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自耦PID控制在磁悬浮系统中的应用

控制理论与应用 2024年

作者：刘腾飞蒋启龙罗雨刘彤磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室西南交通大学西南交通大学电气工程学院

针对轨道不平滑以及负载扰动较大可能导致系统失稳的问题,本文建立了以自耦PID(Self-coupling PID,SC-PID)控制为基础的磁悬浮控制模型,成功应用于磁悬浮系统中进行实物悬浮,并验证了SC-PID控制的优越性. SC-PID控制的方法是将非线性磁... 详细信息

针对轨道不平滑以及负载扰动较大可能导致系统失稳的问题,本文建立了以自耦PID(Self-coupling PID,SC-PID)控制为基础的磁悬浮控制模型,成功应用于磁悬浮系统中进行实物悬浮,并验证了SC-PID控制的优越性. SC-PID控制的方法是将非线性磁悬浮系统映射为等价的线性系统,然后引入速度因子zc把比例-积分-微分环节耦合在一起,使得SC-PID控制各增益间具有相同的物理量纲,最后用模糊规则对SC-PID控制参数进行整定.通过Simulink仿真和实验表明:SC-PID控制相对于传统的PID控制、分数阶PID控制(Fractional order PID,FOPID)具有更好的抗干扰能力,在负载扰动较大的情况下仍能保持较小的调节误差;对轨道不平滑的适应性强,在轨道不平滑的恶劣情况下依然保持快而准确的跟踪性能.

关键词：自耦PID 磁悬浮系统速度因子 Simulink

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真空管道磁悬浮系统构想

中国高新科技 2024年第8期 61-63页

作者：周吉荣高风言品隆中车株洲电力机车有限公司墨西哥铁路工程技术有限公司湖南株洲412000

真空管道磁悬浮的悬浮和低空气阻力以最大化减少了列车前进的阻力,使得它具有平稳、舒适、超高效、超高速、超快捷的特点,从而决定了它必然是载人公共交通的发展方向之一。通过对真空管道磁悬浮系统和子系统磁浮列车、真空管道、真空设... 详细信息

真空管道磁悬浮的悬浮和低空气阻力以最大化减少了列车前进的阻力,使得它具有平稳、舒适、超高效、超高速、超快捷的特点,从而决定了它必然是载人公共交通的发展方向之一。通过对真空管道磁悬浮系统和子系统磁浮列车、真空管道、真空设备系统(含密闭门、密闭窗、真空设备)、磁浮轨道系统、供电系统、自动控制系统、通信系统、售检票系统、综合维护系统的构想,及其相关子系统关键技术和运营场景的描述,提出了各子系统的主要构成和关键技术的解决思路,以及部分利用既有技术的思路。其运营场景的详细描述,对于相关子系统的研发提供了功能需求的支撑。

关键词：磁悬浮系统磁悬浮列车真空管道磁浮轨道构想

磁悬浮系统中多芯复合Nb3Sn超导线磁通跳跃的可调性研究

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物理学报 2023年第1期72卷 284-295页

作者：董石泉何安刘伟薛存长安大学理学院工程力学系西安710064 西部超导材料科技有限公司西安710014 西北工业大学力学与土木建筑学院工程力学系西安710072

超导磁悬浮列车在加速启动的过程中,载有恒定大电流的超导线圈处在变化的磁场中,这会导致超导线圈发生磁通跳跃,从而降低线圈的载流能力.并且磁通跳跃会产生大量热量而使超导线圈温度急剧升高,严重时会导致超导线圈失超,所以对磁通跳跃... 详细信息

