目 录
一、课程设计背景：
（1）电传动内燃机车工作原理
（2）机车牵引性能的基本概念 （3）磁悬浮列车及其空气隙
二、控制对象建模
（1）电传动内燃机车角速度控制过程模型 （2）磁悬浮列车空气隙控制过程模型
三、控制对象分析及控制策略确定 四、对“电机车”控制器设计及参数整定
（1）PID衰减振荡法 （2）根轨迹法设计控制器 （3）状态空间模型法
（4）频域控制法（超前滞后校正）
五、控制方法对比及分析
六、对“磁悬浮空气隙”控制器设计及参数整定
（1）PID衰减振荡法 （2）频域控制法
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一、课程设计背景：
（1）电传动内燃机车工作原理
电传动内燃机车是铁路上常用的一种内燃机车。它使用柴油机带动一台发电机，将电流输给牵引电动机，再通过齿轮传动来驱动机车运行。有直——直流电传动（发电机和电动机都是直流的），交——直流电传动，交——交流电传动三种方式。
电力传动内燃机车的能量传输过程是由柴油机驱动主发电机发电，然后向牵引电动机供电使其旋转，并通过牵引齿轮传动，驱动机车车轮的旋转。电力传动原理图如图1：
图1 电力传动工作原理
1 －柴油机； 2 －牵引发电机； 3 －电路； 4 －牵引电动机；
5 －主动齿轮； 6 －从动齿轮； 7 －动轮
（2）机车牵引性能的基本概念
机车牵引列车运行是由于它具有相当大的牵引力，用来克服列车起动时和运行中所受的阻力。机车牵引力（ F ）和运行速度（ V ）的乘积，就是机车的功率（ P ），即 F · V ＝ P ，常用“千瓦”做单位。任何一种机车，它的最大功率是一定的，叫做标称功率。机车在牵引列车时，所受到的阻力是经常变化的。当阻力增大时，机车就要发挥出更大的牵引力来克服它；反之，当阻力减小时，牵引力就可以小一点。为了充分利用机车的功率，要求机车在各种不同运行阻力的情况下，都能具有恒功率输出性能。这就要使 F · V ＝常数。可见牵引力和速度之间应当成反比关系：当速度小时，牵引力大；速度大时，牵引力小。把对 F 和 V 的这种要求表示在坐标上，应该是一条双曲线，如图2所示：
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图2 机车理想牵引性能曲线
这条曲线叫做机车理想牵引性能曲线，无论任何一种机车的牵引性能，都应与它相符合。当然，曲线的两端不能无限延长。左端，牵引力不能超过轮轨之间的粘着力，否则车轮会空转；右端，速度也不能超过机车构造所能允许的范围。
电力传动内燃机车是由牵引电动机通过齿轮驱动的，所以机车牵引力和速度取决于牵引电动机的转矩和转速，从而也就决定了机车的牵引特性。直流串励牵引电动机的速率与转矩关系如图3所示：
图3 直流串励电动机转速与转矩的关系
它所具有的工作特性最适合于机车牵引的要求。即机车上坡或负载增加时，牵引电动机转矩较大，而转速较低，反之，则转矩减小，转速上升。
在电传动内燃机车上，牵引电动机一般都采用直流串励电动机。这是因为这种电动机的转矩和转速能按照列车运行阻力和线路条件的变化自动进行调节。当机车上坡运行或负载加大时，电机的转速能随着转矩的增大而自动降低，两者的关系非常接近理想牵引性能曲线，可以满足列车牵引的要求。在内燃机车交-直流传动系统中，控制系统根据功率偏差信号使励磁电流发生变化，牵引发电机输出功率随之改变，从而在维持柴油机输出功率恒定的基础上，调节电动机转速，实现机车的速度控制。
（3）磁悬浮列车及其空气隙
磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力（即磁的吸力和排斥力）来推动的列车。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，行走时不需接触地面，因此其阻力只有空气的阻
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力。磁悬浮列车的最高速度可以达每小时500公里以上。
磁悬浮列车利用“同性磁极相斥，异性磁极相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶。 由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，磁悬浮列车因此也有两种相应工作形式：
一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；
另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10—15毫米的间隙，并使导轨钢板的吸引力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。
磁悬浮列车上装有电磁体，铁路底部则安装线圈。通电后，地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同，两者“同性相斥”，排斥力使列车悬浮起来。铁轨两侧也装有线圈，交流电使线圈变为电磁体。它与列车上的电磁体相互作用，使列车前进。列车头的电磁体（N极）被轨道上靠前一点的电磁体（S极）所吸引，同时被轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥，结果是一“推”一“拉”。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。
而空气隙，即运行中磁悬浮列车与轨道之间保持的空气间隙。由于轨道不平整以及车身变化问题，空气隙宽度会发生改变，对空气隙进行精密控制可以保证列车的高速、安全行驶。
（右为磁悬浮列车工作原理图）
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二、控制对象建模
对控制对象进行建模是进行研究与控制器设计中重要的一步，对具体现象进行总结归纳、定量研究并尝试建立控制对象的数学模型，并最终得出控制对象的传递函数即控制对象建模。
（1） 电传动内燃机车角速度控制过程模型
通过对于电传动内燃机车工作原理的研究可大致画出电传动内燃机车角速度控制过程模型的方框图：
电传动内燃机车的速度控制方框图 已知电传动内燃机车的角速度控制过程模型为： G(s)?KgKm(Rf?Lfs)[(Rt?Lts)(J?f)?KmKb]
可有各个参数带入后算得传递函数：
1000 G(s)?
0.03s3?0.53s2?3.12s?8.2
（2）磁悬浮列车空气隙控制过程模型：
通过对于磁悬浮列车工作原理的研究可大致画出电传动内燃机车角速度控制过程模型的方框图：
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车行控制 电传动内燃机车 磁悬浮列车及其空气隙汇总
