（控制理论与控制工程专业论文）磁浮列车数字悬浮控制系统设计.pdf

国骑科学技术人学研究生院学谴论文 撼要 磁惩浮判车佟兔一种耨整酶交通工舆，正默其速液快、乘辍舒遗、污染小、噪声低等 憷点受到越来越多的关注。悬浮控禹技术是磁浮列车豹核心耨关键按本之一。传统滟惑浮 控制器采用模拟电路实现，它曾疑为撼动磁悬浮技术虑用起剿了重赘蛇 譬用，瞧随麓控剁 系统复杂蛙敕蠖热，怼捌牵秘性憨婺求躲提麓，模拟控制穗不熊逡应磁浮列车技术发壤 韵要求。丽近二十年来，伴随着计算机、通信和微电子技术的进步，数字电子技术得到了 突飞猛遴逢发艇，密蕊了备耱毫速、离魏麓鹣徽控睾器瘸敷她疆器，这爱褥奁疆浮列车懿 懋浮控制器中，由数字电路取代现有的模拟电路成为可能。 本文衡研究静正蔻在巍有穰簌悬浮羟籁系统静基箍上，进章亍薪鹣数字悬浮控澍器设 诗，整个设计以革电磁铁为惩浮试骏对象。首先，筒鬻介绥了单铁懋浮系统的基零结构翻 王捧滠瑗，筹建立了攀铁惑浮系统戆数攀模鍪。接着对影稚潦浮系统性能的嗣紊避行了分 亳疃，进磷提出了提成的艇决方法，供赠甏系巯设计时参考。其次，掇据单铁悬浮系统的特 点，进行了数字悬浮控制器设计，这其中既包含了硬件设计，也包括了悬浮控制算法设计 之实现( 鼹软终设谤) 。在没诗完戏震，遘程了攀迄磁铁慧浮试验，勰步骏 歪了数字悬浮 控割器设诗豹霹露蛙。溺聪缡舍懋浮效栗，总络了存在懿满熬。最麓，结合悬浮控制系统 谲试孛道嚣懿安舔阕题，提潦了奁线颡试熟瑟瑟，莠瑟调试系统熬戆体竣诗送嚣了磷究。 同时将其中的一部分关键技术给予了原理性的实现，为后磷调试系统的进一步毙罄打下了 蘩穑。 关键溺；磁浮戮车，悬浮擦黼，d s p ，获态璜溯灏，数字滤波，调试系统 第l 簧 国防科学技术人学研究生院学位论文 a b s t r a c t a san e wt y p eo fc o n v e y a n c e s ，m a g l e vv e h i c l eh a sa r o u s e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b e c a u s eo fi t sh i 曲v e l o c i t y , c o m f o r t a b l er i d i n g ，f e wp o l l u t i o na n dl o wn o i s e a st ot h em a g l e v v e h i c l es y s t e m ，m a g l e vc o n t r o lt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s tn u c l e a ra n dk e yt e c h n i q u e si n t h es y s t e m 。h o w e v e r , w i t ht h ei n c r e a s i n gc o m p l e x i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h eh e i g h t e n e d r e q u i r e m e n t so f t h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e ，t h et r a d i t i o n a l1 e v i t a t i o nc o n t r o l l e rm a i n l ym a d e u o fa n a l o gc i r c u i t ，w h i c ho n c eh a sg r e a t l yp r o m o t e dt h ea p p l i c a t i o no fm a g l e vt e c h n i q u e ，c a r l n ol o n g e ra d a p tt ot h ed e v e l o p m e n to f t h ev e h i c l e a tt h es a m et i m e ，w i t ht h ed r a s t i cp r o g r e s so f c o m p u t e r , c o m r n u n i c a t i o n , m i c r o - e l e c t r o n i c sa n dd i g i t 越c i r c u i tt e c h n o l o g y , av a r i e t y o ft h e h i g h s p e e da n dh i g h p e r f o r m a n c em i c r o c o n t r o l l e r sa n dm i c r o p r o c e s s o r sh a v eb e e np r o d u c e d w h i c hm a k ei tp o s s i b l et or e p l a c et h et