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.      

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。     

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.      

单自由度磁悬浮系统无模型自适应控制的研究

针对单自由度磁悬浮系统的非线性及难以建立精确数学模型的问题，将全格式无模型自适应控制（FFDL-MFAC）方法应用于单自由度磁悬浮系统，首先，采用无模型自适应控制算法、伪梯度估计算法、伪梯度重置算法和单自由度磁悬浮系统的动态化数据模型，设计单自由度磁悬浮系统的控制器；然后，仿真分析MFAC控制参数对单自由度磁悬浮系统控制效果的影响及对阶跃响应信号、干扰信号和噪声信号的响应特性；最后，在磁悬浮球实验装置上进行实验验证. 研究结果表明:全格式无模型自适应控制方法只需采集单自由度磁悬浮系统在工作状态下的I/O数据，无需建立单自由度磁悬浮系统精确数学模型，通过设定全格式无模型自适应控制器参数即可使控制器具备良好的自适应性和鲁棒性，实现高精度稳定悬浮控制；与PID相比，FFDL-MFAC将系统的超调量降低了0.005，稳定悬浮位移的误差均方根减小了0.2607.      

可变磁路式永磁悬浮平台的起浮控制方法

磁悬浮技术应用于超洁净传送，可有效减少粉尘污染. 可变磁路式永磁悬浮平台具有低功耗、抗吸附的特性，可避免电磁悬浮传送平台温升大和混合磁悬浮平台安全性差的弊端. 为解决永磁悬浮平台起浮过程易发散的问题，提出并验证分散控制、集中控制和积分分离法3种起浮控制方法. 首先，分析可变磁路式永磁悬浮平台的磁力控制原理，建立系统动力学模型，并采用分散控制实现悬浮平台起浮；然后，针对起浮后平台倾斜的问题，提出了三自由度集中控制方法，其中平台的垂向控制为PD （proportional differential），侧倾与俯仰方向为PID（proportional integral differential ）；最后，应用积分分离法进行分段控制，以实现垂向的精确定位. 研究结果表明:集中控制方法实现了平台倾斜角的自纠偏，可有效解决分散控制下各磁极磁力特性差异引起的平台倾斜问题，调节时间为0.5 s；垂向采用积分分离方法后，平台垂向的稳态误差由0.23 mm可减小为0，调节时间为3.0 s.      

电动磁浮列车用直线谐波发电机发电特性计算

为研究高速磁悬浮车辆直线谐波发电机的发电特性，首先，基于空间谐波法，提出超导线圈的磁动势分布模型，并推导超导线圈在三维空间内磁感应强度分布公式；其次，基于悬浮线圈与超导线圈间的电磁耦合关系，计算悬浮线圈电流的感应磁场，分析得知悬浮线圈五次谐波磁场用于感应集电；然后，将悬浮线圈五次谐波磁场作为集电线圈的激励，推导集电线圈感应电动势的解析式；最后，以日本山梨线MLX01型磁浮列车为工程背景，利用数值解析值、有限元仿真和日本山梨线实测数据进行了对比分析.研究结果表明：超导线圈磁感应强度、感应电动势和集电功率的解析值与有限元仿真、实测数据的相对误差均在10%以内，验证了磁动势分布模型和解析模型的有效性；列车速度大于100 km/h时，悬浮线圈电流及其感应磁场趋于饱和；集电线圈感应电动势与列车运行速度近似呈线性关系，集电功率与速度呈二次非线性关系；列车速度500 km/h时，集电功率为43.3 kW；列车速度在380 km/h时达到25.0 kW的目标集电功率，保证了磁悬浮车辆车载供电的可靠性.     

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.      

磁悬浮列车发展现状与展望

作为新型轨道交通技术的典型代表，磁悬浮交通具有无机械接触磨损、运行速度高、安全可靠、环境友好等优点，经过60年的发展，正逐渐走向成熟. 本文首先对国内外磁悬浮列车的发展历史作了简要回顾；然后，从结构原理、核心技术和应用场景等方面对永磁悬浮、电磁悬浮、电动悬浮和超导钉扎悬浮4大类磁悬浮交通系统进行了详细介绍，对其悬浮特点、悬浮间隙、磁力计算、驱动技术与技术成熟度等进行了阐述，并指出发展时速600公里级高速磁浮列车亟须解决的试验平台搭建、电机控制策略、紧急制动、线路维护、无线传能、无线通信、气动噪声、磁浮道岔等8个关键问题；最后，对超高速真空管道磁悬浮交通系统的研究进展以及需要研究的课题进行了探讨与展望.      

