基于自适应非奇异终端滑模的悬浮控制策略

针对采用传统线性滑模控制的电磁悬浮系统存在响应速度慢以及抗干扰能力差的问题，提出了一种基于自适应非奇异终端滑模的悬浮控制方法，该方法将自适应控制引入到终端滑模控制，结合滑模控制对扰动不敏感的优点，利用自适应控制对滑模趋近律系数进行在线自适应调节，改善悬浮系统的动态性能. 首先，建立了电磁悬浮系统数学模型；然后，利用李雅普诺夫稳定理论证明了所设计控制器的稳定性；最后，进行了仿真和实验验证. 实验结果表明:自适应非奇异终端滑模对信号跟踪具有更快的响应速度和更小的稳态误差，对峰峰值为2 N的正弦或锯齿干扰力气隙波动可限定在0.2 mm以内，进行0.1 kg加减载实验时气隙波动为0.6 mm，各项性能均优于终端滑模和线性滑模.      

基于模型参考自适应的自学习悬浮控制策略

针对电磁悬浮列车悬浮控制器因轨道不平顺所引发的未知非线性力和传递函数不确定问题，提出一种基于模型参考自适应的自学习控制方案，控制算法中可调参数根据系统状态、误差和时间调整，使悬浮间隙稳定在恒定数值；学习率根据目标间隙误差大小动态调节，避免可调参数调节过慢，同时保证在稳定悬浮时间隙波动更小；通过李雅普诺夫稳定性判据证明了模型参考自适应控制系统的稳定性；通过MATLAB/Simulink对所提出的控制方案进行仿真.研究结果表明：自学习模型参考自适应控制算法间隙的均方根误差为0.12，设定合适的可调参数初始值并对其限幅能够提升控制器的鲁棒性；在单悬浮架测试时，控制器获取到加速度信号，所提出算法的上升时间和调节时间分别为1.21 s和2.04 s，该方法学习率可动态调节，提升了控制器的适应能力.     

面向微细加工的二自由度磁悬浮平台

为消除激光微细加工移动台中的机械摩擦，提出一种由三组子单元共同悬浮驱动的新型磁浮平台.首先，介绍平台结构及其工作原理，三组子单元具有相同的结构，由永磁体和电磁线圈构成；分析线圈对永磁体的作用力，并对磁悬浮平台能够实现稳定悬浮的平面范围进行讨论；其次，建立磁悬浮平台的平面内的动力学模型以及子单元位移与平台位移的变换方程；再者，基于分散控制策略，设计子单元系统相应的模糊PD (proportionalderivative)控制器；最后，搭建实物平台，并对其进行静态悬浮实验、步进响应实验、双轴组合工作实验.结果表明：该磁悬浮平台在±2 mm的平面范围内可忽略竖直方向的运动控制；在静态悬浮时，磁悬浮平台在x方向均方根误差仅为2.95μm，最大跟踪误差为11μm；同时磁悬浮平台具备4 mm的运动行程以及双轴组合工作能力.     

数字单周期电流控制在电磁悬浮系统中的应用

在串级控制的电磁悬浮系统中,电流环的响应速度和精度对整个悬浮控制起着至关重要的作用. 为了加快悬浮系统电流环的响应速度以及减小跟随误差,基于TMS320F28335设计了EMS （electromagnetic suspension system）的数字单周期控制（digital one-cycle control,D-OCC）电流控制器. 以悬浮斩波器为研究对象,建立起D-OCC的数学模型,对额定悬浮工作点处斩波器电流的D-OCC算法进行了详细推导;通过Simulink平台对算法进行仿真验证,并将D-OCC的电流环投入到实际悬浮系统中进行悬浮实验. 实验结果表明:对频率为5 Hz,幅值为3 A的方波信号进行跟随时,传统PID控制在方波上升沿和下降沿均存在一定的超调,且稳定后存在不小于20 mA的跟随误差,D-OCC在调节过程中不存在超调,且稳定后没有跟随误差,说明D-OCC算法能够实现对指令电流快速、准确跟随;采用电流环D-OCC的悬浮系统起浮过程需要约0.4 s的调整时间,并且悬浮稳定后可以克服50%荷载扰动和1.5 mm气隙扰动,说明该方法可以实现系统稳定悬浮,且具有较强的鲁棒性能.      

永磁悬浮平台的分散串级控制方法

针对各悬浮单元磁力特性差异导致的倾斜问题，设计一种用于无接触传送的永磁悬浮平台，提出了具有气隙偏差积分反馈的分散式串级控制方法. 首先，分析了悬浮平台的动力学模型与平衡条件，获得各悬浮单元气隙与平台三自由度之间的变换关系；其次，根据悬浮单元系统特点设计了双闭环串级控制系统，外环是以气隙为被控对象的主调节回路，内环是以转角为被控对象的随动回路，并引入气隙偏差进行积分反馈；最后，通过悬浮实验进行验证. 结果表明:引入积分反馈后，起浮后各磁悬浮单元气隙一致，向不同位置施加0.1 kg重物，各悬浮单元气隙同步增大0.12 mm；悬浮平台能够通过调节内环转角弥补磁力特性差异并实现偏载下水平悬浮，但系统的调节时间比无积分反馈的分散串级控制系统增加约1.4倍.      

道路模拟试验系统中自适应滤波器的实现

阐述了采用自适应有限脉冲响应滤波器的多通道逆向控制方法及其自适应滤波器的实现方法，采用这种方法控制道路模拟试验系统，精确地再现了期望的响应信号。     

基于神经网络方法的柴油机气缸压力识别

分析了柴油机气缸盖系统激励和响应信号的非线性特性,阐述了基于BP神经网络的柴油机气缸压力识别方法.对测试的振动响应信号进行时域统计平均和低通滤波后,训练BP神经网络,利用自适应梯度下降算法,自适应调节学习速率,提高网络精度,识别柴油机气缸压力.结果表明,恢复出来的缸内压力信号和实测信号十分接近,该方法对柴油机的实时在线控制、监测和故障诊断有重要的应用价值.     

基于混合式磁浮平台的解耦及控制分析

为了研究磁悬浮平台系统中存在的多自由度耦合问题,提出一种利用永磁体之间的被动受力来减少竖直方向上主动控制的设计思路,给出一种混合斥力式磁浮平台的结构设计,该磁悬浮结构的定子由永磁体和电磁线圈共同组成,由永磁体提供主要的悬浮力,电磁线圈提供水平方向的驱动力,以此减少负责主动悬浮的线圈数量,减小线圈功耗及产热. 基于磁荷模型推导出磁标量势满足的拉普拉斯方程,利用分离变量法求出磁标量势的解析表达式,并对浮子在整个磁场中的受力进行精确的计算;充分研究探讨了定子与动子永磁体之间被动悬浮力的稳定区域,简化忽略了竖直方向上力的解耦,建立被控对象的数学模型,并研制了以微控制单元为中心的数字集成控制器,通过试验研究了平台的悬浮性能. 研究结果表明:本文所提出的混合斥力式磁浮平台在悬浮高度23 mm水平范围 ± 4 mm内,能够实现稳定的水平运动,并且浮子在垂直方向的位移变化不超过0.2 mm.      

主动磁悬浮轴承在余热发电机的应用研究

针对传统余热发电设备存在发电效率低、成本高、体积大等问题,设计了一款装备5自由度（5-DOF）主动磁悬浮轴承的余热发电机,用于余热发电有机朗肯循环系统. 首先,基于电机转子轴径限制和最大承载力要求,确定径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承的结构形式,采用一维磁路模型和二维有限元分析,计算并校核磁悬浮轴承的尺寸和性能参数;其次,为保证磁悬浮轴承的稳定裕度,采用三电平PWM功率放大器降低输出电流纹波,利用不完全微分PID控制器和不平衡补偿算法实现5自由度稳定悬浮;最后,将该磁悬浮余热发电机应用到实际客户现场,从稳定裕度、承载力和轴振峰峰值3个维度验证磁悬浮余热发电机的可靠性. 现场试验结果表明:磁悬浮余热发电机系统运行稳定可靠,实现了满功率发电和长期运行考核;在全工况运行范围,磁悬浮轴承系统的灵敏度函数小于12 dB,余热发电机转子振动峰峰值小于53 μm,满足ISO14839-3规定的长期稳定运行要求;轴向承载力最大达到3 600 N,满足实际工况需求.      

基于数据驱动的磁浮列车悬浮系统参数整定

为了解决由于磁浮列车悬浮系统模型存在复杂非线性所带来的控制器参数整定难题,考虑仅依靠悬浮系统单次悬浮调试的输入输出数据来实现控制器参数整定,研究了基于数据驱动的磁浮列车悬浮系统快速参数整定方法. 首先,通过磁浮列车悬浮系统的建模分析了悬浮系统的开环不稳定性和复杂非线性;其次,针对虚拟参考反馈参数整定方法存在的参考模型确定问题,利用估计闭环响应方法来实现数据驱动的控制器参数整定;并且考虑到数据中存在的干扰噪声会影响控制器参数整定,提出了基于信号投影的磁悬浮系统数据噪声抑制方法;最后,以单铁磁悬浮系统为研究对象,通过单铁悬浮实验验证了本文提出的基于数据驱动的磁浮列车悬浮系统参数整定方法的有效性. 研究结果表明:悬浮系统的开环不稳定性和复杂非线性会给参数的快速整定带来较大困难;基于信号投影的噪声抑制方法能够将带噪声数据的方差降低54.1%;基于数据驱动的参数整定方法能够快速地整定好悬浮系统控制器参数,经参数整定后的系统相较于初始条件下只粗调好的PID反馈控制系统的阶跃响应超调量下降72.0%,平方误差积分 （ISE）下降79.8%,绝对误差积分 （IAE）下降54.5%.      

吊舱推进电机的无模型自适应滑模矢量控制

为解决半潜船吊舱推进电机控制系统中负载扰动造成的转速跟踪性能差的问题, 提出一种基于数据驱动的吊舱推进电机转速矢量控制方法; 对包含未知负载扰动的推进电机转速方程进行离散化处理, 给出关于输出转速与输入电流离散后的非线性转速系统; 由于非线性转速系统方程中变量较多且负载扰动模型未知, 设计了基于数据驱动的无模型自适应控制器, 并给出了伪偏导数估计算法; 采用滑模观测器观测螺旋桨负载扰动, 同时给出了滑模控制器; 结合无模型自适应控制和滑模控制给出了负载扰动下的无模型自适应滑模(MFASM)控制方案; 构建了吊舱推进电机无模型自适应滑模矢量控制调速系统, 并在MATLAB/Simulink环境下给出了仿真结果。研究结果表明: 在船舶正常作业恒定转速下, 在0.3~0.5 s时间区域内, 采用MFASM矢量控制方案和PI矢量控制方案的吊舱推进电机的转速误差分别为2、6 r·min-1; 在0.8~1.0 s时间区域内, 采用无模型自适应滑模矢量控制方案和PI矢量控制方案的吊舱推进电机的转速误差分别1、3 r·min-1; 对于船舶操车作业的可变转速情形, 采用MFASM矢量控制方案的推进电机转速和转矩达到稳态的时间比PI矢量控制方案少0.01~0.03 s。可以看出, 采用MFASM矢量控制方案可改善吊舱推进电机转速跟踪性能, 是一种有效的抑制负载扰动的数据驱动控制方法。      

永磁悬浮车稳定悬浮机构研究

介绍了３种用于永磁悬浮车的永磁悬浮机构。一种车体重心在悬浮机构之上,另两种车体悬挂在悬浮机构之下。根据永磁体斥力与吸力的基本特性,从力学平衡与稳定性的角度,对３种永磁悬浮机构进行了研究。分析表明将永磁体的斥力和吸力合理组合能够将车体悬浮起来。在３种永磁体悬浮结构中,斥力和吸力共同作用下的悬挂式悬浮机构可实现静态稳定悬浮。     

磁悬浮列车横风稳定性的数值分析

利用二维定常不可压缩Navier-Stokes方程、K-E两方程紊流模型,采用有限体积法分析计算了不同车轨结构的磁浮列车横风稳定性,并与轮轨型列车的横风稳定性作了比较。数值分析结果表明,在横向风的作用下,轮轨型列车的横向稳定性优于磁浮列车,而吸力型磁浮列车的横向稳定性又优于U型线路斥力型磁浮列车。     

电磁悬浮技术在汽车悬架系统中的应用

汽车悬架系统承受着路面传给汽车车轮的各个方向的力,同时担负着保证汽车行驶平顺性和操纵稳定性的重任,是汽车各总成中磨损较为严重的部分之一.本文借鉴电磁悬浮技术在磁悬浮列车上的成功应用,结合汽车悬架系统的基本结构,提出电磁式电控悬架的想法,并把传统的电控悬架的特点与之相比较.电磁式电控悬架在一定程度上减少了摩擦,增加行驶平顺性,简化悬架结构.     

车辆主动悬挂最优预见控制模型

以复杂多自由度的车辆系统设计模型代替传统的简化模型,建立了主动悬挂控制车辆系统模型,设计了最优预见控制器,研究了车体的浮沉、点头、侧滚3种运动状态在加控制和未加控制时的路面激扰响应。仿真计算结果表明在最优控制下车体的浮沉响应降低了27％,点头响应降低了30％,侧滚响应降低了30％;在预见控制二次加权矩阵的作用下,车体的浮沉响应降低了54％,点头响应降低了50％,侧滚响应降低了45％;根据预见控制的提前预见可适时响应的特点,系统可按设定目标预见步数提前作出响应,由此验证了最优预见控制在复杂多自由度的车辆主动悬挂设计模型中应用的可行性和有效性。