浮力为主.轨道感应板厚度的选取是影响浮阻比的关键,当永磁体长宽高之比为1:1.2:0.8时,系统浮重比最大,浮阻比与永磁体长度近线性相关,因此,合理选择相关参数可有效提高系统悬浮性能.     

中低速磁浮列车悬浮控制器电磁兼容设计

在中低速磁浮列车系统中,悬浮系统是核心子系统。由于列车平稳性和悬浮稳定性的要求,悬浮系统对信号的信噪比要求高,但实际中信号传输距离比较长,所处的电磁环境复杂,干扰强。提出了一种系统方案,从悬浮系统主电路、传感器信号传输、采样和处理机制、分布电源以及系统接地等方面综合设计,系统解决悬浮系统中的电磁干扰问题,提高悬浮系统信号的信噪比。通过实验验证了综合设计方案的可行性以及工程的可靠性。     

磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统自抗扰逆系统解耦控制

在给出磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统控制模型的基础上,采用逆系统相关理论求解出磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统控制模型的解析逆系统。在原系统的基础上再应用求得的解析逆系统进行复合,建构伪线性系统,对悬浮系统的悬浮力进行解耦。用自抗扰控制器作为径向位置控制器,对复合伪线性系统进行综合,把主绕组电流对悬浮系统引起的摄动视为悬浮系统的一种外扰,利用扩张状态观测器开展动态即时补偿。所设计的自抗扰补偿逆系统解耦方法通过了仿真结果验证,成功实现了悬浮力间的解耦,而且基本消除了转矩调节时主绕组电流的摄动对悬浮系统的影响,控制系统性能优良。     

高温超导混合磁悬浮系统主电路的设计

为减小悬浮能耗,增大悬浮气隙,研制了由高温超导线圈和常导线圈组成的吸力型混合悬浮系统;设计了能满足该混合悬浮系统要求的H型四象限斩波器主电路;介绍了确定其参数的方法和基于数字信号处理器(Digital Signal Processing,简称DSP)及复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,简称CPLD)的保护电路及控制器.试验表明,采用所设计的H型四象限斩波器主电路能实现高温超导混合悬浮系统的稳定悬浮,并证明了电路设计的合理性.与传统的纯常导电磁悬浮系统相比,该混合悬浮系统大大降低了悬浮功耗,能实现更大气隙的稳定悬浮,其悬浮气隙可达20mm.     

应用于高速磁浮滑橇系统的常导电磁铁结构设计与优化

采用常导磁悬浮技术来解决传统高速滑橇系统中滑橇磨损严重、橇体振荡剧烈等问题。阐述了一套以浮重比为优化目标、纯电励磁与混合励磁式通用的常导悬浮电磁铁的设计流程,建立了悬浮电磁铁的等效磁路模型,并根据悬浮系统的设计输入要求完成了纯电励磁和混合励磁式悬浮电磁铁的初步设计;在此基础上,借助Ansoft有限元仿真软件,完成了两种悬浮电磁铁结构的优化。对比分析两者的设计参数,结果表明:在铁心饱和磁密为1.8 T的限制条件下,电磁铁的磁极截面为正方形时,其浮重比最高;对于混合励磁式电磁铁而言,永磁体的加入大幅减小了电磁铁的体积与自重,显著提高了电磁铁的浮重比,能够增加系统的有效载荷,且降低系统的能耗。     

混合磁悬浮球系统吸引子及稳定性研究

为了避免磁悬浮球混沌运动,设计了永磁和电磁混合型磁悬浮球模型,推导了磁悬浮球的动力学方程,并建立了磁悬浮球系统的仿真模型.通过改变初始状态,得到不同初始条件下的磁悬浮球系统吸引子.混合型磁悬浮球系统具有单、双两类吸引子,双吸引子表现出较强的混沌特性,磁悬浮球围绕平衡点附近的波动较大,磁悬浮球由混沌运动状态向非混沌运动状态转变时,由双吸引子逐渐向单吸引子过渡,系统演变为具有周期特性的运动状态,再演变为相轨迹收敛于一个点,磁悬浮球处于较稳定的运动状态.仿真和实验结果表明,通过磁悬浮球吸引子的研究可了解混沌产生的初始区间,进而为设计中避开混沌区实现磁悬浮球的稳定运动提供了参考依据.     

磁悬浮系统的哈密顿建模和无源控制

针对磁悬浮系统非线性特点,采用端口受控哈密顿系统理论与无源性控制原理研究磁悬浮系统的建模和控制。将磁悬浮看作能量变换装置,从能量平衡角度推导出单自由度磁悬浮系统的端口受控哈密顿模型。在哈密顿结构基础上,引入结构互联和阻尼配置,给出闭环系统期望的哈密顿函数,设计了磁悬浮系统的无源控制器。设计中直接采用哈密顿函数作为存贮函数,保证了数学严密性,且使系统在满足无源性的条件下达到要求的性能,具有明确的物理意义。仿真结果表明,系统能够快速响应,并且对负载的变化具有很强的抗干扰性能。     

一种磁悬浮直线开关磁阻电机悬浮模块设计与分析

磁悬浮直线开关磁阻电机继承了直线开关磁阻电机的优点,结合有效的悬浮设计方案,在磁悬浮运输系统中具有一定的应用潜力。研究了磁悬浮直线开关磁阻电机的悬浮模块及其改进结构,分析磁场分布和磁路模型,在此基础上,利用有限元软件进行仿真,通过结果分析发现所提出结构具有天然解耦的结构特点,可以实现悬浮力控制和推力控制解耦以及悬浮力控制与动子前进位置解耦,通过线性调节悬浮电流即可线性控制悬浮力,使悬浮电流控制为标量控制,大大降低了悬浮控制系统的复杂性。此外,改进结构可以有效提高悬浮电流利用率,减小悬浮绕组损耗。     