超导磁悬浮列车在加速启动的过程中,载有恒定大电流的超导线圈处在变化的磁场中,这会导致超导线圈发生磁通跳跃,从而降低线圈的载流能力.并且磁通跳跃会产生大量热量而使超导线圈温度急剧升高,严重时会导致超导线圈失超,所以对磁通跳跃的研究具有非常重要的科学意义.Nb3Sn超导线是由多根微米级的超导芯丝、铜和环氧树脂形成的复合结构.本文通过约束每根芯丝的静电流为零的二维模型来分析三维绞扭效应,研究了超导线在交变磁场和恒定电流下的磁热不稳定性行为.通过分析交变磁场的幅值和频率对Nb3Sn超导线磁通跳跃的影响,发现当磁场幅值不变时,初次发生磁通跳跃的磁场阈值Bth随频率非单调变化.而当频率一定时,初次发生磁通跳跃的磁场阈值Bth随交变磁场幅值单调变化.此外,随着幅值的减小,发生磁通跳跃的频率区间先变大后变小,直到某个临界频率后超导线不再发生磁通跳跃.本文的研究结果能够为调控超导线的磁热不稳定性行为提供理论依据.

关键词： Nb3Sn多芯复合超导线磁通跳跃交变磁场磁悬浮系统

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磁悬浮系统自抗扰广义预测控制

哈尔滨工业大学学报 2022年第9期54卷 141-150页

作者：王金锁蒋启龙罗雨刘腾飞西南交通大学电气工程学院成都611756 磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室(西南交通大学) 成都611756

针对负载扰动以及轨道“台阶”现象可能导致磁浮列车失稳的问题,将自抗扰广义预测控制(LADRC⁃GPC)理论引入磁浮列车悬浮系统,设计了一种新型悬浮控制器。控制器采用分层控制策略,内层利用扩张状态观测器(ESO)对系统进行动态补偿,得到被... 详细信息

针对负载扰动以及轨道“台阶”现象可能导致磁浮列车失稳的问题,将自抗扰广义预测控制(LADRC⁃GPC)理论引入磁浮列车悬浮系统,设计了一种新型悬浮控制器。控制器采用分层控制策略,内层利用扩张状态观测器(ESO)对系统进行动态补偿,得到被控对象的受控自回归滑动平均模型(CARMA),降低了对被控对象数学模型的依赖程度。外层以内层控制为被控对象,采用广义预测控制(GPC)对系统进行动态优化控制,提高了控制器的跟踪性。通过仿真和实验与PID控制算法、线性自抗扰控制(LADRC)算法比较,结果表明:自抗扰广义预测控制算法具有较好的跟踪性与鲁棒性,在较大负载扰动时仍能保持较小的误差。

关键词：磁悬浮系统线性自抗扰控制广义预测控制自抗扰广义预测控制

直线同步电动机磁悬浮系统的模糊分数阶滑模控制

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电机与控制学报 2022年第3期26卷 94-100页

作者：雷城蓝益鹏孙云鹏沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870

针对直线磁悬浮同步电动机(LMLSM)悬浮系统的控制性能问题,提出一种模糊分数阶滑模控制方法。根据LMLSM的悬浮系统的电压方程、磁链方程以及运动方程,推导出磁悬浮力方程和系统的状态方程;构造积分型滑模面,保证系统的全局鲁棒性,引入... 详细信息

针对直线磁悬浮同步电动机(LMLSM)悬浮系统的控制性能问题,提出一种模糊分数阶滑模控制方法。根据LMLSM的悬浮系统的电压方程、磁链方程以及运动方程,推导出磁悬浮力方程和系统的状态方程;构造积分型滑模面,保证系统的全局鲁棒性,引入误差的低次项,使状态变量在有限时间内收敛到零;为了削弱引入积分带来的抖振加剧,采用模糊推理来估计切换增益;引入分数阶系统构造了新型的分数阶积分型滑模面和趋近率,与整数阶相比,有着更高的稳定性和削弱系统抖振的效果;最后通过仿真分析表明,该控制策略与PI、积分型滑模、积分型模糊滑模相比,空载启动的调节时间减少了37.5%,突加负载时动态降落减少了88.9%,恢复时间减小了50%,具有稳态误差小,调节时间和恢复时间短,抗扰性较强以及减小抖振的优点。