大容量变压器线圈短路状态下非线性稳定性与动力稳定性

针对大容量变压器在短路状态下线圈的机械稳定性问题，采用三维计算模型，选取空间梁单元模式，应用大位移小应变理论，选用Budiansky-Roth准测判断失稳临界状态，对线圈结构的非线性动静态稳定性进行有限元分析．     

大容量变压器线圈短路状态下非线性稳定性与动力稳定性

针对大容量变压器在短路状态下线圈的机械稳定性问题,采用三维计算模型,选取空间梁单元模式,应用大位移小应变理论,选用Budiansky-Roth准测判断失稳临界状态,对线圈结构的非线性动静态稳定性进行有限元分析.     

磁浮列车静悬浮车轨耦合振动对比分析

为研究二系悬挂中置与端置的两种三悬浮架低速磁浮列车的车轨耦合振动特性，依据牛顿第二定律建立了其垂向车轨耦合动力学模型. 首先通过动力学方程分别分析了两种磁浮列车车体和悬浮架之间的耦合关系，然后研究了两种磁浮列车悬浮架均存在0.09° 的初始角位移时的动力学特性，最后研究了两种磁浮列车中二系悬挂对悬浮架作功的差异. 研究结果表明:与二系悬挂端置的磁浮列车相比，二系悬挂中置的磁浮列车，车体与悬浮架之间的耦合关系更少；当两种磁浮列车悬浮架均存在0.09° 的初始角位移时，采用二系悬挂中置的磁浮列车与采用二系悬挂端置的磁浮列车相比，前者具有更小的车体位移、车体垂向振动加速度、轨道梁振动位移和悬浮间隙波动；以上4个参数前者最大值分别为0.005 mm、0.004 m/s2、0.004 mm和0.005 mm；而后者最大值分别为0.023 mm、0.02 m/s2、0.021 mm和0.02 mm；与二系悬挂端置的磁浮列车相比，二系悬挂中置的磁浮列车，其二系空气弹簧对悬浮架作功更小，仅为前者的50%.      

超高速永磁电动悬浮系统性能优化

为提高超高速永磁电动悬浮系统的综合性能，围绕浮重比、浮阻比和悬浮刚度3个重要指标开展了多目标性能优化研究.首先，对永磁电动悬浮系统进行横向延拓，推导三维电磁力模型，并进行有限元仿真分析；然后，针对浮重比、浮阻比和悬浮刚度的多目标优化问题，提出基于“系统级+子系统级”架构的并行优化策略，实现了线性加权意义下的系统性能最优.最后，搭建了“Halbach永磁阵列+凸缘式铝制转盘”实验平台，验证上述优化策略在提高系统性能上的有效性.研究结果表明：在超高速工况下，理论解析计算得到悬浮力与仿真结果误差在8%以内，而磁阻力几乎没有误差；通过优化设计，浮重比从11.0提升至18.3，增幅为75.50%；浮阻比从3.5提升至3.8，增幅为7.50%；单位质量永磁阵列的悬浮刚度从6.1 kN/m提升至20.6 kN/m，增幅为235.94%.     

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.      

磁悬浮柔性转子系统解耦控制仿真

目前磁悬浮转子系统的解耦控制研究主要基于刚性转子系统，但在高转速、高支撑刚度下，转子的弹性模态不能忽视.针对磁悬浮柔性转子的解耦控制问题，首先，建立柔性转子模型，采用模态截断法进行简化，通过状态反馈解耦得到解耦系统；然后，基于解耦系统设计了内模控制器，针对状态变量不易通过传感器获取的特点设计状态观测器；最后，仿真分析系统的解耦效果.仿真结果表明：未解耦系统的位移响应中含有与系统固有频率相关的多个频率成分，而解耦后系统的位移响应仅含激励同频成分；同一坐标平面内的机械耦合由10^-5m数量级减小到10^-6m数量级，由陀螺效应引起的两径向方向间的耦合由10^-6m数量级减小到10^-19m数量级，机械耦合和陀螺效应耦合均得到了有效控制；稳定悬浮时轴心到参考点距离的标准差由6.52×10^-9m减小到6.38×10^-12m，解耦后系统的运行波动更小；转子升速时和受到噪声干扰时系统响应不再受到固有频率影响，始终保持平稳；采用状态反馈解耦对不同的控制方法同样有效.     

基于磁悬浮技术的建筑隔震研究进展

隔震是在强烈地震中保护建筑物最有效的技术之一,采用磁悬浮技术对建筑结构进行隔震是结构工程的前沿研究领域,与采用传统橡胶隔震支座的技术相比,磁悬浮技术可以同时实现对隔震结构水平振动和竖向振动的主动控制,但基于磁悬浮技术的建筑隔震研究还相对比较薄弱. 简要回顾了磁悬浮技术的发展历程,详细介绍了磁悬浮隔震的基本原理和工作过程,系统阐述了永磁体轨道-电磁铁、衔铁-电磁铁两种磁悬浮隔震体系的理论研究进展与隔震装置研发情况,指出了磁悬浮隔震技术在建筑结构的实际应用中还有待解决的关键问题,并对今后基于磁悬浮技术的建筑结构隔震研究提出了一些建议.      

EMS型中低速磁浮列车悬浮架技术研究综述

悬浮架是承载EMS(electro-magnetic suspension)型中低速磁浮列车运行的关键子系统，影响列车的悬浮稳定性、舒适性和安全性，需要对其进行深入研究.围绕国内外EMS型中低速磁浮列车应用案例，介绍了（悬挂）端置式悬浮架、（悬挂）中置式悬浮架的技术方案和特征，总结了主要技术指标.结合悬浮架技术研究、发展现状，讨论了磁轨作用关系、运动解耦能力、动力学性能、结构强度以及悬浮冗余设计五大研究方向，通过对研究内容梳理和总结，归纳了现有前沿科学问题和工程技术挑战：一是轨距亟须统一；二是动态磁轨关系研究欠缺；三是悬浮架横向动力学有待研究；四是悬浮架疲劳强度分析及试验不足；五是悬浮架机械结构冗余设计方案较少.     

DKQ弯曲单元的构造及应用

为了研究复杂载荷作用下薄板结构的受力,基于离散Kirchhoff原理,推导了三角形弯曲薄板单元的应变矩阵、刚度矩阵中的显式面积坐标积分方法,根据变分原理构造了任意四边形弯曲单元DKQ,引入对称及反对称畸变模式进行网格畸变敏感性分析,将DKQ弯曲单元与平面应力单元组合,得到了用于薄板分析的四边形平板单元,并编制了有限元分析程序。计算结果表明:相对偏移量从-0.18变化至0.18,反对称畸变模式下挠度最大误差为1.83%,而对称畸变模式下挠度最大误差为0.99%;对某地铁车体结构,计算结果与ANSYS结果误差在3.5%之内,这说明构造的DKQ弯曲单元对网格畸变不敏感,具备良好的位移解收敛性和计算精度。     

电磁型高速磁浮列车直线发电机电动势计算

为解决高速电磁型高速磁浮车辆供电问题，推导了直线发电机线圈自感及互感位置函数．用有限元法计算有关参数，并通过模拟列车运行情况下直线发电机线圈、长定子同步电动机绕组和悬浮电磁铁励磁线圈的工作状况分析所得数据，推导出各位置函数的表达式和直线发电机电动势通式．当列车速度为100和150km/h时，计算值与实验结果相比误差小于7％．     

机载SAR运动补偿系统设计及算法研究

对机载合成孔径雷达（SAR）的运动误差进行了分析，给出了与误差补偿精度相适应的捷联惯性测量单元特性要求，分析了惯性导航系统；全球定位系统（INS／GPS）组合对飞机姿态的影响，设计了运动补偿系统，同时对相位梯度自聚焦算法进行了研究。     

基于透明土技术的桩后土拱效应特征分析

为研究圆桩后土拱效应的特征及演化过程，从细观角度开展了基于透明土技术的桩土相互作用试验研究. 首先开展了透明土配比试验，获取物理力学性质适宜的土体；其次设计了试验系统并得到透明土与桩相互作用的散斑场图像；最后通过particle image velocimetry （PIV）技术分析得到位移矢量图，进一步分析得到透明土位移变化规律. 研究结果表明:通过位移矢量图可以得到圆桩作用下土体运动趋势及土颗粒的位移特征，并可进一步解译得到位移等值线构成的拱形结构，即桩后土拱结构，呈现出抛物线形，其范围与桩径、桩间距及深度有相关性；桩径越大，土拱区域越大，桩径30 mm时，土拱高达100 mm，桩土相互作用的影响范围越大；桩间距越大拱高最大值越大，桩间距80 mm时，土拱高也达100 mm；不同深度下土拱拱高在变化趋势上有较大的相似性，深度越深，土拱的最大拱高越小，深度50 mm时，拱高60 mm；通过拟合公式得到，土拱最大拱高沿桩身方向从桩顶至桩底呈逐渐减小趋势，同时随土体位移增加，表现出先增大，后趋于一稳定值的特征，其稳定值的大小与桩径呈正相关、桩间距呈正相关及深度呈负相关.