无轴承异步电机解耦控制策略

针对2极转矩绕组和4极悬浮绕组构成的无轴承异步电机悬浮力耦合问题,利用悬浮绕组数学模型及其等效电路图,分析了转子感应电流对悬浮力控制的影响.在考虑悬浮绕组转子感应电流导致悬浮力耦合的基础上,研究了逆系统的悬浮解耦控制策略,构造了以悬浮绕组励磁电流为位移控制量的悬浮力控制模型.仿真及实验结果表明,该模型能实现悬浮力完全解耦,其控制器可以独立控制相对应的悬浮力,为无轴承全速范围悬浮控制提供借鉴.     

直线同步电动机磁悬浮系统区间二型模糊控制的研究

针对可控励磁直线同步电动机（CELSM）磁悬浮系统,提出一种区间二型模糊控制策略改善系统性能。根据CELSM磁悬浮系统的结构特点及控制原理,建立其数学模型。设计区间二型模糊控制器实现对CELSM磁悬浮系统的控制,采用磁悬浮平台气隙高度的误差及其变化率作为控制器输入,用三角形隶属度函数,建立9条模糊控制规则进行模糊推理,最后用Nie-Tan（NT）降阶算法得到系统输出。根据控制系统结构,在MATLAB软件中搭建仿真模型,经仿真验证,采用区间二型模糊控制的CELSM磁悬浮系统具有起动性能好、抗干扰能力强的优点。     

无轴承异步电机气隙磁场辨识方法与应用

针对无轴承异步电机电磁转矩与径向悬浮力这一强耦合的非线性复杂系统,依据转子磁场定向控制的特点,研制了转矩绕组采用转子磁场定向控制,径向悬浮控制所需的气隙磁场通过I-ω法适时辨识的控制系统.应用Matlab/Simulink建立了系统仿真模型.计算机仿真结果表明,实现了电磁转矩与径向悬浮力之间的完全解耦,具有良好的动、静态性能,验证了本文所提方案的有效性.     

电磁-永磁混合磁悬浮系统的悬浮刚度研究

对电磁-永磁混合磁悬浮系统的悬浮刚度问题展开研究,基于混悬系统的力学模型,导出了悬浮刚度与永久磁铁的厚度、截面积、材料特性等因素及PID控制中的比例系数之间的约束关系,说明悬浮刚度大小对于混合磁悬浮系统控制功耗的影响,并分析了最优线性度下的最优悬浮刚度及最优比例系数的取值问题。分析结果表明,选取合理的永久磁铁结构及比例系数能提升系统的悬浮刚度,合理地增加悬浮刚度能降低混悬系统的控制功耗,同时提高系统的稳定性及承载能力。     

高温超导磁悬浮力三维测量系统设计

高温超导磁悬浮因其独特的无源自稳定优势,在高速轴承、轨道交通和飞轮储能系统等领域有着广阔的应用前景。 为 了探究高温超导磁悬浮系统的悬浮特性,设计了一种适用于测量磁悬浮轴承悬浮特性的高温超导磁悬浮力三维测量系统。 首 先,基于伺服驱控的三轴联动直线模组与三轴力传感测量单元设计了测量系统硬件部分,利用 LabVIEW 设计了数据采集单元, 以实现数据连续采样及其图像化。 其次,在恒载和永磁悬浮系统下,对高温超导磁悬浮力三维测量系统的测量精度进行校验。 最后,建立了超导体-永磁悬浮系统有限元模型,仿真并测量了高温超导体在零场冷和场冷条件下的悬浮力特性,仿真与测量结 果保持基本一致。 结果表明,该测量系统具有测量精度高(0. 5%),三维空间定位准确( ±0. 02 mm),被测对象相对运动时三轴 力同步测量(最大悬浮力 500 N,导向力 200 N)等特点。     

电磁电动式磁悬浮装置的磁场分析和力特性研究

针对目前电磁式磁悬浮无法实现静止悬浮,为实现静止稳定磁悬浮的问题,提出旋转磁场电动式磁悬浮装置方案,该装置通过在初级绕组中通入三相交变电流产生圆周运动的交变磁场,与其在次级导体中感应出的涡流磁场相互作用产生悬浮力,能够在装置静止的条件下实现稳定的悬浮.为准确分析装置力特性,建立悬浮装置的多层分环电磁模型对磁场分布求解,并直接利用磁场分析所得的磁场分布结果求解次级悬浮力和水平转矩,给出磁悬浮装置的力特性与其参数的关系;建立有限元模型,分析得出了系统的磁场分布,电磁力等的分析结果;搭建了实验平台对永磁电动式系统的基本特性进行研究,主要是悬浮力和转矩的测试;利用有限元计算和样机实验验证了理论分析和计算结果.     

直线同步电动机磁悬浮系统非线性神经网络自适应反步控制

提出一种非线性神经网络自适应反步控制方法来提高电励磁直线同步电动机（EELSM）磁悬浮控制系统的性能。研究EELSM的结构及其运行机理;建立EELSM磁悬浮系统的状态方程与数学模型;为克服EELSM磁悬浮平台运行过程中存在的不确定性扰动,设计了非线性神经网络自适应反步控制器对扰动进行估计,通过构造Lyapunov函数证明系统的稳定性。用MATLAB软件对控制系统进行计算机仿真,仿真结果验证所提方法的有效性。