磁浮列车导向控制系统及其仿真

1、磁浮列车导向控制系统及其仿真陈红艳(西南交通吠学磁浮技术昭究所成都610031 )摘 要：和传扯地轨列军柑龜浮列车是附离申 运行二因而肆向密制技术是芯一项i锲的技朮，本s 字向控制技 术的关健问题作了分析并建芷了柑应的数学焯型没计相应的桂制器，建立了竹词架的橫型丰对转向架的樟型进行仿真 b1的结果给出了各神ml化时气幢的iimi:关键字:磁浮列车；f向s b制器；转i架中图分类号：【l"(u文献标识码! a文章编号:1817 0633( 2007 )()5()()56-(bguidance control system and its simulation of maglev tra

2、inchen hongyan(researc i liislitule <»i marlex reclinal(ig) southwefit jiaotong hniversit), chrngdu 610031 )abstract: (jjni|>ared vvilh irarlitional railway trailu rnaglrs i rain is running ahov<h lh<* lr;i(-k. ihrrrfurr. ils guhlanre cunl rol iceli - nohigy is umlouldetllv crucial-

3、 in thia rmpri; lias尸il un 山尸 hii;ih>is nf kr； prohlents “ maglr guiclaikm- c(mlr(il trrliriolhv, eslal)lihr he nialhenialical models, c»)rre<jk)ndiriii eonhdlitt has been desigiieil wnl u|» llie bdgie nialhrnafi(fcaj mode i. lurtlirrnkirr, simulates i he liogic model. siiniilarion r

4、esult shows i lie variatjon regnlahim <d thr air 真已卩 uhile v；n inns sliriin lanl (a(l«>rs liavt1 changed.keywords： maglcv train; (iuidance; cont ml fen bogie0引言磁悬浮列车是一种依靠屯磯场特有的“同杜相斥薯性相吸” 的持性将车辆托起使整牛列车恳淳在线路上，利用电磁力进行 导向并利用直线电机将电能直接转换成推进力来推动列车前进 的晟新颖的第五代交通运输工具从悬评机理上可分为电磁悬浮 emsleciroinagnelic

5、 suspimisio )和电动悬浮(lds,elrrlroi ywn) |垢种。最新的电磯悬浮式磁浮列半§蹲国f smpick 简称 tr)08 型和 h 本的 hssijilt 列车足悬浮力和导向力介二詼 劝控制，但不适用于高速磁浮列華: 于离心丿j随速度的增加而急剧增道 时引起的橫向动态附加力增大弋 需要的导向力较大用恳浮磁铁产生的横向力e2不能满足要求. 只有用单独的导向电磁铁才能实现叫因此彳文主坐是针对ems 磁浮列p的导向控制问题的研究ems磁浮列车的导向系统与悬浮系统类似,是在车辆侧面 z冥 切专门用于导向的电磁铁和车体与导向轨侧面之间保持 一定间隙 当车辆左右偏移吋车

6、上的导向也磁铁的侧 面柑m作用.使车辆恢复到正常位置 控制系统通过对导向磁铁 1p的电流进行控制来保持这一侧向间隙从而达到控制列车运 行方向的目的.拧制线圈的电流"门为瞬时气隙电磁力为:'(i!i 5电磁力f仅険h向忝畅畫tihlv iihfllic青畅速爾树顺及过弯道 八哟束罰车沿轨道方向运行.1导向控制系统数学模型建立磁浮列车孑向系统的建m 应充分考虑到系统的结构特点 和敍术要求琏応车厢、1向模块以及弹性轨道的模型 尽管系 统i i i t多自由度但水平加句的运动表征了系统的主要性能,木 文仅苦虑导向控制系统水平方向的系统忤能1.1单对电磁铁导向系统假设:忽略绕组磁通电磁

7、铁磁路中铁磁材料的磁导率无穷大(忽略铁心 和导轨中的磁阻),磁协均匀降落到气隙i：实际中的导向是e型电磁铁、我们可以将e型电磁铁看作 泉阴个u型磁铁n为磁铁绕组的匝数.a为诙芯极面积占的 £z(是成非线性的平方反比关系这是电磁%本质jm p<i所在1“mr'w|.iwr.国1对电磁铁导向系统俯视图图i是单对屯磁铁导向系统俯视图用也分别泉左右两边 向电磁佚打导轨的横向吸力,z, zr v右两边电磁佚的气隙 分別为左右两边屯磁铁的电流心!分别为左右两边电磁铁到 对中线的距离由于力学关系电做铁叫小 在水平方向的运动稈为卜t+e仝dt ifi-fej ；(il1-卜;+帥;1

8、i ell匕弋叫以完全描述导向电磁铁fr水平方向的运动，但山于i 这儿个方程都楚非线性微分方稈，要准确求解是非常困难的，为i 利用成熟的线性系统理论分析和设计导向控制系统通常均挣 以上非线性方m在丄作平衡点处(如n)线性化得到一个近似 的线性化模sl磁浮列车转向架恰好在导轨屮心线位詈时俩边| 的代隙相等补电流相等沐导向电磁铁严生的电磁力左右两边i 相等则这点(加称为平衡点 若在平衡点处位置和电流分別(2)一自 £0 fe 11 b automation information有,和勺变化，将位置，电流瞬时值代入式，并在平衡 点处以泰勒级数展开，并忽略高次项的影响得到线性化形式r（ z

9、, i）f1川）(3)1 1t *0zok =h学匚&表示气隙增加（减小）单 zo位长度时、磁力减小（增加）的值;ki表示线圈电流有1a的增加 （减少）时磁力增加（减小）的数值当轨道不变时左右电流的 变化量相同.只是一边是增加，一边是减少，可以得到nia&=k7az-k,ai+-y-f以（为状态变屋得到状态空间方程为：式屮 h二 fgan if&101 丨丨°'o -01一也+上丄n 11 ait+,12m jaz=l10 j az究水平方i nj的运动h j ,应考虑以下问题：（1 ）乘客所感受到的是 车箱的左右运动，乘坐舒适性可用水平方向的运动表示

10、;（2）歹u 车在轨道上某点静态悬浮时,轨道和车体可能发生共振；（3 ）不 规则轨道对行车性能的影响；（4）过轨道接缝时位移传感器信号 的突变对系统行为的影响；（5）轨道动态特性对系统行为的影 响：（6）液斥阻尼及减震弹簧对系统领带的影响；（7）行车速度对 系统性能的影响；（x）变化的载荷对系统性能的影响,基于以上考虑可以把磁悬浮列车系统模型简化为如图2所 亦系统，认为左、右模块完全对称，除水平方向的运动外,其余的 自由度（包括铅锤、质心运动、及绕各轴的角运动）另文分析一本文 仅考虑导向控制系统采用加速度反馈时水平方向的系统特性,.根据前文的分析可以得到转向架的平动方程和摆动方程 （考虑轨道的

11、弹性变化）.并根据方程建立转向架的闭环系统的 结构框图见图3。12闭环控制方案从上式知系统开环不稳定,因此用闭环控制方案实现系统 的稳定控制 通过选择不同的控制对象（电丿电流）以及不同的 控制方案（电压作为控制对象的反馈控制；电流作为控制对象的 气隙、速度反馈控制；电流作为控制对象的气隙、速度、加速度反 馈控制；pii）控制方式）的研究仿真结果显示控制x寸象为电流的 控制方案兼有系统静态刚度大、抗干扰能力强、稳定范围宽等优 点.对系统有更好的模拟忤 本文主要采用以电流作为控制对象 的气隙、速度、加速度反馈控制。电流的控制规律为ai=krb az+kt a&+k,a则闭环系统的状态方稈为

12、：a&-仏哋一i0-k1k kk ni+k k片 i卩 4j£jt_e图3转向架的闭环系统结构框图(7)12( m+k k)一a ikom+k ku 41.3转向架建模磁浮列车系统的建模,az鈕应充分考虑到系统的结构特点及技 术要求建立车箱、转向架模块以及弹性轨道的模型:事实表明 轨道弹性的影响是必须加以考虑的它直接影响系统的性能口尽 管系统有许多自由度、水平方向的运动表征系统的主要性能研2仿真分析采用matlab/simll、k仿真平台，搭建单对电磁铁导向系 统仿宜图主要星研究控制方案的优劣，确定以电流为控制对象 的位置-速度-加速度反馈控制佩定控制参数口再根据转向架的 闭

13、坏系统的结构框图构建m tlab/simulink的仿真框图仿 真在不同外力、作用点、速度以及轨道弹性变化转向架各点电流 和气隙的变化规律口主要仿真参数见表i：表1导向控制系统仿真参数导|'-1架轨 道 而hrlhr?zl3<-心12磁浮列车转向架模型2007年5月第5册总第73册iu( kg)n（匝）a( cm2)ia)心（mm）l( m)(kgnr')400095150030103300()由于仿真过程中所加的外力的大小和作用点不同，转向架 的运动状态也不相同。仿真过程屮，轨道没有变化.分別仿真外力为100牛和 1000牛的持续外力，作用点分别在rr?r2两点以及门小

14、两点连线 的中点上八气隙波形的横坐标是时间单位是秒纵坐标是长度, 单位是米。仿真结果：当轨道没有变化时，外力对转向架的影响与外力的大小和 作用点和关”卜力的大小影响气隙稳态值，作用点影响转向架的 运动状态，可能会有单纯的平动，单纯的摆动，同时平动和摆动” 前两种情况比较特殊较多发生后一种情况耀不规则的轨道和行车速度对列车的稳定性有影响仿真无 外力条件下,轨道不同的变化所产牛.的影响；轨道相同变化条件57-i2gisl评 i：ew 厂,< f - ：y ：5 wg 4 述、h 2g+； - ；卜、：zw !二:佻讥亠止张足仑蒋启龙山磁型磁浮列车导向方研究铁道学报,199921増4赵文峰等matlab控制系统设计与仿真.沔安电子科技大学出版社,下、行车速度的不同所产半的影响3图4是在左边轨道以振幅2 毫米，波长25米的止弦波变化，行车速度125米毎秒和左边轨 道以振幅2毫米波长25米的正弦波变化行车速度2.5米每秒 两种条件下转向架上各点的气隙变化波形:根据图示结乐，轨道 不同的变化对气隙的变化有不同的影响单边变化和双边变化 也有所不同,但同一时刻气隙的变化和轨道的变化量之和始终 为零;不同的速度对气隙的影响不同，速度较低h 4轨道的微分的 影响较小速度较高时轨道的微分的影响较k3