r a d i t i o n a ll e v i t a t i o nc o n t r o l l e rb ya d i g i t a lo n e t h i sa r t i c l ed e a l sw i t l lt h ed e s i g no ft h en e wd i g i t a lc o n t r o l l e rd e v e l o p e db a s e do nt h e t r a d i t i o n a lo n e w h i c hm o s t l ya l m sa tt h el e v i t a t i o ne x p e r i m e n tw i t l ls i n g l ee l e c t r o m a g n e t f i r s t o fa l l 。t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h es i n g l ee l e c t r o m a g n e tl e v i t a t i o ns y s t e mw i l lb e d i s c u s s e da sw e l la sam a t h e m a t i c a lm o d e lw i l lb ef o u n d e d t h ef a c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c e o f t h e s y s t e m , w i l l b e a n a l y z e da n dt h e r e l a t i v es o l u t i o nw i l lb eb m u g h tf o r w a r df o r f u r t h e rr e f e r e n c e a f t e rt h a t ，a c c o r d i n gt ot h et r a i to ft h es i n g l ee l e c t r o m a g n e t1 e v i t a t i o ns y s t e m ， t h ed e s i g no ft h ed i g i t a ll e v i t a t i o nc o n t r o l l e rw i l lb ed i s c u s sb o t ho nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a f t e r w a r d s ，w et e s t e dl e v i t a t i o nc o n t r o l l e r , p r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed i g i t a lc o n t r o l l e r t h e n a n a l y z e da n ds m n m a r i z e dt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ti nd e t a i l a tl a s t ，w i t ht h er e a l i s t i c p r o b l e m sw e h a v ee x p e r i e n c e dd u r i n gt h ed e b u g g i n g ，t h en o t i o no f d e b u g g i n go n l i n eh a sb e e n p u tf o r w a r da n d t h ed e s i g no ft h ed e b u g g i n gs y s t e mi sb e i n gs t u d i e d p a r to ft h ek e y t e c h n i q u e s o ft h ed e b u g g i n gs y s t e mi sr e a l i z e da c a d e m i c a l l y , w h i c hh a sm a d eas o l i df o u n d a t i o nf o rt h e f u r t h e rc o n s u m m a t i o no f t h e s y s t e m 1 e y w o r d s ：m a g l e vv e h i c l e ，l e v i t a t i o nc o n t r o l ，d s p , s t a t e - o b s e r v e r , d i g i t a lf i l t e r , d e b u g g i n g s y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材科。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：壁翌型至塑主量翌控剑墨缠遮盐 学位论文作者签名：醢：5 垂日期：2 0 0 2 年f j 月5 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：壁翌到奎数主墨显揎剑盘缠遮盐 学位论文作者签名：f ! ：i 垂 日期：g o , d 2 年f j 月修日 作者指导教师签名：垄兰堑塾日期：娃年t ，月j r 日 垂堕登望羹查叁誊堡篓笙鳖堂垡婆塞 第一耄绪论 本零主要余绍深题磺宠霹戆及英意义，磁悬浮技术礤宠壤况和本文齄主要磅究走容。 1 1 研究目的及意义 随豢科学技术的r 菠月异和生活节奏的只焱搬快，人们对嫩行鞭乘的交通工具在速度 上有了更高的要求。铁路作为一个关系到国计民生的部门，为了适应快节奏的要求也采取 了相应韵措施。近几年来，我国的铁路经过几次提速，速度有了很大的提高，大大地方便 了人们静出行。僮是，轮鞔提速蠡冬高器代徐帮先天静技术勰颈淹制了轮鞔列车速度静进 步提升。在认识到这一点屠，人们开始寻求更快速，更经济的交通工具，磁悬浮技术 乍为 一种新的技术开始进入人们的视野，磁浮列车也成为了人们注意的焦点。磁浮列车作为一 种新型的交通工其，具有乘艇舒适、污染小、噪声低、转弯半径小、爬坡能力强以及能适 应球雪恶劣气候等特点，在未来交通中有蓍广满静痘蹋蓠象，因菇褥到了越来越广泛静羹 ，吐。 悬浮控制技术是磁浮列车的核心和关键技术之一，悬浮控制系统性能的好坏，将直接 影响到磁浮列车的稳定性，安全性和舒适性。而对于现代交通工具来说，乘坐的舒适和安 全正是衡量葵实震往静霪要标准。悬浮控制系统既可激采孺模羧系统来实现，龟可臣采嗣 数字系统实现。聪学楣比，模拟控制系统具有运算速度快，实时性好数饯点；惶 1 ) 由 于模拟器件的特性容易随着外界环境的改变而产生变化，如温度漂移等，因此其工作稳定 性麓、精度低。( 2 ) 调试困难，手段单一，在更多情况下怒依靠个人的经验。( 3 ) 特剐艇 当妥实琉一墅复杂静控铡算法对，其鹾伟龟籍将会菲常复杂和庞大，这氇貔造成了系统的 可靠性降低，维护难度增大。( 4 ) 悬浮控剽系统又是个典型熬裴线性系绞，獒系绞参数 会随着系统状态的变化而变化，这个变化关系在模拟控制系统中将很难实现。丽随麓微电 子技术和计算机技术的发展，数字系统正以其集成度商、调试方便、易于加入各种成熟的 控裁算法翡饶势，逐渐成为控裁系统笈震瀚趋势，褥翔了懑来越广泛麓应稻。函诧，将现 有的模拟悬浮控制器加以改避，实现囊燕的数字控制，可以充分吸收控制理论的最裁残暴， 1 吏得磁浮列车运行更加平稳，乘坐更加舒适。 文献 1 】即利用单片机丌发出了一套数字式磁悬浮控制系统，用于单电磁铁的爆浮控 制，遥邋数字控制算法裙步实现了单铗的稳定悬浮，证明了数字磁悬浮控潮器的可行性。 不过对予基于单片枧的数字控制器，其控剁效暴会受到采榉频率熬黢铡。特别囊运耀复杂 的控制算法，运算艟较大时，采样频率就不可能很高，这势必会影响控制效果。面d s p 器 件则是一种特别邋用于数字信号处理运算的微处理器，它在硬件上采用了多总线哈佛 h & r v a r d ) 结构，指令执行采焉流隶线作馥( p i p e l i n e ) ，其裔独立豹硬件乘法繁船嚣 一! 坠12 ：垦数墼! 墅盘揍叠塾燕戥垂瑟暴塞蓰整迭整数篓缝踅憝袭窭匙蟹煎荭篷鼗盔：塞 第l 页 国防科学技术天学研究生院学证论文 服了模拟控制器和以单片机为核心的数字控制器的缺陷。 1 。2 嫩浮列车研究概况 磁浮列车巨大的应用前景，使得墩界上许多舀家争相开展这方衡的研究工作，世界上 已经歼黢磁浮裂车疆究豹鼙家有德国、曩本、葵基、韩国、蔫苏联以及中鋈等。其中以德 国和只本的技术较为成熟和先进。 德豳是最早开展磁浮列车技术研究的国家，早在六十年代中期就着手进行高速交通工 具的研究工作。其研究方向主要集中在e m s 型磁浮列车技术上，目前在技术上占有优势。 守戆e m s 型磁浮列车发震诗裁称为t r , & s p a i d ，稳痤静车蘩均瑙t r 翔编号命名。篷舞上第 一台e m s 型磁浮样车诞生于德国，它是1 9 6 9 年德国马法伊硬制的模型车t r o i 。世爨上繁 一台有载人能力的磁浮列车也诞生在德国，即1 9 7 1 年由德国航空公闭( m b b ) 研制成功的全 尺寸7 魄车，有入也把它称为t r 0 2 ( 一般t r 0 2 是指马法伊1 9 7 1 年研制的1 2 吨车，时速 1 6 4 公鼙) 。鏊蘸豫系列蠢发震到t r 0 7 ( 冀中t r 0 3 是气篷车) ，t r 0 4 豉前的酱磊火箭攘 进，从t r 0 5 开始改用囊线网步电枫驱动。t r 0 5 轨道长l 公墨，最麓对遮公墨，载暴 7 0 人，1 9 7 4 年在汉堡国际博览会上展出，历时3 周，载客4 万余人次，来发生任何故障。 在t r 0 5 成功的基础上，德国实施了t v e 计划。该计划包括t r 0 6 磁浮列车和e m s l a n d 试验场。试验场建立在e m s l a n d 鹣拉赫( l a t h e n ) 镇，全长3 1 5 公里，最大籁角i 2 。，簸 大坡度l o ，轨道架赢4 。7 米，跨度2 5 3 l 米，枣三个遂筮。t r 0 6 起动1 分$ 孛速度霹达 2 0 0 k m h ，全程运行1 2 分钟，最黼速度达到4 1 2 6 k m h ，! 0 0 0 m 弯道运行速度2 1 6 k m h ， 1 6 9 0 m 弯道运行速度2 5 6 k m h 。 德溪鑫1 9 9 6 年准备开始营建金长2 8 3 公墨的柏林一汉堡高速磁浮线路，全线将予2 0 0 4 年建成。运彳亍在柏林一汉堡簖这磁浮线鼹上魄磁潞列车t r 0 8 羹三在设诗镶造之中。 同本研究的磁浮列车主要有趣导磁浮列车和e m s 型磁浮列车两类。 早在7 0 年代中期，r 本就认识到了高速超导磁浮列车的优点，进行了有网的的开发 工律。1 9 7 2 年，磊本公开了试验车m l l 0 0 。1 9 7 4 年，萄本国铁确定建逡行车速度为5 0 0 k m h 的7 公撮宦崦试验线。1 9 7 9 年全线建造突毕。在塞崎线内，m l 5 0 0 试验车速度达到了 5 1 7 k m h ，创谶了地面载体的世界最高纪录。1 9 8 0 年m l u 0 0 1 试验车在宫崎线开始行车试 验。m l u o o i 共载客1 万多人次，往返行车9 0 0 0 多次，总行程达4 万公里。1 9 8 7 年3 月m l u 0 0 2 试验车奁富晴线秀始行车试验，1 9 9 1 年i o 月m l u 0 0 2 发生了全车烧毁事故。1 9 9 3 年l 弼 制造的m l u 0 0 2 n ，其车长2 2 米，麓3 7 米，宽3 张，蓬2 0 吨，在7 公里试验线肉墩毫速 度可达4 2 0 k m h 。 r 本为了将超导磁浮技术推向实用，1 9 9 0 年6 周决定在山梨县建造一条实用超导磁 浮铁遴试验线。薪试验线翡主要鹜的是证碉离速行车特往莉系统的可靠往以及键进商业运 行，最终实现东京一大阪l 小时运行鲍爨标。出裂线全长4 2 。8 k m ，其中大约3 5 k m 是醛逆， 有些地方是双轨，双轨的轨道中心距离为5 8 米，最大坡度4 ，最小转弯半饺8 0 0 0 米。 第2 页 营蒴辩学技术天学研究生院学僚论文 _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - 。_ _ _ 。_ _ _ _ - _ - _ _ - _ 。_ _ _ 。_ - 。- _ _ 。_ 一 j 了尽翠开始行车试验，中间1 8 ，4 k m 的线路先开始建造。行车过程由控制中心实观全自 动控制，预计最大速度5 5 0 k m h 。 目本航空公司( j a l ) 负赍研制e 鲢s 型磁浮列车。 j a l 研制的磁浮列车的第一个型号是h s s t 一0 i ，1 9 7 8 年2 月，在1 3 0 0 m 轨道上，在火 箭勋推器推动下，其速度达到了3 7 0 8 k m h 。为了改善乘嫩质羹，h s s t 一0 2 在车厢和悬浮 框絮之麓采溺了二次弹簧减震系统。1 9 8 3 年磊本又建造了h s s t 一0 3 列车。该车粟瘸了模 块化技术，将支承、导肉和驱动复合在一越，鸯4 8 个座位，8 5 年秘8 6 年分别在爨本筑波 和加拿大的温哥华总共进行了3 4 9 天的载人运行展示，并进行了弯道行驶。1 9 8 7 年建造 了h s s t - 0 4 试验车，将模块改为外包式结构。1 9 8 9 年在日本横滨召开的第十一届磁浮铁道 国际潜赞会上，潞殴一0 5 戴车送行了溃示。# s 潞一蕊弼车豹模块帮憨浮蘩都是薪设计的系 统，模块同时提供悬浮鞠推进，涎个模块如上瞵滚粱就构成一螽独立豹底座，拣为“磁转 向架”，四台磁转向架支撑一节车箱。h s s t 0 5 列车的设计速度为2 0 0 k m h 。 同本认为，由于磁浮列车乘搬舒适，污染小，噪声低，允许较小的转弯半径、县有较 丈瓣艇坡能力，势能逶应冰雪等恶劣气镞，困诧适于戳较低酌速度瓶务于市内交通。 ls s t i 0 0 系统就是针对这个目撂褥设计鲍，其最大速度约l o o k m h ，鳃捶h s s t 1 0 0 s ( 短车) 和h s s t 1 0 0 l ( 长车) 。h s s t - 1 0 0 s 在大江试验线的运行测试于1 9 9 5 年5 月全部完成。测试 包括悬浮、导向系统、推进、刹车、轨道、道翁、供电设备、信号设备、安全系统、环 境污染、营运维穆费用等1 0 3 矮攒耘，慧运行这6 万公墨。t 9 9 5 年5 胃，为大船游乐园线 路丽设计的原型车h s s t - i o o l 嚣4 造成功，劳已运送到大江试骏线进行试验。游乐霆线路 全长5 3 k m ，列车在该线路上的最大运行速度预计为6 5 k m h ，其建造工作将于1 9 9 7 年开 始，1 9 9 9 年投入营运。 我国骞8 0 年代拐氇开始了磁惩浮运幸亍技本静探讨和鏊礁研究，其中惫括悬浮控铡技术 研究、小型磁浮模型车葶毋模型装矍的磷制葶鞋理论分辑，以及1 8 睫载人磁浮列车方案设诗 等，并在一些关键技术上取得了突破。中国第一台磁浮列举原理模型诞生于1 9 8 9 年，浚 车椭e m s 型，类似日本的h s s t 结构，车体熏8 0 千克，幽l i m 系统推进，运行速度可达 l g 米移，曾在长沙、匏宗矮赉多次。嚣前，磁浮巅车技术静磷究西剜入国家獯点科技攻 关项目，着重发展e m s 型，势农长沙国防攀 按大学勰或都西甏交避大学分裂建立了磁浮 列车试验线路。另外，上海正在建造由浦东国际机场到地铁龙阳路站3 3 公里的磁浮铁路 线，该线路引进了的德园技术，计划于2 0 0 3 年建成，这将成为世界上第一条商业运营线。 1 3 本文鲍主要研究痰容 本论文主要针对磁浮列车数字悬浮控制系统的设计问题展开一些研究。 蓄悫，叛攀电磁铁炎磷究对象，介绣了惑浮控裁系统的基本结擒移工作原疆，著在戴 基础上建立了单铁灼数学模型，进露攘导出悬浮控制系统鲍模型，为蜃瑟憋系统设诗努下 基础。同时，还对影响系统性能的各种因素进行了分析，并提出了一些初步的解决方法。 第3 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 然后，在悬浮控制系统模型的基础上，进行了数字控制器的硬件和软件设计。在艇件 设诗中，针对所选孀d s p 器件a 菸p 一2 1 8 i 在结构上静特点以及数字悬浮控嗣系统瀚实 际情况，着蓬介绍了数据采集电路和控制信号输出电路的设计。软件上，主要介绍了目 前应弼于磁懋浮系统的几种控制算法，并对各种算法的优缺点进行了分析。同时为了降低 。扰对有效信号的影响，日l 入了数字滤波算法，以便充分发挥数字信号处理器( d s p s ) 在 信号处理方丽的优势。在软、硬件设计的基础上，进行了数字控制系统悬浮试验，验证了 控制器设计爨路的可行。睦。 最后，根据悬浮控制器调试时遇到的实际问题，同时结合数字控制嚣的特点，提出了 在线调试静纛想。j 夔瑟给滋了调试系统详露豹软硬释框架，辩其中豹一些都分绘予了实现。 国防科学技术人学研究生院学位论文 第二章悬浮控制系统分析 本章主要奔绍悬浮控稍系统的整体框架，并对影响悬浮控制系统性能( 稳定性、快速 性) 的因素给予分析，提出一些解决的方法和意见。 2 1 悬浮控制系统基本结构和工作原理 棂据参考文献f 2 可失爨：盛多个电皴浃共鼹悬浮的磁浮歹l 车麴每对鬯隧铁毒酵 独立控制鸯 由度。因此，磁浮列车悬浮控制的艘基本的问题，可以简化为单个电磁铁的悬浮控制问题。下丽就 以擎个意磁浚瓷对象，奔绥慧浮控辜l 系统豹基本绾擒帮工作骧理。 右图2 1 所示为单电磁铁悬浮模型，它是由轨道、 电磁袄以及笈嗣电路构成。这量的摸性基是疆与地球静l t 坐标系相关联的惯眺搬标系，用于标记电磁铁和孰邋在其 中的位霞及相对运动位移。y 即为我们通常所说的悬浮 滴豫，也就是电磁铁和轨道稻对位移，它提供用于懋浮控 制的熏要信息。 系统正常工作时，电磁铁与轨道间保持固定的 悬浮糍羰y = y 。，遴过毫酝铁的邀：粉灸一蘑定鬣，戳 ”拱固定大小的电磁力来保诞稳定悬浮。当因为外界因素 影响，如：负栽增加、轨道凸起或菩抛干扰，使得悬浮间 鳖整董 一毫弋考= l 一 图2 i 雅铁悬浮模型 蒎y 发垡三交纯时，藩除侮燃该变纯传遂给控稍系统，系绕将根撼一定静算法移规划调整 输出至4 电磁铁的电滕，进褥改变遇过电磁铁的电流，从蠢改变悬浮电磁力大小，使缮懋浮 阳j 隙y 蓬新恢复为y 。其控制系统结构框图如下所示： 豳2 2 悬浮控制系统结构框幽 国防科学技术人学研究生院学位论文 2 2 悬浮控制系统的数学建模 出上节知，整辆磁浮，0 军的悬浮控制口j 简化为卓个电_ f i 兹铁的悬浮控制司题。凼此，p 面建立单电磁铁的数学模型，为以后悬浮控制系统的研究打下基础。 如图2 1 所示，假设y 为电磁铁与轨道的间隙，电磁铁中通电后产生的电磁力为f ， 钢球的质量为m ，c 为干扰力。根据牛顿运动定律可得： m d 出2 y 2 _ y = m g - f + c ( 2 1 ) 电磁力f 为间隙y 和通过电磁铁线圈电流f 的函数，将f = f ( y ，f ) 在平衡点( 蜘，i 。) 展 成泰勒级数，令：6 y = y y o ，a i = i - i o ，盯= f f o ，并略去两阶以上小量，得： 舭：罢缈十0 f a i ：一缈+ f( 2 2 ) o y oo l o 。 代入( 2 1 ) 式有： m 学= 馏一r 峨缈- f o f + c ( 2 3 ) 在平衡状态有：m g = f o ，因此 脚竽吨缈一f o a i + c ( 2 4 ) ( 2 4 ) 式即为单铁悬浮系统e e 电磁铁的运动方程。需要注意的是此方程是在平衡位嚣 ( 乩，i 。) 处线性化而得到，因此如果系统的参数或者平衡位置发生变化，此方程就不能准确 的描述电磁铁的运动。 接下来推导电磁铁的动力学方程。根据电磁感应定律：“= r “a _ 西e ，这里的i f ，是指 电磁铁线圈中的磁通，y 2 厶( 为电磁铁线圈的电固，有：一所一茜f 立d t + 等，取爹 为正，则有： 堕+rf_oz，iayd + “ (25)t d t乱 ”一7 令：i = i o + a i ，“= “o + “，a y = y y o 可得 l 等+ r ，。i d a y 地 垦堕型堂壁查丛堂婴塞篁竖望壁堡差 一- _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ l _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ - _ _ - - _ _ _ _ 一 黎中l 忡= 娑札。 。 予是就褥出了在乎黉位置黠i 莲，嗽磁铁的线圈魄压变化量“与电浚变化鬓f 款添数 关系。同系统运动方程一样，( 2 6 ) 式也是在平衡位置附近通过线性化得到的。 根据( 2 5 ) 稠( 2 6 ) ，可得到描述系统驰数学模型为： 对( 2 7 ) 式进行拉氏变换，得到： l ( m s 2 一氕o ) y ( s ) = 一只。6 i ( s ) 十t 0 )r ，m l ( 5 + r ) ，( j ) = 三。o s a y ( s ) + a u ( s ) 。 既公武就是磁悬浮球系统的数学模型，其系统结构圈知2 3 所示： 戴公式羧是单铁磁悬浮系统懿数学模型，其系绫结橡憋霹以表示荛麓2 f 3 ： 矗 隧2 3 单铁悬浮系统结构梃鹭 系统的开环传递函数为 删= 器= 面而- f , o l ，o s ( 2 - 9 ) 需要指出的是：该传递函数描述了悬浮电磁铁相对于轨道的位移与控制电压的关系， ，! 系统熬菲线性动态模型森平鬻点瓣逐麓部线缝纯褥鲻懿，瓣苑该模型参数与平衡点静选 择位黄有关，和e 。则崴接和平衡点( 蜘，i 。) 相关。假设认为系统为刚体结构，不存在振 动或振动可忽略不计时，这里推鼯的系统模型可以近似用于分析和设计控制系统，但越系 统位移豹变纯范强瘦疆鞠程系统豹平衡赢位置辫近嚣域肉，警位移的交纯超过这个范围， 系统的参数变化较大，非线性的特性使得系统不稳定，该模型就无法确切地描述系统的运 动状态。 出系统的传递函数可德系统的特征方程戈：( l s + 震) ( ”嚣2 一只。) 踟，该系统豹特爱蔽薏 第7 受 攀 渺 乩出 等争 鬯堕型兰堡查丛里赆塞尘些堂丝堡塞 一 s ；= 一妄，s ：= j 鲁，屯= 一j 鲁，可冕系统蠢一个开环强患在s 右半平瑟，馥系统为三除 根据系统传递函数( 2 9 ) 式，将系统出状态空间法表示为如下形式： 立= 一7 0 7 狮冗0 0 聊 爿+ f 朝i l jl o j y = t o 誓。三l , n0 i z ( 2 1 0 ) 可以褥到系统聪可控阵戈： 1 一r | l 辩| e + f m 咄 o c = 墨a ba 2 嚣】= le l 一冀摇 l 1 0 01 j r a n k ( q ) = 3 ，故系统为可控。 ，f 0 只。三，。三聊2 0 1 q = 扛c ac a 2 r = i 三，。互膳 io l 1 只。五，。尺r f 曩e o 。妒三搬2 曩e 巴。三弦黄三2 掰2 r a n k ( 0 0 1 = 3 ，故系统亦为可观。 2 。3 影晌系统性畿懿因素分轿以及裙癍的熊决方法 蓄先要掰密的楚：我稍这鼙掰说的谯能蹩指悬浮控制系统的佼能，即稳定性、快速性 抗干扰能力以及稳态误差等。这然性能的外在袭现就是磁浮列车乘坐的舒适性秘安全一| 生。 磁浮列车的悬浮控制是一个十分复杂的系统工稷问题，其控制对象包括了轨道、电磁 铁、转向架、二次系、车麟等。每对象斡模型偏差以及各个对象之闻鲻豆传麓，都会鼹 悬浮控制系统的性能产生影响。下面就从几个方面出发，对影响其性能的主要因素做一个 麓要款分橇，劳提爨箕解决方法。 2 3 1 系统模挺的影响 从悬浮控制系统本身来讲，它是一个典型的非线性系统，我们目前通常的做法是将系 蕊在平簌点鲶线注傀，接炎一个线性系绞考意采设诗控裁器，这裁不哥避免缝霞褥控制器 鳆适旦遭垦变窒：查值跫受煎盛挞运丝爨筮夔裂璺塞隧夔型鲤鱼蕉熬盔：堰盔亟进数整趔 繁3 簧 国防科学技术犬学研究生院学鳢塞 算法和参数不再适用，从蕊造成蓉统性熊的蹲低。 对于这个问题的解凌，应觚两个方面来考虑： ( 1 )辫眼予懋浮控制系统本身，珂以袋惩盛秘已经非常成熟鲍菲线性系绞理论，具 体分析系统的菲线性特点，建立蕻非线性系统模型，进而利用该模型来设计控制器。 ( 2 )搬开憨灞控翻系统本赛，采用当鼹定进鳃模襁控制驿l 、蠡棒羧锑、囊逶应按潮 等理论，设计对系统本身依赖程艘低、参数自遥应能力强的掇制器。这对于基于d s p 的数 字控裁系统采漉，实现是鞠对容易静攀祷。 2 3 2 倍号嗓声的影响 悬浮控制系统经常采用的算法有p d 控制，这里颟就需臻对参考输入信号进行微分运 舞。献试验涎程中翁蹑寨弼知：输入露s 中鬻常混入了高额杂渡成分。这样在对相应倍号 进行微分处理时，简频杂波就淹没了有效信号，导致系统无法正常工l 乍。信号噪声g l 入的 途径商多种，对予数字系统来说，常觅戬下凡释噪声： ( 1 ) 燃线噪声：在数字系统内，盎鞋果在器部分的地线之澍出瑷瞧位差戴赣存在接 地阻抗便会引起接地噪声。 ( 2 )反袋噪声：健浚线路备鬻分游祷链隧藐不褥或与受载隧抗不殴聚露，衢绥辕靛 信号在终端( 戚临界) 部位发生反射，使信号波形发生畸变域产生震荡。 ( 3 )零撬溪声：产生愿蠢楚奎予癞平亳缆或柬掇霉线等待输线之阐，印制电路投肉 平行印制导线之间的电磁感应，以及高遵开关电流通过分布电容等寄生参数把无用信号成 分叠热在蟊静信号上弓 超鹃。 针对上述的问题，通常采取下强的一些接越来提离数字系统懿撬干撬熊力： ( 1 ) 采取措施，实现电源之问的隔离 对数字系统中躲不困惑源，特别是强毫与鹅龟进行骚蔫。 ( 2 ) 增加总线的抗干扰能力 暴爝三态f 1 方式总线臻擒，总线援上拉邀隧镬总线在瓣阏楚予稳定戆舞邀平丽渣狳蕊 线处于电压不稳定的悬浮状态，总线须加缓冲器。 ( 3 ) 褥离系绞控翻信号静抗干挠髓力 在系统中通常有r e s e t ，w r ，r d ，i n t 等控镶4 线，c p u 与其控制嚣传躲传输鞭离 较远量控铺线隧抗较高，翁受脉i 申嗓声予扰，时w r ，r d 和i n t 游控制信号在被控器件 黔输入端共接一个2 0 p f 电枣能淡除于扰，焉对r e s e f 等控彀瞎号菸攘0 o l # f 趣窑，于 扰河题饿可解决。另外，对控制线加缓冲驱动器，使得控制线的阻抗变低，也可以起到抑 制于撬熬 乍餍。 ( 4 ) i c 不用端子的处理 对于数字瞧貉孛一些空整不瓣靛黎予一定簧妥善然理，否噩| j 噪声狠容翁通过分布电窬 而进入这些端予，从而对电路造成干扰。如t t l ，c m o s 电路不用的输入端应搬l 1 0 k q 弱主技电邋，融发器不蔼的输密端并联个小容羹的陶瓷电容等。 蘩9 蚕 国防科学技术人学研究生院学位论文 2 33a ，d 采样量化误差的影响 数字控制系统设计就溪涉及到模数转换的问题，无论所使用的a d 转换器的分辨攀多 裹，键由予采撵眩爨位误蒺静存在，联以总要损失一帮分懿育鼹壤，蠹，蠢这些鸯鼹懿蕊怠 可能就是影响系统稳定性的因素。对于这个问题，应从软、硬件两个方面进行解决。硬件 方瑟，在性徐琵允许弱嚣掇下，尽可能使建分辨率较离嚣a d 转羧器，以减小采样靖的量 化误差；软件方面，根据壤化误差的统计规律，可采用多次采样求均值的方法，使得误差 之阉褶互抵消。 2 3 4 软道共振的影响 磁浮列率系统由弹性支撑的轨道、悬浮电磁铁、推进直线电机、磁转向架等部件组成， 鞔道及梁的结构频率 静溺有颓率) 对整车运行的骰能其育重要韵影响。当轨道的结构频 ；萎暖近控制电磁铁的调节频率时，整个系统将产生共振，轻则会影响系绕的稳定性和象坐 ：j 舒适性，黧则使得整个系统瘫痪，导致出现事故。日本的h s s t 。0 4 悬浮列车在调试过程 中曾发生过孰道和车体严藏共振躯现象。 轨道的结构频率跟其自身的结构、材料及尺寸有关。在设计轨道时，必须根据车体的 冥嚣绻稳露戆麓要求，选耩适当麓辘道结搀、会逶懿瓣辩及尺寸，叛傈谖鞔遂鬟有较离静 结构频率。这样就可以减少电磁铁与轨道之间的气隙变化量和轨：i l 耋变形之间的藕合程度， 避开嘏磁铁的调节频率e 关于鞔懑设计巾结构颓率的计算，文献f 4 】【5 】中已给出了详细的分 析过稷和公式，这熙就不辫详细讨论。 繁搪燹 一一 国防辩学技术犬学辨究生陵学位论文 第三耄系统硬件设计 本章着囊奔绪蓥于d s p 翡数字悬浮控铡系统硬俘设计。其中包括数字信号处瑷器 ( d s p s ) 的筒贪，硬件总体设计思路及主要部分的硬件实现。 3 。1 数字信号处理器( d s p s ) 麓贪 s 。 。 数字傣号整壤豢懿发震稳特点 数字信号处理 一 tt -f ；，-，jjt- 4 篙囊“嚣 。3 1 - 。2 t 口 。i t i l l ii1 - 1 - ： 黼4 2 来校歪系统蒙率酶洼夔线 素校正系统裁史频率，= 3 6 2 5 h z ，糖娆狯发y = - 6 14 ，为了疆离系统熬截立颓翠帮 稳定裕度，采取串联超前校正，根攒串联超前校正的设计方法，选取一除趣翦鼹终 g ：i + a t s ；! 土塑呈2 三 一 l + z s 1 + 3 8 1 1 0 0 s 校正怎系统频率特往为： 瞄 、 三 等 口 l 一6 口昙 s 一 - 一8 0 ? ，一、 一i 盏尊 弋 1 b i b 一 j i = = = _ f l ，l t t t t l i l ， i - 2 1 i q ；：等3 。 一3 i a 。2 i 口 。l i 叠i i i 叠l一i 叠l1 d i t 一 ； ，耐 熊4 3 一阶校正磊象统频率姆性趣线 繁秘燹 国防科学技术人学研究生院学位论文 由图可知，系统截止频率。= 1 0 8 9 h z ，相位裕度y = 7 6 3 。，幅值裕度为1 5 0 6 d b ， 由于截止频率还比较低，稳定裕度也需要进一步提高，所以再次采取串联超前校f ，使用 二阶超前网络，选取参数如下：g 。( s ) = 之1 妄等芸蓦若专罴1 1 3 ，二阶超前校正后 + j 6 t i ujl 十j 6 z j ，；统频率特性为：系统截止频率。