基于磁通反馈的悬浮控制研究

作     者：孙秋明 

作者单位：国防科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李杰

授予年度：2005年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：悬浮控制 磁通反馈 PID控制器 磁场测量 

摘      要：悬浮控制是磁浮列车的关键技术。目前采用的基于电流反馈的悬浮控制算法,参数稳定范围小、超调量大,且无法将闭环系统带宽设计得较低。而基于磁通反馈的悬浮控制能很好地解决这些问题。本文围绕着磁通反馈在悬浮控制系统中的应用展开研究,涵盖了电磁场分析、被控对象建模、控制器设计、参数整定、仿真、磁场测量以及实验等问题。 本文首先分析了电磁力与悬浮气隙磁场之间的关系,并利用计算结果得出了悬浮力与气隙磁通密度的拟合公式。在对单铁的建模中,从气隙磁通密度的角度出发,得到了以磁通密度为状态变量的单铁线性模型,并采用磁场分析得出的拟合公式修正了模型参数。 其次,参照电流环控制的串级思想,设计出了基于磁通反馈的悬浮控制算法,该算法也采用双环控制,内环为磁通环,外环为位置环;外环采用PID控制器,输出为期望磁通密度,内环采用比例或比例积分控制器,输出为电磁铁控制电压。为了便于对采用电流反馈与采用磁通反馈的悬浮控制算法的性能进行比较,设计了基于遗传算法的PID参数优化方法。在相同的闭环系统带宽要求下,对两种控制下的PID参数进行优化。然后在建立的悬浮控制系统的非线性仿真模型上,比较了两种控制算法在优化参数下的动态性能。为实现磁通反馈控制,分析了悬浮磁场对磁通密度测量的要求,利用三维磁场分析软件对磁场测量元件的安装方式与安装位置进行了分析,选择了两种磁场测量方法:霍尔效应法与电磁感应法,并分别设计了测量及信号放大、滤波电路,实现了悬浮磁场的测量。 最后,进行了单铁及转向架的悬浮实验,比较了两种控制算法的实际效果,实验验证了磁通反馈参数稳定范围大、动态性能好的控制效果。