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Regelanordnung zur dynamischen Entkopplung eines schienengebundenen
Fahrzeuges von seinen Schienen, das gegenüber seinen Schienen mit Hilfe von Magneten
in einem Abstand geführt ist.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung zur dynamischen
Entkopplung eines schienengebundenen Fahrzeuges von seinen Schienen, das gegenjber
seinen Schienen mit Hilfe von Magneten in einem Abstand geführt ist, der durch die
Magnete steuernde Regelkreise geregelt wird, wobei in die zbstandsregelung als mit
dem Sollwert zu vergleichender Istwert ein einen fiktiven Leitlinieriabstand verkörperndes
Signal eingeführt ist, welches aus den den Schienenabstand zwischen Magneten und
Schienen verkörpernden Meßwerten und einer weiteren.systemeigenen Meßgröße gebildet
ist.
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Nach der DT-OS 2 127 047 ist die zusätzliche systemeigene Meßgröße
die Beschleunigung des Fahrzeuges in Richtung der Abstndsdnderung. Das den fiktiven
Leitlinienlbstand verkörpernde Signal wird vom Ausgang eines Reglers abgenommen,
dessen Eingang das Beschleunigungssignal und über einen weiteren Regler die Differenz
aus Schienenabstandssignal und dem Signal für den Leitlinienabstand zugeführt ist.
Auf diese Weise wird in abhangigkeit der augenblicklichen Seiten-oder Höhenbeschleunigung
des Fahrzeuges und des augenblicklich wahrnehmbaren Abstandes von seinen Schienen
eine fiktive, unerwanschte Schicnenstörungen nicht enthaltende Leitlinie gebildet,
längs der das Fahrzeug geführt ist.
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Die Bildung der eine Fahrwegreferenz darstellenden Leitlinie erfolgt
also in einem Stützkreis aus Beschleunigungs- und Spaltmenwerten, wobei die Spaltmessung
dazu benutzt wird, die aus den Beschleunigungsmessersignalen gewonnene Fahrwegreferenz
zu stutzen, d.h. ein Weglaufen aufgrund von Nullpunktsfehlern und Drifteffekten
zu verhindern.
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Zur Eliminierung von Nullpunktsfehlern der Beschleunigung 5-messer
und von Drifteffekten der den Beschleunigungsmessern zugeordneten Integratoren sind
ferner Filter notwendig, über die auch die stationure Beschleunigungsanzeige von
9,82mjsed' im Schwebezust-nd des Fahrzeuges auszufiltern ist.
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Handelsübliche Beschleunigungsmesser sind aufwendige Bauteile, die
einer eigenen Versorgung mit hochfrequentem Wechselstrom bedürfen. Ferner erfordern
die Sicherheitsbestimmungen vor Inbetriebnahme des Fahrzeuges eine Überpr:afung
der Funktionsfähigkeit dieser Bauteile. Da Beschleunigungsmesser im abgesetzten
Zustande des Fahrzeuges keine dynamischen Signale liefern, sind zusetzliche Einrichtungen
notwendig, mit denen auf die Beschleunigungsmesser einwirkende Beschleunigungen
simuliert werden, so daß neben den zusatzlichen Einrichtungen auch zusätzliche Prüfeingänge
zu schaffen sind, die während des Betriebes des Fahrzeuges als Störeingänge wirken
können.
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Um eine hohe Meßgenauigkeit und eine geringe Ansprechschwelle zu gewährleisten,
werden Beschleunigungsmesser verwendet, deren Meßbereich auf die Anforderungen im
Fahrbetrieb ausgelegt ist. Unvorhergesehene Stöße, z.B. bei nicht'vorschriftsmäßigem
Absetzen, führen daher zur Beschädigung oder Zerstörung der Beschleunigungsmesser.
Darüber hinaus ist der angezeigte Beschleunigungswert kein Maß für die Strombelastung
des jeweils zugeordneten Trag- oder Fiihrungsmagneten. Dher können ungleichmäßige
Belastungen, hervorgerufen durch elastische Verformung und geometrische Toleranzen
von Fahrzeug und Fahrweg, nur durch susätzliche Maßnahmen ausgeglichen werden.
