DE3117971C2

DE3117971C2 - Regelung zum leistungsoptimalen Anpassen des Luftspaltes von elektromagnetischen Schwebefahrzeugen

Info

Publication number: DE3117971C2
Application number: DE3117971A
Authority: DE
Inventors: Eveline Dipl.-Math. 8011 Oberpframmern Gottzein; Rolf Ing.(grad.) 8000 München Keeve; Michael Dipl.-Ing. 8224 Chieming Surauer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1981-05-07
Filing date: 1981-05-07
Publication date: 1984-06-07
Also published as: DE3117971A1; JPS57193902A; US4505206A

Abstract

Für elektromagnetische Schwebefahrzeuge ist eine Regelschaltung mit zwei Regelkanälen vorgeschlagen, die in allen Geschwindigkeitsbereichen eine leistungsoptimale Anpassung des Luftspaltes zwischen Fahrzeug und Schiene ermöglicht.

Description

a) der Regelkreis am Ausgang eines Sensors (10) für die beschleunigung in der betrachteten Achse (Z) einen Hochpaß (1) enthält, der eine höhere Dämpfung in vorbestimmbaren Frequenzbereichen hat und das Beschleunigungssignal (Z₇) im niederfrequenten Bereich schwä- eher wertet; ^

b) die ermittelte Beschleunigung (Z) durch ein PD-Glied (2) bewertet wird;

c) ein Tiefpaß (3) die Reglerspannungen für höhere Frequenzen im Folgen begrenzt;

d) nichtlineare Elemente (4, S) bei Auftreten von Störungen großer Amplitude durch höhere Bewertung des kleber werdenden Luftspaltes und unsymmetrische Begrenzung einen negativen Gleichanteil bewirken;

e) in einem zusätzlichen Regelkreis ein Hochpaß (23) mit Verstärkung durch negatives Vorzeichen aufgrund der Messungen eines Sensors (9) für den Luftspalt (S) Spaltabweichungen zur Schiene hin bewertet und zum Zwecke des Eingreifens erst bei schneller Fahrt und entsprechendem Amplitudenspektrum Störungen frequenz- und amplitudenabhängig bewertet;

durch einen Tiefpaß (27) mit Rückführung ein schneller Aufbau des Eingangssignales (S₃) und ein langsamer Abfall bewirkt wird.

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Die Erfindung betrifft eine Regelung zum leistungsoptimalen Anpassen des Luftspaltes von elektromagnetischen Schwebefahrzeugen zwischen Schiene und Magnet an unbekannte Fahrwegstörungen, mit einem Regelkreis, bei dem ein bewertetes Beschleunigungssignal als Störgröße aufgeschaltet wird.

Die Technik elektromagnetischer Schwebefahrzeuge sowie deren Regelung gegenüber dem vorgegebenen Fahrweg sind bekannt, siehe DE-OS 21 27 047, DE-OS 46 936. Mit diesen bekannten Regelungskonzepten und auch mit den anderen derzeit bekannten und bei Magnetschwebefahrzeugen eingesetzten Regelungstechniken ist es nach wie vor sehr schwierig, bei größeren und schnelleren Fahrzeugen sogar unmöglich, die Anforderungen hinsichtlich Stabilität im Stand sowie zufriedenstellenden Fahrverhaltens für den zu erwartenden Fahrweg bei relativ kleinem Sollspalt und vorgegebener Batteriespannung zu erfüllen.

Der vorgegebene Solispalt beträgt heute höchstens 10 mm, bedingt durch die vorgeschriebene maximale Leistung für das gesamte Regelungssystem. Eine derartige Sollspaltauslegung hätte unter Verwendung herkömmlicher Regelungskonzepte zur Folge, daß entweder die Magnete an den Fahrweg stoßen und dabei unzulässig hohe Strukturbelastungen verursachen, so daß beispielsweise die Gefahr des Abreißens einzelner Magnete besteht, oder aber, daß der Sollspalt se lange erhöht werden muß, bis ein störungsfreier Betrieb möglich ist

Der Sollspalt kann auch geschwindigkeitsabhängig erhöht werden. Der Nachteil dabei ist die enorme Zunahme der aufzubringenden Energie. So steigt beispielsweise bei einem Sollspaltzuwachs von nur 20%, was etwa 2 mm entspricht, die Leistungsaufnahme um mindestens 44%.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, die Spaltregelung und Sollspaltanpassung für elektromagnetische Schwebefahrzeuge so vorzunehmen,' daß in allen Geschwindigkeitsbereichen, d. h. auch bei hohen Geschwindigkeiten, sicheres Fahren bei minimalem Leistungsverbrauch möglich ist.

Diese Aufgabe ist für eine Regelung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Regelkreis nichtlineare Elemente enthält und im wesentlichen kurzzeitig auftretende Störungen ausregelt und daS an Streckenabschnitten mit großen Fahrwegstörungen der Sollwert des Luftspaltes bewertet als zusätzliches Signal dem Regelkreis über eine Summierstelle zugeführt wird.

Das Prinzip dieser Regelung kann vorteilhaft sowohl für die Tragregelung als auch für die Führungsregelung angewendet werden. Durch das Zusammenwirken beider Regelkanäle ist die Möglichkeit gegeben, den Luftspalt optimal an die Güte von Streckenabschnitten des Fahrweges und an die Geschwindigkeit anzupassen. Sowohl beim Fahren als auch im Stand wird ein hoher Stabilitätsbereich erreicht.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Patentanspruch 2 enthalten und -wird anhand der Abbildungen im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Strukturbild eines Regelkreises,

Fig. 2 ein Strukturbild eines zusätzlichen Regelkreises.

Der in Fig. 1 dargestellte Regelkreis erfüllt die Anforderungen hinsichtlich der Stabilität im Fahren und im Stand bei vorgegebenem Spannungsbereich der Batterie, hinsichtlich des Folgens entlang der Trasse mit all ihren Bautoleranzen sowie den entstehenden elastischen Verformungen und etwa vorhandenen Kuppen oder Wannen bei Geschwindigkeiten bis zu 400 km/h, hinsichtlich des Ignorierens von Störungen hoher Frequenz aber kleiner Amplitude sowie der Vermeidung von Stoßen des Magneten an die Schiene bei kurzzeitig und unregelmäßig auftretenden Störungen mit hoher Amplitude.

Für die hier besonders interessierende Z-Achse des dem Magnetschwebefahrzeug zugeordneten Koordinatensystems (siehe hierzu die DE-OS 24 46 936, Fig. 1) ermittelt ein Sensor 10 die Beschleunigung Z₇-. Dem Sensor 10 folgt ein Hochpaß 1, der sich dadurch auszeichnet, daß er eine höhere Dämpfung, d. h. einen größeren Stabilitätsbereich durch bessere Phasenlage in wichtigen Frequenzbereichen, aufweist. Außerdem stellt sich eine geringere Spaltabweichung beim Folgen niederfrequenter Fahrabweichungen durch geringeren Einfluß des Beschleunigungssignals, mithin durch optimales Anpassen für Folgen und Stabilität ein. Das

Ausgangssignal Z_rw des Hochpasses 1 gelangt zu einer Summierstelle 11. An der Summierstelle 11 wird ein Netzwerkfaktor u)_s zugeführt, der aus Schätzwerten für Luftspalt und Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung in z-Richtung gebildet wird. Am Ausgang des Summiergliedes 11 liegt die erste Ableitung eines Schätzwertes Z für die Geschwindigkeit in z-Achsenrichtung. Dieser Schätzwert Z wird einem Integrator 12 und einem PD-Glied 2 zugeführt Dem Integrator 12 folgt eine weitere Summierstelle 13, deren zweiter Eingang mit einem Tiefpaß 3 verbunden ist. Der Tiefpaß 3 bewertet den Netzwerkfaktor ω_ζ. Der Ausgangswert der Summierstelie 13 gelangt einerseits zu einem regelungstechnischen Aufschaltfaktor kz und andererseits zu einer weiteren Summierstelle 14, der ein den Netzwerkfaktor m_s bewertender Netzwerkfaktor 2 D zugeführt wird. Der Ausgang der Summierstelle 14 ist die erste Ableitung des Schätzwertes des Luftspaltes s. Dieser Wert ? wird einem Integrator 15 zugeführt, dessen Ausgang S als Schätzwert für den Luftspalt zu einer Summierstelle 16 geleitet wird. An dieser Sumrniersteüe 16 siegt ein Wert für den Luftspalt, der später noch beschrieben -vird.

