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原文传递基于车路耦合磁悬浮列车非线性振动控制研究

论文题名：	基于车路耦合磁悬浮列车非线性振动控制研究
关键词：	磁悬浮列车;非线性振动;车路耦合;控制策略
摘要：	磁悬浮列车子系统间出现的非线性耦合振动会影响车辆运行的安全性与平顺性，其减振控制是常导低速磁浮列车应用中必须要解决的问题。磁悬浮列车运行过程中会受到各种原因的影响，导致车体产生非线性振动，其中，周期性非定常气动力是主要因素之一，然而，现有的理论研究过程中普遍忽略了气动升力，影响结果的准确性。本文以磁悬浮列车为研究对象，研究列车系统间发生共振的原因，分析系统非线性耦合振动的动力学特性和稳定性，找到了避免磁浮列车发生耦合共振的控制方法，为磁浮列车结构参数设计及系统稳定性的提高提供了理论依据和计算方法。　　首先，研究了磁悬浮列车在周期性非定常气动力扰动下的单自由度非线性振动。建立基于PD控制的周期性非定常气动力扰动下单自由度磁悬浮车体振动模型，推导其正刚度时振动非线性动力学微分方程，通过多尺度法求解，得到车体的幅频响应曲线。其次，对车体进行了稳定性分析，得出车体非线性振动和控制参数、磁悬浮车体等效质量之间的关系。然后，研究了系统负刚度控制，得到一种改变系统刚度的分岔控制方法，利用数值理论研究了速度控制参数对周期和混沌解的影响规律，找出了控制参数的分岔参数区间。　　其次，建立了磁悬浮列车在非定常气动力扰动下的二自由度非线性振动模型。在单自由度的基础上，考虑了车体和磁浮架的相对运动，研究周期性非定常气动力对磁悬浮列车车体、电磁铁之间耦合共振现象的影响规律。建立车体-电磁铁动力学方程，应用多尺度法推导出了幅频响应方程，根据幅频方程得出车体-电磁铁的幅频曲线，通过曲线分析了列车间弹簧刚度、阻尼系数、控制参数、车体质量等参数和车体电磁铁振动幅值之间的规律。　　然后，研究了桥梁-磁悬浮列车之间的耦合非线性振动。当磁悬浮列车静止悬浮在桥梁上时，磁浮列车和桥梁会产生大幅度垂向自激振动。为了分析其共振原因，考虑了弹性梁对磁悬浮列车的影响，建立基于PD控制的桥梁磁悬浮列车二自由度耦合非线性模型，推导桥梁和磁浮列车的耦合动力学方程，得出桥梁-磁悬浮列车发生耦合共振时的幅频响应曲线，分析控制参数、桥梁参数和电磁铁参数对桥梁-磁悬浮列车耦合非线性振动的影响规律，为认识并解决自激振动问题提供了理论参考。　　最后，研究了磁悬浮列车电磁铁和电磁铁电路间的机电耦合内共振。建立了磁悬浮列车单点电磁铁模型，研究轨排电磁铁和列车电磁铁电路间的机电耦合关系，列出磁轨机电耦合动力学微分方程，推导出电磁铁和电路系统频率比近似满足2:1时的幅频响应曲线，仿真得出磁悬浮电磁铁的非线性振动与线圈等效电阻、线圈匝数、线圈电流量及有效磁极面积之间的关系。然后采用磁悬浮列车中常用的PD控制算法，进行稳定性分析，找出使磁悬浮列车稳定时位移控制参数、速度控制参数的取值范围。　　研究表明，通过改变列车控制和结构参数，可以有效减弱磁悬浮车轨、磁轨和车桥等之间的耦合内共振。因此，可以在磁悬浮参数设计中尽可能避开发生内共振的条件，也可以在合理范围能增大控制参数的取值。
作者：	苏红建
专业：	车辆工程
导师：	刘灿昌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东理工大学
学位年度：	2022