车行控制电传动内燃机车磁悬浮列车其空气隙分解

1、车行控制电传动内燃机车磁悬浮列车及其空气隙分解车行控制电传动内燃机车磁悬浮列车及其空气隙分解44/44车行控制电传动内燃机车磁悬浮列车及其空气隙分解目录一、课程设计背景：1）电传动内燃机车工作原理2）机车牵引性能的基本看法3）磁悬浮列车及其空气隙二、控制对象建模1）电传动内燃机车角速度控制过程模型2）磁悬浮列车空气隙控制过程模型三、控制对象分析及控制策略确立四、对“电机车”控制器设计及参数整定1）PID衰减振荡法2）根轨迹法设计控制器3）状态空间模型法4）频域控制法（超前滞后校订）五、控制方法比较及分析六、对“磁悬浮空气隙”控制器设计及参数整定1）PID衰减振荡法2）频域控制法1一、课程设计背

2、景：（1）电传动内燃机车工作原理电传动内燃机车是铁路上常用的一种内燃机车。它使用柴油机带动一台发电机，将电流输给牵引电动机，再经过齿轮传动来驱动机车运转。有直直流电传动（发电机和电动机都是直流的），交直流电传动，交沟通电传动三种方式。电力传动内燃机车的能量传输过程是由柴油机驱动主发电机发电，而后向牵引电动机供电使其旋转，并经过牵引齿轮传动，驱动机车车轮的旋转。电力传动原理图如图1：图1电力传动工作原理1柴油机；2牵引起电机；3电路；4牵引电动机；5主动齿轮；6从动齿轮；7动轮2）机车牵引性能的基本看法机车牵引列车运转是因为它拥有相当大的牵引力，用来战胜列车起动时和运行中所受的阻力。机车牵引力（

3、F）和运转速度（V）的乘积，就是机车的功率（P），即FVP，常用“千瓦”做单位。任何一种机车，它的最大功率是必定的，叫做标称功率。机车在牵引列车时，所遇到的阻力是常常变化的。当阻力增大时，机车就要发挥出更大的牵引力来战胜它；反之，当阻力减小时，牵引力就能够小一点。为了充分利用机车的功率，要求机车在各样不一样运转阻力的状况下，都能拥有恒功率输出性能。这就要使FV常数。可见牵引力和速度之间应看作反比关系：当速度小时，牵引力大；速度大时，牵引力小。把对F和V的这类要求表示在座标上，应当是一条双曲线，如图2所示：2图2机车理想牵引性能曲线这条曲线叫做机车理想牵引性能曲线，不论任何一种机车的牵引性能，都

4、应与它相符合。自然，曲线的两头不可以无穷延伸。左端，牵引力不可以超出轮轨之间的粘着力，不然车轮会空转；右端，速度也不可以超出机车结构所能同意的范围。电力传动内燃机车是由牵引电动机经过齿轮驱动的，所以机车牵引力和速度取决于牵引电动机的转矩和转速，从而也就决定了机车的牵引特征。直流串励牵引电动机的速率与转矩关系如图3所示：图3直流串励电动机转速与转矩的关系它所拥有的工作特征最适合于机车牵引的要求。即机车上坡或负载增加时，牵引电动机转矩较大，而转速较低，反之，则转矩减小，转速上涨。在电传动内燃机车上，牵引电动机一般都采纳直流串励电动机。这是因为这种电动机的转矩和转速能依据列车运转阻力和线路条件的变化

5、自动进行调理。当机车上坡运转或负载加大时，电机的转速能跟着转矩的增大而自动降低，二者的关系特别凑近理想牵引性能曲线，能够满足列车牵引的要求。在内燃机车交-直流传动系统中，控制系统依据功率偏差信号使励磁电流发生变化，牵引起电机输出功率随之改变，从而在保持柴油机输出功率恒定的基础上，调理电动机转速，实现机车的速度控制。（3）磁悬浮列车及其空气隙磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力（即磁的吸力和排挤力）来推进的列车。因为其轨道的磁力使之悬浮在空中，行走时不需接触地面，所以其阻力只有空气的阻3力。磁悬浮列车的最高速度能够达每小时500公里以上。磁悬浮列车利用“同性磁极相斥，异性磁极相吸”的原理，让磁铁拥有抗拒地

6、心引力的能力，使车体完整离开轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，凌空行驶。因为磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，磁悬浮列车所以也有两种相应工作形式：一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运转系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运转的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运转系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及双侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感觉钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持1015毫米的空隙，并使导轨钢板的吸引力与车辆的重力均衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运转。磁