Das Ausgangssignal des Integrators 15, d. h. der Schätzwert s für den Luftspalt gelangt über einen regelungstechnischen Aufschaltfaktor k_z zu einer Summierder regelungstechnische Aufschaltfaktor k_z und ein der regelungstechnische Aufschaltfaktor k_z, und ein weiterer regelungstechnischer Aufschaltfaktor k_z an, welcher den Ausgang des PD-Gliedes 2 bewertet.

Von der Summierstelle 17 wird ein Wert gebildet, der einem nichtlinearen Element 4 zugeführt wird, deren Ausgang wiederum einer Summierstelle 18 zugeführt wird. An der Summierstelle 18 wird weiterhin ein Sollwert S₀ und der Ausgangswert eines integrierenden Übertragungsgliedes 19 aufgeschaltet, wobei Eingangswert für das integrierende Übertragungsglied 19 der Ausgang des regelungstechnischen Aufschakfaktors kj_z ist. Der regelungstechnische Aufschaltfaktor k^ wertet das Ergebnis der noch zu beschreibenden Luftspaltwerte an der S onmierstelle 20. Der Ausgang der Summierstelle 18 wird einem weiteren nichtlinearen Element 5 zugeleitet, an dessen Ausgang das Regelungssignal u abnehmbar ist.

Ein Sensor 9, der den Luftspalt mißt, dargestellt durch einen Tießpaß, bildet das Ausgangssignal S₁ für die Größe des Luftspaltes. Dieser Wert S₁ sowie der Sollwert S„ für den Luftspalt und ein Signal A s„ für die Sollwertzunahme werden an der Summierstelle 20 summiert. Dort wird das bereits erwähnte Signal für die Summierstelle 16 und für rfen Eingang des regelungstechnischen Aufschaltfaktors kj_z gebildet.

Wie bereit? erwähnt, wird ilurch den Hochpaß 1, welcher zweiter Ordnung ist, sowohl höhere Dämpfung als auch geringere Spaltabweichung erreicht. Die ermittelte Beschleunigung Z wird durch das PD-Glied 2 bewertet. Da bei elektromagnetischer Regelung schlecht gedämpfte Eigenwerte zwischen 6 bis 20 kHz liegen, werden diese speziell durch die höheren Amplituden- und bessere Phasenlage gedämpft. Dies führt unter anderem auch zu einem glatteren Frequenzgang im Folgen.

Durch den Tiefpaß 3 werden die Reglerspannung für höhere Frequenzen im Folgen, d. h. kurzwellige Fahrbahnabweichungen durch Toleranzen, in Grenzen gehalten. Folgen ist im höheren Frequenzbereich nicht erwünscht. Durch die onne Tießpaß 3auftretenden Reglerspannung wird sich abe' das Folgeverhalten dort verschlechtern, wo es notwendig ist.

Die nichtlinearen Elemente 4 und 5 bewirken bei plötzlich auftretenden Störungen großer Amplitude, daß sich der Magnet zunächst von der Schiene weg bewegt, d. h. es tritt eine höhere Bewertung des kleiner werdenden Spaltes beim nichtlinearen Element 4 und eine unsymmetrische Begrenzung beim nichtlinearen Element 5 ein, welches einen negativen Gleichanteil bewirkt und somit eine Spaltvergrößerung.

In Fig. 2 ist ein zusätzlicher Regelkreis dargestellt,

ίο wobei mit 20 die bereits in Fig. 1 erläuterte Summierstelle bezeichnet ist. Dieser zusätzliche Regelkreis dient der störadaptiven Sol'.wertabsenkung. An der Summationsstelle 20 liegt sowohl das Ausgangssignal S₅ des Sensors 9, welcher den Luftspalt mißt, als auch mit negativem Vorzeichen das Signal S₀ für den Sollwert des Luftspaltes. Der Sollwert S₀ des Luftspaltes wird auch einer Verstärkung 21 zugeführt, wobei das negative Ausgangssignal der Verstärkung 21 auf einer SummiersteHe 25 liegt. Der Ausgang der SummiersteHe 20 wird einem Hochpaß 23 zugeführt, dessen Ausgang <>uf einer SummiersteHe 24 liegt. Der Ausgang der Su.nmierstelle 24 gelangt zu einem nichtlinearen Element 26 und von dort zu einem Tiefpaß 27, wobei der Ausgang des Tiefpasses 27 auf die SummiersteHe 24 mit negativem Vorzeichen

2=> zurückgeführt wird. Außerdem liegt der Ausgang des Tiefpasses 27 auf der SummiersteHe 25. Deren Ausgang gelangt zu einem nichtlinearen Element 22, an dessen Ausgang das Signal A s_o abnehmbar ist, welches zu der SummiersteHe 20 geleitet wird.

Durch diese Schaltung wird an Streckenabschnitten mit großen Störungen der Solispalt erhöht, damit ein Anstoßen an die Schiene verhindert wird, es wird mithin der Leistungsverbrauch nur an schlechten Streckenabschnitten erhöht.

j; Beim Übergang von einem störungsarmen zu einem schlechten Streckenabschnitt wird das Überschwingen in Richtung Spaltverkleinerung durch eine Sollspalterhöhung verhindert. Durch den Hochpaß 23 mit Verstärkung werden die Störungen frequenz- und ampiuudenabhängig bewertet, so daß der zusätzliche Regelkreis erst bei schnellerer Fahrt und entsprechendem Amplitudenspektrum eingreift.

Durch das negative Vorzeichen des Hochpasses 23 werden die Spaltabweichungen zur Schiene hin bewer-

4> tet. Verbesserungen im Folgeverhalten, d. h. in der Dynamik des ersten Regelkreises können zusätzlich noch erreicht werden durch Zurücknahme der Dämpfung im Frequenzbereich, für die ein Folgen erwünscht ist.

>o Durch die positive Rückkopplung der Sollwertabsenkung kann ab bestimmten Eingangsstörungen und größeren Verstärkungen diese Enddämpfung entstehen.

Wird das negative Vorzeichen des Hochpasses 23 nichl verwendet, so werden die Spaltabweichungen weg von der Schiene bewertet. Durch die positive Rückkopplung ist kein Einfluß auf die Stabilität de-; ersten Regelkreises zu erwarten.

Des weiteren kann die Sollwertabsenkung statt als Rückkopplungskreis iuch als Vorwärtskreis ausgeführt werden. Hierbei ergibt sich die gleiche Additionsstelle für A s₀, wobei S₅ als Hochpaßeingang verwendet wird.

Anstatt des Tiefpasses 27 mit Rückführung kann auch

eine Spitzenwertgleichrichtung verwendet werden,mit der die gleiche Dynamik, d. h., schneller Aufbau des Eingangssignales und langsamer Abfall dieses Wertes erreicht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regelung zum leistungsoptimalen Anpassen des Luftspaltes von elektromagnetischen Schwebefahrzeugen zwischen Schiene und Magnet an unbekannte Fahrwegstöningen mit einem Regelkreis, bei dem ein bewertetes Beschleunigungssignal als Störgröße aufgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis nichtlineare Elemente (4, S) enthält und im wesentlichen kurzzeitig auftretende Störungen ausregelt und daß an Streckenabschnitten mit großen Fahrwegstörungen der Sollwert (So) des Luftspaltes erhöht wird, indem der Meßwert (S) des Luftspaltes bewertet als zusätzliches Signal (A S₀) dem Regelkreis über eine Sammierstelle (20) zugeführt wird.

2. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß