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.      

Stability and Hopf bifurcation of the maglev system with delayed position and speed feedback control

In this paper, the dynamic behavior of suspension system of maglev train with time-delayed position and velocity feedback signal is considered with rigid guideway. The stability conditions of the system are obtained with characteristic root method. The Hopf bifurcation direction and stability of the system at the critical point are also investigated. Based on center manifold reduction and Poincaré normal form theory, the general formula for the direction, the estimation formula of period and stability of Hopf bifurcating periodic solution are also given. It is shown that time delays can change the current complicated dynamic behavior. And the condition that the bifurcation may occur is given to restrain the dynamic response and vibration between vehicle and guideway of the system with time-delayed position and velocity signal.     

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.     

负刚度时滞反馈控制动力吸振器的等峰优化

相比于传统动力吸振器, 负刚度动力吸振器同时具有更好的减振能力和更宽的有效减振频带宽度, 为了进一步降低共振峰幅值, 在负刚度吸振器系统耦合时滞反馈控制. 对负刚度时滞反馈控制动力吸振器系统进行等峰优化设计, 优化设计的准则是:第一和第二共振峰的峰值相等; 同时兼顾两个目标, 一个目标是在优化时的最大共振峰幅值小于被动负刚度吸振器系统的反共振峰幅值, 另一目标是在优化时共振峰幅值与反共振峰幅值差小于被动吸振器系统. 接着, 通过设计和调节负刚度系数、吸振器阻尼系数和时滞反馈控制系数对控制系统进行等峰优化设计. 最后, 在降低幅值的同时, 分析结构参数对有效减振频带宽度的影响. 经过等峰优化之后, 选择本文的一组结构参数与两个典型的模型进行对比. 为了定量比较不同模型的降幅效果, 定义了减幅百分比, 研究发现在有效减振频带区间内减幅百分比超过40%以上. 结果表明, 通过等峰优化准则对结构参数进行优化设计和调节增益系数和时滞量, 共振峰幅值的减幅百分比也近似达到40%, 也可以调节增益系数和时滞量, 使得幅频响应曲线具有较宽的有效减振频带和较低的共振峰幅值与反共振峰幅值的差值.      

时变参数时滞减振控制研究

时滞动力吸振器对谐波激励有着良好的减振控制效果,但对随机激励的减振控制效果却并不明显,具体表现为时滞动力吸振器对随机激励的减振控制效果与被动吸振器几乎相同。针对上述问题,本文提出了一种新的时变参数时滞减振控制方法。在原有时滞减振控制方法的基础上,首先将时滞增益系数由定值形式变为时间函数形式,然后通过时变优化得到多组时滞控制参数并使其以一定时间周期循环作用于减振控制过程,通过这种方法进一步改善了时滞动力吸振器减振性能。本文最后以二自由度时滞动力吸振器减振模型为例,以主系统的振动响应为仿真对象,运用精细积分法求解了具有时变时滞参数的时滞动力学方程,以此得到了在谐波激励和随机激励作用下主系统振动的时域仿真结果。研究结果表明,在时变参数时滞动力吸振器的控制下,主系统无论是受谐波激励作用还是受随机激励作用,其振动位移、振动速度和振动加速度均比在定值参数时滞动力吸振器控制下时有大幅的减少,时滞动力吸振器的减振性能有了明显的改善。      

考虑时滞的主动悬架系统控制策略对比研究全文替换

本文以二自由度四分之一汽车悬架系统为研究对象,采用不同控制策略对考虑时滞的悬架系统控制特性进行研究,并对控制效果进行对比分析．首先,采用第二类拉氏方程建立考虑时滞的二自由度悬架控制系统的动力学模型;然后分别基于状态变换法和H_∞控制理论,设计系统的时滞反馈控制律．其中状态变换法主要通过系统状态变量的转换,将系统时滞控制方程转换成不显含时滞的动力学方程,然后采用传统的二次型最优控制方法对系统进行控制．H_∞控制主要通过使用Lyapunov-Krasovskii泛函和自由权矩阵法,设计考虑时滞的H_∞控制律;最后在Matlab/Simulink平台上对控制系统进行仿真分析,并在相同时滞下对两种控制结果进行对比．研究表明,两种控制策略在考虑时滞的情况下均可保证系统的稳定性,且H_∞控制相比于状态变换法有更好的控制效果．     

Non-resonant response, bifurcation and oscillation suppression of a non-autonomous system with delayed position feedback control

The maglev system with delayed position feedback control is excitated by the deflection of flexible guideway and resonant response may take place. This paper concerns the non-resonant response of the system by employing centre manifold reduction and method of multiple time scales. The dynamical model is presented and expanded to the third-order Taylor series. Taking time delay as its bifurcation parameter, the condition with which the Hopf bifurcation may occur is investigated. Centre manifold reduction is applied to get the Poincaré normal form of the nonlinear system so that we can study the relationship between periodic solution and system parameter. At first, the non-resonant periodic solution of the normal form is calculated based on the method of multiple time scales. Then the bifurcation condition of the free oscillation in the solution is analyzed, and we get the conditions with which the free oscillation has maximum and minimum values. The relationship between external excitation and the periodic solution is also discussed in this paper. Finally, numerical simulation results show how system and excitation parameters affect the system response. It is shown that the existence of the free oscillation and the amplitude of the forced oscillation can be determined by time delay and control parameters. So felicitously selecting them can suppress the oscillation effectively.     

Motion stability of high-speed maglev systems in consideration of aerodynamic effects: a study of a single magnetic suspension system

In this study, the intrinsic mechanism of aerodynamic effects on the motion stability of a high-speed maglev system was investigated. The concept of a critical speed for maglev vehicles considering the aerodynamic effect is proposed. The study was carried out based on a single magnetic suspension system, which is convenient for proposing relevant concepts and obtaining explicit expressions. This study shows that the motion stability of the suspension system is closely related to the vehicle speed when aerodynamic effects are considered. With increases of the vehicle speed, the stability behavior of the system changes. At a certain vehicle speed, the stability of the system reaches a critical state, followed by instability. The speed corresponding to the critical state is the critical speed. Analysis reveals that when the system reaches the critical state, it takes two forms, with two critical speeds, and thus two expressions for the critical speed are obtained. The conditions of the existence of the critical speed were determined, and the effects of the control parameters and the lift coefficient on the critical speed were analyzed by numerical analysis. The results show that the first critical speed appears when the aerodynamic force is upward, and the second critical speed appears when the aerodynamic force is downward. Moreover, both critical speeds decrease with the increase of the lift coefficient.     

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...     

EMS磁浮列车车/轨耦合系统的分岔现象研究

通过分析EMS磁浮列车系统的Hopf分岔, 研究车轨耦合系统对应的轨道固有频率稳定范围. 采用串级控制悬浮控制器，给出控制器参数与特征频率的关系，在控制器稳定的前提下利用 数值算法计算在系统参数一定、轨道固有频率变化条件下所对应的Hopf分岔点，结合仿真方法 得出轨道固有频率的稳定范围，定性说明了系统载荷、控制器频率、二次系刚度与轨道固有 频率之间的变化关系.