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Verfahren zur Regelung eines Ma<lnetschweDcfahrzeuqes Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Regelung eines im Abstand von Schienen geführten Magnetschwebefahrzeuges
das mehrere symmetrisch zueinander angeordnete Trag- und Führungsmagneten aufweist,
deren Magnetkraft durch Regelkreise bestimmbar sind unter Verwendung von Magnet
strömen und/oder Spaltbreiten als Meßgrößen.
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Bei einem solchen Fahrzeug ist für jede Magnetspule eines Trag- und
Führungsmagneten ein Regelkreis vorhanden, dem als Trag- und Führungsmagneten von
den Trag- und Führungsschienen und als Istgröße der mittels Abstandsmeßorganen ermittelte
augenblickliche tatsächliche Abstand zugeleitet wird, um daraus die AbstandJsteuerspannung
zu bestimmen, vgl. sr, 1. Jan. 1953, Seiten 11 bis 13.
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Um eine Selbsterregung eines solchen Regelkreis es zu verhindern,
wird durch elektrische Differentiation der dem jeweiligen Abstand proportionalen
Spannung nach der Zeit ein Dämpfungssignal erzeugt, das der Abstandssteuerspannung
additiv zugefügt wird. auf diese Weise wird das Fahrzeug starr an den Schienenvcrlauf
gebunden, so daß jede abweichung der Jchienen von einer idealen Linie ausgereqelt
werden muP. Abgesehen von dem mangelnden Fahrkomfort bedeutet dies einen erheblichen
Energieaufwand.
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Um diesen Dnergieaufwand zu verringern, ist vorgeschlagen worden,
durch Einführung einer beschleunigungsabhängigen Regelgröße passender Höhe die Ausregelung
einer jeden Abweichung in der Jchienenlage zu vermeiden.
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D jedoch die dort angegebene schaltung lediglich ein normaler Regelkreis
mit einem DP-Ulied ist, der enge Einstellgrenzen besitzt, ist eine gleichzeitige
Einstellung der Abstandssteuerspannung und der i>ämpfungsspannüng nicht möglich.
Ein mit einer solchen Regelung versehenes Magnet schwebefahrzeug wird also ebenfalls
einer jeden Abweichung der Schiene exakt folgen. Hierzu gehören auch die Durchbiegungen
der schienen, die bei ihrem überfahren entstehen.
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Wenn beispielsweise der Abstand zwischen zwei Stützen 10 Meter beträgt
und die Tragschiene durch ihr Eigengewicht und die darauf befindliche Fahrzeuglast
2 mm durchhängt, so hat die tsagnetregelung von Stütze zu Stütze jeweils zweimal
- abfallend und ansteigend - den Höhenunterschied von 2 mm zu überwinden. Bei hoher
Geschwindigkeit wären die hierbei auftretenden Wechselbeschleunigungen für Fahrste
unerträglich. Ferner sind stets mehrere Magnete zu regeln, die symmetrisch zur Fahrzeugachse
verteilt sind0 Die von ihnen ausgeübte Kraft hängt sowohl von der Größe
des
die Erregerspule durchfließenden Stromes als auch von der Spaltbreite zwischen Magnet
und Schiene ab. Bei der bekannten Einrichtung wird daher, da auf konstante Spaltlwreite
geregelt wird, der l'ahrzeugkasten erMeblichen Biegebeanspruchungen unerworfen,
insbesondere in Kurven und steigungen bzw. Gefällen. nin abfedern der einzelnen
Trag- und Führungsmagneten vergrößert die Ge-I-hr-des Auftretens von unerwünschten
chwingungen, ausserdem Ist der mechanische Aufwand erheblich, da abgefederte Magnete
gegen Kippen gesichert sein müssen.
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Der Erfindung liegt die ;.ufgabe zugrunde, ein neues Regelverfahren
und eilen Regler zur Durchführunq dieses Verfahrens anzugeben, mit dessen Hilfe
ein Magnetschwebeishrzeug mit hoher Geschwindigkeit entlang einer Fahrstrecke geführt
werden kann, unabhängig davon, ob Kurven, steigungen oder Gefällestrecken zu durch
fahren sind.
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Diese Rufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Magnetkraft
eines jeden Magneten des Magnetschwebefahrzeuges unabhängig von der mittels Meßorganen
festgestellten Spaltbreite zwischen Magnet und Schiene durch je einen Kraftregelkreis
konstant gehalten wird und die mittels weiterer Meßorgange ermittelten Avweichungen
jedes magneten von fest installierten Leitschienen über je einen Lenkregelkreis
eine dieser Abweichung proportionale Kraftänderung hervorruft.
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Auf diese Weise wird das Magnetschwebefahrzeug durch die Kraftregelung
in einen quasi schwerelosen Zustand versetzt und von Biegebeanspruchungen weitgehend
befreit sowie über die Lenkregelung entlang den den Fahrweg bestimmenden Leitschienen
geführt. Die fortwährenden Änderungen der Luftspaltbreite zwischen Magneten und
Schienen führen daher nicht mehr zu am Fahrzeug angreifenden Kraftschwankungen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfingung werden dem Kraftregler
die Abweichung der Jpaltbreite als Eingangsgröße und die Abweichung des Magnetstromes
von seinem Warmelwert bei mittlerer Spaltbreite als Rückführgröße zugeführt, wobei
unter Berücksichtigung magnetabhängiger Beiwerte die Regelspannung gemäß der Formel
U1 = k2 # S = k1 # I (1) bestimmt wird und in einem Rechennetzwerk nach der Formel
I = cI # I - cs # s (2) die Kraftabweichung von ihrem Normalwert ermittelt wird,
und werden dem Lenkregler die abweichung Voll der Leitlinie als Eingangsgröße und
die Kraftabweichung sowohl direkt als auch zeitverzögert als Rückführgrößen zuqeführt,
der seine Ausgangsgröße, die dem KraftreJler als Störgröße aufgeschaltet wird, gemäß
der Formel U2 = kL # L - (kP1 # P + kP2 # P # ##### ) (3) bestimmt, wobei L die
Abweichung von der Leitlinie, kL ein dazugehöriger Verstärkungsfaktor, P die Kraftabweichung,
1 + T @ die Übertragungsfunktion für ein Verzögerungsglied 1. Ordnung und kP1 und
kP2 die Verstärkungsfaktoren für die Rückführung sind.
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Um auch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten eine ausreichend schnelle
Regelung zu erreichen, erfolgt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung eine Fahrgeschwindigkeitsabhängige,
durch ein simuliertes Abweichen des Abstandes zur Leitschiene von seinem tatsächlichen
Wert erzeugte Vormagnetisierung der vorderen Magnete des Fahrzeuges.
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Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gemä: der Erfindung
durch gekennzeichnet, daß jeder Magnetspule der Trag- und Führungsmagnete zwei miteinander
vermaschte Regelkreise zugeordnet sind, die in ihren direkten Zweigen Abstandsmeßorgane
zur Ermittlung des Abstandes der Magnete von den Führungs- und Tragschienen und
des Abstandes der Magnete von fest installierten Leitschienen aufwei;en, din in
der Rückftlhrung des die Trag-und führungskräfte des Magnetschwebefahrzeuges bestimmen
-den Reglers (Kraftregler) ein Differenz- und Inversionsglied und in ier Rückführung
des den Abstand zur leitschiene bestimmenden Reglers (@enkregler) ein Rechennetzwerk,
ein Inversions- und ein Seitglied vorgesehen sind, die der Verarbeitung von magnet-
und schlenenspezifischen Aufschaltgrößen diesen.
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Die Erfindung weist eine Reihe von Vortf?ilen auf. so wird das Magnetschwebefahrzeug
durch die Kraftregelung unabhängig von der jeweiligen spaltbreite im Schwebezustand
gehalten, der frei ist von das Fahrzeug verwindenden Magnet<r;jften und durch
die Lenkregelung entlang der Leitschienen geführt. Die durch das Lenken verursachten
fortwährenden Anderungen der Luftspaltbbreite verursachen keine Kraftschwankungen
am Fahrzeug. Die Tragkraft der einzelnen Magnete bleiLt von der augenblicklichen
Spaltbreite, von ungewollten Spannungsschwankungen und v')n trominderungen, die
durch Gegeninduktion bei Spaltänderungen erzeugt werden, unabhängie. Eine größere
Laufruhe ist die Folge, denn nicht jede Abweichung in tier Spaltbreite muß ausgeregelt
werden. Hauptmerkmale dieser Regelung sind ihre Präzision und ihre schnelligkeit.
Diese Eigenschaften
ermöglichen es, ein Fahrzeug zu regeln, das
z. B. in 1/10 Sekunde etwa 15 Meter Weg zurücklegt. Da die Regelabweichung des Lenkreglers,
das ist die Differenz zwischen clr Größe der Abweichung von 4er Leitschiene und
der C;röße der vom Rechennetzwerk ermittelten Abweichung von der Normalkraft, hoch
verstärkt der Magnetspule aufgeschaltet wird, erfolgt eine sehr schnelle Ummagnetisierung.
Durch die verzögerte und mit ansteigender Verstärkung erfolgende Rückführung des
Kraftanteils wird jedoch ein obersteuern vermieden, so daß die aufzubringende Kraft,
sobald sie ihren Sollwert erreicht ht, sich nicht mehr ändert.
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Die zur Lenkung des Fahrzeuges notwendigen Kraftänderungen werden
also ist großer Verstärkung erzeugt und mit abklingender Verstärkung stabilisiert.
Die Regelung ist daher frei von Regelschwingungen.
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Alle Trag- und Führungsmagnete können starr mit dem Schwebefahrzeug
verbunden werden, was einfach, billig und betriebssicher ist.
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Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Zusführungsbeispieles
beschrieben. Es zeigen Figur 1 eine mehr oder minder schematische perspektivische
Darstellung eines Magnetschwebefahrzeuges und einer s nach, b Führungs- und Leit::chienen.
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Figur 2 ein im vergrößerten Maßstab dargestellter Querschnitt durch
die Trag-, rührung s- und Leitschienen und Figur 3 ein Blockschaltbild eines Regelkreises
zur Durchführung des Regelverfahrens nach der Erfindung.
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Wie Figur 1 zeigt, ist ein I'iallnet:schwebef ahrzeug 10 entlang von
Trag- und Führungsschienen 11 und 12 geführt, die Teile einer Trasse 13 sind. ;jie
Trasse ist vorzugsweise so ausgebildet, daß die aus Stahl bestehenden trag-und Führungsschienen
fest mit Tragbalken aus Stahlbeton 14 verbunden sind L) te jragbaiken sind mit ihren
Enden auf Betonfundamenten gelauert. Entlang der gesamten Trasse sind zwei Tragbalken
16 und 17 fiir die Leitschienen 25a, 25. b so installiert, daß keine durch das Fahrzeug
verursachten Erschütterungen der Prasse auf die Leitschienen einwirken können.
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Die Trag- und Führungsschienen sind Teile von r-förmigen ächienen
15, die mit den Tragbalken 14 der Trasse fest verbunden sind.
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An den Fiihrungsschienen 17 sind Referenzschienen 20 derart angebracht,
daß mittels Cest mit den Magneten verbundener Meßorgane 28 und 30 der jeweilige
Abstand zwischen Magnet und schiene festgestellt werden kann. Ferner sind an den
Magneten weitere I-ießorgane 30 befestigt, denen die Leitschienen 25 als Referenz
fiir den Fahrweg dienen. kn den Tragbalken für die Leitschienen sind die Stromschienen
für die Stromversorgung der Anlage befestigt.
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Die Trasse 13-ist mit einer oder mehreren Reaktonsachieneri 31 für
die am Magnetschwebefahrzeug angeordneten, im Bild nicht gezeigten Linearmotoren
ausgerüstet.
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Das Magnetschwebefahrzeug ist entlang seiner Außenholmen mit je einer
Reihe von Trag- und Führungsmagneten 32, 33 starr verbunden, von denen in Figur
1 nur zwei Paare von Trag- und Führungsmagneten, in Figur 2 nur ein Trag- und ein
Führungsmagnet und in Figur 3 nur die Nagnetspule 34 eines Tragmagneten gezeigt
sind.
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Jeder Tragmagnet 32, d. h. seine Spule 34, ist entsprechend einer
ihm zugeordneten Teillast des Fahrzeuges vormagnetisiert. Alle Führungsmagnete 33
sind-dagegen gleichstark soweit vormagnetisiert, daß ein ausreichender Regelbereich
fUr die noch zu beschreibende Lenkregelung garantiert ist. Jeder Magnet ist mit
einer noch zu beschreibenden Kraftregelung ausgerüstet, welche die Kraft des Magneten
unabhängig von der Spaltbreite zwischen Magnet und Schiene konstant hält. Die Lenkung
des Magnetschwebefahrzeuges geschieht über Lenkregler 52, wobei die Lenkregelung
der Kraftregelung überlagert ist.
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Die Tragmagnete werden einzeln, die Führungsmagnete dagegen paarweise
geregelt; wobei ein Paar aus zwei symmetrisch zur Längsachse des Fahrzeuges angeordneten
Magneten beseht. Geregelt wird in allen Fällen die Kraft der Magnete, die im Wesentlichen
eine Funktion aus Spaltbreite und Magnetstrom ist, wenn die Eigenwerte des Magneten
als gegeben betrachtet werden. Die Kraft abweichung von ihrem Normalwert wird für
jeden Magneten gesondert in einem Rechennetzwerk 68 ermittelt.
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Bei dem in Figur 3 dargestellten Blockschaltbild liefern die Wegmesser
28 und 30 als Ausgangssignal eine der Ab-+ weichung des Magneten von der Referenzlinie
bzw. der Leitlinie proportionale Spannung. Derc S liefernde Ausgang 51 des Wegmessers
28 wird nach Aufschaltung eines Anpassungsfaktors k5 einem Kraftregler 53 als Eingangsgröße,
und eine der über ein Differenzglied 63 festgestellte.Abweichung des Magnetstromes
von seinem Normalwert bei mittlerer Spaltbreite zwischen Magnet und Schiene proportionale
Spannung nach Aufschaltung eines Anpassungsfaktors kI mit umgekehrtem Vorzeichen
als Rückführgröße. zugeführt. Die + durch die feste Leitschiene verkörperten
Ausgangsspannung
U1 des Kraftreglers 53 wird über einen Impedanzwandler 60 der Magnetspule 34 als
Regelspannung aufgeschaltet. Der Wegmesser 30 liefert am Ausgang 50 eine der Abweichung
des magneten von der Leitlinie proportionale Spannung L, die nach Aufschaltung eines
Anpassungsfaktors kL dem Lenkregler 52 als Eingangsgröße dient. Ein Rechennetzwerk
68, dem die Ausgangsspannung eines Differenzgliedes 63 nach Auf schaltung eines
Beiwertes cI und die invertierte Ausgangsspannung S des Wegmessers 51 nach Aufschaltung
des Beiwertes c5 als Eingänge dienen, liefert an seinem umgang eine der Kraftabweichung
des Magneten von ihrem Normalwert proportionale Spannung E. Dieser aufbereitete
Meßwert für die Kraftabweichung wird invertiert und dem Lenkregler 52 einmal nach
Auf schaltung des Aufschaltfaktors k direkt und einmal über ein Verzögerungsglied
1. Ordnung 72 und nach Aufschaltung eines Aufschaltfaktors kp2 als KückfGhrgrößen
zugeleitet. Die Ausgangsspannung U2 des Lenkreglers 56 wird nach passender Verstärkung
bei 57 dem Kraftregler 53 als Störgröße aufgeschaltet. Der Kraftregler wird dadurch
veranlaßt, ein von der Normalkraft abweichendes, vom Lenkregler bestimmtes Kraftniveau
zu stabilisieren.
