[发明专利]一种无气隙微分反馈的悬浮控制方法

说明书

本发明公开了一种无气隙微分反馈的悬浮控制方法，以检测气隙值、电磁铁电流微分、电磁铁电压和电磁铁电阻压降为状态反馈变量，构造中低速磁浮列车悬浮控制系统的闭环反馈控制量。本发明的有益效果在于，不采用气隙微分作为反馈变量，而是通过电压中隐含的实际气隙微分分量提供反馈系统所需要的气隙微分分量，避免了轨道扰动通过检测气隙值微分造成的系统扰动，同时采用气隙值的函数作为反馈系数，降低了气隙值误差对系统造成的扰动。本发明用于中低速磁浮列车悬浮控制系统，对于解决轨道扰动对悬浮系统稳定造成扰动的问题，具有重要的理论意义和工程价值。

技术领域

本发明涉及中低速磁浮列车悬浮控制技术领域，特别是一种无气隙微分反馈的悬浮控制方法。

背景技术

中低速磁浮列车的悬浮系统采用电磁吸力悬浮的形式，悬浮电磁铁通过电流与轨道之间产生电磁吸力，电磁吸力克服悬浮电磁铁自身的重力以及外部的附加力和扰动力使得悬浮电磁铁可以稳定悬浮，电磁铁与轨道之间保持固定的距离，就是电磁铁悬浮面与轨道悬浮面之间的气隙值维持不变。

电磁吸力悬浮系统是一种本质不稳定系统，系统中的电磁铁电流需要根据闭环反馈环节进行实时调节才能实现系统的稳定悬浮。闭环反馈环节通过气隙检测得到电磁铁与轨道之间的距离，根据检测气隙的大小，通过控制计算对电磁铁电流的大小进行调节，进而调整电磁吸力的大小实现电磁铁与轨道之间保持在固定的气隙值上。

对电磁吸力悬浮系统进行理论分析，对图1系统列理想条件下系统方程，

其中m为电磁铁质量，f_d为系统的扰动力，F(i,δ)为电磁铁与轨道的电磁吸力，为与电磁铁的匝数N、极面积S等相关的电磁吸力系数，μ₀为真空中的磁导率。方程(1)为物体受力方程，方程(2)为电磁铁与轨道电磁吸力方程，假设系统平衡点(稳定气隙处)处电磁铁电流为I₀，气隙为δ₀。

可以知道系统在平衡点线性化开环传函为其中k_δ为在平衡点处的电磁吸力对气隙的变化率，k_i为在平衡点处的电磁吸力对电流的变化率，Δδ为平衡点附近气隙偏移量，Δδ＝δ-δ₀，Δi为平衡点附近电流的偏移量，Δi＝i-i₀。开环传函中一次项系数为零，常数项系数为负，系统具有不稳定右半平面极点。

为了维持系统的稳定通常对其进行基于气隙、气隙微分等状态变量的反馈控制。比如采用最简单的反馈形式Δi(s)＝k_pΔδ(s)+k_dsΔδ(s)，其中气隙反馈用于修正系统负常数项系数，气隙微分反馈修正系统的零一次项系数，那么系统的闭环传函变为通过闭环传函可以看到，在这种简单气隙和气隙微分的线性组合反馈中，为了维持系统稳定需要满足两个条件和k_v＞0。

当反馈满足稳定条件时，气隙和气隙微分的闭环反馈修正了开环系统的不稳定极点，使得系统稳定。同时需要注意的是，反馈不仅使系统稳定，还决定了闭环系统的特性，气隙反馈系数决定了闭环系统的刚度，气隙微分反馈系数决定了闭环系统的阻尼系数。

通过闭环传递函数，我们可以知道气隙反馈越大闭环系统的等效刚度越大，气隙微分反馈越大，闭环系统的等效阻尼越大，也就是闭环系统对抗外界扰动的特性就越好。但在具体实现时存在一些因素使得气隙反馈和气隙微分反馈受到限制，系统特性受到限制，下面具体进行分析。

首先检测噪声限制了反馈值大小。在中低速磁浮列车系统或其他悬浮系统中，气隙通常采用气隙传感器进行检测，气隙微分在物理意义上是气隙的变化速度，这个变化速度并不是通过专门的传感器进行检测，而是通过对检测气隙值进行微分得到。在气隙的检测中不可避免的存在检测噪声，检测噪声中高频通过微分会被放大，频率越高，这种放大作用越明显。