DE3417502A1

DE3417502A1 - Regelanordnung zur regelung des luftspaltes zwischen schienen und magneten eines elektromagnetischen schwebefahrzeuges

Info

Publication number: DE3417502A1
Application number: DE19843417502
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Bohn; Wolfgang Dipl.-Ing. 8012 Ottobrunn Crämer; Eveline Dipl.-Math. 8011 Oberpframmern Gottzein
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1984-05-11
Filing date: 1984-05-11
Publication date: 1985-11-14
Also published as: DE3417502C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung zur
Regelung des Luftspaltes zwischen Schienen und Magneten eines elektromagnetischen Schwebefahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In den deutschen Offenlegungsschriften 24 46 851 bzw.
24 46 936 ist vorgeschlagen worden, neben den Meßgrößen Luftspalt und gegebenenfalls Spaltabweichung als zusätzliche Meßgrößen für den Regler den Magnetstrom bzw. den Magnetfluß zu verwenden. Aus Sicherheitsgründen ist es wünschenswert, die Regelung für ein elektromagnetisches Schwebefahrzeug redundant auszulegen, d.h. daß die verwendeten Meßgrößen auf mindestens zwei unabhängigen Wegen gemessen werden. Die Verwendung der Meßgrößen Magnetstrom bzw.
Magnetfluß anstelle der Magnetbeschleunigung hat den Vorteil, daß diese Meßgrößen in der regelungstechnischen Grundeinheit im Schwebefahrzeug direkt gemessen werden können, während die früher verwendete systemeigene Meßgröße Magnetbeschleunigung z.B. mit Hilfe von Beschleunigungsmessern direkt am Magneten erfaßt werden muß. Aus Gründen der Redundanz müßten somit am Magneten zwei Beschleunigungsmesser samt den notwendigen Steckverbindungen und der notwendigen Verkabelung vorgesehen werden, so daß mit einer solchen Ausführung ein höherer Aufwand verbunden ist als bei der Messung von Magnetstrom bzw. Magnetfluß.
Die Einführung der zusätzlichen Meßgrößen Magnetstrom bzw.
Magnetfluß scheiterte jedoch in der technischen Anwendung bisher an der zu großen Empfindlichkeit der Regelkreise gegenüber Abweichungen des Arbeitspunktes der Trag- und Führungsmagnete von den Soll- bzw. Nennwerten und den unzulässig großen Spaltabweichungen bei Einwirkung äußerer Störkräfte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelanordnung der in Rede stehenden Art so weiter zu ent- wickeln, daß die bei der Regelung mit den zusätzlichen Meßgrößen Magnetstrom bzw. Magnetfluß verbundene Empfindlichkeit des Regelkreises auf Schwankungen des Arbeitspunktes weitgehend eliminiert wird.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Mit dieser Lösung werden die Schwankungen des Arbeitspunktes der Magnete durch selbsttätige Verstellung der kritischen Reglerparameter zur Anpassung an die veränderten Betriebsbedingungen beseitigt. Zur Verstellung dieser Reglerparameter werden aus den Meßgrößen Magnetstrom bzw.
Magnetfluß und Magnetspalt unter Berücksichtigung der Meßstörungen Schätzwerte dieser Meßgrößen herangezogen. Die Verstellung erfolgt dabei so, daß die Systemeigenschaften, insbesondere die Eigenwerte des Regelsystems für alle Arbeitspunkte der Magnete nahezu unverändert bleiben. Die Schätzwerte werden in einem diskreten Beobachter aus den einzelnen Magnetparametern gegebenenfalls unter Hinzuziehung einer Störkraftschätzung in Schätzwerte umgewandelt, z.B. in Schätzwerte des Luftspaltes, der Luftspaltänderung und des Magnetstromes, die dann dem diskreten Regler zugeführt werden. In dem Regler werden aus diesen Schätzwerten des Beobachters die Regleraufschaltwerte verstellt. Aufgrund der verstellten ReglAraufschaltwerte wird die Reglerausgangsspannung gebildet, die das Stellglied für die Magnete ansteuert.
Durch diese Selbstanpassung der kritischen Reglerparameter an die veränderten Betriebsbedingungen wird die Empfindlichkeit des Reglers gegenüber Abweichungen des Arbeitspunktes der Magnete wesentlich herabgesetzt.
Das an sich bei dieser Art Regelung mit den Meßgrößen Magnetstrom bzw. Magnetfluß und Luftspalt im Vergleich zu einer Regelung mit den zwei Meßgrößen Magnetspalt und Magnetbeschleunigung schlechtere Störverhalten gegenüber äußeren Störkräften kann durch höhere Regelkreisverstärkung unter Verwendung eines Stellgliedes mit gestufter Kennlinie, z.B.
eines Zweipunkt-Stellgliedes mit einer für kleine Störungen gegen unendlich gehenden Reglerverstärkung, oder eines Dreipunkt-Stellgliedes und/oder durch eine Störkraftschätzung verbessert werden.
Diese Störkraftschätzung erfolgt in einem Störbeobachter, dem gegebenenfalls als zusätzliche Meßgrößen die Magnetbeschleunigung oder die Kraft, die über die Sekundärfederung der Magnete übertragen wird, zugeführt werden. Dieser Störbeobachter ist von dem diskreten Beobachter zur Selbstanpassung des Regelsystems regelungstechnisch entkoppelt, so daß die Stabilität der Luftspaltregelung nicht beeinflußt wird. Ein Ausfall dieser Meßgrößen führt demnach nicht dazu, daß der betroffene Magnet abgeschaltet werden muß.
Falls einzeln aufgehängte autonom geregelte Magnete als magnetische Räder verwendet werden, so braucht nur ein solcher zusätzlicher Meßwertgeber, z.B. ein Beschleunigungsgeber vorhanden sein, da wegen der regUlungstechnischen Entkoppelung zwischen Störbeobachter und diskretem Beobachter keine Redundanz erforderlich ist.
Zur Verbesserung der Stabilitätsreserve bei hoher Reglerverstärkung und einem linearen Mehrpunkt-Stellglied oder zur Erhöhung der Frequenz der Stellgröße und Herabsetzung der Amplitude der Grenzzyklen bei Verwendung eines Zweipunkt- oder Dreipunkt-Stellgliedes wird das Stellglied mit einer verzögerten Rückführung ausgerüstet.
Die in der Regelanordnung verwendeten Schaltungen, insbe- sondere der Regler selbst, der diskrete Beobachter und auch der Störbeobachter für die Störkraftschätzung werden vorzugsweise in digitaler Schaltungstechnik und/oder durch Mikroprozessoren realisiert.
Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der einzigen Figur näher erläutert, in der ein Blockschaltbild für ein Regelsystem zur Regelung des Luftspaltes zwischen Schienen und Mgneten eines Magnetschwebefahrzeuges gemäß der Erfindung dargestellt ist.
) In dieser Figur ist eine Magnetwippe 1 dargestellt, die autonom geregelte Trag- und Führungsmagnete trägt. Die Trag-und Führungsmagnete werden mit Magnetspannungen U1 bzw. U2 versorgt, die aus den Nominalspannungen U10 bzw. U20, die notwendig sind, um das Magnetschwebefahrzeug in einem Sollabstand von der Schiene in Schwebe zu halten, und den Stellerausgangsspannungen zusammengesetzt sind. In den Magneten stellen sich Magnetparameter C in Abhängigkeit des Luftspaltes s, der Luftspaltänderung s, des Magnetstromes I und der Magnetstromänderung i ein. Als Meßgrößen werden die Luftspalte s1 und s2 des Trag- bzw. des Führungsmagneten und die Magnetströme Ii bzw. 12 oder die Magnetflüsse W 1 bzw. 2 erfaßt. Diese Meßgrößen werden 2 einem diskreten Beobachter 2 zugeführt, der außerdem als Eingangsgrößen noch die den Magneten zugeführten Magnetspannungen U1 und U2 erhält.
Jede Magnetwippe 1 ist zusätzlich mit einem hier nicht gezeigten Beschleunigungsgeber versehen, der ein Beschleunigungssignal z an einen Störbeobachter 3 liefert. Außerdem kann als Eingangssignal für diesen Störbeobachter noch der Federweg der Sekundärfederung der Magnete eingegeben werden. Aus einem oder beiden dieser Eingangswerte schätzt der Störbeobachter die an den Magneten angreifenden Störkräfte z ab und liefert an den diskreten Beobachter einen Schätzwert fz, der ebenfalls in dem diskreten Beobachter 2 verarbeitet wird. In diesem diskreten Beobachter werden die oben genannten Magnetparameter cs, Cs, CI und Cj der Magnetwippe aufgrund der Eingangsgrößen geschätzt. Zur Stützung dieser Schätzung wird auch das Signal z verwendet, wobei jedoch bei Ausfall der Meßwertgeber für den Störbeobachter 3 die gewonnenen Schützwerte für die Magnetparameter weiter verwendet werden können. Störbeobachter 3llund diskreter Beobachter 2 sind somit regelungstechnisch entkoppelt.
Der diskrete Beobachter bildet die Magnetparameter als veränderliche Schützwerte C nach und hieraus Schätzwerte für die Eingangsgrößen eines diskreten Reglers 4. Die Eingangsgrößen für den diskreten Regler 4 sind die Schützwerte für die Luftspalte s1, 52 , die Schätzwerte für die Luftspaltänderungen s1, s2 sowie die Schätzwerte für die beiden Magnetströme lir I2 . Dem diskreten Regler 4 wird außerdem noch der Schützwert z für die Störkraft zugeführt. Der Regler arbeitet nach einem Regelsatz mit den Regleraufschaltwerten ks, k5, kI und kf für den Luftspalt, die Luftspaltänderung, den Magnetstrom und die Störkraft. Diese Regleraufschaltwerte sind entsprechend den zugeführten Schätzwerten veränderlich.
Der diskrete Regler liefert ein Stellsignal an ein Zweipunkt-Stellglied 5, mit dem die Reglerverstärkung bei einer Schaltung sehr hoch gewählt wird. Das Zweipunkt-Stellglied ist mit einer verzögerten Rückführung 6 versehen. Das Ausgangssignal des Zweipunkt-Stellgliedes 5 wird zu den Nominalspannungen U1O und U2O zur Stabilisierung der Magnetwippe 1 addiert.

Claims

Regelanordnung zur Regelung des Luftspaltes zwischen Schienen und Magneten eines elektromagnetischen Schwebefahrzeuges Patentansprüche 1. Regelanordnung zur Regelung des Trag- und/oder Führluftspaltes zwischen Trag- und/oder Führungsschienen und Trag- und/oder Führungsmagneten eines elektromagnetischen Schwebefahrzeuges, mit einem Regler, dem zur Beeinflussung der Stellgrößen für die Magnete als systemeigene Meßgrößen Luftspalt und Magnetstrom bzw.

Magnetfluß zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein diskreter Beobachter (2) vorgesehen ist, der aus den Meßgrößen (s, I, Y ) unter Berücksichtigung der Meßstörungen Schätzwerte (s, ! ) dieser Meßgrößen und daraus abgeleitete Schätzwerte (s) bildet und diese einem diskreten Regler (4) zuführt, der seinerseits über ein Stellglied (5) die Stellgrößen (U) so beeinflußt, daß die Systemeigenschaften, insbesondere die Eigenwerte des Regelsystems für alle Arbeitspunkte der Magnete (1) nahezu unverändert bleiben.
2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dss Stellglied (5) eine hohe Ersatzverstärkung aufweist.
3. Regelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (4) eine in Abhängigkeit der Regler- eingangsgrößen gleichsinnig veränderliche Reglerverstärkung aufweist.
4. Regelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler zur Variation der Reglerverstärkung ein Stellglied (5) mit Stufenkennlinie aufweist.
5. Regelanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (5) ein Zweipunkt- bzw. Dreipunkt-Stellglied ist, dessen höchster Kennlinienwert eine sehr hohe Reglerverstärkung (VR+) bewirkt.
6. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (5) eine verzögerte Rückführung (6) aufweist.
7. Regelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Störbeobachter (3) zur Störkraftschätzung (fz) z aus weiteren Stützmeßgrößen (Magnetbeschleunigung, Federweg) vorgesehen ist, dessen Ausgang mit dem diskreten Beobachter (2) und dem diskreten Regler (4) verbunden ist.
8. Regelanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der weiteren Stützmeßgrößen für den Störbeobachter (3) ein Beschleunigungsgeber (E am jeweiligen Magneten (1) vorgesehen ist.
9. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Störbeobachter (3) von dem diskreten Beobachter (2) regelungstechnisch entkoppelt ist.
10. Regelanordnung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der diskrete Regler (4) und der diskrete Beobachter (2) in digitaler Schaltungstechnik aufgebaut sind.
11. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der diskrete Regler (4) und der diskrete Beobachter (2) als Mikroprozessorschaltungen ausgebildet sind.