关键词：直线同步电动机磁悬浮系统分数阶系统分数阶滑模控制模糊控制模糊推理

磁悬浮系统中多芯复合Nb3Sn超导线磁热稳定性分析

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磁悬浮系统中多芯复合Nb3Sn超导线磁热稳定性分析

作者：董石泉长安大学

学位级别：硕士

随着目前经济实力和科技水平的提高,人们对于长远距离高速出行的需求不断增长,传统的轮轨高速列车主要凭借轮轨间的黏着牵引力驱使列车前进,会受到速度瓶颈、行驶噪音、运行振动、爬坡能力的影响,因此,磁悬浮列车系统作为一种性能更优... 详细信息

随着目前经济实力和科技水平的提高,人们对于长远距离高速出行的需求不断增长,传统的轮轨高速列车主要凭借轮轨间的黏着牵引力驱使列车前进,会受到速度瓶颈、行驶噪音、运行振动、爬坡能力的影响,因此,磁悬浮列车系统作为一种性能更优的列车运行系统被全世界多个国家所采用。然而相比于普通的常导材料,使用超导材料制成的线圈具有高电流密度、低损耗传输的优点,因此可以产生更大的磁场,从而产生更大的悬浮力和牵引力,以达到更高的能量利用效率和更高的列车运行速度。当前NbSn超导材料弥补了高温超导材料的价格昂贵、制造工艺不成熟的缺点,超过了Nb Ti的工作磁场极限,成为了超导磁悬浮系统中制造超导线圈的首选材料。然而在超导磁悬浮列车运行过程中,列车上的通有较大电流的NbSn超导线在轨道上的驱动线圈产生的高频交变磁场下会发生磁通跳跃现象。磁通跳跃会导致磁通大量涌入超导体从而使超导线圈的载流能力迅速下降,另外,磁通的运动会导致能量以焦耳热的形式释放出来,使超导线圈整体温度急速升高,更严重的会发生失超现象,这两个结果会影响超导线圈的正常使用,有时甚至会造成安全事故。因此,对NbSn超导线圈在交变磁场下进行磁热稳定性分析是确保超导磁悬浮系统能够平稳运行的基础。本文从超导线圈的实际工况条件出发,建立了完全不耦合模式下的二维多芯复合NbSn超导线圈的多物理场耦合模型,研究了其在不同条件下的磁通跳跃演变规律。首先,本文介绍了NbSn多芯复合超导线磁热响应的计算方法。在有限元软件COMSOL Multiphysics中通过一般形式偏微分方程模块建立了计算模型电磁响应的法的控制方程;然后通过系数形式偏微分方程建立了计算模型温度分布的热扩散方程,并将电磁场与温度场通过超导本构方程进行耦合。随后使用相同方法计算了两种二维方法以及三维绞扭模型下的磁场分布、电流分布以及发热功率曲线,并与文献中实验得出的磁化曲线进行了对比,验证了我们方法的准确性。其次,使用法模拟计算了完全不耦合情形下NbSn多芯复合超导线在交变磁场下的磁通跳跃,分析了交变磁场频率和幅值对超导线磁通跳跃的影响,并绘制了超导线发生磁通跳跃的频率和幅值的临界阈值曲线。然后研究了背景温度、磁通蠕动指数、边界换热系数对超导线磁通跳跃的影响。研究结果表明,随着幅值的减小,发生磁通跳跃的临界频率区间先变大后变小,直到某个临界频率后超导线不再发生磁通跳跃。此外,降低背景温度、增大磁通蠕动指数、增大边界换热系数更容易导致磁通跳跃现象的发生。最后,通过将在ABAQUS软件中计算得到电磁体力分布下的应变场导入COMSOL软件中进行磁通跳跃现象的模拟,研究了NbSn多芯复合超导线圈的力-电-磁-热耦合模型下的磁通跳跃问题。结果表明超导线圈内的的最大应力应变位置分布在线圈最内层的中间匝位置,轴向上应力应变分布呈对称分布。在超导线圈中应变最大的位置,即最内层中间匝更容易发生磁通跳跃。此外,小尺寸的超导芯丝能有效抑制磁通跳跃的发生,在小尺寸时,应变会导致磁通从跳跃变为平稳穿透的情况,而在更容易发生磁通跳跃的较大尺寸超导线,应变会提高发生磁通跳跃的频率,还会使发生磁通跳跃后的温度更难恢复到工作温度。

