考虑轨道若干因素的悬浮控制研究

论文摘要

本文从考虑轨道若干因素的角度来研究悬浮控制问题,具体包括考虑轨道弹性的车轨耦合振动控制问题、考虑轨道竖曲线的悬浮跟踪控制问题以及考虑轨道接缝台阶对悬浮系统干扰的抑制问题。考虑轨道弹性的车轨耦合振动问题目前主要依靠提高轨道质量和刚度的方法予以解决,但这种方法极大地提高了磁浮交通的工程造价。本文首次提出在轨道上安装带无线通信模块的加速度传感器,将测得的轨道振动信息作预处理后,经无线传感器网络传送至车载悬浮控制器,形成一种抑制车轨弹性耦合振动的悬浮控制方法。为此,本文研究了有关的无线通信协议,给出了用于悬浮控制的无线通信选取原则,重点论证了无线传感器网络ZigBee协议在悬浮控制系统中的应用,并构建了相应的悬浮控制算法,进行了组网试验和控制系统仿真验证。考虑轨道竖曲线的悬浮跟踪问题,主要是指当列车以超过一定速度阈值进入轨道竖曲线时,悬浮系统将可能振动乃至发散。本文考虑簧下质量离心力、空气弹簧变化力、加速度反馈等综合因素,建立了更加符合实际的悬浮跟踪理论模型和仿真模型,并提出在现有状态反馈基础上增加电流正反馈和加速度负反馈的新控制算法,理论分析和仿真表明该控制算法能提高列车通过竖曲线的速度阈值。轨道接缝台阶是指由轨道加工误差、安装误差、路基沉降等原因导致的在轨道接缝处出现的几何不平顺。列车经过轨道接缝台阶时,安装在电磁铁两端的间隙传感器的测量值与电磁铁实际等效间隙值存在较大差别,影响了悬浮控制性能,严重时会使悬浮失稳。本文分四种情况进行了讨论,仿真表明新控制算法提高了列车抑制轨道台阶干扰的能力。总之,本文以已经在磁浮列车工程试验当中发现的有关问题和现象为研究依据,通过理论分析和仿真研究了轨道弹性、轨道竖曲线和轨道台阶对悬浮控制系统的影响,并提出了相应的悬浮控制方法。这些控制方法有待工程试验的进一步验证和发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 磁浮列车基本原理及其分类
• 1.1.2 磁浮列车发展概况
• 1.1.3 我国发展磁浮列车的必要性与本课题研究的意义
• 1.2 悬浮控制问题的复杂性及有关问题
• 1.3 考虑轨道若干因素的悬浮控制问题研究现状
• 1.3.1 考虑轨道弹性的悬浮控制问题研究现状
• 1.3.2 考虑轨道几何因素的悬浮控制问题研究现状
• 1.4 本文研究内容及章节安排
• 1.4.1 本文研究内容
• 1.4.2 本文章节安排
• 第二章 EMS型磁浮列车悬浮控制系统建模与分析
• 2.1 刚性轨道条件下悬浮系统建模与分析
• 2.1.1 刚性轨道条件下悬浮系统建模
• 2.1.2 基于一次近似定理的系统线性化及稳定性分析
• 2.2 弹性轨道条件下车轨耦合系统建模与分析
• 2.2.1 三种基本振动形式
• 2.2.2 弹性轨道梁的描述
• 2.2.3 开环车轨系统模型的建立
• 2.2.4 开环车轨系统模型的分析
• 2.2.5 闭环车轨耦合系统模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 考虑轨道弹性的悬浮控制算法研究
• 3.1 车轨耦合振动控制理论分析
• 3.1.1 闭环状态反馈变量的选取
• 3.1.2 闭环反馈系数的确定
• 3.1.3 车轨耦合振动控制仿真
• 3.2 利用无线传感器网络技术采集轨道信息
• 3.2.1 轨道信息采集面临的技术难题
• 3.2.2 悬浮控制应用中的无线通信协议选取原则
• 3.2.3 ZigBee技术简介
• 3.2.4 ZigBee技术在悬浮控制中的应用分析
• 3.2.5 基于无线数据传输的车轨耦合振动控制的进一步技术路线
• 3.3 本章小结
• 第四章 考虑轨道几何因素的悬浮控制算法研究
• 4.1 中低速磁浮线路系统简介
• 4.1.1 磁浮线路平面与纵断面
• 4.1.2 磁浮线路选线的技术特点
• 4.1.3 磁浮线路轨道台阶
• 4.1.4 轨道几何因素的分类及对悬浮控制系统的影响
• 4.2 磁浮列车竖曲线段运行时悬浮控制系统动态特性分析
• 4.2.1 竖曲线跟踪控制时的仿真模型
• 4.2.2 竖曲线的描述
• 4.2.3 电磁铁气隙变化
• 4.2.4 离心力的计算
• 4.2.5 空气弹簧力的变化量分析
• 4.2.6 加速度反馈分析
• 4.2.7 控制方案A的仿真
• 4.2.8 悬浮控制方案B
• 4.3 磁浮列车过轨道台阶时悬浮控制系统动态特性分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文和参与的科研课题