DE3501487C2

DE3501487C2 -

Info

Publication number: DE3501487C2
Application number: DE19853501487
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. 8000 Muenchen De Bohn
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Bombardier Transportation GmbH
Priority date: 1985-01-18
Filing date: 1985-01-18
Publication date: 1989-07-20
Also published as: DE3501487A1; JPS61167304A; GB2170023B; GB8600064D0; GB2170023A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Regelkreis für ein Magnetschwebefahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.

Ein solcher Regelkreis ist z. B in der Zeitschrift ZEV-Glasers Annalen 1979, Nr. 5, S. 227-232 beschrieben.

Magnetschwebefahrzeuge werden mit Hilfe von Trag- und Führungsmagneten längs eines Schienenweges geregelt geführt, wobei dem Regelkreis zur Beeinflussung der Stellgrößen für die Magnete Aufschaltgrößen zugeführt werden. Als Aufschaltgrößen werden z. B. die Signale Spalt s, d. h. Abstand zwischen Magneten und Schienenweg, die Spaltänderung und die Magnetbeschleunigung verwendet. Diese Signale werden als Schätzgrößen in einem Stützkreis aus Meßgrößen entwickelt und zur Regelung der Magnetspannung herangezogen.

Die elektromagnetische schwebende Aufhängung eines Magnetschwebefahrzeugs muß zwei Bedingungen genügen:

1. Stabiles Schweben des Magnetfahrzeugs im Stand und
2. gutes Folgeverhalten bei allen Fahrgeschwindigkeiten.

Die bisher realisierten Regler erfüllen die zweite Bedingung durch hohe Regelkreisverstärkungen unter Verwendung der oben erwähnten Aufschaltgrößen. Dies gestattet ein sogenanntes Konturfahren bis zu Fahrwegstörfrequenzen ω _s=2π f _s, das oberhalb der Frequenz f _s allmählich in das sogenannte Plattformfahren übergeht. Im ersten Fall folgt das Magnetschwebefahrzeug unter Einhaltung eines konstanten Luftspalts dem Schienenverlauf, im zweiten Fall verfolgt das Magnetschwebefahrzeug trotz mehr oder weniger hochfrequenter Störungen des Schienenverlaufs eine gleichmäßige Fahrlinie unter Einhaltung eines mitt leren Luftspalts.

Werden als Meßgrößen der Luftspalt und die Magnetbeschleunigung verwendet, so gelten die oben genannten Aufschaltgrößen bei der Verwendung von idealen Spalt- und Beschleunigungssensoren die folgenden Gleichungen:

In diesem Gleichungssystem ist p der Laplace-Operator und D ein Faktor, der die Dämpfung des als Schwinger zweiter Ordnung zu betrachtenden Regelstützkreises berücksichtigt. z ist die Lagekoordinate des jeweils betrachteten Magneten, h diejenige des Fahrwegs. Der Luftspalt s ist demnach z-h.

Aus diesem Gleichungssystem ist ersichtlich, daß der Minimalwert für ω _s durch die Qualität des Fahrwegs und den nominalen Luftspalt bestimmt wird. Für ein in Praxisversuchen erprobtes Magnetschwebefahrzeug liegt der Eckwert für ω _s bei etwa 45 s ^-1, so daß die Folgeeck-Frequenz für Fahrweg unregelmäßigkeiten f _s bei etwa 7 Hz liegt. Bei Eigenfrequenzen des Schienenwegs in diesem Bereich führt der durch den Schienenweg bedingte Anteil in dem Gleichungssystem (1) bereits zu beträchtlichen Phasendrehungen, und zwar für das erwähnte Magnetschwebefahrzeug in den Gleichungen für und um -26,6°, in der Gleichung für um -90°.

