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中低速磁浮列车悬浮控制策略研究综述

王成杰;伍星;张静;陈涛

【期刊名称】《《电气自动化》》

【年(卷),期】2019(041)005

【总页数】4页(P1-3,56)

【关键词】磁浮列车;悬浮系统;线性控制;非线性控制;控制性能

【作者】王成杰;伍星;张静;陈涛

【作者单位】西南交通大学电气工程学院四川成都611756;长沙市轨道交通运

营有限公司湖南长沙410200

【正文语种】中文

【中图分类】U237

0引言

早期国外学者研究磁浮列车悬浮系统控制技术一般采用超前-滞后补偿经典控制理

论，保持悬浮电磁铁动态地稳定在一个设定的气隙值上。采用这种方法能够使列车

悬浮轨和磁极之间产生一个稳定的磁浮间隙，但对载人车辆所要求的阻尼、稳定裕

度和抗扰动等性能是不够的[1]。目前磁浮列车悬浮控制模型采用单电磁铁悬浮系

统动态控制，以其线性化后的模型为基础，应用经典控制理论——PID控制进行

设计,但是存在鲁棒性差、稳定裕度小等缺点。为解决上述问题，国内外学者提出

一系列悬浮控制算法，包括模糊控制、鲁棒控制、神经网络控制、滑模变结构控制、

最优控制以及自适应控制等一系列的现代控制方法。

列车磁浮控制研究过程复杂,环环相扣，为说明其关键环节，建立如图1所示的研

究流程。

图1悬浮控制研究流程

首先需要根据磁浮列车悬浮系统建立合适的悬浮控制模型,确定控制对象和目标之

后设计相关的测量系统；接着按照实际悬浮系统的相关参数和控制目标设计控制结

构；然后设计充分考虑实时性、鲁棒性等控制算法，控制算法是整个主动控制的核

心,作动器是控制的实现环节，选择时应考虑其时滞对控制效果带来的影响；最后

为了验证理论设计的可靠性，要进行严格的试验验证，作为实际应用的保障。

本文针对控制算法研究中的基本理论、研究现状和存在问题(主要从磁浮列车悬浮

建模、控制系统结构、控制算法及效果等方面)进行了综述，并从理论探索到实际

应用进行了展望。

1磁浮车辆悬浮控制模型研究

1.1悬浮控制系统构成

磁浮列车控制系统主要由五部分组成，包括：悬浮控制器、气隙传感器、悬浮斩波

器、悬浮电磁铁和悬浮电源。悬浮控制技术是磁浮车运行的前提和关键所在，其控

制系统如图2所示。

图2悬浮控制系统

图3单电磁铁悬浮系统模型

磁浮列车在运行过程中可视作受电磁铁和轨道间作用力控制的空间自由体，有6

个自由度。通过解耦可分解为单个悬浮磁铁控制问题，分析单磁铁悬浮动态模型和

动态特性具有一般性[2]。单电磁铁悬浮控制是一个单自由度(垂直方向)的控制，即

控制磁极与导轨的气隙保持稳定。图3为单磁铁悬浮系统的结构图。

图3中:c(t)为悬浮气隙；h(t),z(t)分别为悬浮轨和磁极表面到参考平面的距离；

φT,φm,φl分别为主极、气隙和绕组漏磁通；F(i,t)为电磁吸力；fd为外界扰动；

m为电磁铁等效质量；u(t)为磁铁线圈两端电压；i(t)为线圈中的电流。

1.2悬浮系统建模过程

在磁悬浮控制系统建模过程中一般假设磁极中的磁导率无穷大且磁势均匀分布在气

隙上，忽略绕组漏磁通[3]59-61(φl=0)。此时绕组电感为：

(1)

式中:N为电磁铁绕组匝数;R为磁路等效电阻;A为铁磁极面积;μ0为空气磁导率。

进而可知气隙磁密：

(2)

则t时刻的电磁吸引力F(i,c)为：

(3)

从式(3)可以看出，电磁吸力与气隙的函数关系是一种非线性的平方反比关系，即

证明磁浮列车悬浮系统的不稳定性，需要进行控制。电磁铁绕组回路的电压方程为：

(4)

电磁铁在垂直方向上的力学方程为：

(5)

另外结合图3，考虑导轨作用面变化有：

z(t)=h(t)+c(t)

(6)

最终得到磁悬浮系统的动态模型如下：

(7)

2磁浮车辆悬浮控制目标和控制系统

2.1控制目标

单电磁铁悬浮系统的控制是一个单自由度控制，控制目标主要是悬浮间隙的稳定性，

即通过控制使得自身不稳定的悬浮系统在外界干扰和轨道不平顺等因素影响下，依

然能够保证磁极和轨道的间隙稳定在某个数值。对悬浮系统的控制要求包括:对固

有不稳定的电磁悬浮系统能够实现稳定控制；抑制轨道结构的不平顺等高频扰动；

在允许的间隙变化范围内跟踪轨道的低频变化，如弯道和坡度；能够在较大范围内

承受车辆载荷扰动；能够在一定范围内承受外部扰动力的影响[3]63。

2.2悬浮控制系统模型

从式(7)中可知此模型为非线性系统。为方便利用成熟的线性理论基础、设计磁浮

列车悬浮控制系统和设计简单有效的磁浮控制器，通