考虑间隙反馈控制时滞的磁浮车辆稳定性研究

常导磁吸型(EMS)磁悬浮列车在悬浮控制中的每个环节,时滞是不可避免的,当时滞超过一定程度后,系统有可能失稳.本文针对EMS磁浮列车控制环节的临界时滞与车辆参数(如运行速度、反馈控制增益、导轨参数和悬挂参数)的关系开展研究.建立了磁浮车辆/导轨耦合动力学模型,车辆包含1节车辆和4个磁浮架,考虑车辆的10个自由度,每个磁浮架上包含4个悬浮电磁铁.导轨模拟为一系列简支Bernoulli-Euler梁,采用模态叠加法对导轨振动方程进行求解.采用传统线性电磁力模型实现车辆和轨道的耦合.采用比例-微分控制算法对电磁铁电流进行反馈控制,实现车辆稳定悬浮,并假设时滞均发生在控制环节,且只考虑间隙反馈控制环节的时滞.采用四阶龙格库塔法对耦合系统动力学方程进行求解,编写了数值仿真程序,计算得到车辆导轨耦合系统在考虑间隙反馈控制时滞时的响应.将系统运动发散时的时滞大小视为临界时滞,开展了参数规律影响分析.通过分析,给出了提高时滞条件下车辆稳定性的方法,包括增大导轨的弯曲刚度和阻尼比,减小间隙反馈控制增益并增大速度反馈控制增益,以及增大二系悬挂阻尼.      

高速磁浮车–轨耦合实验平台的开发及应用

车辆和导轨的耦合振动问题是影响磁悬浮列车安全性和舒适性的重要问题之一。为解决车辆高速运行时面临的稳定性难题,开发并建设了一套高速磁浮车–轨耦合实验平台。平台围绕常导磁浮车的电磁铁模块进行展开设计,其中轨道模块外接激励器,可以模拟各种速度和不平顺下的轨道条件。控制系统基于实车的控制器、斩波器和传感器进行改造,应用DSPACE快速控制原型技术,实现对嵌入式算法的实时监控和在线修改的功能。建立了柔性轨道多体动力学联合仿真模型,便于快速模拟不同控制算法和力学环境下电磁铁的悬浮稳定性。最后,依托实验平台和联合仿真模型,测试了中低速和高速阶段下电磁铁模块的实际悬浮性能。实验表明本平台具有开展高速车–轨–控制器耦合测试和控制算法快速设计的能力,为高速车–轨耦合振动研究、悬浮控制算法优化提供了可靠的设备基础。     

时滞位移反馈作用下压电耦合梁非线性受迫振动

采用非线性动力学中的直接法,从理论上推导了时滞位移反馈控制作用下压电耦合梁非线性受迫主共振、亚谐波共振响应一阶近似解,研究了时滞、反馈控制增益、激励幅值等系统参数对系统非线性受迫振动的影响,分析了主共振、亚谐波共振动力响应随参数变化的规律。结果表明:主共振响应幅值随时滞量呈周期性变化;随着反馈增益的增大,系统响应幅值得到明显抑制,合理地控制系统参数选取可提高振动控制的效率。     

利用时滞反馈控制自参数振动系统的振动

主要研究采用时滞状态反馈控制自参数动力吸振器减振系统中主系统的振动问题.系统在简谐激励作用下,采用多尺度方法得到了自参数动力吸振器减振系统中饱和控制的范围.当系统处于饱和控制时,引入时滞状态反馈控制主系统的振动.主要分析了反馈增益系数和时滞两控制参数对主系统振动的影响.结果表明,存在反馈增益系数和时滞的调节区域能够减小主系统的振动.对某一反馈增益系数,可以在某段区间内调节时滞以减小主系统的振动.在时滞的调节区间内存在一个时滞的``最大减振点',能够在该反馈增益系数下最大程度地减小主系统的振动.研究还表明,随着反馈增益系数的不断增大,时滞在``最大减振点'时系统的减振能力也不断提高.通过合理的选择反馈增益系数和时滞两参数,主系统的振动几乎可以完全消除.      

含时滞的参数不确定主动悬架离散系统鲁棒控制

针对主动悬架存在传输时滞和参数不确定性的控制问题，设计了含时滞的参数不确定鲁棒控制器。首先，运用线性分式变换方法推导出含时滞的参数不确定主动悬架状态空间方程，采用零阶保持器取值处理和双线性变换，建立主动悬架离散控制系统模型。其次，以车身垂向加速度为车辆悬架系统的最优化输出目标，采用Lyapunov泛函方法，推导出系统渐进稳定的鲁棒控制器充分条件，得到满足最优H_∞性能指标约束的反馈控制律，再通过求解线性矩阵不等式获得控制器参数。最后，进行数值算例仿真，结果表明，相较于只考虑时滞的控制器，含时滞的参数不确定鲁棒控制器具有更好的控制效果和鲁棒性，且受采样周期与不确定参数的耦合影响较小。     

高速磁浮双向主动控制系统模型参数分析

 磁浮控制系统是磁浮列车的重要组成部分，是保证磁浮运行的安全性和平稳性的关键部分．本文以PID控制器为研究对象，为了研究磁浮列车中悬浮控制的动态性能与控制参数的变化规律，建立了基于状态反馈的PID 磁浮控制系统的数学模型，并通过多体动力学软件SIMPACK 联合可视化仿真工具MATLAB/SIMULINK 建立了耦合分析模型，进行了多参数的比较分析．系统讨论了单磁铁控制器在不同PID 控制参数下，磁浮间隙和磁浮电磁铁加速度等监测控制量的变化曲线，并针对双向受力状态的不同，分别研究了具体工况下高速磁浮的竖向和横向控制性能．研究表明：本文所使用的高速磁浮控制系统模型，具有较强的抗干扰性和鲁棒性，控制性能优秀，其参数分析方法可为未来实际工程的建设提供技术支撑．     

非线性时滞反馈控制系统超谐共振分析

采用增量谐波平衡法求解了非线性时滞微分方程的超谐共振解,研究了时滞、反馈控制增益、激励幅值、非线性项系数等系统参数对系统超谐共振响应的影响,分析了超谐共振响应随系统参数变化的规律。结果表明:三次谐波与一次谐波振幅的比值随时滞量呈周期性变化;反馈控制增益对系统超谐共振的影响与非线性项系数和激励幅值有关;随着非线性项系数和激励幅值的不断增大,三次谐波项与一次谐波项振幅的比值都是先增大后减小,而且减小的趋势逐渐减弱;一次谐波成份在振幅中占主导地位。     

时滞反馈控制对弹簧摆动力学行为的影响

利用解析和数值方法,以弹簧摆为对象讨论了线性的时滞位移反馈控制对一类平方非线性系统动力学行为的影响。根据多尺度法得到了1:2内共振情况下一次近似解的慢变方程,基于此讨论了反馈控制参数对零解的稳定性和周期解振幅的影响。结果表明:耦合的反馈项在平均方程中并不出现。根据罗斯-霍尔维茨判据发现,没有反馈控制时该系统的零解总是不稳定的,而通过调整反馈增益或反馈时滞就可以很容易地使零解稳定。反馈时滞对周期解振幅的影响呈现周期性,反馈增益或时滞发生变化时,周期解振幅的变化会表现出鞍结分岔现象;同时基于MATLAB软件的数值计算结果验证了该理论分析的正确性。     

索-梁组合结构主共振响应的时滞反馈控制

基于时滞加速度反馈控制策略对索-梁组合结构进行振动控制。根据Hamilton原理推导了索-梁组合结构非线性振动控制方程,运用多尺度法得到时滞反馈作用下索-梁组合结构主共振的一阶近似解,得出系统响应与控制参数的关系以及响应峰值和临界激励值与时滞参数的表达式。结果表明,主共振的响应存在多解和跳跃现象,调节控制增益和时滞值,可以有效抑制大幅振动。     

含间隙铰接的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制研究

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙. 铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态 运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响. 针对这一问题, 提出一种含间隙铰 接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法. 首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构 动力学模型. 然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学 模型,采用 Newmark 算法对非线性动力学方程进行求解. 基于压电纤维复合材料 (macro fiber composite, MFC) 驱动器 构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律. 分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用. 最后采用 MFC 驱动器对航天器施加主动控制. 结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于 MFC 的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.      

含时滞的快一慢耦合系统的动力学研究进展

现代机械系统越来越多地采用轻质柔性材料,使得系统具有不同时间尺度的状态变量,如果同时考虑控制环节中不可避免的时滞,则这种系统是带有时滞的快一慢耦合系统．本文首先概述了快一慢耦合系统的基础理论及其发展概况;然后介绍了含有时滞的快一慢耦合系统的若干非线性动力学问题及研究进展;最后对进一步的研究提出了自己的看法．     

随机不平顺激励下磁浮车辆轨道梁动力响应

建立了高速常导磁浮交通车辆轨道梁空间耦合模型，探讨了合理的磁浮线路功率谱形 式，利用分离迭代的数值积分方法求解了大规模非线性耦合动力方程. 利用计算结果分析了 随机不平顺对系统动力学指标影响规律，并采用功率谱密度曲线进行了谱分析，得到了高速 磁浮交通车梁耦合系统随机振动的基本规律.     

非线性Winkler地基上矩形薄板在移动荷载作用下的非线性动力分析

分析了非线性Winkler地基上矩形薄板在车辆移动荷载作用下的非线性动力特性。考虑地基反力的存在,基于Hamilton能量变分原理,建立了车辆、板、地基耦合系统非线性振动的控制微分方程;并将方程进行了量纲归一化处理,构造了满足周边自由矩形薄板全部边界条件的试探函数;运用伽辽金法和谐波平衡法对耦合系统控制方程进行了求解,讨论了板参数、地基参数、车辆系统参数等变化对耦合系统板振动幅频曲线的影响。结果表明:该耦合系统振动的频率都随板振幅的增大而增大;当板振动的幅值一定时,系统振动频率随着板厚、地基反应模量、车辆运行速度、车体刚度的增大而增大,但随着车体质量的增大而减小。因此,适当增加地基的反应模量可优化地基板的振动,并且从行车舒适性角度考虑,适当控制车速和车体刚度是有益的。     

时滞对柔性悬臂梁饱和控制的影响

时滞现象广泛地存在于结构振动的反馈控制过程中.考察在以前的研究中所忽略的时滞,对于柔性悬臂梁振动的饱和控制究竟可以产生什么影响.考虑了在反馈信号和控制信号中存在的时滞,研究了主共振和2∶1内共振同时发生的情形,利用多尺度方法求解了时滞微分方程,获得了包含时滞项的近似解析解,了解到时滞对于饱和控制的影响.理论和数值的结果均表明:时滞能够改变饱和控制器开始工作的门限值,如果考虑时滞现象,饱和控制器的有效频率范围将会改变.在某些情况下,可以通过加入时滞并适当地调节时滞参数的大小,来扩大饱和控制器的有效工作范围;在另外一些情况下,则要对所忽略的时滞量的大小有所估计并加以考虑,否则原来的控制策略就有可能失效.     

时变切换时滞反馈镇定混沌系统不稳定周期轨线

为提高经典时滞反馈控制镇定不稳定周期轨线的效果, 扩大受控周期轨线的稳定区域, 本文基于时变切换策略对经典时滞反馈控制进行改进, 提出了时变切换时滞反馈控制. 时变切换时滞反馈控制的控制信号仅在特定的时段中存在, 而在其他时段上不存在控制信号, 这与经典时滞反馈控制中具有固定的控制信号是不同的. 通过实例分析, 研究了时变切换时滞反馈控制在镇定不稳定周期轨线中的具体性能. 以反馈增益系数为变量, 计算受控周期轨线的最大条件Lyapunov指数, 得到了受控周期轨线的稳定区域随切换频率变化的关系曲线. 结果表明, 随着切换频率增大, 受控周期轨线的稳定区域呈现非平滑地变化. 当选取恰当的切换频率时, 时变切换时滞反馈控制的稳定区域显著大于经典时滞反馈控制的稳定区域. 在混沌控制的工程实践中, 控制信号常常受到一定的限制. 要实现对目标周期轨线的稳定控制, 就需要受控周期轨线具有足够大的稳定区域. 因此, 与经典时滞反馈控制相比, 本文提出的时变切换时滞反馈控制具有更广泛的应用前景.      

COMPUTATIONAL METHOD FOR DYNAMICS SIMULATION OF PAYLOAD SEPARATION FROM SATELLITE WITH RAIL CLEARANCE

传统在轨分离载荷动力学分析未考虑实际导轨的实时接触,无法准确分析分离时刻载荷的速度和角速度。针对半圆形双导轨,研究了空间导轨与定向器接触的特点及形式,基于分离装置的几何构型提出了一种确定发生相对轴向运动时导轨与定向器潜在接触对的方法,所提方法考虑了载荷轴线与导轨轴线的空间夹角,保证了分离后期接触检测的准确性,并可推广至多导轨接触计算。基于Lankarani与Nikravesh的连续接触力模型计算法向碰撞力,采用修正的Coulomb模型计算切向摩擦力。最后对飘浮基挠性航天器在轨分离载荷模型进行数值分析,验证了方法的有效性。结果表明导轨间隙增大了接触碰撞力,且随间隙的增大垂直于载荷分离方向的速度和角速度增大,导轨间隙使基座的转动与挠性附件强烈耦合,对航天器的稳定性造成影响。     

时滞反馈控制在自参数动力吸振器中的作用

采用时滞状态反馈来控制自参数动力吸振器减振系统中主系统的振动.系统在简谐激励作用下,采用多尺度方法得到了主共振和1∶2内共振同时发生时系统运动方程的解析解.主要分析了反馈增益系数和时滞对自参数振动系统减振的作用.结果表明,对某一反馈增益系数,存在时滞的某段减振区间,当时滞在该区间调节时,可以减小自参数振动系统中主系统的振动.并且在时滞的减振区间里,存在一个"最大减振点",可以在该反馈增益系数下最大程度的减小主系统的振动.分析还表明,当反馈增益系数和时滞调节到最优值时,主系统的振动最多可以比自参数动力吸振器减振系统减小90%左右.     

柔性梁受迫振动时滞变结构控制的试验研究

时滞反馈控制是一种利用时滞进行系统控制的策略,目前对该控制策略的研究多是在理论上进行探讨,少有试验研究报道. 以受简谐激励的柔性悬臂梁为对象,开展时滞反馈控制的试验研究,给出了一个多时滞控制律的设计方法. 首先给出悬臂梁系统含有时滞项的控制模态状态方程; 然后对方程进行离散化和一种特殊的状态变量增广,得到形式上不含有时滞项的标准差分方程; 最后使用离散变结构控制的方法设计控制律. 试验中采用压电片作为作动器和外界激励,应变片作为传感器,分别考虑单时滞和双时滞的情况,通过试验验证了时滞反馈控制的可行性和有效性.关键词:柔性悬臂梁;变结构控制;时滞;实验      

时滞耦合质量摆动力吸振器减振系统的等峰优化理论与实验

摆式调谐质量阻尼器因其便于安装、维修、更换,且经济实用,广泛应用于结构减振.它通过将摆的自振频率调谐到接近主系统的控制频率,使摆产生与主系统相反的振动,从而抑制或消除主系统的振动.本文通过对主系统无阻尼的被动减振系统和主系统有阻尼的时滞反馈主动减振系统进行多目标优化设计,实现了对主系统幅频响应曲线的等峰控制和共振峰与反共振峰差值的有效控制.首先,建立了时滞耦合质量摆动力吸振器减振系统的力学模型和振动微分方程,通过对主系统无阻尼的被动减振系统进行等峰优化,获得了减振系统的最优频率比和质量摆的最优阻尼比.对于主系统存在阻尼的被动减振系统,在该优化参数下主系统的幅频响应曲线等峰优化失效.其次,对于主系统存在阻尼的时滞反馈优化控制系统,采用CTCR方法得到了反馈增益系数和时滞的稳定区域.在保证系统稳定的前提下,通过调节反馈增益系数和时滞量两个控制参数能够实现对主系统幅频响应曲线的等峰控制.再次,对共振点处主系统振幅放大因子时滞敏感度和反馈增益系数敏感度进行分析,表明共振点幅值对反馈增益系数比对时滞更为敏感.最后,通过实验分别在频域和时域内对理论结果进行了验证.研究表明,通过采用时滞反馈对摆式调...     

含时滞的LQ控制车辆悬架的研究

研究时滞对具有LQ最优控制的1／4汽车线性悬架模型的动特性影响。首先采用了广义的Sturm序列判断准则给出了不同控制增益下单自由度车模型全时滞稳定区,以及在给定时滞情况下绘出了控制增益稳定区;其次,给出了两自由度车模型的全时滞稳定区以及系统在给定的增益下临界时滞的值。此外,讨论了全状态反馈下的稳定性以及稳定性切换问题;最后研究了时滞对系统动力学行为的影响。