关键词： Nb3Sn多芯复合超导线磁通跳跃交变磁场磁悬浮系统

磁悬浮系统的无模型自适应预测控制算法及实验研究

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磁悬浮系统的无模型自适应预测控制算法及实验研究

作者：蓝昕雨桂林理工大学

学位级别：硕士

磁悬浮系统因其低损耗、控制原理简单、无接触悬浮等优点,在医学、工业、计算机等领域中都具有广阔的应用前景。同时,磁悬浮系统也是具有非线性、开环不确定性以及难以建立精确模型的复杂系统。本文将磁悬浮系统作为研究对象,建立了磁... 详细信息

磁悬浮系统因其低损耗、控制原理简单、无接触悬浮等优点,在医学、工业、计算机等领域中都具有广阔的应用前景。同时,磁悬浮系统也是具有非线性、开环不确定性以及难以建立精确模型的复杂系统。本文将磁悬浮系统作为研究对象,建立了磁悬浮系统的动力学模型,将无模型自适应预测控制算法应用于解决磁悬浮系统难以精确建模的问题中,具体研究如下:(1)由于预测控制能利用未来时刻的I/O信息,具备很强的鲁棒性,将预测控制的策略与无模型自适应控制相结合,提出将基于无模型自适应预测控制算法应用于磁悬浮系统中,该算法仅利用被控对象的I/O数据设计控制器,不依赖数学模型信息,同时,对所提控制策略进行严谨的稳定性分析,证明算法的收敛性。(2)由于实验使用的磁悬浮系统为二阶系统,而无模型自适应预测控制器未包含二阶积分控制内容,无法直接对二阶系统进行稳定控制,故对所提控制策略进行改进,增加对一阶、二阶差分的限制,提出改进的无模型自适应预测控制算法(Improve Model Free Adaptive Predictive Control,IMFAPC),并在MATLAB/Simulink中对基于IMFAPC控制策略的磁悬浮系统进行建模。(3)在磁悬浮球系统上展开IMFAPC与相位超前校正控制算法的仿真与实时实验对比,证明IMFAPC算法由于包含未来时刻的I/O信息,在面对期望轨迹发生突变时,也能快速做出控制决策,具有良好的跟踪性能,而相位超前校正算法是基于磁悬浮球数学模型建立的控制器,不具备自适应性,与仿真实验得出的结论一致,当系统发生突变时,基于模型的控制器不能很好地实现对磁悬浮系统的自适应跟踪。(4)在平衡点处建立了忽略磁极耦合的二自由度磁悬浮系统的数学模型,随后进行IMFAPC与相位超前控制器的电磁轴承系统仿真与实时实验对比。仿真与实验结果表明,当控制系统模型较为复杂时,基于模型设计的控制器的实时控制效果会更差,因为复杂的控制系统难以进行精确建模,电磁干扰等因素难以使用数学表达式定义从而加入到数学建模中,所以基于模型的控制算法在面对复杂的控制系统难以展现良好的控制效果,而无模型自适应预测控制控制算法包含过去现在未来的I/O信息,不仅能使系统快速稳定,还可以在干扰发生时将系统拉回稳态。

关键词：磁悬浮系统无模型自适应预测控制预测控制相位超前控制

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磁悬浮系统QFT/H_∞控制方法的研究

磁悬浮系统QFT/H_∞控制方法的研究

作者：陆小强沈阳工业大学

学位级别：硕士

本文以磁悬浮系统为研究对象,磁悬浮系统是依靠反馈控制器来维持稳定的悬浮。设计这样的反馈控制器是具有挑战性的,因为在数学上电磁力是非线性的,并且在悬浮力函数上不存在局部极小点。因此,磁悬浮系统是开环不稳定的。此外,磁悬浮系... 详细信息