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Schließlich ist die für die Betriebssicherheit des Fahrzeuges notwendige
Redundanz mit Beschleunigungsmessern aufwendig in der Realisierung, da sowohl -us;itzliche
Beschleunigungsmesser als auch zusitzliche Pruf- und Versorgungseinrichtungen erforderlich
sind, die ebenfalls dem rauhen Betrieb im Fahrverkehr des Fahrzeuges unterworfen
und hohen magnetischen Feldstärken ausgesetzt sind.
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Schließlich ist die Bildung der Leitliniensignale mit Hilfe von Beschleunigungsmessersignalen
dann problematisch, wenn das Fahrzeug eine Weiche durchfährt. Während der Weichenfahrt
müssen nämlich die Trag- und Führungskräfte von den Schienen zugeordneten Magneten,
den sog. fahrwegfesten Magneten, und nicht von den am Fahrzeug angeordneten Magneten
erzeugt werden. Beim Einfahren des Fahrzeuges in eine Weiche müssen also die fahrwegfesten
Magnete bereits erregt sein, um das Fahrzeug ununterbrochen im Schwebezustand zu
halten. Die Gewinnung des Leitliniensignals für die Regelung der fahrweg-, also
weichenfesten Magnete über die am sich bewegenden Fahrzeug befindlichen Beschleunigungsmesser
ist unmöglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine andere systemeigene
Meßgröße der Regelanordnung zur Bildung einer Leitlinie oder Fahrwegreferenz mit
Hilfe von Stützkreisen zu finden, die fahrzeugseitig unter Berücksichtigung des
rauhen
Betriebes und plötzlich auftretender unvorhergesehener Stöße
einfacher und störungssicherer als bisher zu etmitteln ist und die auch bei Weichenfahrt
des Fahrzeuges den störungsfreien Betrieb auf einfache Weise ermöglicht, also sowohl
für fahrzeug- als auch für fahrwegfeste Magnete geeignet ist, und die einen möglichst
geringen meßtechnischen Aufwand erfordert.
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Ausgehend von einer Regelanordnung der eingangs genannten Art ist
diese Aufgabe gemaß der Erfindung dadurch gelöst, daß als weitere systemeigene Meßgröße
die Größe des Magnet stromes I der Trag- bzw. Führungsmagnete für die Bildung der
Leitlinie benutzt it.
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Da für die Überwachung des Magnetstromes ohnehin Meßeinrichtungen
vorhanden sein müssen, ist für die Ermittlung der Ausgangsparameter für die Leitlinienbildung
kein zusätzlicher meßtechnischer aufwand erforderlich. Darüber hinaus sind die Einrichtungen
zur Messung von Strömen einfache und robuste Komponenten. Da zur Erzeugung der erforderlichen
Trag- und Führungskräfte mehr Magnete vorhanden sind als Strommeßwerte für die Regelung
an sich erforderlich sind, ist die für den Fahrbetrieb notwendige Redundanz von
selbst gegeben. Darüber hinaus erlaubt die Vielzahl der Meßstellen die regelungstechnische
Beherrschung von elastischen Biegeschwingungen des Fahrzeuges und des Fahrweges.
Auch hierfür sind also zusätzliche Meßstellen nicht erforderlich.
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Erfindungsgemaß wird der stationäre Wert des gemessenen Magnetstromes,
also der bei Abwesenheit von Störungen des Fahrzeuges im Schwebezustand durch den
Magneten fließende Ruhestrom, durch einen Hochpaß ausgefiltert.
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Auf diese Weise lassen sich gleichzeitig eventuelle Nullpunktsfehler
der Strommesser eliminieren.
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Schließlich sind aufgrund der Vielzahl der Meßstellen ungleiche Lastverteilungen
und Ausfälle einzelner Magnete regelungstechnisch beherrschba, ohne daß es zu großen
Spaltänderungen kommt; dies gilt insbesondere, wenn ?:ie gemessenen Stromanderungen
in der Regelung gegenüber einem nominalen Arbeitspunkt verarbeitet werden.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird daher für die Bildung
der Leitlinie außer der Eingabe von Spalt- und Stromanderungen ein den jeweiligen
BetriebsbedingunJen angepaßter Soll strom vorgegeben.
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Dieser Sollstrom ist beispielsweise mit Hilfe eines sq.
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erweiterten Beobachters - Kalman Filter - aus den vorhandenen Meßwerten
oder unter Verwendung zusätzlicher Meßwerte gewinnbar.
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Verschiebungen des Arbeitspunktes des Magneten, d.h. Verschiebungen
seines Stromwertes gegenfiber dem Soll strom können daher als von einer ungleichen
Lastverteiluns oder Tragkraftverteilung infolge geometrischer Toleranzen von Fahrzeug
und Fahrweg oder Ausfall einzelner Magnete herrührend erkannt und durch die Regelung
ausgeglichen werden.
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Die Art der Regelung ist also sowohl für fahrzeug- als auch für fahrwegfeste
Magnete anwendbar. auch lassen sich beide Arten von Meßgrößen, also Beschleunigung
und Spalt sowie Strom und Spalt für die Bildung der Leitlinie miteinander in Kombination
anwenden.
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Aus der DT-PS 644 302 ist es zwar bekannt, in die Abstandsregelung
eines Magnetschwebefahrzeuges die Größe des Magnetstromes einzuführen. Dort handelt
es sich jedoch um die Dämpfung der Erregerstromkreise der Schwebemagnete, nicht
aber um die Bildunq einer fiktiven Leitlinie, längs der das Magnetschwebefahrzeug
zu führen ist.
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Die £erfindung ist anhand eines in der Zeichnung mehr oder minder
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Magnetschwebefahrzeuges;
Fig. 2 die geometrische Anordnung eines Tragmagneten in bezug auf seine Schiene;
Fig. 3 das Blockschaltbild der Regelanordnung für den rragmagneten gemäß Fig. 2;
Fig. 4 das Wirkbild des Stützkreises der Regelanordnung gemäß Fig. 3 unter Verwendung
der Spalt- und Stromänderung als systemeigene Meßgrößen; Fig. 5 das Blockschaltbild
des Stützkreises gemäß Fig. 4.
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Ein in Fig. 1 lediglich schemstisch dargestelltss Schwebefahrzeug
F weist salmmetrisch zu seiner Längsachse X angeordnete Tragmagnete 10, 11 und 12,13
sowie symmetrisch zu seiner Querachse Y angeordnete Führungsmagnete 20,21 und 22,
23 auf. Den Trag- und Führungsmagneten sind als Winkelschienen ausgeführte Trag-
und Führungsschienen 40 und 41 zugeordnet, die in hier nicht dargestellter Weise
auf einer ebenfalls nicht dargestcllten Trasse starr befestigt sind.
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Das Schwebefahrzeug, dessen z.B. als Linearmotor ausgebildete Antriebsvorrichtung
nicht dargestellt ist, kann sich in fünf Freiheitsgraden um seine Längsachse X,
um seine Querachse Y und um seine Hochachse Z bewegen. Die Bewegungen des Fahrzeuges
um die Längsachse sind mit y , um die Querachse mit mit und um die Hochachse mit
t bezeichnet. Ferner kann das Fahrzeug die Hebebewegung 5 und die Schiebebewegung
t durchführen.
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Von der in der DT-OS 2 127 047 beschriebenen Regelanordnung für die
Führung des Magnetschwebefahrzeuges längs seiner Schienen ist nachfolgend nur der
Stützkreis zur Bildung des fiktiven Leitliniensignals für einen einzigen Magneten
M1l für die Koordinate Z beschrieben.
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Von dem um die drei aufeinander senkrecht stehenden Koordinatenachsen
X, Y, Z frei beweglichen Magnetschwebefahrzeug F ist demgemäß in Fig. 2 nur eine
Schiene 41 und nur ein Tragmagnet M11 dargestellt, der über eine Spule Sp1 erregt
wird. In die Stromzuführung ist ein Strommesser IM eingeschaltet, um den jeweiligen
Magnetstrom I messen zu können.
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Ferner ist ein Spaltmesser SM11 dargestellt, an dessen Ausgang eine
dem Luftspalt 5 zwischen Schiene und Spaltmesser und damit zwischen Schiene und
Magnet proportionale Spannung s abnchmbar ist.
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In dem Blockschaltbild nach Fig. 3 ist das Magnetschwebefahrzeug ebenfalls
mit F bezeichnet und sind über Summierstellen
30 und 34 eines Stützkreises
Regler a und b eingeschaltet. Der Ausgang eines am Ausgang des Reglers a liegenden
weiteren Reglers c liegt an einer weiteren Summierstelle 40. Hier wird das von einem-übergeordneten
Regler kommende, einen Sollwert verkörpernde Eingangssignal mit dem aus dem Regler
c abgenommenen Rückführsignal summiert und einem Regler 49 zugeführt, der über ein
Magnetstromstellglied 51 das Stellsignal für den Magneten M11 erzeugt, dessen Stellkraft
auf das Magnetschwebefahrzeug F wirkt.
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Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß für jeden Trag-
und Führungsmagneten 10 bis 13 und 20 bis 23 des Magnetschwebefahrzeuges F eine
solche Regelanordnung vorhanden ist. Selbstverständlich können die Trag- und Führungsmagnete
auch gruppenweise von einer solchen Regelanordnung gesteuert werden.
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Die Funktion eines solchen Stützkreises ist nachfolgend an Hand der
Fig. 4 beschrieben, bei dem für die Bildung der Leitlinie die Spalt- und Stromänderung
als systemeigene Meßgröße eingeführt sind.
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Der am Magneten M11 gemessene Strom I wird in einem Summierglied 50
mit einem Wert verglichen, der aus der Differenz der Spaltmessung s und den im Stützkreis
gebildeten Ersatzwerten für die Koordinate AZ (geschätzte Werte) und einem über
ein Netzwerk 42 eingeführten Faktor k2 gebildet ist. Das so erhaltene Signal wird
einem weiteren Summierglied 52 zugeführt, i; em ein Vergleich dieses Signals mit
dem Signal erfolgt, das aus der mit einem Faktor k1 in einem Netzwerk 43 multiplizierten
zeitlichen Ableitung + der geschätzten Koordinate zu gewonnen wurde.
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Das auf diese Weise gebildete Signal stellt einen Schätzwert für den
Strom t dar. Nach Multiplikation mit einem systembedingten Koeffizienten -c1 in
einem Verstärker 59
wird das Signal einem Summierglied 13 zugeführt,
dem es mit einem Wert verglichen wird, welcher aus dem Schätzwert der Koordinate
§ durch Multiplikation mit einem systembedingten Koeffizienten c5 in einem Netzwerk
44 gewonnen ist.
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Dieses Signal stellt einen Schätzwert für die Beschleunigung z am
Ort der Strommessung des Magneten M11 dar.
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Durch zweifache Integration in den Integratoren 57 und 58 werden Signale
erhalten, die die Schätzwerte der Koordinate Z und ihrer zeitlichen Ableitung /\z
darstellen. Die so gebildeten Schätzwerte für den Strom ? , für die Koordinate sowie
dessen zeitliche Ableitung Az werden nach Multiplikation mit regelungstechnischen
Aufschaltfaktoren KI, Kzf bzw. Ki in Netzwerkten 46, 47 und 48 in einem Summierglied
55 zur gewünschten Ruckführgröße verarbeitet.
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Wird der eben beschriebene Stützkreis nach den Regeln der linearen
Regelungstheorie umgeformt, so ergibt sich das in Fig. 5 dargestellte Blockschaltbild
des Stützkreises. Dieser besteht aus den Reglern a, b und c - wie in der DT-OS 2
127 047 dargestellt - von denen der Regler a das Leitliniensignal, der Regler b
die Korrektur von Abweichung des Leitliniensignals von seinem Sollwert und der Regler
c die Aufbereitung des Leitliniensignals zur Rückführgröße bewirkt.
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Die Regler a, b und c gemäß Fig. 5 entsprechen den in der Fig. 3 dargestellten
Reglern a, b und c..
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Wie aus d-em Vorstehenden ersichtlich, läßt sich also auch aus der
systemeigenen Meßgröße I, also der Erregerstromstärke der Trag- und Führungsmagnete
ebenfalls eine als Leitliniensignal dienende Rückführgröße gewinnen. Die Regelung
des Magnetschwebefahrzeuges erfolgt in bekannter Weise, d.h. es wird in einem konstanten
Abstand zu dieser Leitlinie geführt, wie dies in der eingangs genannten Druckschrift
im einzelnen beschrieben ist.
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Anstelle der Zuführung des Magnetstromes I über den Hochpaß 65 kann
diese über ein Summierglied 66 erfolgen, dem als weiterer Wert der nominale Sollstrom
ISoll des Magneten M11 zugeführt ist.
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Patentansprüche: