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1、国防科技大学学报JOURNALOFNATIONALUNIVERSITYOFDEFENSETECHNOLOGY 第19卷第3期 1997年6月Vol.19No.3X模块结构EMS型磁浮列车的导向控制研究李云钢 常文森(国防科技大学自动控制系 长沙 410073)摘 要 本文研究了模块结构EMS型磁浮列车中的一对相互错开的电磁铁的导向模型,采用衰减记忆算法实施导向控制,通过仿真比较了主动控制系统与自稳定系统的导向效果,讨论了导向控制对纵向悬浮的影响。关键词 磁浮列车,导向,控制,仿真分类号 TP271GuidanceControlResearchofMod
2、uleStructureEMSMaglevVehicleLiYungangChangWensen(DepartmentofAutomaticControl,NUDT,Changsha,410073)AbstractThispaperdealswiththeguidancemodelofapairofelectromagnetsdis-placedbyeachotherinsidedirectionofmodulestructureEMSmaglevvehicle,realizesguidancecontrolusingforgetingfactor,and
3、comparestheguidanceresultsofactivecon-trolsystemandself-stablesystembysimulation.Theinfluenceofguidecontrolonsus-pensionofthevehicleisdiscussed.Keywordsmaglevvehicle,guide,control,simulation.早期的EMS型磁浮列车采用的是“刚体自由度”的控制概念,主要有德国的TR01、[1]TR02、TR04以及日本的HSST-01、HSST-02等车型。70年代中期,德国建立了磁轮的
4、[2][3]控制概念,日本建立了模块的概念。磁浮列车在铅垂方向是靠电磁铁产生的电磁力来平衡重力以及各种干扰力,实现悬浮的。为了使悬浮车体能沿轨道平稳地行驶,对其侧向摆动,必须加以约束。采用磁轮结构的磁浮列车另外安置了导向电磁铁,而模块有一定的自定心作用,结构上相对比较简单。我们研制的磁浮转向架就采用了模块结构,在悬浮方向通过设计鲁棒控制器,可实现X1996年9月14日收稿114空载3.5t,满载6.5t的有效悬浮,测试表明,其空载侧向力可达750kg,依靠结构上的阻[4]尼,基本上可以保证侧向的稳定性。为了进一步提高导向能力,本文从基本电磁力公式出发,建立
5、了模块中一对相互错开的电磁铁(简称双铁)的导向模型,进行了主动控制器的设计。由于磁转向架从结构上保证了各个运动自由度的解耦,双铁的导向效果就代表了磁浮列车的导向效果。仿真表明,主动控制可以增加侧向阻尼,减小侧向摆动,还可以提供较大的侧向力,从而可以承受较大的侧向风力以及在弯道运行时提供一定的向心力。1 模块结构与双铁导向模型在模块中,我们按图1的方式来固定电磁铁和安放传感器。电磁铁1、2和间隙传感器S1、纵向加速度传感器a1以及侧向加速度表z1组成一套独立的控制系统。电磁铁3、4和间隙传感器S2、纵向加速度传感器a2以及侧向加速度表z2组成另一套独立的控制
6、系统。图1 模块中电磁铁和传感器的安装图2 电磁铁的导向力考虑图2所示的U形电磁铁和倒U形轨道,假设它们都采用无限大导磁率的非饱和磁性[5]材料,由电磁场理论以及保角变换,可以得到其导向力为:22L0NAID-1xFz=-2õõtan(1)4DPWmD其中:L0—空气中的磁导率,P—圆周率,A—有效磁极面积,Wm—电磁铁以及轨道的极宽,N—线圈匝数,I—线圈电流,D—电磁铁和轨道之间的间隙,x—电磁铁和轨道错开的距离,Fz—侧向电磁力。对于图1所示的电磁铁对1、2,本身相对轨道中心线的位移分别为$和-$,当模块相对轨道的侧移为z时,电磁铁1、2产生的侧向力
7、以及合力分别为:22L0NAI1D-1z+$F1=-2õõtan(2)4DPWmD22L0NAI2D-1z-$F2=-2õõtan(3)4DPWmDF=F1+F2(4) 根据牛顿第二定律,并考虑侧向干扰力FD,双铁侧向运动方程为:õõmz=F+FD(5)115 为了保持纵向悬浮的额定间隙,两电磁铁的电流之和基本不变;设R1为电磁铁的等效电阻,侧向控制方案为$u=R1õ$I(6)I1=I0+$I(7)I2=I0-$I(8) 方程(2)～(8)就是双铁导向控制的基本非线性模型。2 控制器设计将双铁的非线性导向模型在平衡点I1=I0,I2=I0,D=D0,
8、z=0附近小范围线性化,可得到线性化模型为:F=K1õ$I+K2õ
