具时滞效应的磁浮车辆悬浮系统的记忆型稳定性控制方法研究

The time-delay of maglev vehicle is inevitable during levitation control loop. The high-speed and track irregularities will amplify the time-delay effect, which will result in dynamic phenomena such as limit cycles and bifurcations, and even lead to levitation failure. In order to ensure the adaptability and reliability of maglev vehicles in complex working environments, the study on time-delay stability control under non-ideal network is planned. Firstly, the vehicle-rail-network time-delay dynamics complex model for Maglev Vehicle System is established, and converted into a global nonlinear T-S fuzzy time-delay model. On this basis, the adaptive fuzzy observer is designed by parallel distribution compensation method, and the non-measurable state feedback is realized by state reconstruction. Under the influence of time delay and uncertainty, a novel memory H∞ fuzzy controller with observer is proposed. The delay-dependent conditions that satisfy H∞ performance and quadratic stability by constructing Lyapunov functional and LMI techniques, and the gain is designed by solving the convex optimization problem, which can suppress the influence of time-delay on the system and increase the robustness. Finally, a time-delay control experiment will be carried out by using the Sino-German combined maglev vehicle-guideway interaction test-bed to verify the effectiveness of the proposed control method. The study results will help to reveal the dynamic characteristics of maglev system with time-delay, and will provide basic theories and methods for developing high reliability and high adaptability maglev vehicles in China.

磁浮车辆悬浮系统控制环节延时不可避免，高速和轨道不平顺等因素会放大时滞效应，产生极限环和分岔等动力学现象，甚至导致悬浮失效。为了保证磁浮车辆在复杂工作环境中运行的适应性和可靠性，项目拟在非理想网络下展开时滞稳定性控制研究。首先，建立磁浮车辆系统的车-轨-网时滞动力学复杂模型，并转换为全局非线性的T-S模糊时滞模型；在此基础上，采用平行分布补偿法设计自适应模糊观测器，通过状态重构实现不可测状态的有效反馈；考虑时滞与干扰影响，提出新型带观测器的记忆型H∞模糊控制器，利用构造Lyapunov泛函和LMI技术取得满足H∞性能且二次稳定的时滞依赖条件，并通过求解凸优化问题来设计增益，抑制时滞对系统的影响，同时增加鲁棒性。最后，应用中德联合磁浮车轨耦合试验台进行时滞控制实验，以验证所提控制方法的有效性。项目成果有助于深入揭示磁悬浮时滞动力学特性，为我国研制高可靠性与高适应性磁浮车辆提供基础理论和方法。

EMS型磁浮车辆需要充分依赖于气隙传感器和有源主动悬浮控制器来保障悬浮的稳定性。随着磁浮车辆系统速度的不断提升，运行环境的外部干扰、参数不确定以及反馈系统时滞对悬浮稳定性的影响越来越大。因此，为其设计高可靠、高适应性的悬浮控制方法，对于我国磁浮交通的快速健康发展，有着十分重要的意义。由于存在悬浮系统开环不稳定、部分状态不可测、输入与输出关系非线性、轨道柔性等特征，导致在保持悬浮的前提下，实现期望的控制目标存在很多的难点与挑战。基于此，本项目进行了时滞动力学建模和一系列悬浮控制器设计工作。.本项目取得了如下的研究成果：1、自主搭建、完善和测试磁浮车辆悬浮系统实验样机，并利用拉格朗日方法、T-S模糊法对其动力学进行分析与建模；2、针对磁浮系统部分状态不可测的问题，设计一系列状态观测器，实现磁浮系统状态的自适应状态观测，方便后续控制律的设计；3、针对磁浮车辆系统易受到外界干扰影响和系统参数不确定的问题，设计基于模糊、神经网络、滑模等控制方法的具有干扰抑制能力和参数自适应的控制策略；4、针对磁浮车辆存在确定的状态反馈时间延迟问题，基于Takagi-Sugeno模糊模型和扇区非线性导出的全局模糊模型，利用并行分布补偿方法、H∞方法和LMI方法设计带记忆反馈的全局控制器；5、针对磁浮车辆存在不确定的时滞问题，提出了一种基于Riccati方法和滑模技术的自适应鲁棒控制器；6、针对轨道柔性和反馈/输出时滞的综合问题，提出了一系列基于人工智能的时滞补偿控制方法。项目成果可为磁浮车辆时滞动力学及控制发展提供技术与理论支持。