单磁铁系统的稳定性与仿真分析

采用带状态观测器的气隙-速度-加速度反馈控制系统,在多体系统仿真软件SIMPACK平台上,考虑悬浮系统、电磁系统及控制系统的耦合作用,建立单磁铁-轨道梁-控制器的综合模型,模拟磁浮列车在弹性轨道梁上静止悬浮的过程,分析轨道梁的特征对车轨耦合振动的影响,研究共振的产生及解决方法,为磁悬浮列车的整车静止悬浮稳定性分析提供依据。     

轨道梁结构对中低速磁浮车轨耦合振动的影响

建立了双级电磁悬浮控制器模型,轨道梁采用Euler-Bernoulli模型,基于单点悬浮控制系统建立"车辆-控制器-弹性梁"耦合动力学数值模型。对控制参数引起的车轨耦合失稳振动的特性进行分析,仿真计算不同轨道梁结构参数下,对中低速磁浮车轨耦合振动影响进行研究。结果表明:发生频率较低的车轨耦合振动时,轨道梁结构参数的改变对车轨耦合振动无明显影响;发生频率较高的车轨耦合振动,轨道梁固有频率随轨道梁结构而改变时,对车轨耦合振动影响明显;轨道梁固有频率不随轨道梁结构参数改变时,对车轨耦合振动无明显影响;轨道梁结构阻尼可以有效抑制车轨耦合振动响应。低频车轨耦合振动,轨道梁结构改变无法控制车轨耦合振动,车轨发生高频耦合振动时,增大轨道梁结构阻尼比及改变轨道梁固有频率均能有效控制车轨耦合振动,因此实际工程中可以考虑轨道梁下安装阻尼器和吸振器来改变轨道梁结构参数和结构阻尼来抑制振动。     

状态观测器参数对磁浮车辆悬浮稳定性影响的仿真研究

为研究磁浮车辆悬浮控制器的状态观测器参数对悬浮稳定性的影响,解决磁浮车辆悬浮不稳的问题,建立单电磁铁与柔性轨道梁的耦合模型。通过对悬浮系统传递函数的研究,得到速度激励信号频率与悬浮系统对轨道梁的功率输出的关系曲线,并得到状态观测器参数对系统性能的影响规律。由此得出结论,通过绘制"悬浮系统对轨道梁的振动能量输出功率"与"轨道梁主频率"间的关系曲线,即可得到不考虑轨道梁阻尼时,悬浮系统可适应轨道的临界参数。     

磁悬浮列车静态悬浮轨道参数识别

EMS型磁悬浮列车静态悬浮过程中由于弹性轨道的影响可能会引起车轨共振。理论上如果能够获知系统所有的参数,就能针对这些参数设计出更好的控制算法,或者动态地调节控制系统来实现更好的性能。提出一种根据车轨耦合振动过程中车辆能够获知数据,辨识轨道主要参数的方法,并根据获知参数设计控制算法,抑制车轨耦合振动,最后仿真验证了该方法的有效性。     

磁浮轨道梁不平顺对悬浮状态的影响分析

通过建立单磁铁-悬浮系统-轨道梁相互作用模型,阐述轨道梁特性要求,从轨道梁长短波不平顺、轨道梁刚度以及车辆运行速度角度出发,研究单磁铁悬浮状态的变化。结果表明:单磁铁悬浮间隙变化量随着车速的提高而增大,短波不平顺对车辆的影响要比长波不平顺影响剧烈,短波不平顺对单磁铁悬浮间隙和振动加速度均有较大影响;轨道梁刚度对轨道梁挠度变化最为明显,而对悬浮间隙、单磁铁振动加速度影响很小。     

磁悬浮车轨耦合控制系统的非线性振动特性分析

针对主动控制的磁悬浮车辆轨道耦合系统,从非线性特性角度出发,研究静止悬浮条件下控制参数、轨道参数与磁悬浮车轨耦合系统振动特性的相互关系.首先建立弹性轨道和刚性悬浮电磁铁运动学模型,采用串级控制算法建立悬浮控制系统模型,从而得到磁悬浮车轨耦合非线性模型;然后利用谐波平衡法,分析车辆-轨道1:1共振特性,计算得到-阶振动的幅频特性方程;由于幅频特性方程阶数较高,利用数值计算方法得到3组控制参数,分别给出其仿真结果,说明轨道和控制参数对系统振动的关键影响.结论可供轨道加工和悬浮控制系统设计时参考.     

磁悬浮列车的非线性鲁棒控制

分析了磁悬浮列车悬浮系统模型的非线性特点,从增强悬浮系统的抗干扰能力和承载能力出发,利用非线性H∞控制理论,设计了状态反馈控制器;然后构造了一个状态观测器,实现了输出反馈控制器。仿真和试验结果表明,利用此种方法建立的控制器对磁悬浮列车悬浮系统的干扰抑制作用非常有效。     

磁浮车辆起浮参数控制及其动力性能研究

磁浮车辆的起浮性能是磁浮交通系统研究的一个重要方向。为探究控制参数在磁浮车辆起浮过程中对起浮稳定性与振动舒适性的影响,通过建立单悬浮刚性电磁铁模型,从PD控制下的电磁力出发,推导电磁铁起浮过程中动力响应的特征与表达式。由起浮稳定性条件与振动舒适性要求,得到悬浮间隙反馈系数KP的上下限值。将获得的PD控制参数分别应用于单悬浮刚性电磁铁模型、单悬浮弹性电磁铁模型、单悬浮弹性电磁铁—轨道梁模型以及整车—轨道梁模型中,分析起浮过程中电磁铁或车体的位移和加速度响应以及轨道梁跨中加速度响应。研究结果表明：电磁控制参数KP和KD分别调控了起浮过程中系统的刚度和阻尼;KP具有上下限值,下限由电磁铁物理参数及承担质量确定,以抑制起浮失稳现象,上限值由加速度限值、初始位移、额定悬浮间隙、电磁铁物理参数及承担质量共同确定以保证满足规范所要求的振动舒适性;起浮过程中,二系悬挂可以降低电磁铁或车体的加速度,但增大了磁浮架的振动加速度;对于所研究的案例,车轨耦合振动频率较低的情形下,轨道梁对电磁铁或车体的起浮振动影响较小。     

电机中置式中速磁悬浮列车单悬浮架动力学建模及特性研究

针对一种无构架式牵引直线电机中置的中速磁悬浮列车悬浮架,建立包含4个独立闭环控制系统的单悬浮架动力学模型,并利用Matlab/Simulink软件仿真悬浮架在悬浮状态、落车状态的动力学响应,以及悬浮架在包括单侧轨道、双侧轨道相同相位,双侧轨道相反相位3种轨道不平顺激励状态下的各组件的垂向扰动响应。仿真结果表明这种电机中置的悬浮架结构形式具有落车时将电机提升、悬浮时将电机放低的性能,具有在受到轨道不平顺激励时减小中置直线电机不平顺振动的作用,有利于保持直线电机与轨道之间的工作气隙,提高中速磁悬浮列车的牵引效率和悬浮架的稳定性。     

超高速磁浮车-轨道梁竖向耦合振动分析

针对超高速磁浮车-轨道梁竖向耦合振动的问题,提出一种基于轨道梁有限单元模型和磁浮力比例-积分-微分(PID)控制器模型的分析方法。为提高计算效率,整体耦合系统以磁浮力为界,分为车辆和轨道梁2个子系统,车-梁之间的振动耦合则通过PID控制器计算的磁浮力来完成。组成耦合系统的子系统分别采用振型分解法和四阶龙格库塔法计算其振动响应。为验证方法的有效性以及了解超高速磁浮车桥耦合振动特性,使用Mathematica编程进行超高速磁悬浮车-轨道梁的耦合振动分析,得到运行速度为600km/h的车辆和轨道梁的动力响应。研究成果可为超高速磁浮轨道结构设计和关键技术研究提供参考。     

基于状态观测器的磁悬浮列车传感器故障容错方法

针对磁悬浮列车的加速度计或间隙传感器故障,设计了基于状态观测器的最优容错控制系统.首先建立了单电磁铁悬浮系统的模型,引入电流环降低系统阶数,然后按照标称闭环系统模型设计在线状态观测器.当单个传感器失效时,根据故障诊断系统提供的故障定位信息.实时采用状态观测器提供的状态估计信息,最终对单个传感器故障实现容错.仿真表明该方法的有效性.     

EMS磁浮列车-轨道垂向耦合动力学研究

建立了ＥＭＳ磁浮列车－轨道垂向耦合动力学模型及方程，编制了系统动力学仿真程序，对于磁浮列车在单跨简支柔性轨道模型下的车－轨耦合振动进行了系统仿真，并对基本车轨参数变化时的响应特征进行了分析比较。     

基于车桥耦合的磁浮轨道梁中速适应性研究

研究目的:为探讨25 m跨长沙既有磁浮简支梁桥与梁上承轨简支梁桥两种轨道梁结构的中速适应性,基于有限元原理建立两种磁浮轨道梁的有限元动力分析模型,对其自振特性进行分析;基于多体动力学理论,建立了具有120个自由度的中低速磁浮车辆动力学模型;考虑PID悬浮主动控制下的悬浮控制力,建立了完善的磁浮列车-轨道梁-控制器耦合模型。依据该耦合模型进一步开展了车辆提速后两种不同轨道梁形式下的车桥耦合振动响应研究。研究结论:(1)梁上承轨简支梁桥相对于长沙既有磁浮简支梁桥具有更优的动力学性能;(2) F轨垂向位移、桥梁跨中垂向位移及加速度值相对减小幅度分别约为57. 25%、61. 26%及70. 59%;(3)车体垂向加速度与电磁悬浮力减小幅度最高分别可达25. 53%及10. 93%;(4)本研究结果可供中速磁浮桥梁结构设计参考。     

基于不等宽结构的混合型悬浮装置的研究

针对中低速磁悬浮列车中永磁与电磁混合悬浮磁铁存在的吸死问题,研究了一种基于不等宽结构的混合悬浮装置。分析该装置中U型铁、F型轨及两者间气隙的电磁关系,建立基于不等宽结构悬浮装置的模型。以株洲中低速磁浮商业试验线列车为基础,使用ANSOFT软件进行仿真,对该悬浮装置进行了设计及验证。仿真结果表明:在改进的不等宽混合悬浮装置中,无论气隙间距大小如何,该不等宽结构中的悬浮力始终与重力保持平衡,可实现列车悬浮的"0功率"控制。     

利用Hurwitz代数判据研究磁浮系统Hopf分岔现象

针对磁浮列车的弹性耦合振动现象,建立基于简支梁的单点车轨耦合模型。有关研究表明,磁浮车轨耦合振动现象,对应于数学上常微分方程的Hopf分岔问题。然而经典Hopf分岔求解方法在高阶系统计算上并不实用,为此采取了Hurwitz代数判据方法进行计算来寻找Hopf分岔点,并由此计算出了耦合振动的频率,且对结果进行了仿真验证,对进一步设计消除耦合振动的控制方法具有重要价值。     

基于OpenSEES的车-轨-桥快速仿真分析技术

针对车-轨-桥耦合系统建模效率低下的问题,采用客户端-服务器原理,在OpenSEES单一平台中实现了车-轨-桥系统快速仿真分析.其将车辆、轨/桥两子系统在OpenSEES软件中建模并封装成服务器,各服务器之间地位相等,无主次之分;轮轨接触关系被处理成客户端协调器;客户端协调器与服务器通过网络通讯技术进行实时逐步数据交互.从而无需编程即可在OpenSEES平台实现车桥耦合振动分析.数值算例表明:该模拟方法能够将OpenSEES软件强大的非线性及地震分析功能快速应用于车-轨-桥耦合问题求解,是一种实用方便、简单易学的车-轨-桥耦合振动分析方法.     

奇异摄动磁悬浮车轨耦合系统的精确积分流形控制设计

针对具有奇异摄动特性的磁悬浮车轨耦合系统,利用几何方法设计了能够精确跟踪设计流形的复合控制算法。给出了基于弹性轨道的磁悬浮车轨耦合系统模型,说明电磁线圈电感导致的系统奇异摄动特性。介绍了精确设计流形算法的具体步骤,并以线性流形为例,给出了基于快慢结合的磁悬浮车轨耦合系统复合控制算法的设计过程。仿真结果说明该算法能够保证系统慢流形最终无误差跟踪线性设计流形,并实现车辆结构与轨道的单向解耦。该算法可以进一步推广到其他各种设计流形,从而提高磁悬浮系统的稳定性与抗干扰性。     

U型梁上减振垫浮置板轨道系统动力分析

研究目的:深圳地铁6号线是首条全高架采用"U型梁+减振垫浮置板轨道"系统的地铁快线,为检验是否存在系统共振,考察行车安全性指标和桥梁结构振动情况,本文通过建立车-轨-桥耦合动力学模型,对系统固有频率以及车辆、轨道、桥梁动力特性进行研究,以期指导深圳地铁6号线桥梁、轨道结构设计实践。研究结论:(1) U型梁与减振垫浮置板轨道自振频率相差较大,二者发生低阶共振的可能性较小;(2) U型梁上采用减振垫浮置板轨道以后,行车安全性指标、轨道及桥梁动力学指标均满足规范要求;(3)减振垫浮置板轨道系统可降低桥梁结构振动5～8 d B;(4)本文所采用的系统动力检算方法,既验证了"U型梁+减振垫浮置板轨道"设计方案的合理性,同时也对国内地铁高架线减振设计具有一定的指导意义。     

提速情况下磁浮轨道结构振动响应及传递特性研究

中低速磁浮交通提速是目前研究趋势，但速度的提升会影响车辆运行稳定性。为探究提速后轨道的动力响应及其适应性，通过建立中低速磁浮车-轨-桥耦合动力学模型，对更高速度下轨道的振动响应进行仿真分析，并以长沙磁浮快线为对象，测试100～140 km/h速度区间内轨道的振动加速度及振动位移。研究结果表明：轨道各结构的振动响应存在差别，沿着F轨-轨枕-轨道梁逐渐减弱，车辆对轨道的垂向冲击大多被F轨的振动及弹性变形吸收，而横向冲击则更多地传递至下方的轨枕和轨道梁；随着车辆运行速度的提高，轨道的振动加速度响应逐渐加剧，轨道梁横向振动加速度较之垂向振动加速度增加更为明显，而轨道的振动位移响应则基本未表现出与速度的相关性；当车辆的运行速度提升至140 km/h后，轨道梁的垂、横向最大振动加速度分别为2.37 m/s²和0.96 m/s²,速度提升至160 km/h时，轨道梁的垂向最大振动位移为3.55 mm, F轨内外磁极面最大高度差为0.44 mm,均在规定的限值范围内，轨道的振动响应满足要求。     

针对磁浮列车过弯的鲁棒控制方法

考虑磁悬浮列车通过弯道时电磁铁上表面与轨道下表面发生错位,相对磁极面积减少情况下的控制问题,将相对磁极面积视为不确定性参数,引入相对磁极面积摄动,再针对磁悬浮非线性系统设计动态输出反馈控制器,并将控制器设计问题转换为H∞控制问题,使得系统不管电磁铁与轨道之间如何错位,只要没有超出电磁铁的承载力,就可以稳定悬浮,顺利通过弯道。