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Die Ausgangsspannung des Kraftreglers errechnet sich hierbei nach
der linearisierten Formel: U1 kS . = -k1 . 1 ( 1 Die Ausgangs spannung des Lenkreglers
errechnet sich dagegen nach der linearisierten Formel: 2 = kL .L - (kE'1 P + kp2
' P 2 1 + T.s Die Ausgangsspannung des Rechennetzwerkes für die Kraftabweichung
errechnet
sich nach er linearisierten Formel: =cI # I - cs + S (2) Die Ausgangsspannung der
vermaschten Regelkreise errechnet sich schließlich nach der linearisierten Formel:
U3 = ks # S - kI # - V(kL#L - (kp1# p+kp2# p######)) (4) Hierbei ist U3 die der
Magnetspule 34 über einen Impedanzwandler 60 zugeführte Regelspannung, P eine der
Abweichung der Hagnetkraft von ihrem Normalwert bei mittlerer Spaltbreite proportionale
Spannung, L eine der Abweichung des Magneten von der Leitlinie proportionale Spannung,
I eine der in einem Differenzglied ermittelten Magnetstromabweichung von seinem
Normalwert bei mittlerer Spaltbreite proportionale Spannung, 5 eine der Abweichung
der Spaltbreite zwischen Magnet und Schiene von ihrem Normalwert bei mittlerer Spaltbreite
proportionale Spannung, 1 die Übertragungsfunktion für das Verzögerungs-1 + T.s
glied 1. Ordnung und V ein Verstärkungsfaktor zwischen dem Ausgang des Lenkreglers
und dem Eingang des Kraftreglers.
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ks, kI, kL, kpt und kp2. sind Anspassungsfaktoren für die Reglereingänge
und cI und cs sind magnet- und schienenspezifische Beiwert für die Errechnung der
Kraftabweichung, welche experimentell zu ermitteln sind.
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Die physikalischen und mathematischen Größen werden also in den Reglerschaltungen
durch elektrische Spannungen ersetzt und m-it Maßstäben behaftet.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Regelung ist folgende: Es wird
von der Grundvorstellung ausgegangen, daß das Fahrzeug
der Durchbiegung
der Schienen nicht folgen-soll, also Leitlinien vorhanden sind, an denen das Fahrzeug
entlang dem Generalverlauf der Fahrstrecke geführt wird.
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Hierfür ist eine sehr präzise, schnelle Regelung erforderlich. Folge
dieser exakten Lenkung ist ein fortwährender Wechsel des Luftspaltes zwischen Magnet
und Schiene. Damit dieser Luftspaltwechsel nicht zu Kraftschwankungen führt, ist
der Kraftregler vorgesehen, welcher die Tragkraft des Magneten konstant hält, unabhängig
von der Spaltbreite. Jedem Magneten ist daher ein Kraftregler und ein Lenkregler
der beschriebenen Art zugeordnet. Ferner ist vorgesehen, daß jeder Magnet soweit
vormagnetisiert ist, daß er die ihm zugeordnete Last trägt, so daß nur die Abweichungen
hiervon ausgeregelt werden müssen.
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Durch den Kraftregler werden die Meßwerte I und S durch die Aufschaltkoeffizienten
kl, kS zu einer Regelspannung verarbeitet, welche der líagnetspule zugeführt wird.
