文档介绍：基于卡尔曼滤波的磁浮列车悬浮控制

一、应用背景
磁浮列车具有速度快、噪音低、振动小、安全环保等优点,是一种绿色轨道交通工具。磁浮列车系统的悬浮控制是列车设计中的核心技术之一,以往悬浮控制研究的侧重点在于控制问题本身,忽略了传感器信号的采集和处理等工程问题。在悬浮控制系统的工程试验中发现间隙传感器信号的获取和滤波问题是影响悬浮效果的重要因素。并且在控制器设计中所用
的状态反馈量有的是无法直接测量的,需要依据可测量来设计观测器获得。根据磁悬浮控制系统实时性要求高的特点,本文采用卡尔曼滤波器可以同时完成信号滤波和状态观测。
二、问题描述
本文研究的一节磁浮列车包括4个具有搭接结构的独立的转向架组成,对应16个悬浮模块,每个悬浮模块对应2套悬浮控制系统实现悬浮支称,如此一辆车需32套悬浮控制器才能够悬浮。由于磁浮列车悬浮系统是一个包含车厢、二次系、转向架、悬浮电磁铁以及轨道在内的有源支撑且有着非线性耦合的复杂系统,动力学影响因素众多,使得问题过于复杂,往往需要对模型作进一步的简化。转向架的左右悬浮模块和对应的搭接悬浮模块是单独控制。转向架通过空气弹簧和吊杆以及推力杆与车体相联。这种结构保证了电磁铁的四个自由度(除滚动、运行自由度以外)的运动。那么整个悬浮系统可以近似认为是32套独立控制的悬浮单元(对应1套电磁铁组,1套功率放大器,1个悬浮控制器、1组间隙传感器和加速度计)支撑的系统,在工程实际中也是这样去实现的。因此不失一般性,本文主要以单点悬浮控制器为研究对象,单点悬浮系统的电气结构如图1所示。图中s表示电磁铁和轨道面的间隙,F表示电磁悬浮力,m表示电磁铁质量,f表示干扰力,i表示控制器输出电流,u表示电磁铁两端电压,R表示电磁铁等效电阻。控制系统由间隙传感器、加速度计、数字控制器(内部包含电流和电压等传感器)和斩波器构成。间隙传感器测量电磁铁和轨道间的气隙,加速度计测量电磁铁垂向运动的加速度。数字控制器获得各种传感器信号并通过控制算法生成控制量驱动斩波器。斩波器完成功率电流输出,驱动电磁铁产生电磁力。控制算法保证在一定间隙下(8mm)电磁力和负载重力相同,使单点稳定悬浮。
三、方法介绍
单点悬浮系统模型为:
式中,c为电磁常数,s表示间隙,F表示电磁悬浮力,m表示电磁铁质量,f表示干扰力,i表示控制器输出电流,u表示电磁铁两端电压,R表示电磁铁等效电阻。
将非线性方程组(1)在平衡工作点(i0 ,s0)附近利用泰勒级数展开进行线性化处理,从而得到近似的线性化模型:
其中电磁铁的电感值较大,近似一个大时间常数的惯性环节。这就造成了由控制器的输出电压转化为产生电磁力的电磁铁电流的时间过长,使系统不易稳定。因而在控制算法中引入电流反馈,采用位置环和电流环双环分级的设计思想。首先调节电流环(内环)反馈参数,减少内环的响应时间,使其在外环(位置环)的响应频段内近似为一个比例环节。从而在位置环(外环)设计时系统降阶为二阶系统,简化了系统设计,方便调试。在实际应用时先调试电流环参数,满足要求后再调整位置环,保证系统稳定悬浮。
位置环控制率:
电流环控制率:
系统的控制率为:
系统的控制原理框图如图2所示。考虑电流环(内环)的设计。电磁铁在平衡点附近小范围运动,电磁铁电感近似为一个常数。通过变换得到新的内外环分离的系统结构,如图3所示