7、悬浮列车上装有电磁体，铁路底部则安装线圈。通电后，地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同，二者“同性相斥”，排挤力使列车悬浮起来。铁轨双侧也装有线圈，沟通电使线圈变成电磁体。它与列车上的电磁体互相作用，使列车行进。列车头的电磁体（N极）被轨道上靠前一点的电磁体S极）所吸引，同时被轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排挤，结果是一“推”一“拉”。这样，列车因为电磁极性的变换而得以连续向前奔驰。而空气隙，即运转中磁悬浮列车与轨道之间保持的空气空隙。因为轨道不平坦以及车身变化问题，空气隙宽度会发生改变，对空气隙进行精巧控制能够保证列车的高速、安全行驶。（右为磁悬浮列车工作原理图）4二、控制

8、对象建模对控制对象进行建模是进行研究与控制器设计中重要的一步，对详细现象进行总结概括、定量研究并试试成立控制对象的数学模型，并最后得出控制对象的传达函数即控制对象建模。1）电传动内燃机车角速度控制过程模型经过关于电传动内燃机车工作原理的研究可大概画出电传动内燃机车角速度控制过程模型的方框图：电传动内燃机车的速度控制方框图已知电传动内燃机车的角速度控制过程模型为：G(s)KgKm(RfLfs)(RtLts)(Jf)KmKb可有各个参数带入后算得传达函数：G(s)10000.03s30.53s23.12s8.22）磁悬浮列车空气隙控制过程模型：经过关于磁悬浮列车工作原理的研究可大概画出电传动内燃机

9、车角速度控制过程模型的方框图：5已知磁悬浮列车的空气空隙被控过程模型为s4G(s)2)2(s三、控制对象分析及控制策略确立（1）电传动内燃机车的速度控制题目：已知电传动内燃机车的角速度控制过程模型为：KgKmG(s)(RfLfs)(RtLts)(Jsf)KmKb将已知参数代人可得：1000G(s)1000G(s)0.53S23.12S8.2(10.1s)(20.3s)(s1)6.20.03S3设计一个控制器Gc(s),使电传动内燃机车的速度控制系统达到性能指标：阶跃响应稳态偏差ess2%;%10%；ts1s。原传函办理：a)在matlab界面中输入s1=tf(1000,0.030.533.12

10、8.2);rltool(s1)能够获取原系统的bode图，从中能够看到PM小于零，则系统不稳固。6图4原系统的bode图图5原系统的单位阶跃响应图依据题目要求中的稳态偏差小于2%（取1.5%），先算出控制器的Kc。c)在matlab界面中输入s1=tf(538.5,0.030.533.128.2);rltool(s1)进行一系列调整，详细调整过程见第四大点。得出最后结果。关于稳固性的分析：关于原系统来说的PM为-58.4831，因为其为负值，所7以原系统不稳固。需要加入控制系统，使得其PM的值大于零，满足系统稳固要求。关于迅速的分析：关于原系统，因为是不稳固的，所以调整时间为无量大。不满足题目

11、要求的ts0.41。b）将系统开环传函导入rltool环境，令Kc=1.2，观察只加入控制器增益时系统根轨迹,点击Analysis下的ResponsetoStepCommond,观察只加入控制器增益时系统阶跃响应曲线18c）因为系统不稳固，所以第一设计滞后控制器，以提升系统的稳固性。在根轨迹上增加一对实零极点，经过拖拽调整零极点的地点来使系统的单位阶跃响应曲线稳固而且凑近设计要求，调整后系统根轨迹和阶跃响应图19此时系统稳固，超调量p=51.2%，调整时间ts=5.24，但仍不满足要求。d）为了改良系统动向性能，在此基础上再增加一个零点，以后对零点进行微调，同时观察系统单位阶跃响应曲线，使其动

12、向性能指标满足设计要求。20此时系统的超调量p=7.8%，调整时间ts=0.995，阶跃响应稳态偏差essr=0.68%，满足设计的要求，设计结束。此滞后超前控制器传函为：(10.2s)(10.3s)Gc(s)1.2125s3）状态空间模型法为了使用状态空间模型法，需要先将原传达函数化为能控标准型，同时将能控标准型改为状态空间变量并在simulink长进行模拟：21Step11133333.33sssIntegrator1Integrator2IntegratorGain6Scope17.6666Gain4104Gain273.33Gain2今后，经过wn、阻尼比与稳态时间、超调量之间的关系进

13、行计算，并经过设计希望主导极点和梅逊公式列出方程组并计算的反应矩阵，最后在simulink长进行模拟：Step11133333sssIntegrator1Integrator2IntegratorGain6Scope17.6666Gain412.65Gain5104simoutGainToWorkspace120Gain3273.33Gain2726.66Gain1simout1ClockToWorkspace122此时获取图像：4035302520151050012345678910可见此时稳态时间和超调量都符合题意。可是因为状态空间模型法自己特色问题，没法经过其自己调理阶跃反应的稳态值，故

14、在保存控制器基础上，接入P控制器来减小稳态值，结果如图：Step1111000sssIntegrator1Integrator2IntegratorGain6Scope17.6666Gain412.65Gain5104simoutGainToWorkspace120Gain3273.33Gain2726.66Gain1simout1ClockToWorkspace1231.41.210.80.60.40.20012345678910可见此时稳态时间小于1s、超调量小于10%，且最后稳固于1，可见状态空间调理法做出的控制器符合要求。（4）频域控制法（超前滞后校订）（1）在matlab界面中输入s

15、1=tf(1000,0.030.533.128.2);rltool(s1)，得原系统bode图50BodeDiagram)System:s1B0GainMargin(dB):-26.6d(Atfrequency(rad/sec):10.2edClosedLoopStable?Nouting-50M-1000)g-90ed(esa-180P-270System:s1-10PhaseMargin(deg):-158.5231010101010DelayMargin(sec):0.166Frequency(rad/sec)Atfrequency(rad/sec):31.7ClosedLoopStab

16、le?No24（2）确立控制器增益Kc:入采纳essr1.8%时，计算出Kc=0.4474ess11.8%1KpKp54.56Kc8.254.560.44741000G(s)447.4故，此时的0.03S30.53S23.12S8.2)Bd(edtuingaMOpen-LoopBodeEditor(C)500-50G.M.:-19.6dBFreq:10.2rad/secUnstableloop-1000)-90ged(esah-180PP.M.:-48.7deg-270Freq:23.9rad/sec-101012310101010Frequency(rad/sec)原系统乘上Kc后的bode

17、图分析：原系统乘上Kc后的bode图中的数据仍就不可以满足题目要求。故需要加入控制器。（3）控制规律的选择与系统设计：在只加滞后控制器的状况下，系统的超调量和调整时间都不可以满足题目要求。在只加超前控制器的状况下，系统的超调量向来为无量大，相同不可以满足题目要求。在滞后超前控制器的作用之下，系统的调整时间一下子变成2.22s，超调量从无量大一下子变成42.4%。说明系统的迅速性、正确性在滞后超前控制器的作用下大大增大。4）控制仿真切验当使用滞后超前控制器时，经过频频调整零极点同时观察单位阶跃响应动向指25标，最后确立出控制器的传函（5）当只加入滞后控制器后StepResponse1.81.6S

18、ystem:ClosedLoop:rtoy1.4I/O:rtoyPeakamplitude:1.61Overshoot(%):63.81.2Attime(sec):0.712e1dutiSystem:ClosedLoop:rtoylpI/O:rtoym0.8ASettlingTime(sec):9.290.60.40.20510152025300Time(sec)分析：在只加以后控制器的状况下，系统的超调量向来为无量大，不可以满足题目要求。当只加入超前控制器后：26edutilpmA10StepResponse8System:ClosedLoop:rtoyI/O:rtoyPeakamplitu

19、de9.13Overshoot(%):NaN6Attime(sec)0.18420-2-400.020.040.060.080.10.120.140.160.18Time(sec)分析：在只加超前控制器的状况下，系统的超调量向来为无量大，不可以满足题目要求，而且调整到符合题意的参数花销了大批时间。在滞后控制器以后加入超前控制后：27StepResponse1.41.2System:ClosedLoop:rtoySystem:ClosedLoop:rtoyI/O:rtoyI/O:rtoyPeakamplitude:1.24SettlingTime(sec):1.451Overshoot(%):2

20、6Attime(sec):0.3520.8edutilp0.6mA0.40.20-0.200.511.522.5Time(sec)分析：在滞后超前控制器的作用之下，系统的调整时间一下子变成1.45s，超调量从一下子变成26%。说明系统的迅速性、正确性在控制器的作用下大大增大。最后结果，当使用滞后超前控制器后：281StepResponse0.9System:ClosedLoop:rtoySystem:ClosedLoop:rtoyI/O:rtoyI/O:rtoyPeakamplitude:0.988SettlingTime(sec):0.9990.8Overshoot(%):0.656Atti

21、me(sec):1.230.7e0.6dutil0.5pmA0.40.30.20.100.511.522.50Gc0.4474Time(sec)(0.1S1)(0.14S1)(28S1)(0.038S1)由上图可知，频域分析法做出的控制器符合要求。29五、控制方法比较及分析经过组内的谈论以及对所得结果的比较研究，我们以为四种控制方法有以下特色：PID控制法：合用范围广，设计简单，合用于简单的过程控制，而经过衰减振荡法确立的控制系统参数同时保证了系统的最后稳固性，且关于超调量有很好的控制。可是其对稳固时间的控制有限制性，在现代工业中的诸多较复杂的工艺过程中显得尤其乏力。根轨迹控制法：操作简单，但

22、需要花销大批时间在确立零极点个数以及地点的调整上。性能达标，能够较好的满足题设条件。该方法在控制稳态偏差性能方面较突出。状态空间调理法：本方法无需多次测试数值，可经过直接计算而确立控制器各参数值，而所参照量是由超调量和稳态时间得来的，所以在超调量和稳态时间的调理成效上特别优秀。可是弊端在于没法直接控制系统稳态值与稳态偏差。频域分析法：思路简单，可是调试数字上需要花销大批精力，性能上，因为是先经过相位裕量进行调试，故相位裕量及其有关的超调量、稳准时间等性能指标较简单达到。六、对“磁悬浮空气隙”控制器设计及参数整定关于第一问，直接采纳给K取不一样的值进行模拟的方法：）当采纳开环串接方法时：-2(s

23、+5)(s-4)(s+10)(s+2)(s+2)StepZero-Pole1Zero-PoleScopexToWorkspacetClockToWorkspace1经测试，当K0时，系统稳固；当K取-2时，其响应结果达标：3076543210-1012345678910上图即K=-2时系统响应曲线，但可见此时控制系统达到稳固的时间过长，可见其性能其实不好。b）在闭环状态下经测试，当-8.250K0时，系统稳固，测试结果以以下图：当K趋近于无量小时：-7x103.532.521.510.50-0.501234567891031K=-8.25020151050-5012345678910因为磁悬浮

24、列车为复杂控制系统，只可使用闭环控制系统，可知此控制函数性能较差，在稳态时间和稳态值上没法达到很好的控制成效。（1）衰减振荡法：调试得K=-2.406Ts=1.73clc;clear;g0=tf(1-4,144);kp=-2.406;sys=feedback(g0*kp,1);step(sys,0:0.01:10)图像如图：321.2StepResponseSystem:sysSystem:sysPeakamplitude:1.171Time(sec):2.78Overshoot(%):64.9Amplitude:0.821Attime(sec):1.05System:sys0.8FinalV

25、alue:0.7060.6edutil0.4pmA0.20-0.2-0.4123456789100Time(sec)此时第一个峰值与第二个峰值比值为yss=0.706;ans=(1.17-yss)/(0.821-yss)ans=4.0348以下分别进行P控制器配置、PI控制器配置、PID控制器配置以及有关检测：P控制器：取KP=K=-2.406仿真控制模型以下：-K-(s-4)(s+2)(s+2)StepGainZero-PoleScopexToWorkspacetClockToWorkspace133采纳KP=-2.406所得阶跃响应图像以下：X:1.048Y:7.39676X:2.78Y:

26、5.211X:9.855Y:4.48843210-1-2012345678910Kp=-1时，所得阶跃响应图像如图43.5X:1.475Y:3.6913X:9.555Y:3.1752.521.510.50-0.5-101234567891034Kp=-4时，系统在阶跃响应下临界稳2-4012345678910Kp=-3.9414121086420-2-405010015020025030035040035PI控制器：Kp=-1.9970Ti=0.865控制模型以下：-K-0.865s+1(s-4)0.865s(s+2)(s+2)StepGainTransferFcnZ

27、ero-PoleScopexToWorkspacetClockToWorkspace1所得图像如图：121086420-201.29210.47X:13.22Y:6.3345101536调理后Ti=1.76108X:1.232X:6.852X:15.39Y:8.183Y:6.272Y:6.3486420-20246810121416PID控制器：Kp=-3.0075Ti=0.519Td=0.173100.94949.6278X:8.279Y:6.356420-2-401234567891037调理Ti=1.44X:0.86878Y:7.3666X:2.079X:5.009Y:6.352Y:6.

28、352420-2-401234567再微调Td=0.187X:0.902Y:7.0136X:1.902X:5.512Y:6.35Y:6.352420-2-4012345638最后选定控制器：Kp=-3.0075Ti=1.44Td=0.187（2）频域控制法：在matlab界面中输入s1=tf(1-4,144);rltool(s1)得原系统bode图BodeDiagram20System:ClosedLoop:rtoy0GainMargin(dB):-305)Atfrequency(rad/sec):0BdClosedLoopStable?No(ed-20utingaM-40-6090)45System:Close