基于改进自抗扰的磁浮列车速度跟踪控制算法研究

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磁浮列车作为一种新型轨道交通的模式,是实现我国交通强国战略的重要支撑。随着控制理论和人工智能技术的快速发展,磁浮列车的运行变得更加智能化,其中,磁浮列车的速度跟踪系统是实现列车自动运行的重要基础。但是,列车运行过程的大时滞、非线性、多约束等特点制约着列车的自动运行。针对上述背景,本文针对列车运行过程的大时滞特点,对磁浮列车速度跟踪控制算法展开了研究,论文主要工作总结如下。(1)对磁浮列车的运行过程进行受力分析,并构建了磁浮列车的动力学模型。针对磁浮列车运行过程中大时滞特性引起的系统输出振荡问题,将系统中时滞环节近似为2阶惯性环节,结合自抗扰控制理论,提出了3阶线性自抗扰控制器(Linear Active Disturbance Rejection Controller,LADRC),并对控制器进行了模块化设计,最后基于控制器结构,系统论述了控制器的控制原理。(2)在线性自抗扰控制器的基础上,提出一种改进型自抗扰控制器(Time-DelayADRC,TD-ADRC)。首先,构建了TD-ADRC的控制结构;其次,系统分析了列车速度跟踪系统的传递函数,并在低频域对部分传递函数进行了等效;第三,基于等效后的传递函数,提出一阶惯性环节加时滞环节(First order plus time delay,FOPTD)模型;第四,基于FOPTD模型,给出了控制器的调参策略;第五,将列车速度跟踪系统由单自由度控制结构转化为2自由度控制结构,并基于2自由度控制结构,分析了系统的稳定性,进而求解了控制器的参数域。(3)在Simulink仿真环境下,搭建了磁浮列车速度跟踪控制系统,先后验证了LADRC和TD-ADRC控制器跟踪目标速度曲线的能力,并分析了基于TD-ADRC的磁浮列车速度跟踪系统的抗干扰能力。仿真结果表明,(1)相比于比例-积分-微分(Proportion-Integration-Differentiation,PID)控制器,基于LADRC控制器的磁浮列车速度跟踪系统降低了跟踪稳态误差,但是系统输出仍具有一定振荡,由此说明,LADRC控制器提高了列车的跟踪精度,但是在降低时滞环节影响方面的能力还有待提高。(2)TD-ADRC控制器能够使磁浮列车在不同路段平稳而又精准跟踪目标速度曲线,有效降低了时滞特性对系统的影响,这对磁浮列车的自动运行有着重要意义。
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