永磁电动悬浮系统单目标性能优化

针对超高速永磁电动悬浮系统浮重比、浮阻比和悬浮刚度的优化问题,划分了求解域,建立了边界条件,明确了电磁力的表达式;采用了控制变量法,选取了5组相互独立的特征参数,分析了特征参数对各优化指标的影响,指出了不同优化指标的可优化变量;研究了不同悬浮间隙下浮重比最大时,永磁阵列波长、厚度、宽度和感应板宽度、厚度的取值,探讨了不同悬浮间隙下浮阻比最大时,永磁阵列波长和感应板厚度的取值,分析了不同悬浮间隙下悬浮刚度最大时,永磁阵列波长、厚度、宽度和感应板厚度的取值;开展了永磁电动悬浮系统试验研究,得到了电磁力随永磁阵列线速度的变化规律。研究结果表明:超高速情况下,浮重比随永磁阵列剩磁的增加而显著增加,随单位波长永磁体个数的增加而单调增加,随永磁阵列波长和宽度的增加大体上先增加后减少,浮重比受永磁阵列厚度的影响明显;浮阻比受永磁阵列剩磁、永磁阵列宽度、感应板宽度、悬浮间隙的影响较小,受感应板厚度影响明显,永磁阵列波长、厚度和速度越大对提高浮阻比越有利;悬浮刚度随永磁阵列剩磁、永磁阵列宽度及厚度的增加单调递增,随永磁阵列波长的增加先增加后减少,随导体板厚度的增加先迅速增加然后缓慢下降,随悬浮间隙的增加变化显著,随速度几乎不发生变化;以浮重比为优化指标,当悬浮间隙从0.012 m增加至0.020 m时,永磁阵列厚度、波长、感应板宽度的最优取值逐渐增加,而永磁阵列宽度的最优取值逐渐减小,浮重比最优值下降了约50.00%;以浮阻比为优化指标,当永磁阵列波长从0.050 m增加至0.500 m时,感应板厚度的最优值逐渐增加,浮阻比的最优值提高了约2倍;以悬浮刚度为优化指标,当悬浮间隙从0.012 m增加至0.020 m时,永磁阵列波长的最优取值逐渐增加,永磁阵列宽度最优值等于感应板宽度,感应板厚度的最优取值约为0.001 m,悬浮刚度的最优值下降约50.00%;试验得到的线速度为0~50.00 m·s^(-1)时的电磁力变化趋势与理论计算、仿真结果一致,悬浮力随速度的增加先迅速增加,然后逐渐平稳;磁阻力随速度的增加先迅速增加,在线速度为4.00 m·s^(-1)附近时达到最大,然后缓慢下降。

基于预先补偿和全状态反馈控制的车-轨耦合振动抑制

以高速磁浮列车为研究对象,探讨了弹性轨道下的车-轨耦合振动问题。建立了能反映实际问题的车-轨耦合最小悬浮单元模型,并进行了开环系统稳定性和耦合振动机理分析。以弥补比例-积分-微分(PID)控制器有效信息利用不足为出发点,设计了基于预先补偿的全状态反馈控制器。通过仿真分析了反馈增益矩阵对系统跟踪性能和振动抑制能力的影响,提出了适当降低对悬浮间隙的要求换取振动抑制能力提升的思路。进一步分析了反馈系数对悬浮系统性能的影响规律,基于此得到了优化的预先补偿和全状态反馈控制框架。最后,通过实验验证了基于预先补偿的全状态反馈控制对抑制车-轨弹性耦合振动的有效性。