專利名稱：用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁電磁混合型磁浮列車的懸浮控制技術(shù)，尤其涉及一種用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法。
背景技術(shù)：
在控制系統(tǒng)中，積分器是用來(lái)消除靜差、實(shí)現(xiàn)無(wú)差控制的常用手段，它與穩(wěn)定控制器一起完成對(duì)懸浮系統(tǒng)的控制。最初的積分器是用模擬電路實(shí)現(xiàn)的，隨著數(shù)字芯片的不斷發(fā)展，只需對(duì)穩(wěn)定控制器的控制芯片編程就能實(shí)現(xiàn)積分器，它可以是單片機(jī)或DSP，也可以是其它具有數(shù)字運(yùn)算與控制功能的處理器。對(duì)于采用不同控制芯片的穩(wěn)定控制器，積分器的實(shí)現(xiàn)方法是相同的。在電磁吸引型(EMS型)磁浮列車的懸浮控制系統(tǒng)中，通常采用的是間隙積分控制方法。通過(guò)對(duì)間隙施加積分控制作用，可以使得實(shí)際懸浮間隙始終維持在所設(shè)定的額定懸浮間隙附近波動(dòng)，而不會(huì)受到承載重量變化的影響。在永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)中，出于節(jié)能的考慮，零電流或微電流懸浮方法得到了廣泛研究，其基本思想是，在懸浮系統(tǒng)中，通過(guò)增加電流積分控制作用，使得電磁鐵電流的平均值始終維持在較小的值，甚至基本為零。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電磁鐵往往既要提供靜態(tài)磁場(chǎng)偏置，又要提供動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用，而靜態(tài)磁場(chǎng)所消耗的電能是白白浪費(fèi)的。隨著永磁材料性能的提高，以及新型磁路的出現(xiàn)，采用永久磁鐵來(lái)提供靜態(tài)磁場(chǎng)偏置、而電磁鐵僅僅用于調(diào)節(jié)的新型設(shè)計(jì)越來(lái)越多。因此，電流積分控制方法的應(yīng)用將日益廣泛。然而，目前的電流積分控制方法只是用數(shù)字芯片實(shí)現(xiàn)了模擬積分器的功能，并沒(méi)有考慮到電流積分會(huì)對(duì)懸浮系統(tǒng)造成不利影響。與間隙積分控制方法相比，電流積分控制方法也帶來(lái)了以下新的問(wèn)題。首先，電流積分控制是一種局部穩(wěn)定的控制方法。如果原系統(tǒng)是全局穩(wěn)定的，它使其變?yōu)榫植糠€(wěn)定；如果原系統(tǒng)是局部穩(wěn)定的，它使其穩(wěn)定范圍更小。因此，一個(gè)控制系統(tǒng)施加積分控制作用之后，需要有一定的方法求出其局部穩(wěn)定的范圍，并在超出穩(wěn)定范圍時(shí)，采取必要的保護(hù)措施。其次，電流積分控制會(huì)產(chǎn)生多個(gè)平衡點(diǎn)。比如，零電流懸浮控制系統(tǒng)，在懸浮指令下達(dá)之前，電流正好為零，這是一個(gè)平衡點(diǎn)；而正常懸浮時(shí)，電流也為零，這也是一個(gè)平衡點(diǎn)；在懸浮磁鐵吸死軌道時(shí)，如果電流為零，這也是一個(gè)平衡點(diǎn)。為了施加控制作用，必須研究全部平衡點(diǎn)，并具備將系統(tǒng)從任意平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)移到指定平衡點(diǎn)的手段。否則，采用電流積分控制方法時(shí)，懸浮系統(tǒng)可能無(wú)法正常起浮，或者出現(xiàn)吸死現(xiàn)象時(shí)懸浮磁鐵無(wú)法脫離軌道。以永磁電磁混合型磁懸浮系統(tǒng)為例，分析采用電流積分控制方法的不足，并與采用間隙積分控制方法的效果進(jìn)行比較。1、采用電流積分時(shí)存在多個(gè)平衡點(diǎn)。永磁電磁混合型磁懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可描述如下其中，_表示懸浮重量，δ表示懸浮間隙，i表示線圈電流，F(xiàn)表示磁力表示重力加速度，u表示控制電壓，R表示線圈電阻，L表示線圈電感，t、a和 表示磁鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在采用電流積分控制時(shí)，永磁電磁混合型懸浮系統(tǒng)存在多個(gè)平衡點(diǎn)，以零電流積分控制為例進(jìn)行說(shuō)明。由于采用永久磁鐵提供靜態(tài)磁場(chǎng)偏置，即使電流為零，永久磁鐵單獨(dú)產(chǎn)生的磁力也可與懸浮系統(tǒng)的重力完全抵消，以維持系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。因此，可計(jì)算出系統(tǒng)在該平衡狀態(tài)的間隙為
該平衡狀態(tài)稱為懸浮平衡點(diǎn)，也是零電流控制的目標(biāo)狀態(tài)。根據(jù)平衡間隙大于零，可求出該懸浮平衡點(diǎn)存在的前提是
永磁電磁混合磁鐵所產(chǎn)生的磁力隨間隙的減小而增大。上述懸浮平衡點(diǎn)存在的前提表明，只有永久磁鐵獨(dú)自所產(chǎn)生的最大磁力超過(guò)懸浮系統(tǒng)的自重，永磁電磁混合磁懸浮系統(tǒng)才存在懸浮平衡點(diǎn)，也才能采用零電流控制方法。這就是說(shuō)，并不是所有的永磁電磁混合磁懸浮系統(tǒng)都能采用零電流控制方法，在有些混合磁鐵中，如果由永久磁鐵單獨(dú)所能提供的最大磁力小于懸浮系統(tǒng)的自重，那么在不施加電流時(shí)，混合磁鐵將無(wú)法維持在懸浮平衡點(diǎn)。 只有永久磁鐵在混合磁鐵中占到較大的比重時(shí)，它才能夠產(chǎn)生較大的磁力，永磁電磁混合懸浮系統(tǒng)才存在零電流平衡點(diǎn)。當(dāng)磁懸浮系統(tǒng)與軌道發(fā)生接觸時(shí)，雖然永久磁鐵單獨(dú)產(chǎn)生的磁力無(wú)法完全抵消懸浮系統(tǒng)的重量，但是磁鐵會(huì)受到軌道的接觸作用力，仍然可能處于平衡狀態(tài)。這又分為兩種情況，一種是磁鐵吸死軌道，間隙保持為零不變，該平衡點(diǎn)也稱為吸死平衡點(diǎn)；另一種是磁
鐵完全降落，懸浮間隙保持為最大間隙4 不變，該平衡點(diǎn)也稱為降落平衡點(diǎn)。上述兩個(gè)平
衡點(diǎn)都不是零電流控制的目標(biāo)狀態(tài)，但是軌道對(duì)磁鐵的接觸作用力的方向相反。但是，并不是所有的永磁電磁混合磁懸浮系統(tǒng)都存在吸死平衡點(diǎn)。在磁鐵吸死軌道的情況下，軌道對(duì)磁鐵的接觸作用力和懸浮系統(tǒng)的重力在同一個(gè)方向上，如果要維持吸死平衡點(diǎn)，那么吸死時(shí)永久磁鐵所能獨(dú)自產(chǎn)生的磁力必然要大于懸浮系統(tǒng)的重力，這與式 (3)所指出的約束條件是相同的。反過(guò)來(lái)講，如果吸死時(shí)永久磁鐵單獨(dú)產(chǎn)生的磁力小于懸浮系統(tǒng)的重力，那么混合磁鐵就會(huì)在重力作用下自動(dòng)脫離吸死狀態(tài)，也就不存在零電流吸死平衡點(diǎn)。因此，通過(guò)減小混合磁鐵中永久磁鐵所占的比重，可以保證永久磁鐵所能提供的磁力小于懸浮系統(tǒng)的重力，就能夠避免出現(xiàn)零電流吸死平衡點(diǎn)，即使出現(xiàn)了磁鐵吸死軌道的情況，只需切斷混合磁鐵的電流，磁鐵就會(huì)在重力作用下自動(dòng)脫離吸死狀態(tài)，可提高永磁電磁混合磁懸浮系統(tǒng)的安全防護(hù)性能。綜上可知，在采用零電流積分控制時(shí)，永磁電磁混合懸浮系統(tǒng)存在多個(gè)零電流平衡點(diǎn)。2、采用間隙積分時(shí)存在唯一的平衡點(diǎn)
在采用間隙積分時(shí)，不管懸浮磁鐵中是否含有永久磁鐵，磁懸浮系統(tǒng)只存在唯一的懸
