基于PID控制器的磁浮车辆—轨道梁竖向耦合振动分析方法研究
发布时间：2021-10-02 07:23
目前,我国正在推进高速磁浮交通的发展。时速600公里以上的新一代高速磁浮振动响应为前沿研究领域。随着速度的明显提高,磁浮车辆-轨道梁振动问题将会更加突出,新一代高速磁浮系统对轨道梁的振动响应有更高的要求。车桥耦合振动响应分析是轨道结构设计和车辆悬浮控制的理论基础,因此有必要研究与之相适应的车桥竖向耦合振动分析方法。本文针对磁浮车辆-轨道梁竖向耦合振动问题,提出一种基于轨道梁有限单元模型和磁浮力比例-积分-微分（PID）控制器模型的分析方法。将整个耦合系统以磁浮力为界,分为车辆和轨道梁两个子系统,车辆-轨道梁之间的耦合振动通过PID控制器计算的磁浮力来完成,采用振型分解法和四阶龙格库塔法计算耦合系统的振动响应。文中使用Mathematica编制耦合振动分析程序,研究磁浮车桥耦合系统的振动特性。并通过对磁浮车辆-轨道梁竖向耦合振动数值计算结果和实测数据的对比分析,验证本文所建立方法的有效性。本文的主要研究工作有:1、提出一种基于轨道梁有限单元模型和磁浮力PID控制器模型的分析方法。将磁浮车辆和轨道梁分开建模,通过PID控制磁浮力实现车辆-轨道梁之间振动耦合,并编制车桥耦合振动程序;2、采用...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
德国TR高速磁浮列车结构图[1]
上海交通大学硕士学位论文1第一章绪论1.1工程背景1.1.1磁浮交通系统简介传统的轮轨系统是利用车轮与钢轨之间的黏着力使得列车前行。与轮轨系统不同的是，磁浮交通系统中的磁悬列车与轨道梁无接触，采用电力系统进行导向和驱动[1]。这种利用电磁力实现悬浮的磁浮交通方式，解决了当车速等于黏着系数曲线和走行阻力曲线交点时，轮轨系统便达到运行极限的问题。随着对磁浮系统研究的不断深入，这种新型的地面交通方式已经逐渐从实验阶段走向商业发展。从悬浮机理上，磁浮列车可以分为电磁悬浮(EMS,electromagneticsuspension)和电动悬浮(EDS,electrodynamicsuspension)两种悬浮方式。电磁悬浮式列车以德国的Transrapid型列车(简称TR)和日本的Highspeedsurfacetransport型列车(简称HSST)为代表，其两种列车的悬浮结构图分别如图1-1和图1-2所示。日本的MLX型超导磁浮列车是电动悬浮式磁浮列车的代表，MLX列车的结构如图1-3所示。电磁悬浮[2]采用电磁力异性相吸的原理。磁浮列车和轨道梁上的悬浮电磁铁在通电后相互吸引，使得列车悬浮于轨道梁上。轨道梁常采用“T”形的截面形式，通过直线电机牵引磁浮车辆环抱轨道梁运行。车辆和轨道梁间的悬浮间隙较小，一般为8-12mm，在运行过程中，控制系统不断调节悬浮电磁铁的激励电流，保证磁浮间隙稳定在安全范围内。图1-1德国TR高速磁浮列车结构图[1]Fig.1-1ThediagramofGermanTRhigh-speedmaglevvehicle图1-2日本HSST型磁浮列车悬浮结构[1]Fig.1-2ThediagramofJapanHSSTlevitationmaglevvehicle
上海交通大学硕士学位论文2电动悬浮[2]采用的是电磁力相斥的原理。磁浮列车上的永久磁铁或低温超导线圈随车辆的运动，与轨道梁的悬浮线圈相互作用产生感应电流，并产生向上的斥力，使得磁浮车辆悬浮于轨道梁之上。与电磁悬浮式相比，电动式悬浮只有当磁浮车辆达到一定运行速度时（150km/h）才能悬福列车悬浮于路面的高度较大，一般为100-150mm，且由于车辆和轨道梁之间是斥力作用，不需要进行主动控制。图1-3日本MLX型超导磁浮列车图[1]Fig.1-3ThediagramofJapanMLXsuperconductingmaglevvehicle1.1.2轮轨系统和磁浮交通系统的比较轮轨系统起源于17世纪，其支撑力和导向力由合箱传递，启动和制动加速度由摩擦力传递。由于存在差动传动装置，各轮子经过的路程可以不同。但是由于刚性轮对是一个整体进行运动，车轮以相同的距离和相同的角速度围绕自转轴运转，这样便会导致车轮和轨道之间产生摩擦力，造成磨损。轮轨系统存在一个根本的缺点：在运行过程中，轮对做摆动运动而不是沿理想线路行走。由于轮缘在钢轨的内侧，当速度增加时，轮对的摆动会使得能耗上升，加剧踏面和轮缘上的磨损。且列车通过曲线线路时，在高速运行下离心力也会增加，从而增加了轮缘磨损。故要求当列车通过曲线时，轨道面向内倾斜，减小对车轮和轨道梁的磨损。当自重产生的力和运行动力学的力平衡时，就达到了轮轨系统的物理学界限[3]。与轮轨交通系统相比较，磁浮交通系统有以下几方面的优势[3]：（1）速度快磁浮交通系统是一种舒适且高速的出行方式。磁浮列车保留了轮轨车辆的转向架和悬挂系统，但取消了车轮，使得车辆和轨道梁之间不存在任何实际上的接触。由于不存在轮轨之间的摩擦阻力，磁浮列车可以突破轮轨系统的物理极限，使得车辆实现真正的
【参考文献】：
期刊论文
[1]轨道交通装备关键技术产业化实施方案[J]. 中国战略新兴产业. 2018(05)
[2]高速铁路轮径差激励下车轮-道岔动力响应数值研究（英文）[J]. Rong CHEN,Jia-yin CHEN,Ping WANG,Jing-mang XU,Jie-ling XIAO. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2017(08)
[3]2种磁轨关系的磁浮车桥相互作用比较分析[J]. 梁鑫,马卫华. 铁道科学与工程学报. 2017(04)
[4]F轨对中低速磁浮列车-桥梁系统竖向耦合振动的影响研究[J]. 李小珍,王党雄,耿杰,张迅,刘德军. 土木工程学报. 2017(04)
[5]中低速磁浮简支轨道梁动力系数研究[J]. 杨平,刘德军,李小珍. 桥梁建设. 2016(04)
[6]中低速磁浮列车-轨道梁竖向耦合模型与验证[J]. 李小珍,洪沁烨,耿杰,刘德军,单春胜. 铁道工程学报. 2015(09)
[7]基于RBF神经网络的非线性磁悬浮系统控制[J]. 赵石铁,高宪文,车昌杰. 东北大学学报(自然科学版). 2014(12)
[8]磁浮列车车轨耦合振动仿真研究[J]. 黎松奇,张昆仑. 计算机仿真. 2014(08)
[9]基于相似原理的磁浮车桥耦合振动研究[J]. 梁鑫,罗世辉,马卫华. 铁道科学与工程学报. 2014(03)
[10]弹性轨道梁上磁悬浮控制方法[J]. 王辉,钟晓波,沈钢. 交通运输工程学报. 2013(05)
博士论文
[1]磁浮列车车轨耦合振动分析及试验研究[D]. 梁鑫.西南交通大学 2015
[2]EMS型高速磁浮列车导向动力学研究[D]. 赵春霞.国防科学技术大学 2014
[3]高速磁浮轨道梁在车辆荷载作用下的振动研究[D]. 滕延锋.上海交通大学 2008
[4]磁悬浮车辆系统动力学研究[D]. 赵春发.西南交通大学 2002
硕士论文
[1]磁悬浮列车—高架桥梁系统耦合动力问题研究[D]. 刘洁.北京交通大学 2016
[2]中低速磁浮轨道梁关键技术研究[D]. 王理达.西南交通大学 2014
[3]PID参数自整定算法在悬浮控制系统的应用研究[D]. 梁仁仁.国防科学技术大学 2008
[4]高速磁悬浮中等跨度三跨刚构桥振动特性研究[D]. 詹旋裕.上海交通大学 2007
本文编号：3418226
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
德国TR高速磁浮列车结构图[1]
上海交通大学硕士学位论文1第一章绪论1.1工程背景1.1.1磁浮交通系统简介传统的轮轨系统是利用车轮与钢轨之间的黏着力使得列车前行。与轮轨系统不同的是，磁浮交通系统中的磁悬列车与轨道梁无接触，采用电力系统进行导向和驱动[1]。这种利用电磁力实现悬浮的磁浮交通方式，解决了当车速等于黏着系数曲线和走行阻力曲线交点时，轮轨系统便达到运行极限的问题。随着对磁浮系统研究的不断深入，这种新型的地面交通方式已经逐渐从实验阶段走向商业发展。从悬浮机理上，磁浮列车可以分为电磁悬浮(EMS,electromagneticsuspension)和电动悬浮(EDS,electrodynamicsuspension)两种悬浮方式。电磁悬浮式列车以德国的Transrapid型列车(简称TR)和日本的Highspeedsurfacetransport型列车(简称HSST)为代表，其两种列车的悬浮结构图分别如图1-1和图1-2所示。日本的MLX型超导磁浮列车是电动悬浮式磁浮列车的代表，MLX列车的结构如图1-3所示。电磁悬浮[2]采用电磁力异性相吸的原理。磁浮列车和轨道梁上的悬浮电磁铁在通电后相互吸引，使得列车悬浮于轨道梁上。轨道梁常采用“T”形的截面形式，通过直线电机牵引磁浮车辆环抱轨道梁运行。车辆和轨道梁间的悬浮间隙较小，一般为8-12mm，在运行过程中，控制系统不断调节悬浮电磁铁的激励电流，保证磁浮间隙稳定在安全范围内。图1-1德国TR高速磁浮列车结构图[1]Fig.1-1ThediagramofGermanTRhigh-speedmaglevvehicle图1-2日本HSST型磁浮列车悬浮结构[1]Fig.1-2ThediagramofJapanHSSTlevitationmaglevvehicle
上海交通大学硕士学位论文2电动悬浮[2]采用的是电磁力相斥的原理。磁浮列车上的永久磁铁或低温超导线圈随车辆的运动，与轨道梁的悬浮线圈相互作用产生感应电流，并产生向上的斥力，使得磁浮车辆悬浮于轨道梁之上。与电磁悬浮式相比，电动式悬浮只有当磁浮车辆达到一定运行速度时（150km/h）才能悬福列车悬浮于路面的高度较大，一般为100-150mm，且由于车辆和轨道梁之间是斥力作用，不需要进行主动控制。图1-3日本MLX型超导磁浮列车图[1]Fig.1-3ThediagramofJapanMLXsuperconductingmaglevvehicle1.1.2轮轨系统和磁浮交通系统的比较轮轨系统起源于17世纪，其支撑力和导向力由合箱传递，启动和制动加速度由摩擦力传递。由于存在差动传动装置，各轮子经过的路程可以不同。但是由于刚性轮对是一个整体进行运动，车轮以相同的距离和相同的角速度围绕自转轴运转，这样便会导致车轮和轨道之间产生摩擦力，造成磨损。轮轨系统存在一个根本的缺点：在运行过程中，轮对做摆动运动而不是沿理想线路行走。由于轮缘在钢轨的内侧，当速度增加时，轮对的摆动会使得能耗上升，加剧踏面和轮缘上的磨损。且列车通过曲线线路时，在高速运行下离心力也会增加，从而增加了轮缘磨损。故要求当列车通过曲线时，轨道面向内倾斜，减小对车轮和轨道梁的磨损。当自重产生的力和运行动力学的力平衡时，就达到了轮轨系统的物理学界限[3]。与轮轨交通系统相比较，磁浮交通系统有以下几方面的优势[3]：（1）速度快磁浮交通系统是一种舒适且高速的出行方式。磁浮列车保留了轮轨车辆的转向架和悬挂系统，但取消了车轮，使得车辆和轨道梁之间不存在任何实际上的接触。由于不存在轮轨之间的摩擦阻力，磁浮列车可以突破轮轨系统的物理极限，使得车辆实现真正的
【参考文献】：
期刊论文
[1]轨道交通装备关键技术产业化实施方案[J]. 中国战略新兴产业. 2018(05)
[2]高速铁路轮径差激励下车轮-道岔动力响应数值研究（英文）[J]. Rong CHEN,Jia-yin CHEN,Ping WANG,Jing-mang XU,Jie-ling XIAO. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2017(08)
[3]2种磁轨关系的磁浮车桥相互作用比较分析[J]. 梁鑫,马卫华. 铁道科学与工程学报. 2017(04)
[4]F轨对中低速磁浮列车-桥梁系统竖向耦合振动的影响研究[J]. 李小珍,王党雄,耿杰,张迅,刘德军. 土木工程学报. 2017(04)
[5]中低速磁浮简支轨道梁动力系数研究[J]. 杨平,刘德军,李小珍. 桥梁建设. 2016(04)
[6]中低速磁浮列车-轨道梁竖向耦合模型与验证[J]. 李小珍,洪沁烨,耿杰,刘德军,单春胜. 铁道工程学报. 2015(09)
[7]基于RBF神经网络的非线性磁悬浮系统控制[J]. 赵石铁,高宪文,车昌杰. 东北大学学报(自然科学版). 2014(12)
[8]磁浮列车车轨耦合振动仿真研究[J]. 黎松奇,张昆仑. 计算机仿真. 2014(08)
[9]基于相似原理的磁浮车桥耦合振动研究[J]. 梁鑫,罗世辉,马卫华. 铁道科学与工程学报. 2014(03)
[10]弹性轨道梁上磁悬浮控制方法[J]. 王辉,钟晓波,沈钢. 交通运输工程学报. 2013(05)
博士论文
[1]磁浮列车车轨耦合振动分析及试验研究[D]. 梁鑫.西南交通大学 2015
[2]EMS型高速磁浮列车导向动力学研究[D]. 赵春霞.国防科学技术大学 2014
[3]高速磁浮轨道梁在车辆荷载作用下的振动研究[D]. 滕延锋.上海交通大学 2008
[4]磁悬浮车辆系统动力学研究[D]. 赵春发.西南交通大学 2002
硕士论文
[1]磁悬浮列车—高架桥梁系统耦合动力问题研究[D]. 刘洁.北京交通大学 2016
[2]中低速磁浮轨道梁关键技术研究[D]. 王理达.西南交通大学 2014
[3]PID参数自整定算法在悬浮控制系统的应用研究[D]. 梁仁仁.国防科学技术大学 2008
[4]高速磁悬浮中等跨度三跨刚构桥振动特性研究[D]. 詹旋裕.上海交通大学 2007
本文编号：3418226
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