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原文传递混合磁悬浮车动力学建模及姿态控制研究

论文题名：	混合磁悬浮车动力学建模及姿态控制研究
关键词：	磁悬浮车辆;动力学建模;姿态控制系统;硬件控制系统;电磁悬浮;永磁悬浮;自动控制理论;混合磁悬浮;动力学模型;永磁场;线路;数值仿真;控制系统设计;轨道梁;电磁场;磁导向;耦合问题;控制算法;仿真计算;电路模块
摘要：	磁悬浮车通常分为常导磁悬浮和超导磁悬浮两种，具有运行速度高、噪音低、乘坐安全舒适，具有其它陆上交通工具无可比拟的优势，目前世界上已有数条商业化运行或试验运行线路，引起世界各国的极大关注。但是，电磁悬浮车为了获得稳定的磁悬浮，需要很大的驱动电流，具有功耗大、发热严重的缺点。另外，为了磁悬浮车可靠悬浮及行驶，必须沿轨道梁全程铺设供电轨、悬浮线圈及行走驱动线圈，控制系统也比较复杂，致使其造价高昂，尚难以获得大规模商业推广普及。　　近年来，随着稀土永磁材料性能的提高和制备工艺的完善，各国学者或相关部门竞相努力，采用永磁悬浮或混合磁悬浮代替传统的电磁悬浮，研制出新一代磁悬浮车成为了可能。这种基于稀土永久磁铁材料的磁悬浮车具有功耗低、结构简单、工程造价低等优点，具有良好的应用前景。　　本文针对传统电磁悬浮车可控制性好但能耗大等缺点，而永磁悬浮车节能但可控性差的问题，将二者的优点相结合，提出了一种永磁悬浮电磁导向磁悬浮车模型。系统地建立了它的磁悬浮车辆-线路动力学模型，并深入研究了这种混合磁悬浮车的姿态控制理论，在此基础上设计了模型样车的姿态控制系统，并对样车的永磁场和电磁场进行了数值仿真计算。本论文主要章节内容如下：　　第一章为绪论。概述了磁悬浮车的研究现状，全面分析了磁悬浮车研究的最新进展，重点介绍了德国常导电磁悬浮车、日本低温超导悬浮车和中国永磁悬浮车的工作原理、研究进展及其特点，提出了永磁悬浮电磁导向磁悬浮车的设计方案，理论分析了其节能、环保和使用寿命长等特点，它具有良好的发展前景和重要的研究意义。　　第二章为混合磁悬浮车辆-线路动力学建模。建立了磁悬浮车-线路空间动力学模型和运动方程。通过分析磁浮车辆结构、轨道梁和线路条件的主要特征，将车辆系统简化为由车体、摇枕、悬浮架、导向和悬浮电磁铁组成的多自由度刚体系统，对线路系统中轨道采用有限元方法建立弹性轨道梁模型，并将两者之间通过控制系统的电磁相互作用模型耦合起来，较为完整地建立了磁悬浮车辆-线路空间动力学模型，为后续动力学仿真计算和动力响应规律分析提供了基础。　　第三章基于建立的模型，研究了混合磁悬浮车姿态控制理论。分析了磁悬浮控制的特点和方法，结合磁悬浮自动控制理论，研究了系统的可控可观性，确定了采用经典和现代控制理论相结合的四磁极单独控制的磁悬浮车姿态控制方案；推导了单磁极悬浮系统的开环传递函数，得到系统开环模型；分析了四点悬浮控制系统磁极之间的耦合问题，给出了解决耦合问题的两种不同方案，比较了各自的优缺点。　　第四章基于磁悬浮车姿态控制理论，进行了控制系统设计。深入研究了磁悬浮车姿态控制的线性PID控制算法；基于脉宽调制技术，采用数字芯片F2812DSP设计了硬件控制系统，包括电源模块、输入信号调理电路模块、AD采样模块、DSP外围电路、DA转换模块和驱动电路模块；基于硬件控制系统设计了软件程序，包括主程序、初始化模块、数据采集模块、控制算法模块和PWM输出控制模块；最后进行系统硬件软件联调试验。　　第五章深入地分析了磁悬浮车的永磁场和电磁场数值仿真。采用磁场分析软件，探讨永磁悬浮电磁导向磁浮车的磁场分布及其大小的影响因素，分别研究永磁场和电磁场的二维平面分布和三维立体分布，通过磁场分析、建模，对其永磁铁和电磁铁进行数值计算，采用数值仿真方法计算气隙内磁感应强度及其磁力线分布，为磁悬浮车的稳定悬浮提供了研究手段。
作者：	卢志远
专业：	机械设计及理论
导师：	李德胜
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京工业大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文