浮平衡點(diǎn)。這是因?yàn)椴捎瞄g隙積分控制時(shí)，平衡狀態(tài)的間隙是由控制方法設(shè)定的，記為
，這說(shuō)明在平衡狀態(tài)下懸浮系統(tǒng)與軌道之間不會(huì)發(fā)生接觸，也就不存在接觸作用力，懸浮系統(tǒng)的重力完全由混合磁鐵的磁力來(lái)抵消，可計(jì)算出該平衡狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電流為
=+ ) - a(4)
當(dāng)磁鐵吸死軌道或者完全降落時(shí)，懸浮間隙與控制方法所設(shè)定的間隙不相等，間隙積分器會(huì)持續(xù)積分，使得磁鐵脫離軌道回復(fù)到懸浮平衡點(diǎn)。綜上可知，與間隙積分方法相比，在采用電流積分時(shí)，懸浮系統(tǒng)平衡點(diǎn)增多，由全局穩(wěn)定系統(tǒng)變成了局部穩(wěn)定系統(tǒng)，這是電流積分控制方法引入的新問(wèn)題。為了解決存在多個(gè)平衡點(diǎn)時(shí)懸浮系統(tǒng)的控制問(wèn)題，需要研究不同平衡點(diǎn)的穩(wěn)定范圍，對(duì)電流積分器的局部穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的一種用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法，研究了電流積分器的局部穩(wěn)定范圍和穩(wěn)定裕度的分析方法，提出一種改進(jìn)電流積分控制的方法，以解決平衡點(diǎn)切換問(wèn)題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法，一種用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法，其特征在于，包含以下步驟
步驟1、確定平衡點(diǎn)的穩(wěn)定范圍； 根據(jù)永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，
權(quán)利要求
1. 一種用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法，其特征在于，包含以下步驟··步驟1、確定平衡點(diǎn)的穩(wěn)定范圍； 根據(jù)永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，
2.如權(quán)利要求1所述的用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法，其特征在于，所述的步驟1中，由穩(wěn)定邊界A所包含的區(qū)域就是降落平衡點(diǎn)A的穩(wěn)定范圍，只要懸浮狀態(tài)在該范圍內(nèi)變化，就會(huì)回復(fù)到降落平衡點(diǎn)A ；由穩(wěn)定邊界B所包含的區(qū)域就是吸死平衡點(diǎn)B的穩(wěn)定范圍，只要懸浮狀態(tài)在該范圍內(nèi)變化，就會(huì)回復(fù)到吸死平衡點(diǎn)B ；穩(wěn)定邊界A和穩(wěn)定邊界B均不包含的區(qū)域，就是懸浮平衡點(diǎn)C的穩(wěn)定范圍，只要懸浮狀態(tài)在該范圍內(nèi)變化，就會(huì)回復(fù)到懸浮平衡點(diǎn)C。
3.如權(quán)利要求1所述的用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法，其特征在于，在所述的步驟5中，在懸浮系統(tǒng)進(jìn)入降落平衡點(diǎn)的穩(wěn)定范圍后，同時(shí)切斷磁鐵兩端的電壓，使懸浮系統(tǒng)在重力的作用下快速可靠地降落。
4.如權(quán)利要求1所述的用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法，其特征在于，所述的步驟6. 1包含以下步驟步驟6. 1. 1、確定積分器的積分時(shí)間常數(shù)的下限值；步驟6. 1.2、增大積分系數(shù)，從而增大積分時(shí)間常數(shù)，使積分時(shí)間常數(shù)大于步驟6. 1. 1 中的下限值。
5.如權(quán)利要求4所述的用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法，其特征在于，在所述的步驟6. 1. 1包含以下步驟步驟6. 1. 1. 1、懸浮系統(tǒng)處于懸浮狀態(tài)，間隙大于零，電流為零；步驟6. 1. 1. 2、懸浮磁鐵剛接觸軌道，間隙為零，電流不為零，記為L(zhǎng) ； 步驟6. 1. 1. 3、懸浮磁鐵吸死軌道，間隙為零，電流為零；步驟6. 1. 1. 4、記錄電流從^變化至0. 所用的時(shí)間，得到積分器的時(shí)間常數(shù)的下限值。
6.如權(quán)利要求1所述的用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法，其特征在于，所述的步驟6. 2包含以下步驟步驟6. 2. 1、在混合磁鐵暫時(shí)吸死軌道時(shí)，先將電流積分器的值清零； 步驟6. 2. 2、穩(wěn)定控制器的控制量使得總的控制量在磁鐵兩端產(chǎn)生反向電壓，使得電流隨時(shí)間的變化率為負(fù)值；步驟6. 2. 3、令電流隨時(shí)間的變化率小于吸死平衡點(diǎn)B的穩(wěn)定范圍內(nèi)電流隨時(shí)間的變化率的最小值，懸浮系統(tǒng)進(jìn)入懸浮平衡點(diǎn)C的穩(wěn)定范圍；步驟6. 2. 4、啟動(dòng)電流積分器，使得懸浮系統(tǒng)的狀態(tài)逐漸穩(wěn)定到懸浮平衡點(diǎn)C。
7.如權(quán)利要求1所述的用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法，其特征在于，所述的步驟6. 3包含以下步驟步驟6. 3. 1、在混合磁鐵暫時(shí)吸死軌道時(shí)，積分器不再對(duì)電流進(jìn)行積分，而是改為對(duì)間隙進(jìn)行積分，目標(biāo)間隙設(shè)定為大于吸死平衡點(diǎn)B的穩(wěn)定范圍的最大間隙；步驟6. 3. 2、在穩(wěn)定控制器和間隙積分器的共同作用下，懸浮磁鐵會(huì)脫離吸死位置，并逐漸穩(wěn)定到目標(biāo)間隙所指定的位置后，積分器停止對(duì)間隙的積分，而是重新改為對(duì)電流的積分。
8.如權(quán)利要求7所述的用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法，其特征在于，在所述的步驟6. 3中，穩(wěn)定控制器可以在采取措施克服吸死的同時(shí)，向控制臺(tái)發(fā)送吸死的警告信號(hào)。
全文摘要
一種用于永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的電流積分控制方法，先確定永磁電磁混合型磁浮系統(tǒng)的三個(gè)平衡點(diǎn)的穩(wěn)定范圍，采用電流積分控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡點(diǎn)之間的切換，從而實(shí)現(xiàn)起浮過(guò)程、下降過(guò)程，并且在懸浮過(guò)程中克服吸死。本發(fā)明研究了電流積分器的局部穩(wěn)定范圍和穩(wěn)定裕度的分析方法，提出一種改進(jìn)電流積分控制的方法，以解決平衡點(diǎn)切換問(wèn)題。
文檔編號(hào)B60L13/04GK102195536SQ20111007315
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者劉恒坤, 吳小東, 張曉 , 徐俊起, 李云鋼, 江浩, 程虎, 龍娟 申請(qǐng)人:上海磁浮交通發(fā)展有限公司, 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)