一种常导磁浮列车非线性悬浮控制方法及其控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种常导磁浮列车非线性悬浮控制方法及其控制系统，预先通过实验或有限元方法获得悬浮力、悬浮间隙与电磁铁绕组电流之间的非线性关系，并建立数据表；悬浮间隙期望值减去悬浮间隙反馈值得到悬浮间隙偏差，再经悬浮间隙控制器运算后输出悬浮力期望值，由悬浮力期望值和悬浮间隙反馈值，进行查表并通过插值运算得到电流期望值，输入并经过电流控制器将电流施加于电磁铁绕组，实现实际控制电流对电流期望值的跟踪，使悬浮力实际值跟随悬浮力期望值，从而控制悬浮间隙保持在悬浮间隙期望值附近，即实现系统的稳定悬浮控制。该控制方法对于悬浮间隙和载荷变化的情况具有较强的适应性，易于编程实现，可提高悬浮系统的稳定性和可靠性。
【专利说明】一种常导磁浮列车非线性悬浮控制方法及其控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁浮列车悬浮控制方法【技术领域】，特别涉及一种常导磁浮列车非线性悬浮控制方法及其控制系统。
【背景技术】
[0002]常导磁浮列车的稳定悬浮间隙一般为8mm，经分析得，当悬浮间隙变化范围在±2mm之内，且电流变化范围在± IOA之内时，悬浮系统可近似视为线性系统。然而在实际中，受工程条件的限制，悬浮间隙变化范围一般要达到O~20mm左右，电磁铁电流的变化范围可达到O~100A，因此常导磁浮列车的悬浮系统是一个强非线性系统。
[0003]为了实现系统的稳定悬浮，传统的方法是将悬浮系统在工作点附近进行线性化，建立线性化模型，进而设计悬浮控制系统。这种方法易于实现，且可采用经典控制理论进行稳定性分析和参数计算，然而实践证明，当磁浮列车的负载变化(乘客数量发生变化)或悬浮间隙出现较大波动时，系统工作状态远离预先设定的工作点，此时采用线性化模型误差较大，严重影响系统的稳定性和可靠性。
[0004]为了弥补传统控制方法的缺陷，一些学者将非线性和智能控制方法引入常导磁浮列车的悬浮控制中。但这些方法普遍运算复杂，控制参数获取困难，不易实现。
[0005]因此，如何解决传统控制方法在悬浮系统远离工作点时控制性能严重下降的问题，以及现有非线性和智能控制方法运算复杂、难以实现的问题，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供了一种常导磁浮列车非线性悬浮控制方法，可弥补传统控制方法的缺陷，充分适应悬浮系统的非线性特性，同时又具有运算简单、易于实现的特点。
[0007]本发明还提供了一种用于实现上述控制方法的常导磁浮列车非线性悬浮控制系统。
[0008]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0009]一种常导磁浮列车非线性悬浮控制方法，包括步骤:
[0010]S1、由悬浮间隙传感器获取悬浮间隙反馈值δ，通过用悬浮间隙期望值δ*减去悬浮间隙反馈值δ得到悬浮间隙的偏差Λ δ，经悬浮间隙控制器运算后输出悬浮力的期望值F*;
[0011]S2、由悬浮力的期望值F*和悬浮间隙反馈值δ，根据悬浮力、悬浮间隙与电磁铁绕组电流之间的非线性关系数据表，并通过插值运算得到电磁铁绕组电流的期望值i* ;
[0012]S3、将电磁铁绕组电流的期望值i*输入到电流控制器，该电流控制器经运算后将实际控制电流i施加于电磁铁的绕组。
[0013]上述步骤可实现实际控制电流i对电流期望值i*i的跟踪，使悬浮力实际值F跟随悬浮力期望值F%从而控制悬浮间隙保持在悬浮间隙期望值δ *附近，即实现系统的稳定悬浮控制。
[0014]优选的，悬浮力、悬浮间隙与电磁铁绕组电流之间的非线性关系预先通过实验测量或有限元方法获取，并根据上述非线性关系建立数据表。
[0015]一种常导磁浮列车非线性悬浮控制系统，用于实现上述的常导磁浮列车非线性悬浮控制方法，包括依次通讯连接的悬浮间隙传感器、悬浮间隙偏差计算模块、悬浮间隙控制器、非线性关系数据表模块、电流控制器和电磁铁；
[0016]所述悬浮间隙传感器能够获取悬浮间隙反馈值δ，并将其输出到所述悬浮间隙偏差计算模块；
[0017]所述悬浮间隙偏差计算模块能够根据悬浮间隙期望值δ *和上述悬浮间隙反馈值δ得到悬浮间隙的偏差Λ δ，并将其输出到所述悬浮间隙控制器；
[0018]所述悬浮间隙控制器能够根据上述悬浮间隙的偏差Λ δ得到悬浮力的期望值F%并将其输出到所述非线性关系数据表模块；
[0019]所述非线性关系数据表模块能够根据悬浮力、悬浮间隙与电磁铁绕组电流之间的非线性关系数据表，并通过插值运算由上述悬浮力的期 望值F*和上述悬浮间隙反馈值δ得到电流的期望值1%并将其输出到所述电流控制器；
[0020]所述电流控制器能够根据电流的期望值i*得到实际控制电流i，并将其施加于所述电磁铁的绕组。
[0021]上述方案可实现实际控制电流i对电流期望值i*的跟踪，使悬浮力实际值F跟随悬浮力期望值F%从而控制悬浮间隙保持在悬浮间隙期望值δ *附近，即实现系统的稳定悬浮控制。