Diese Phasendrehungen führen dazu, daß bei den notwendigen hohen Aufschaltwerten der Schienenweg zum Schwingen angeregt werden kann, und zwar um so eher, je kleiner die Masse des Schienenwegs und je elastischer dieser ist. Nun ist es bekannt, daß eine Aufschaltung des Luftspalts, der Luftspaltänderung und der Magnetbeschleunigung stets ein stabiles Schweben des Magnetschwebefahrzeugs auch im Stand ermöglicht. Jedoch ist ein Meßverfahren für die Luftspaltänderung nicht vorhanden und ein Differenzieren der Meßgröße s für den Luftspalt problematisch.

Aus bisherigen Schwebeversuchen ist jedoch zu erkennen, daß sehr dominant nur eine höhere Eigenform des Schienenwegs mit Frequenzen oberhalb 10 Hz angeregt wird. Bereits bei sehr niedrigen Fahrgeschwindigkeiten des Magnetschwebefahrzeugs tritt diese Anregung nicht mehr auf. Lediglich während des Standschwebens kann diese Anregung zu teilweise erheblichen Erschütterungen des Magnetschwebefahrzeugs und der Fahrwegträger führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Regelkreis für ein Magnetschwebefahrzeug dahingehend zu modifizieren, daß auf einfache Weise das Fahrzeug auch während des Standschwebens stabil gehalten werden kann.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß wird im Regelkreis für das Magnetschwebefahrzeug für jeden Tragmagneten, d. h. jedes magnetische Rad ein Schienenbeobachter vorgesehen, dessen Parameter zu Beginn des Standschwebens selbsttätig identifiziert werden, und mit dem das für das Standschweben benötigte -Signal für die Änderung der Fahrwegkoordinate dem Stützkreisregler aufgeschaltet wird. Beim Anfahren des zunächst auf dem Fahrweg aufliegenden Magnetschwebefahrzeugs wird dieses zunächst mit dem Stützkreisregler angehoben. Zwei Fälle sind nun möglich:

a) Der Fahrweg schwingt nicht auf, der Stützkreisregler arbeitet unverändert.
b) Der Fahrweg klingt auf und beginnt zu schwingen. Der adaptive Schienenbeobachter wird dann an diese Fahrwegschwingung angepaßt und nach einer kurzen Anpaßzeit von etwa einer Sekunde wird das -Signal aus diesem Beobachter dem Stützkreisregler aufgeschaltet. Hierdurch beruhigt sich der Fahrweg und das Magnetschwebefahrzeug wird stabil gehalten. Nach Anfahren des Magnetschwebefahrzeugs kann die Aufschaltung wieder weggenommen werden. Der Schienenbeobachter geht in seinen Ausgangszustand zurück. Beim erneuten Halt des Magnetschwebefahrzeugs beginnen wieder die Vorgänge nach a) oder b).

Die Aufschaltung des Fahrwegänderungssignals ermöglicht bei exakter Adaption an die Fahrwegschwingung eine Regelung des Magnetschwebefahrzeugs im Stand, bei der die von dem Stützkreis gelieferten Schätzwerte für Luftspalt, Luftspaltänderung und Magnetbeschleunigung den tatsächlichen Werten entsprechen.

Der Beobachter ist ähnlich wie der Stützkreis als Schwinger zweiter Ordnung aufgebaut und kann im Modell als eine federnd aufgehängte gedämpfte Masse betrachtet werden, die durch die Magnetkraft angeregt wird. Durch Adaption der Schwingfrequenz und der Masse liefert der Schienenbeobachter das gewünschte -Signal, das auf den Stützkreis aufgeschaltet wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Stützkreisreglers gemäß der Erfindung für ein Magnetschwebefahrzeug mit der Aufschaltung eines adaptiven Schienensignals zur stabilen Schweberegelung im Stand;

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild eines adaptiven Schienenbeobachters und dessen Verbindung mit dem Stützkreis des Reglers in Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein üblicher Stützkreisregler 1 für ein Magnetschwebefahrzeug dargestellt. Aus den Meßgrößen Magnetbeschleunigung =b und Luftspalt s werden in einem Stützkreis 2 Schätzwerte, je einer für die Magnetbeschleunigung, für die Luftspaltänderung und den Luftspalt, gebildet. Diese Schätzwerte sind in Fig. 1 durch ein Dach () gekennzeichnet. Diese Schätzwerte werden nach Multiplikation mit regelungstechnischen Aufschaltfaktoren k , k bzw. k _s in Netzwerken 3, 4 bzw. 5 in einem Summierglied 6 zu der gewünschten Reglerspannung U _R für die Magnete des Magnetschwebefahrzeugs verarbeitet. Der Stützkreis selbst weist zunächst eine Summierstelle 7 auf, der die Meßgröße der Magnetbeschleunigung b zugeführt wird. Nach doppelter Integration in Integratoren 8 und 9 wird daraus der Schätzwert für den Luftspalt erhalten. Die Meßgröße s für den Luftspalt wird einer weiteren Summierstelle 10 zugeführt, die mit dem Ausgang des zweiten Integrators verbunden ist. Diese Summierstelle 10 ist über ein Netz werk 11 auf die erste Summierstelle 7 rückgeführt. In dem Netzwerk 11 wird das Quadrat der Fahrwegstörfrequenz ω _s berücksichtigt. Eine weitere Rückführung ist von der Summierstelle 10 auf ein Summierglied 12 vorgesehen, das zwischen den beiden Integratoren 8 und 9 eingeschaltet ist. In dieser Rückführung ist ein Netzwerk 13 vorgesehen, das die Dämpfung D berücksichtigt und das rückgeführte Signal mit dem Faktor 2D ω _s multipliziert. Die Schätzwerte für die Magnetbeschleunigung, die Luftspaltänderung und den Luftspalt werden dann nach der ersten Summierstelle 7, nach der zweiten Summierstelle 12 bzw. nach dem zweiten Integrator 9 erhalten. Derartige Stützkreisregler sind bekannt, und z. B. in den firmeneigenen Offenlegungsschriften 24 46 851 bzw. 31 17 971 beschrieben.

Für eine stabile Standschwebung des Magnetschwebefahrzeugs wird bei Aufklingen des Fahrwegs ein Fahrwegsignal, und zwar die zeitliche Ableitung der Fahrwegkoordinate h in Richtung auf den jeweiligen Magneten mit einem Minuszeichen der Summierstelle 12 zugeführt. Dieses Fahrwegsignal wird in einem adaptiven Schienenbeobachter 20 abgeleitet, der in Fig. 2 gemeinsam mit einem Teil des Stützkreises 2 dargestellt ist. Das Modell des Schienenbeobachters ist eine federnd aufgehängte gedämpfte Masse m, die durch die Magnetkraft F angeregt wird. Da die Werte für die relative Fahrwegdämpfung d im Mittel konstant angesetzt werden können, müssen in dem Schienenbeobachter 20 die Werte für die Masse und Federkonstante durch die Messung der Amplitude und der Phase der Fahrwegkoordinate h bestimmt werden. Der Beobachter 20 selbst ist ähnlich wie der Stützkreis aufgebaut. Einer ersten Summierstelle 21 wird ein Beschleunigungssignal des Fahrwegs zugeführt, aus dem nach zweifacher Integration in Integratoren 22 und 23 die Fahrwegkoordinate h erhalten wird. Der Ausgang des Integrators 23 ist einmal über ein Netzwerk 24, in dem das Quadrat der Fahrwegfrequenz ω _F berücksichtigt wird, auf die erste Summierstelle 21, und zum anderen über ein Dämpfungsnetzwerk 25 auf eine weitere zwischen den Integratoren 22 und 23 gelegene Summierstelle 26 zurückgeführt. In dem Dämpfungsnetzwerk 25 wird das rückgeführte Signal mit dem Faktor 2D ω _F multipliziert. Am Ausgang der Summierstelle 26 erscheint dann die zeitliche Ableitung der Fahrwegkoordinate h.

Das der Summierstelle 21 zugeführte Beschleunigungssignal geht aus der Division der Magnetkraft f und der Masse m hervor. Treten im Stand des Magnetschwebefahrzeugs nur kleine Strom- und Spaltänderungen auf, dann kann der dynamische Anteil der Magnetkraft f durch den linearen Ausdruck f=c _i · I-c _s · s dargestellt werden. I und s sind die dynamischen Abweichungen in Magnetstrom und Luftspalt, die über geeignete Hochpaßfilter aus den Meßwerten des Magnetstroms und des Luftspalts ermittelt werden können. Daraus wird dann in dem Netzwerk 27 der Wert für die Magnetkraft gebildet. Dieser Wert wird in einem einstellbaren Divisionsnetzwerk 28 mit dem Faktor 1/m multipliziert. Am Ausgang dieses Divisionsnetzwerks 28 liegt dann das Beschleunigungssignal für den Fahrweg an.

Das in dem Schienenbeobachter 20 ermittelte Signal wird entsprechend der Schaltung des Stützkreises in einem Netzwerk 29 aufbereitet, an dessen Ausgang dann das Schienensignal h*, das ist die Amplitude des hochpaßgefilterten Fahrwegs erscheint.

In dem Stützkreis 2 des Reglers gemäß Fig. 1 liegt ebenfalls ein Amplitudensignal h′* vor, das sich unmittelbar aus der Beziehung zwischen Luftspalt s und Lagekoordinate z des Magneten ergibt.

Dementsprechend gilt für h* und h′*:

Wenn die Amplitude h′* einen bestimmten Wert überschreitet, d. h. daß im Stand des Magnetschwebefahrzeugs der Fahrweg aufklingt, so wird dieses mit Hilfe eines signaldurchlässigen Schwellwertschalters 30 ermittelt, der den Schienenbeobachter 20 in Funktion setzt. Diese Funktionsweise ist folgende:

Die Amplitudenwerte h* aus dem Beobachter und h′* aus dem Stützkreis werden in einem Vergleicher 31 hinsichtlich Phase ϕ und Amplitude A miteinander verglichen. Sobald die Amplitude des Signals h′* einen bestimmten Wert überschreitet, wird in einem ersten Prozeß über eine Steuerleitung 32 die Fahrwegfrequenz ω _F in den einstellbaren Netzwerken 24 und 25 so eingestellt, daß die Signale h* und h′* in Phase schwingen. In einem zweiten Prozeß wird dann über eine weitere Steuerleitung 33 das einstellbare Divisionsnetzwerk 28 angesteuert und die Modellmasse m so verändert, daß auch die Amplituden der beiden Signale h* und h′* übereinstimmen. Wird nach einer gewissen Einschwingzeit im Vergleicher 31 Phasen- und Amplitudengleichheit festgestellt, so wird ein Schalter 34 geschlossen, über den das -Signal des Beobachters 20 negativ dem Summierglied 12 des Stützkreises 2 aufgeschaltet wird. Bei exakter Adaption gilt dann, daß die Schätzwerte für den Luftspalt, die Luftspaltänderung und die Magnetbeschleunigung den tatsächlichen Werten entsprechen. Durch diese Auf schaltung beruhigt sich der Fahrweg, so daß das Magnetschwebefahrzeug stabil schwebt. Nach dem Anfahren des Magnetschwebefahrzeugs kann die Aufschaltung des -Signals durch erneutes Öffnen des Schalters 34 weggenommen werden. Der Beobachter 20 geht dann in seinen Ausgangszustand zurück.

Bei der Adaption des Schienenbeobachters 20 ist es beim einmaligen Ändern der Masse m zweckmäßig, gleichzeitig auch die Ausgänge der Integratoren 22 und 23 durch neue Anfangsbedingungen zu ersetzen, da dann die Zeit für ein erneutes Einschwingen wegfällt. Ebenfalls ist es zweckmäßig, als Ausgangswert für ω _F die in dem Signal h′* ermittelte Frequenz ω _F0 einzustellen und dann diese Frequenz nach einem PI-Regelgesetz zu verändern. Dann ist:

ω _F = ω _F0 + k _T · Δ T + k _IT · ∫Δ T dt (3)

mit

Δ T _(t) = T _h* ⁽ⁿ⁾ - T _h′* ⁽ⁿ⁾ (4)

T _h* ⁽ⁿ⁾ ist der Zeitpunkt, wo das Signal h* sein n-tes Extremum bzw. seinen n-ten Nulldurchgang erreicht, T _h′* ⁽ⁿ⁾ ist der entsprechende Zeitpunkt für das Signal h′*. Δ T _(t) wird stets dann verstellt, wenn beide Zeiten T _h′* ⁽ⁿ⁾ und T _h* ⁽ⁿ⁾ vorliegen, ist also eine Treppenfunk tion.

Es empfiehlt sich ω _F nach dem Gesetz (3) nur für einige Schwingungen zu verstellen und dann eine Zeit für das Einschwingen abzuwarten. Ist die Phasendifferenz zwischen Schiene und Beobachter zu Δϕ _F′ ^alt eingeschwungen, dann läßt sich die Sollphase angeben zu

ϕ _F ^neu = ϕ _F ^alt + Δϕ _F ^alt (5)

mit

Damit wird dann endgültig

Nach dem abermaligen Abwarten des Einschwingvorgangs wird dann das Signal wie beschrieben im Stützregelkreis auf geschaltet.

Der beschriebene adaptive Schienenbeobachter kann selbstverständlich auch in Verbindung mit Regelkreisen für Magnetschwebefahrzeuge verwendet werden, in denen neben dem Luftspalt andere Meßwertgrößen als die Magnetbeschleunigung erfaßt werden, so z. B. der Magnetstrom oder der Magnetfluß, solange nur die Möglichkeit besteht, das - Signal des Fahrwegs der Fahrregelung aufzuschalten.

Claims

1. Regelkreis für ein Magnetschwebefahrzeug, das mit Hilfe von Trag- und Führungsmagneten längs eines Fahrweges geregelt geführt ist, wobei der Regelkreis jedes als magnetisches Rad ausgebildeten Tragmagneten einen Stützkreis zur Ableitung der Aufschaltgrößen, Luftspalt zwischen Magnet und Schiene, Spaltänderungsgeschwindigkeit und Magnet beschleunigung aus mindestens zwei Meßwerten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Tragmagneten ein adaptiver Schienenbeobachter (20) vorgesehen ist, der beim Aufklingen des Fahrwegs an dessen Fahrwegfrequenz (ω _F) angepaßt wird, und daß die vom Schienenbeobachter nach dieser Anpassung aus Meßwerten des Luftspalts (s) und des Magnetstroms (I) ermittelte zeitliche Ableitung () der Fahr wegkoordinate (h) dem Regelkreis (1) des Tragmagneten aufschaltbar ist.

2. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenbeobachter (20) ein Modell einer federnd aufgehängten gedämpften Masse (m) ist, die durch die Magnetkraft (f) angeregt ist.

3. Regelkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenbeobachter (20) einstellbare Netzwerke (24, 25, 28) zur Einstellung der Fahrwegfrequenz (ω _F) und der Modellmasse (m) aufweist, die bei Aufklingen des Fahrwegs in Abhängigkeit von dessen Schwingungsamplitude (h′*) ansteuerbar sind, und daß ein Vergleicher (31) für die einmal aus dem Regelkreis (1) und zum anderen aus dem Schienenbeobachter (20) ermittelte Fahrwegkoordinate (h′*, h*) vorgesehen ist, der seinerseits bei Gleichheit dieser beiden Fahrwegsignale in Phase und Amplitude die in dem Schienenbeobachter (20) ermittelte zeitliche Ableitung () der Fahrwegkoordinate (h) dem Regelkreis (1) aufschaltet.