混合磁懸浮車動(dòng)力學(xué)建模及姿態(tài)控制研究.pdf

1、磁懸浮車通常分為常導(dǎo)磁懸浮和超導(dǎo)磁懸浮兩種，具有運(yùn)行速度高、噪音低、乘坐安全舒適，具有其它陸上交通工具無可比擬的優(yōu)勢(shì)，目前世界上已有數(shù)條商業(yè)化運(yùn)行或試驗(yàn)運(yùn)行線路，引起世界各國(guó)的極大關(guān)注。但是，電磁懸浮車為了獲得穩(wěn)定的磁懸浮，需要很大的驅(qū)動(dòng)電流，具有功耗大、發(fā)熱嚴(yán)重的缺點(diǎn)。另外，為了磁懸浮車可靠懸浮及行駛，必須沿軌道梁全程鋪設(shè)供電軌、懸浮線圈及行走驅(qū)動(dòng)線圈，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜，致使其造價(jià)高昂，尚難以獲得大規(guī)模商業(yè)推廣普及。
　　

2、近年來，隨著稀土永磁材料性能的提高和制備工藝的完善，各國(guó)學(xué)者或相關(guān)部門競(jìng)相努力，采用永磁懸浮或混合磁懸浮代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁懸浮，研制出新一代磁懸浮車成為了可能。這種基于稀土永久磁鐵材料的磁懸浮車具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。
　　 本文針對(duì)傳統(tǒng)電磁懸浮車可控制性好但能耗大等缺點(diǎn)，而永磁懸浮車節(jié)能但可控性差的問題，將二者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，提出了一種永磁懸浮電磁導(dǎo)向磁懸浮車模型。系統(tǒng)地建立了它的磁懸浮車輛-線路

3、動(dòng)力學(xué)模型，并深入研究了這種混合磁懸浮車的姿態(tài)控制理論，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了模型樣車的姿態(tài)控制系統(tǒng)，并對(duì)樣車的永磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。本論文主要章節(jié)內(nèi)容如下：
　　 第一章為緒論。概述了磁懸浮車的研究現(xiàn)狀，全面分析了磁懸浮車研究的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了德國(guó)常導(dǎo)電磁懸浮車、日本低溫超導(dǎo)懸浮車和中國(guó)永磁懸浮車的工作原理、研究進(jìn)展及其特點(diǎn)，提出了永磁懸浮電磁導(dǎo)向磁懸浮車的設(shè)計(jì)方案，理論分析了其節(jié)能、環(huán)保和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，它具有良

4、好的發(fā)展前景和重要的研究意義。
　　 第二章為混合磁懸浮車輛-線路動(dòng)力學(xué)建模。建立了磁懸浮車-線路空間動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程。通過分析磁浮車輛結(jié)構(gòu)、軌道梁和線路條件的主要特征，將車輛系統(tǒng)簡(jiǎn)化為由車體、搖枕、懸浮架、導(dǎo)向和懸浮電磁鐵組成的多自由度剛體系統(tǒng)，對(duì)線路系統(tǒng)中軌道采用有限元方法建立彈性軌道梁模型，并將兩者之間通過控制系統(tǒng)的電磁相互作用模型耦合起來，較為完整地建立了磁懸浮車輛-線路空間動(dòng)力學(xué)模型，為后續(xù)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算和動(dòng)力響應(yīng)

5、規(guī)律分析提供了基礎(chǔ)。
　　 第三章基于建立的模型，研究了混合磁懸浮車姿態(tài)控制理論。分析了磁懸浮控制的特點(diǎn)和方法，結(jié)合磁懸浮自動(dòng)控制理論，研究了系統(tǒng)的可控可觀性，確定了采用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論相結(jié)合的四磁極單獨(dú)控制的磁懸浮車姿態(tài)控制方案；推導(dǎo)了單磁極懸浮系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，得到系統(tǒng)開環(huán)模型；分析了四點(diǎn)懸浮控制系統(tǒng)磁極之間的耦合問題，給出了解決耦合問題的兩種不同方案，比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　 第四章基于磁懸浮車姿態(tài)控制理論，

6、進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。深入研究了磁懸浮車姿態(tài)控制的線性PID控制算法；基于脈寬調(diào)制技術(shù)，采用數(shù)字芯片F(xiàn)2812DSP設(shè)計(jì)了硬件控制系統(tǒng)，包括電源模塊、輸入信號(hào)調(diào)理電路模塊、AD采樣模塊、DSP外圍電路、DA轉(zhuǎn)換模塊和驅(qū)動(dòng)電路模塊；基于硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了軟件程序，包括主程序、初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制算法模塊和PWM輸出控制模塊；最后進(jìn)行系統(tǒng)硬件軟件聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。
　　 第五章深入地分析了磁懸浮車的永磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)數(shù)值仿真。采用磁場(chǎng)分