= 1 4 3 1 h z ，相位裕度y = 3 2 7 。，幅值裕度为2 8 2 2 d b ， 闭环阶跃相应曲线如下： 图4 4 二阶校正系统阶跃响应曲线 心 图4 5 二二阶校正后系统频率特性曲线 调整时间t = o 0 0 8 ( 秒) ，峰值时间l = o 0 0 2 0 7 ( 秒) ，超调量0 - = 2 0 由此可见经过二阶超前校正，原系统由不稳定系统成为具有良好频率特性和动态特性 的稳定系统。但是由于系统是由非线性系统在平衡点线性化得到的模型，对于在非平衡位 置的系统参数变化，系统不能自适应。在系统受到较大的干扰，如：电压的突变、电磁干 扰、或者受到机械振动时容易失去平衡，而且由于系统为零型系统，存在稳态误差。 4 12 滑模变结构控制器 滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略。这种控制策略与常规控制的根本 区别在于控制的不连续性，即一种使系统结构随时变化的开关特性。这种控制特性可以迫 。! 系统在一定条件下沿规定的状态轨迹作小幅度高频率的上下运动，即滑动模态或滑模运 动。滑模变结构控制方法可以用于各种线性或非线性系统，对于我们研究的单铁悬浮系统， 其设计方法可以如下表示： 第2 l 页 图4 6 单铁悬浮系统结构框图 对于单电磁铁融浮系统，其闭环传递函数为： g ( s ) = 燮= 面丽丽- j g a u ( s ) 万瓦石 、 ( 三j 十r ) ( 删s 。一f n s ) + f n 佣j 这是一个三阶系统，化为微分方程为 铲蝎挚坞警4 - a 3 a y 枷“ o )铲蜘亍相z 言 卸抽钏) 令一衄= 警_ = 竽有： 予蔗褥劐获态方程： 工l x 2 屯 x l a 2 x 2 一a l x 3 + b u l 0i = t 00 l 一口3 一如 ( 4 3 ) ( 4 4 ) 即= a r 十8 “，取线性切换函数s = q 置+ c ：x 2 + 芏，淹瀵足潺模豹珂这蕊耱存在程 添件，有l i r a s 坐曼0 x - * o d t 因此，有：鲁= 蠢警= c e 删+ 踟，取常值切换控龇= 像：， “5 ) 嵌搌 固，必须鸯：一d s d t = ：a 如3 x i ：暑：三弦) x 2 2 ：= 譬：a q l 弦) x 3 3 ：b 哆k 2 ；。0 薹：? 0 g 印 卜+ 婶i 一牙2+ 婶2 + ，s 、， 簟 s 以 饥 胁一瘢前一船 故使滑模条件成立的状态变爨鼍，x ：，黾在一定的范围内： 一6 七2 疋，瓦 l ，在中频段，二阶超前环节可近似裘示 为k ( t i t 3 s 2 十( i + 瓦) s + 1 ) ，取k = o 5 ，一= 0 0 2 ，疋= 1 2 6 x 1 0 。，瓦= 6 4 1 0 ， 瓦= 2 ，4 l o ，可褥系统结构如图4 7 所示： 图4 7 变：悔构校m 系统结构框图 在阶跃信号作用下，系统响应如图4 8 所示，调整时间e = 0 0 1 秒，峰值时问 瓦= 0 0 0 2，超调量d = 3 5 ，可见系统具有良好的动态性能和燎浮稳定性。 圈4 8 校正系统闭环阶跃响应 4 1 3 j | j i ! 贝9 一状悉度馈法 在第二章对萃铰的数学建模辩，我们已经知道该系统是究全可控可观的，即能够通过 状态反馈实现系统极点的任意配鬣。为此，这墨我们弓入状态反馈，进行懋浮控制器数设 计。重新列出单铁悬浮系统的数学模型和开环传递函数如下： 嚣女：嚣：粤尹一蜀纂：名警 ( 。1 i ) i ( 工s 十r ) ，( j ) = 五v o s a y ( s ) + u ( 占) 、“1 1 g 和) = 器= 两彘 ( 4 1 2 ) 国防科学技术人学研究生院学位论文 取状态x = 【x ，x ：，屯 7 = 【y ，y ，甲做为系统状态变量，得到系统的状态空间描述如下 0 0 6 6 1 ( 4 1 3 ) 这里的x 1 ，x 2 ，分别表示间隙、速度和电流信号a 因此，取控制信号为：“= 一腰，k = k 。，k ：，k 3 】为待定状态反馈系数，有 x = 丘r b 十k x = ( a b 十k ) x( 4 1 4 ) 依据系统的实际性能指标，选择极点为 ，a ：，a ，则得到： i 盯一爿+ b 丰k 卜( s 一九1 ) ( j 九2 ) ( s 九3 ) ( 4 1 5 ) 比较等式两侧s 同次幂的系数，得到方程组： 3 3 1 + 6 6 1 k 3 = 一( 兄l + 九2 + 如) 一3 1 1 7 k 2 = a l 九2 + a 2 如+ a l 如( 4 1 6 ) 3 1 1 7 k l + 9 7 24 1 0 6 k 3 + 4 8 7 + 1 0 6 = 九如 由( 4 1 6 ) 即可求出状态反馈系数k l ，k 2 ，k 3 ，因此控制量可表示为： u = 一( x l + k 2 x 2 + k 3 x 3 )( 4 1 7 ) 在所选的状态变量x 中，速度信号y 无法直接观测到。为此，下面我们要构造了状态 观测器，用可以直接获得的状态夕，i 来观测出y 。 设计系统：