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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

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

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

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磁悬浮系统振动抑制方法综述

微电机 2023年第8期56卷 60-66页

作者：甘雨琴黄苏丹曹广忠胡智勇范雪深圳大学广东省电磁控制与智能机器人重点实验室机电与控制工程学院广东深圳518060

磁悬浮系统是无接触、非线性、多变量耦合、易受干扰的机电系统,悬浮对象容易产生振动,导致磁悬浮系统的动态性能降低和运行不稳定,解决磁悬浮系统振动问题是实现其高性能运动的前提之一。基于国内外磁悬浮系统振动抑制的研究现状,论文... 详细信息

磁悬浮系统是无接触、非线性、多变量耦合、易受干扰的机电系统,悬浮对象容易产生振动,导致磁悬浮系统的动态性能降低和运行不稳定,解决磁悬浮系统振动问题是实现其高性能运动的前提之一。基于国内外磁悬浮系统振动抑制的研究现状,论文分析磁悬浮系统振动的产生原因,给出磁悬浮系统的动力学模型,分别探讨磁悬浮列车、磁悬浮轴承和磁悬浮电机的振动抑制方法,并仿真分析磁悬浮高速电机的振动抑制,为磁悬浮系统的高精度位置控制提供基础。

关键词：磁悬浮系统动力学模型振动抑制

直线同步电动机磁悬浮系统的自适应模糊滑模控制

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控制与决策 2021年第3期36卷 693-698页

作者：蓝益鹏李洁沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870

提出一种自适应模糊滑模控制方法用以提高可控励磁直线同步电动机(controllable excitation linear synchronous motor, CELSM)磁悬浮控制系统的性能.根据CELSM的特定结构和运行机理,建立CELSM磁悬浮系统的数学模型,包括励磁回路的电压... 详细信息

提出一种自适应模糊滑模控制方法用以提高可控励磁直线同步电动机(controllable excitation linear synchronous motor, CELSM)磁悬浮控制系统的性能.根据CELSM的特定结构和运行机理,建立CELSM磁悬浮系统的数学模型,包括励磁回路的电压方程、磁悬浮力方程和运动方程;设计积分滑模面和分段趋近律,系统状态轨迹可以根据距滑模面的距离自动切换趋近速度,以很小的斜率穿越滑模面,减小系统的抖振,推导出相应的滑模控制器;为了克服不确定性扰动对系统的影响,设计自适应律使自适应模糊系统对不确定性扰动进行实时估计,用该估计值进行前馈补偿控制,减小控制律中的切换增益和系统的抖振,进一步推导出自适应模糊滑模控制器;用Matlab对控制系统进行仿真,仿真结果表明,采用自适应模糊滑模控制的CELSM磁悬浮系统的性能得到改善.

关键词：可控励磁直线同步电动机磁悬浮系统自适应律模糊系统自适应模糊滑模控制

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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

电励磁直线电动机磁悬浮系统的非线性自适应反步控制

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制造技术与机床 2023年第2期 104-108页

作者：邢艺馨蓝益鹏雷城沈阳工业大学电气工程学院辽宁沈阳110870

为提高电励磁直线电动机(electrically excited linear motors,EELM)驱动的数控机床磁悬浮平台控制系统的性能,提出一种非线性自适应反步控制方法。研究EELM的结构与运行机理,该EELM的定子由铁心和励磁绕组组成,动子由动子铁心和电枢绕... 详细信息

为提高电励磁直线电动机(electrically excited linear motors,EELM)驱动的数控机床磁悬浮平台控制系统的性能,提出一种非线性自适应反步控制方法。研究EELM的结构与运行机理,该EELM的定子由铁心和励磁绕组组成,动子由动子铁心和电枢绕组组成,与数控机床进给平台固定连接驱动平台运动,励磁磁场对动子铁心的单边磁拉力实现平台的悬浮;建立EELM磁悬浮平台控制系统的数学模型与状态方程;对电励磁直线电动机磁悬浮平台运行过程中存在的不确定性扰动,设计非线性自适应反步控制器,对未知扰动进行估计,采用李雅普诺夫理论证明系统的稳定性;用MATLAB/Simulink对控制系统进行计算机仿真,验证所提方法的有效性。

关键词：电励磁直线电动机磁悬浮系统非线性自适应控制

数控机床直线同步电动机磁悬浮系统的神经网络直接自适应控制

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机械工程学报 2021年第17期57卷 236-242页

作者：蓝益鹏姚婉婷杨文康雷城沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870

针对数控机床可控励磁直线同步电动机磁悬浮系统的强非线性、外部扰动不确定性的问题,设计基于RBF神经网络直接自适应控制器。通过分析磁悬浮系统的运行机理,推导运动方程及悬浮力方程,进而建立系统的状态方程;用悬浮高度的跟踪误差和... 详细信息

针对数控机床可控励磁直线同步电动机磁悬浮系统的强非线性、外部扰动不确定性的问题,设计基于RBF神经网络直接自适应控制器。通过分析磁悬浮系统的运行机理,推导运动方程及悬浮力方程,进而建立系统的状态方程;用悬浮高度的跟踪误差和误差的变化量构造误差函数,设计直接自适应理想控制器并采用RBF神经网络对其进行逼近;设计自适应律来估计神经网络理想权值,对误差函数的变化率构造二次型Lyapunov函数,利用Lyapunov稳定性理论来证明系统稳定;通过Matlab对控制系统进行计算机仿真,结果表明该方法设计的控制器与自适应模糊滑模控制器和PID控制器相比,空载启动时调节时间减少了23.5%,突加负载时动态降落减少了64.7%,恢复时间减少了38.2%,具有稳态误差小,调节时间和恢复时间短,抗扰性较强的优点,能有效提高磁悬浮系统的控制性能。

关键词：数控机床直线同步电动机磁悬浮系统 RBF神经网络直接自适应控制