[发明专利]一种基于滑模变结构控制的磁浮列车悬浮控制方法

说明书

本发明公开一种基于滑模变结构控制的磁浮列车悬浮控制方法，根据磁浮列车悬浮控制系统的动力学方程、电磁铁电压方程和轨道作用面的变化建立系统动态模型方程；利用线性化理论分析和设计磁悬浮控制系统，将得到的非线性方程组，近似成线性化模型；根据近似化模型判断系统的稳定性，选取合适的状态变量，然后选择可直接测量状态量作为反馈量，进行状态反馈控制；分析和利用滑模控制算法的基本原理，并建立基于滑模控制的磁悬浮控制系统模型，采取一种合适的控制律给出悬浮控制器的设计结构。本发明能够改善磁浮列车的悬浮控制系统中控制器性能，能够很好地满足磁浮列车悬浮过程中的响应快、稳定性和抗干扰性能要求。

技术领域

本发明涉及悬浮控制技术领域，具体为一种基于滑模变结构控制的磁浮列车悬浮控制方法。

背景技术

悬浮控制技术是磁浮列车的核心和关键技术之一，是实现磁浮列车正常运行的基础和前提。国内磁浮列车电磁铁悬浮控制基本上采用经典控制理论中的超前-滞后补偿技术，使电磁铁动态地稳定在某一设定气隙上。该技术在大多数情况下能产生一个稳定的磁浮，但对载人车辆所要求的阻尼、稳定裕度、抗扰动等性能方面是不够的。尤其是随着磁浮列车的速度不断提高、控制系统复杂性的增加以及对列车各种性能要求的提高，传统悬浮控制器采用的PID控制已不能适应磁浮列车技术发展的要求。

传统磁浮列车PID控制器工作原理是将其非线性系统进行线性化处理，得到线性化模型进行状态反馈控制。缺点是工作范围有限，此类控制器只有在工作点附近的控制性能良好，当系统远离工作点时，系统无法达到预期控制效果甚至失稳；同时鲁棒性差，控制器是基于理想状态设计的，当系统遇到随机扰动、轨道不平顺、车轨耦合振动、过弯道及轨道竖曲线等问题时，系统模型和参数将发生变化，因此此类控制器无法克服系统参数摄动对控制性能。这要求具有更加高级有效的控制方案，改进和完善磁浮列车悬浮控制技术。

滑模变结构控制(Sliding Mode Variable Structure Control)具有动态响应快、无超调量及鲁棒性强的优点，而且控制结构简单，在工程上易于实现。所以，我们有必要对磁浮列车悬浮控制器开展进一步研究，改进和完善既有控制算法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够改善磁浮列车的悬浮控制系统中控制器性能，能够很好地满足磁浮列车悬浮过程中的响应快、稳定性和抗干扰性能要求的基于滑模变结构控制的磁浮列车悬浮控制方法。技术方案如下：

一种基于滑模变结构控制的磁浮列车悬浮控制方法，包括以下步骤：

步骤1：构建磁浮列车悬浮系统的动态模型方程：

式中：m为悬浮电磁铁等效质量，z(t)为磁极表面到参考平面的距离；g为重力加速度；f_d为外界干扰动；F(i,c)为t时刻的电磁吸引力；u(t)为电磁铁绕组电压；R为电磁铁等效绕组电阻；h(t)为悬浮轨到参考平面的距离；μ₀为空气磁导率；c(t)为悬浮气隙；i(t)为线圈电流；A为电磁铁磁极面积；N电磁铁绕组匝数；

步骤2：将磁悬浮系统的动态模型进行线性化处理：

将上式在平衡点(z₀,c₀,h₀,i₀)处附近做泰勒级数展开，并忽略泰勒展开式高阶项，得到电磁吸引力在平衡点邻域的线性化形式为：

F(i,c)＝F(i₀,c₀)+△F＝F(i₀,c₀)+k_i△i(t)-k_c△c(t)