本文以磁悬浮系统为研究对象,磁悬浮系统是依靠反馈控制器来维持稳定的悬浮。设计这样的反馈控制器是具有挑战性的,因为在数学上电磁力是非线性的,并且在悬浮力函数上不存在局部极小点。因此,磁悬浮系统是开环不稳定的。此外,磁悬浮系统在运行过程中系统参数会发生变化(不确定性)以及遭受扰动,如(冲击、负载、振动)等。因此,磁悬浮系统控制器的设计必须保证物体悬浮过程中的稳定性。所以本文开展磁悬浮系统结合H_∞最佳控制与定量反馈控制理论(Quantitative Feedback Theory,QFT)设计方法的研究,本文主要工作如下:(1)根据磁悬浮系统的原理结构及电磁理论建立数学模型,推出磁悬浮系统的电磁推力方程和机械运动方程,建立了磁悬浮系统的非线性数学模型表达式以及线性化后的数学模型表达式,最后计算出基于平衡点处的线性化数学模型传递函数。(2)为了降低磁悬浮系统及其控制系统不确定因素对该系统实际运行产生的影响,提出一种基于QFT策略的磁悬浮鲁棒控制方法,该方法是为具有模型不确定性和参数变化的系统设计控制器,以满足增益裕度和灵敏度界限,解决了磁悬浮系统中的一些不确定因素对磁悬浮系统正常运行的一些影响,以及性能鲁棒性问题(灵敏度函数的边界得到保证),该方法将磁悬浮系统模型的传递函数作为该方法的被控对象,通过一些定量的形式求出一些性能指标,在Nichols图上量化设计回路成形,最后得到符合条件的前置滤波器的传递函数还有反馈控制器的传递函数并进行仿真验证。(3)结合QFT/H_∞设计方法可以避免传统QFT在回路调整时的作图过程,通过把设定的规范值转化为权重传递函数,再以线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)为基础求取H_∞最佳控制器。这两种方法最终都加上前置滤波器,来完成整个系统的设计要求。最后,为了验证设计的改进QFT/H_∞的实际控制效果,搭建磁悬浮控制系统的仿真模型,将改进的QFT/H_∞与常规的QFT控制器进行对比。仿真结果表明,这两种方法都能得到类似的输出表现,但改进的QFT/H_∞控制器在设计过程中比传统QFT的设计明显更简单直接,而且改进的QFT/H_∞控制器可以更有效的提升磁悬浮系统的鲁棒性、跟踪性、抗干扰性能,各项指标均优于常规QFT控制,且本文设计的QFT控制器及改进的QFT/H_∞控制器的性能均优于传统PID控制。

关键词：磁悬浮系统参数不确定定量反馈理论 H_∞鲁棒控制 QFT/H_∞控制器

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磁悬浮系统的H_∞状态反馈设计

电机与控制学报 2009年第2期13卷 282-286页

作者：孟范伟何朕王毅周荻哈尔滨工业大学控制科学与工程系黑龙江哈尔滨150001

理论上H∞状态反馈设计只要求解一个Riccati方程,但常会得出一种无意义的结果。提出H∞状态反馈设计还应该加一个鲁棒性约束,即灵敏度函数的峰值。增加了鲁棒约束下的设计是最佳的设计,才能得到最佳的扰动抑制性能。还指出H∞状态反馈... 详细信息

理论上H∞状态反馈设计只要求解一个Riccati方程,但常会得出一种无意义的结果。提出H∞状态反馈设计还应该加一个鲁棒性约束,即灵敏度函数的峰值。增加了鲁棒约束下的设计是最佳的设计,才能得到最佳的扰动抑制性能。还指出H∞状态反馈设计中的性能指标γ和权系数都是有量纲的,并详细说明了性能指标和权系数的确定方法。以磁悬浮系统为例,对H∞状态反馈设计中的权系数进行了详细的讨论。所提出的设计思想对一般的状态反馈设计也是有益的。

关键词： H∞状态反馈鲁棒性灵敏度磁悬浮系统