磁悬浮控制系统技术方案

公开了一种磁悬浮控制系统。所述磁悬浮系统包括间隙传感器、斩波器、磁悬浮控制器和悬浮电磁铁，所述间隙传感器通过斩波器连接至所述磁悬浮控制器，所述悬浮电磁铁通过外围硬件连接至磁悬浮控制器，所述间隙传感器安装在所述悬浮电磁铁上。所述磁悬浮控制器包括抗饱和悬浮控制器。

【技术实现步骤摘要】
磁悬浮控制系统
本技术涉及磁悬浮列车，具体地，涉及EMS磁悬浮列车的新型悬浮控制系统。
技术介绍
磁悬浮列车是一种具有非接触式电磁悬浮，引导和驱动系统的现代运输方式。它依靠电磁吸引或斥力将火车悬挂在空中，以实现火车与轨道之间没有机械接触，并由直线电动机驱动。磁悬浮列车由于其速度快，能耗低，乘坐舒适且噪音低而成为理想的交通工具。目前按照磁浮车辆采用的悬浮原理及方式的不同，磁悬浮列车一般划分为两大类，一类为电动悬浮(ElectrodynamicSuspension)，简称EDS型；一类为电磁悬浮型(ElectromagneticSuspension)，简称EMS型。EDS型磁浮系统利用电磁排斥力使车辆在轨道上方悬浮，而EMS型磁浮系统则利用位于轨道下方的电磁铁产生的吸引力将车辆抬起从而保证和轨道不接触。EDS型磁浮系统不需要施加控制即可稳定悬浮，而EMS型磁浮系统需要施加主动控制来保证系统稳定悬浮。目前商业化运行的，都是EMS型磁悬浮列车。对于EMS磁悬浮列车来说，悬浮系统是磁悬浮列车的关键和核心。但是，悬浮系统具有很强的非线性和开环不稳定性。此外，系统参数具有不确定性，并且系统在运行过程中会遭受外部干扰。因此，对高性能的悬浮控制器的设计提出了很高的挑战。EMS型磁悬浮列车的悬浮系统现在面临的最紧迫的问题是模型的不确定性(如风荷载，轨道不平顺性，乘客数量等)和执行器输出饱和。目前，大多数磁浮车辆悬浮控制器是线性PID控制器。不能保证控制器输出一直在饱和范围内。当控制器输出超过饱和范围，执行器无法给出所需控制量，系统控制性能将降低，系统稳定性下降甚至失去稳定性。
技术实现思路
本技术公开了磁浮列车的磁悬浮控制系统，与现有技术相比，本技术中的控制系统可以确保控制输出不超过饱和范围，静态误差小，抗干扰性强，有广阔的应用价值与商业推广价值。根据本技术的一方面，提供了一种磁悬浮控制系统，所述磁悬浮控制系统包括间隙传感器、斩波器、磁悬浮控制器和悬浮电磁铁，所述间隙传感器通过斩波器连接至所述磁悬浮控制器，所述悬浮电磁铁通过外围硬件连接至磁悬浮控制器，所述间隙传感器安装在所述悬浮电磁铁上。所述磁悬浮控制器包括抗饱和悬浮控制器。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，而对于本领域或普通技术人员来讲并非限制。图1为本技术一种EMS磁浮列车悬浮控制器悬浮系统结构示意图；图2为本技术一种EMS磁浮列车悬浮控制器控制流程示意图；图3为本技术一种EMS磁浮列车悬浮控制动力学模型示意图；图4为本技术一种EMS磁浮列车悬浮控制器控制系统示意图；图5为本技术一种EMS磁浮列车悬浮控制器RBF神经网络结构示意图；图6为本技术一种EMS磁浮列车悬浮控制器RBF神经元模型结构示意图。具体实施方式磁悬浮控制系统图1示出了根据本技术的一个实施例的磁悬浮控制系统10。如图所示，磁悬浮控制系统10包括间隙传感器12、斩波器14、磁悬浮控制器16和悬浮电磁铁18。间隙传感器12通过斩波器14连接至磁悬浮控制器16。悬浮电磁铁18通过外围硬件连接至磁悬浮控制器16。间隙传感器安装12在所述悬浮电磁铁18上。间隙传感器12通过间隙处理板242、控制板244和接口转换板246连接斩波器14。磁悬浮控制器16包括计算机硬件和算法软件。编制磁悬浮控制器16的算法软件，存储于计算机硬件中。悬浮电磁铁18安装在车体20上，使得车体20悬浮在轨道22上。磁悬浮控制器16可以包括任何适合的控制器，例如微分控制器，积分控制器等等。在一个实施例中，磁悬浮控制器16包括抗饱和悬浮控制器。抗饱和悬浮控制器是基于误差系统e和磁浮最小模型，根据以下控制器模型来执行的：其中，误差系统e是实际悬浮间隙和理想悬浮间距之间的差值，u(t)为控制量，其是时间t的变量，是指控制器输出值，磁悬浮列车以此输出值为基础调整实际悬浮间隙更加接近理想间隙；m为列车质量，g为重力加速度，mg为名义悬浮重量。控制量u(t)可以是任何合适的控制量。根据本技术的一个实施例，所述控制量u(t)为电磁吸力，即，u(t)＝Fm。同时，电磁铁线圈所需要的电流为：其中，z是悬浮间距，kp，kd的取值需满足：其中，Fmax是最大电磁吸力。将在后文详述对于上述控制器模型的推导。磁浮列车在行驶中不可避免的会遭受各种其他因素干扰，如：风力、轨道变形、信号传输反馈延时等，为了进一步提升上述抗饱和悬浮控制器的性能，还可以对上述控制量引入控制补偿项。也即，uall(t)＝u(t)+U(t)其中，uall(t)是总的控制量，u(t)是抗饱和悬浮控制器的控制量，U(t)是补偿项。根据本技术的一个实施例，控制补偿项可以是基于RBF神经网络的RBF增强控制项。在该实施例中，当磁悬浮控制器16工作时，负责执行神经网络逼近算法的运行、获取输入的设定的悬浮系统物理参数，以及实时获取轨道和车体间的间隙数据并计算和控制输出控制信号。对于RBF增强控制项，补偿项U(t)为：其中，输出层的网络权矩阵为w＝[w1,w2,…,wM]。式中，Rj(x)为隐含层第j个节点的输出，X＝[x1,x2,…,xn]T为网络的输入向量，为隐含层神经元高斯基函数中心点的坐标矩阵，σ＝[σ1,σ2,…,σM]为高斯基函数的宽度矢量，σj(j＝1,2,…,M)是第j个隐藏层神经元的宽度，N为隐含层节点的数量。本实施例的工作原理为：间隙传感器12实时、高速、不间断地测量采集悬浮间距数据，经模数转化滤波调制后，通过通信线路，将悬浮间距数据传递给承载磁悬浮控制器16的计算机设备。磁悬浮控制器16的计算机设备将磁悬浮控制器16所得出的控制量输出至外围硬件，驱动悬浮电磁铁18工作，将列车车体20悬浮起来。悬浮间距与目标位置的误差通过磁悬浮控制器16计算得到控制输出量。随着在间隙传感器12、磁悬浮控制器16的计算机设备、悬浮电磁铁18的外围硬件的实时不间断的工作，列车车体20将会在有限时间内移动到目标位置，并保持在该位置误差限制范围内，达到稳定可靠的悬浮控制效果。构建本技术抗饱和磁悬浮控制器模型以及神经网络的RBF增强控制项为深入理解前述磁悬浮控制系统，以下接合图2-图6简要说明构建本技术抗饱和磁悬浮控制器模型以及神经网络的RBF增强控制项的过程和方法。图2示出了构建本技术的上述抗饱和悬浮控制器模型以及神经网络的RBF增强控制项的过程和方法。该方法包括步骤S1-S4。在步骤S1，建立磁浮列车悬浮控制的动力学模型，设计控制器并分析系统的稳定性，引入RBF监督控制。在步骤S2，在磁悬浮控制器中输入设定的悬浮系统物理参数。在步骤S3，使得磁悬浮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁悬浮控制系统，/n所述磁悬浮控制系统包括间隙传感器、斩波器、磁悬浮控制器和悬浮电磁铁，所述间隙传感器通过斩波器连接至所述磁悬浮控制器，所述悬浮电磁铁通过外围硬件连接至所述磁悬浮控制器，所述间隙传感器安装在所述悬浮电磁铁上，/n其特征在于，所述磁悬浮控制器包括抗饱和悬浮控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮控制系统，
所述磁悬浮控制系统包括间隙传感器、斩波器、磁悬浮控制器和悬浮电磁铁，所述间隙传感器通过斩波器连接至所述磁悬浮控制器，所述悬浮电磁铁通过外围硬件连接至所述磁悬浮控制器，所述间隙传感器安装在所述悬浮电磁铁上，
其特征在于，所述磁悬浮控制器包括抗饱和悬浮控制器。


2.根据权利要求1所述的磁悬浮控制系统，
其中，所述抗饱和悬浮控制器是基于误差系统e和磁浮数学模型，根据以下控制器模型来控制控制量u(t)：



其中，误差系统e是实际悬浮间隙和理想悬浮间距之间的差值，m为列车质量，g为重力加速度，mg为名义悬浮重量，同时，电磁铁线圈所需要的电流为：



其中，z是悬浮间距，kp，kd的取值需满足：






其中，Fmax是最大电磁吸力。


3.根据权利要求2所述的磁悬浮控制系统，其中，所述磁悬浮控制器还包括RBF增强控制项。


4.根据权利要求3所述的磁悬浮控制系统，其中，所述磁悬浮控制器是根据以下控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪一清，王素梅，陆洋，
申请(专利权)人：香港理工大学，
类型：新型
国别省市：中国香港;81