[0022]从上述的技术方案可以看出，本发明提供的常导磁浮列车非线性悬浮控制方法及其控制系统，与传统的控制方法相比，本方案不依赖于工作点处的线性化模型，因此当磁浮列车的负载变化(乘客数量发生变化)或悬浮间隙出现较大波动时，控制模型仍然可以保持较高的精度，因此可显著提高系统的稳定性和可靠性；与现有的非线性和智能控制方法相t匕，本方案运算简单，易于编程实现，且可采用经典控制理论进行稳定性分析和控制参数的计算，因此具有较好的实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为采用本发明的思想构建的悬浮控制系统结构图；其中，δ为悬浮间隙反馈值(由悬浮间隙传感器获得)，S *为悬浮间隙期望值，Λ δ悬浮间隙偏差，F*为经悬浮间隙控制器运算后输出的悬浮力期望值，i*为电磁铁绕组电流期望值，i为输出给电磁铁的实际控制电流，F为电磁铁产生的悬浮力实际值；
[0025]图2为以本发明的 申请人:所研制的中低速磁浮列车为例，悬浮间隙为8_，电流从O到60A变化时，悬浮力的公式计算值和三维有限元分析值的对比情况；
[0026]图3为以本发明的 申请人:所研制的中低速磁浮列车为例，电流为30A，悬浮间隙从O到20mm变化时，悬浮力的公式计算值和三维有限元分析值的对比情况；
[0027]图4为以本发明的 申请人:所研制的中低速磁浮列车为例，采用三维有限元方法获得的悬浮间隙、电流与悬浮力的非线性关系曲线；
[0028]图5为悬浮间隙控制器采用PID算法，且电流控制器等效为一阶惯性环节时，采用本发明思想构建的悬浮控制系统的结构图；
[0029]图6为悬浮间隙期望值为8_，分别采用本发明思想与传统控制方法时，悬浮间隙的仿真结果；
[0030]图7为悬浮间隙期望值为8mm，且在1.5s对电磁铁施加一定载荷，分别采用本发明思想与传统控制方法时，悬浮间隙的仿真结果；
[0031]图8为悬浮间隙期望值为12_，分别采用本发明思想与传统控制方法时，悬浮间隙的仿真结果。
【具体实施方式】
[0032]下面针对本发明的一个具体应用实例，做进一步说明。
[0033]首先说明传统悬浮控制方法所采用的线性化模型具有一定的不准确性。
[0034]对于一个悬浮系统，获取悬浮力的方法主要有公式计算、有限元方法和实验测量。实践证明，在各种理论计算方法中，三维有限元方法充分考虑了实际结构对磁场分布的影响，因此与实际情况最符合。同时考虑到实验测量悬浮力需要精密的实验设备，获取困难，实验成本高，本发明以三维有限元分析值代替实验测量值，与公式计算值进行对比。
[0035]以本发明的 申请人:所研制的中低速磁浮列车为例，采用三维有限元方法获得的悬浮间隙、电流与悬浮力的非线性关系曲线如图4所示。
[0036]根据电磁场理论，磁悬浮系统的悬浮力解析表达式为:
[0037]
【权利要求】
1.一种常导磁浮列车非线性悬浮控制方法，其特征在于，包括步骤: 51、由悬浮间隙传感器获取悬浮间隙反馈值δ，通过用悬浮间隙期望值δ*减去悬浮间隙反馈值δ得到悬浮间隙的偏差Λ δ，经悬浮间隙控制器运算后输出悬浮力的期望值F*; 52、由悬浮力的期望值F*和悬浮间隙反馈值δ，根据悬浮力、悬浮间隙与电磁铁绕组电流之间的非线性关系数据表，并通过插值运算得到电磁铁绕组电流的期望值i* ; 53、将电磁铁绕组电流的期望值i*输入到电流控制器，该电流控制器经运算后将实际控制电流i施加于电磁铁的绕组。
2.根据权利要求1所述的常导磁浮列车非线性悬浮控制方法，其特征在于，悬浮力、悬浮间隙与电磁铁绕组电流之间的非线性关系预先通过实验测量或有限元方法获取，并根据上述非线性关系建立数据表。
3.一种常导磁浮列车非线性悬浮控制系统，用于实现如权利要求1或2所述的常导磁浮列车非线性悬浮控制方法，其特征在于，包括依次通讯连接的悬浮间隙传感器、悬浮间隙偏差计算模块、悬浮间隙控制器、非线性关系数据表模块、电流控制器和电磁铁； 所述悬浮间隙传感器能够获取悬浮间隙反馈值S，并将其输出到所述悬浮间隙偏差计算模块； 所述悬浮间隙偏差计算模块能够根据悬浮间隙期望值f和上述悬浮间隙反馈值S得到悬浮间隙的偏差△ S，并将其输出到所述悬浮间隙控制器； 所述悬浮间隙控制器能够根据上述悬浮间隙的偏差△ S得到悬浮力的期望值F*，并将其输出到所述非线性关系数据表模块； 所述非线性关系数据表模块能够根据悬浮力、悬浮间隙与电磁铁绕组电流之间的非线性关系数据表，并通过插值运算由上述悬浮力的期望值F*和上述悬浮间隙反馈值δ得到电流的期望值1%并将其输出到所述电流控制器； 所述电流控制器能够根据电流的期望值i*得到实际控制电流i，并将其施加于所述电磁铁的绕组。
【文档编号】B60L13/06GK103660991SQ201310683666
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】张文跃, 佟来生, 彭奇彪, 罗华军, 罗京 申请人:南车株洲电力机车有限公司