I>ie Aufschaltkoeffizienten sind von den Eigenwerten des Magneten abhängig. Sie
sind so gewählt daß sie die Magnetisierungszeitkonstante des Magneten überbrücken,
so daß tatsächlich keine Kraftschwankungen auftreten.
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Hierdurch wird die Tragkraft des Magneten von der Spaltbreite, von
ungewollten Spannungsschwankungen am Magneten und von Stromänderungen, die durch
Gegeninduktion bei Spaltänderungen erzeugt werden, unabhängig. Der Vollständigkeit
halber sei erwähnt, daß die Aufschaltkoeffizienten auch von den technischen Daten
der Schiene abhängig sind, sie müssen daher experimentell ermittelt werden.
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Durch die Kraftregelung wird also das gesamte Fahrzeug in einen quasi
schwerelosen Zustand versetzt, wodurch Biegebeanspruchungen des Fahrzeuges weitgehend
vermieden werden.
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Der ebenfalls als Kraftregler arbeitende Lenkregler ist ein Proportionalregler
mit unlinearer Charakteristik. Er hat die Aufgabe, den Magneten entlang der Leitlinie
zu führen. Im Gegensatz zum eigentlichen Kraftregler soll er jedoch Kraftänderungen
hervorrufen, die den zwei chungen des Magneten von der Leitlinie 25 proportional
sind. beine Wirkungsweise läßt sich am besten erklären, wenn man Steig- oder Kurvenfahrt
annimmt, bei der eine konstante Beschleunigung, also auch eine konstante Kraftabweichung
gefordert wird.
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Zwei Meßwerte werden für diesen Regler benötigt, nämlich die Abweichung
L von der Leitlinie und der in einem Rechennetzwerk errechnete Wert P für die Krafta'bweichung.
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Diese beiden Meßwerte werden verglichen und ihre Differenz hoch verstärkt
der Magnetspule zugeschaltet. Durch die hohe Verstärkung wird die Ummagnetisierung
beschleunigt. Das hätte allerdings zur Folge, daß eine viel zu große Kraftänderung
erzeugt würde. Um dieses zu verhüten, wird dem Lenkregler 52 ein zweiter Anteil
der Kraftmessung über das Netzwerk 72 verzögert zugeschaltet. Die Zeitkonstante
und der Aufschaltfaktor sind so gewählt, daß die Kraft, sobald sie ihren Sollwert
erreicht hat, sich nicht mehr ändert. Die Verstärkung des zurückgeführten Kraftsignals
ändert sich also mit der Zeitkonstante des Verzögerungsgliedes, und zwar wird sie
größer. Im gleichen Maße wird die Vorausverstärkung des Reglers abgebaut.
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Es wird also erreicht, daß die Kraftnderung mit großer Verstärkung
erzeugt und anschließend mit abklingender Verstarkung stabilisiert wird. Das Bestechende
an dieser Regelung ist, daß die Stabilisierung des Reglers zeitlich hinter der Regelung
der strecke liegen kann.
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Die mögliche Vorausverstärkung für den Regler richtet sich nach der
für die Regelung verfügbaren Regelspannungsquelle. Würde der Ausgang des Lenkreglers
direkt auf die Magnetspule geschaltet, so würde der Kraftregler ihm entgegenarbeiten.
Deshalb muß er dem Kraftregler als Störung aufgeschaltet werden. Das hat auf die
Wirksamkeit des Kraftreglers keinen Einfluß. Der Kraftregler stabilisiert lediglich
ein anderes, vom Lenkregler bestimntes Kraftniveau.
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Da es sich um einen tr?portionalregler handelt, müßte in Kurven, bei
Steig- und Gefällestrecken eine geringe Abweichung der mittleren spaltbreite in
Kauf genommen werden. Dieses kann vermieden werden, wenn die Leitlinie entsprechend
angeordnet ist.
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Patentansprüche: