Системы автоматического управления ЭМП

Автоматические управляющие устройства (АУУ) ЭМП предназначены для стабилизации зазора между электромагнитом и феррорельсом. Они включают в себя измерительные преобразователи, регуляторы, силовые преобразователи и объект управления. Сигналы с измерительных преобразователей (зазора, скорости, ускорения, тока и т. д.) поступают на регуляторы, которые могут быть аналоговыми, цифровыми, микропроцессорными. Сформированный регулятором сигнал управления посредством силового преобразователя воздействует на объект управления.

Из множества известных управляющих устройств следует выделить группу, в которой сигнал управления формируется путем обработки входной информации от датчиков зазора, скорости изменения зазора, ускорения движения электромагнита, тока последнего [51].

Системы управления электромагнитного подвеса с использованием

Рис. 2.17. Системы управления электромагнитного подвеса с использованием: а - регулятора ускорения электромагнита; б -датчика ускорения изменения зазора; в -иа экипажах НЗБТ-01 и -02

В ФРГ была разработана двухконтурнай система регулирования зазора, в которой измеряемыми величинами являются ускорения 2Э шасси и воздушный зазор б. На нее также возложена задача в максимальной степени обеспечить желаемый уровень комфорта. Последнее достигается при условии, когда частота среза частотной характеристики гэ(/ы)1 /гп(/со) имеет невысокое значение и в диапазоне, лежащем выше частоты среза, наклон падающей логарифмической амплитудно-частотной характеристики составляет 40 дБ/дек (гэ - координата массы шасси; 2ц -- координата путевой структуры).

Уравнения динамики системы составлены с учетом изме нения зазора б, насыщения стали и отсутствия демпфирующего действия вихревых токов при изменении магнитной индукции. При сйнтезе, системы регулирования модель электромагнита имеющая нелинейность, линеаризована в окрестности рабочей точки. Система состоит из двух контуров (рис. 2.17, а): один - регулирования зазора с передаточной функцией его регулятора шДр), второй - регулирования ускорения электромагнита с передаточной функцией регулятора ш2(р).

Для получения требуемых амплитудно-частотных характеристик применяется внутренний контур регулирования ускорения с пропорционально-дифференциально-интегральным регулятором аУг(р). Интегральная составляющая в регуляторе ускорения используется для статической отработки приложенных к шасси возмущающих сил.

Особенностью системы (рис. 2.17, а) является наличие регистратора ускорения рУ относительно путевой структуры при входе БЭПС на уклон, поэтому можно значительно уменьшить требуемое дополнительное увеличение зазора.

Система регулирования многих точек ЭМП экипажа распадается на отдельные несвязанные подсистемы, вследствие чего имеется возможность автономного регулирования каждой точки ЭМП и ЭМН.

Управление каждой точкой автономное. Алгоритм управления:

?/уР= [(8з - 8) Щ (Р)+ гэ + г„\ (р),

где иуПр - сигнал на выходе АУУ; б3, б - заданное и истинное значения зазора.

Поскольку в описываемой системе нет обратной связи по току электромагнита, то на регулятор зазора возложена функция компенсации постоянной времени.

На рис. 2.17, б представлена схема оптимальной системы управления ЭМП одной точкой экипажа. Система управления построена так, что управление каждым электромагнитом осуществляется независимо от других. Для ее синтеза выбран критерий оптимальности

/=3 Цр+д^+и2)#. (2.36)

о

Первый член подынтегральной функции необходим для уменьшения отклонения зазора б, что обеспечивает минимальную возможность контакта между феррорельсом и электромагнитом; второй - для поддержания минимального ускорения изменения зазора б, необходимого для наибольшего комфорта; третий-для уменьшения потребления электроэнергии. Минимизация функционала (2.36) удовлетворяет условиям отсутствия кон такта между феррорельсом и электромагнитом, максимального комфорта и минимума потребляемой мощности. Подбором весовых коэффициентов ^1 и q2 может быть найдено компромиссное соотношение между упомянутыми выше условиями.

В результате минимизации интеграла 1 при выборе зазора б и скорости его изменения в качестве переменных был получен алгоритм управления, линейный по указанным переменным:

У унр = \к\ (&з 5) &28 4"

где &1 - &4 - коэффициенты усиления регулятора зазора.

Интересна система управления (СУ), разработанная в Германии для экипажа фирмы Мессершмит - Белков - Блом. В этом варианте электромагниты подвески и направления установлены на тележках, подвешены с помощью плоских пружин и демпферов. Тележки-связаны между собой шарнирами и прикрепляются к кузову вторичной подвеской. Число электромагнитов на тележку и тележек на экипаж определяется амплитудой и длиной волны прогиба пролета путевой структуры, параметрами прокладки пути и надежностью подсистемы «магнитное колесо», в которой отдельный электромагнит с его управляющим устройством, источником тока, датчиками, системой контроля и механической подвеской представляет собой основную автономную подсистему - первый уровень иерархической системы управления ЭМП. Первый уровень продолжает функционировать автономно и удерживать экипаж в случае неисправности на втором уровне и выхода из строя нескольких «магнитных колес».

Второй уровень системы управления выполняет следующие автономные функции: наклон кузова при прохождении кривых; компенсации отклонений кузова и тележки; управление подъемом и посадкой экипажа; контроль параметров системы подвеса; распознавание аварийных ситуаций и аварийной сигнализации; проверку системы.

Собственная частота колебания подвески тележки к кузову предполагается очень малой (^1 Гц), что дает основание при изучении динамики системы путь - экипаж пренебрегать движением кузова и учитывать его только при анализе условий комфорта.

Для экипажа с жестко закрепленными на тележках электромагнитами система связанного регулирования должна быть оптимизирована при синтезе систем управления. В обоих случаях использовано управляющее устройство с постоянными параметрами, которое является оптимальным для жесткого пути. Оптимальным для эластичного пути является управляющее устройство с периодически изменяющимися коэффициентами. Управляющее устройство каждого «магнитного колеса», состоящее из вычислителя оценок координат и регулятора, представлено на рис. 2.18. Преобразованное ускорение электромагнита г3 через

Рис. 2.18. Система управления электромагнитного подвеса с использованием вычислителя оценок скорости и перемещения электромагнита

высокочастотный фильтр дважды интегрируется для получения оценок скорости 2Э' и перемещения 2Э' электромагнита. При этом погрешности найденных оценок гэ', гэ' и гэ' корректируются по измененному зазору б с использованием сигналов обратной связи. Коэффициенты передачи регулятора определены, исходя из минимума квадратичных отклонений от установившегося состояния. Передаточная функция замкнутой системы управления от 2П (положение пути по отношению к инерционному базису, т. е. горизонтали) к гэ (положение электромагнитов по отношению к тому же базису) должна удовлетворять условиям:

-^-=-^-^1, т. е. 8=сопз1 для ю<^шп;

-^-=-^- = 0, Т. Є. 2Є = С0ПЗІ ДТЯ

где юп=2я1 - параметр, который зависит от скорости БЭПС. Алгоритм для этого варианта

Уупр== [(^1^3 + кйгэ) 83] &4.

Управляющее устройство по рис. 2.18 до некоторой степени удовлетворяет этим требованиям за счет своих частотных характеристик: при низких частотах электромагнит стремится следовать базисному зазору б, а при высоких частотах-базису гэ, т. е. происходит расцепление с путевой структурой, электромагнит не тратит излишнюю энергию на слежение за высокочастотными неровностями пути.

В общем случае точность поддержания зазора и комфорт пассажиров могут быть улучшены при определении ряда параметров устройства и внешних возмущений: параметров поворотов и подъемов, массы экипажа, расположения центра масс; момента инерции экипажа; аэродинамических нагрузок (см. гл. 6).

В Японии на экипажах ИБЭТ-О! и -02 для ЭМП использован принцип притягивания электромагнитов к перевернутому и-об-разному феррорельсу. При этом активная поперечная сила создается двумя поперечно смещенными один по отношению к другому электромагнитами (см. рис. 2.17, в). На рис. 2.17, в: б(р) - передаточная функция по зазору; А (р) - то же по ускорению ЭМ и Ь(р) -передаточная функция. Под каждым углом экипажа расположено по два электромагнита и импульсных регулятора. Последние получают одинаковые сигналы управления вертикальным положением экипажа. Для регулирования его поперечного положения относительно путевой структуры регуляторы получают сигналы противоположной полярности. Область устойчивости и необходимая жесткость ЭМП достигается благодаря использованию сигналов обратных связей по зазору, поперечному смещению и ускорению вертикального перемещения электромагнитов. Схема двухконтурной системы автоматического управления

Рис. 2.19. Схема двухконтурной системы автоматического управления

Из ряда эффективных отечественных разработок представляет интерес система стабилизации ЭМП с разделяемым движением [51]. Структурным преобразованием в этой системе (рис. 2.19) можно выделить быстродействующий контур, в котором локализуется проявление возмущений и свойств объекта, и контур медленных движений. Система содержит блок задания (БЗ) желаемых динамических свойств, блок дифференцирования (БД), блок сравнения (БС), а также датчики зазора, усилитель сигналов рассогласования с субразрывной характеристи кой, объект управления, включающий электромагниты и подвешиваемое устройство.

Работа, системы управления характеризуется двумя режимами: релейным и линейным. При проектировании СУ необходимо обеспечить «попадание» траектории движения в зону зазора б, где действует линейный закон управления. Время вхождения системы в зону зазора б должно быть меньше времени желаемого переходного процесса. Применение усилителя сигналов рассогласования с субразрывной характеристикой обеспечивает свойство инвариантности системы к возмущениям в динамике и в установившемся режиме. Система управления (рис. 2.20) представляет собой адаптивную систему регулирования зазора в ЭМП [90], для которой принципы адаптации оптимизированы в статике к скорости движения электромагнита относительно поверхности притяжения. Система .включает зависимость подъемной силы Ра от тока 1 и зазора б в виде

Очевидно, что для адаптации системы к скорости необходимо и достаточно парировать изменения коэффициентов &1 и &а, обусловленные смещением точки линеаризации. На структурной схеме предусмотрены блок адаптации БА1, учитывающий адаптацию кг к скорости, и блок БА2, учитывающий адаптацию к скорости. Для адаптации системы управления ЭМП к скорости движения БЭПС относительно поверхности притяжения необходимо и достаточно введение в систему двух звеньев с управляемыми коэффициентами передачи.

Ряс, 2.20, Схема адаптивной системы регулирования зазора в электромагнитном подвесе

Системы АУУ

Точность поддержания зазора, мм

Частота преобра

зования,

Гц

Габаритные раз-

Номинальный зазор, мм

змп

эмн

меры, мм

ЭМП

эмн

Предшествующего поколения (отечест-венного/зару-бежного)

±5/±5

±5/±5

400/1000

0,1X0,3X0,2

15/20

15/20

Базовый образец

±5

±5

1000

-

10

15

Перспективный

±2

±2

2500

0,04X0,3X0.2

10

15

Наиболее распространенными являются устройства с применением аналоговых регуляторов и микропроцессоров для автономного управления и контроля каждой точкой подвеса. В качестве сигналов обратной связи предпочтительно использовать обратные связи по зазору, скорости и току электромагнита.

Технико-экономические показатели автоматического устройства управления (АУУ) ЭМП приведены в табл. 2.1.

Качество ЭМП улучшалось усложнением алгоритмов управления, реализуемых в рамках аналоговых систем регулирования. Дальнейшее усложнение этих систем, обусловленное требованиями адаптивности, многосвязности, оптимальности по различным критериям качества и высокой точности, приводит к существенному снижению их надежности. Этот фактор в сочетании с возросшими возможностями микропроцессорной техники делает актуальной задачу разработки вопросов построения управления зазором ЭМП на микропроцессорной основе.

Предполагается следующая концепция построения цифровых систем автоматического управления (ЦСАУ) ЭМП [12]:

при создании алгоритмического обеспечения ЦСАУ в качестве основы принимать принципы структурной организации наиболее зарекомендовавших себя аналоговых прототипов;

программное обеспечение регуляторов разрабатывать в базисе системы команд наиболее распространенных микроЭВМ - машин семейства «Электроника-60».

Аппаратная организация системы должна иметь модульную структуру на базе интерфейса тина «(^-шина».

Рабочий вариант системы создавать на основе микропроцессорных комплектов К МОП БИС, имеющих повышенную помехозащищенность и программную совместимость с семейством базовой микроЭВМ.

В рамках данной концепции разработана ЦСАУ ЭМП [67].

При программной реализации цифрового варианта наблюдателя вектора состояния системы возникла проблема обеспечения устойчивости и заданного качества его работы, которая была решена путем экспериментальной оптимизации параметров его настройки по результатам исследований на цифровой модели. Экспериментальные исследования наблюдателя показали, что восстановление оценок координат системы, используемых для формирования управляющего воздействия (рабочего зазора, первой и второй его производных, а также скорости и ускорения вертикального перемещения электромагнитов), производится за пять-восемь тактовых интервалов Т управляющего работой системы таймера.

Оптимизация структуры программы, написанной в кодах микроЭВМ, позволила добиться устойчивой работы системы при длительности периода Т = 1 мс, что делает возможным построение регуляторов с полосой пропускания 200 с-1, т. е. осуществить одновременное управление двумя точками подвеса. Реализация регулятора на базе микропроцессорного комплекта БИС К.588, имеющего в своем составе схему арифметического умножения, позволяет осуществить однопроцессорный вариант вычислительного устройства четырехточечиого ЭМП.

К достоинствам разработанного устройства следует отнести: возможность гибкой перестройки матрицы коэффициентов регулятора, что позволяет изменять базис вектора управляющего воздействия [67]; цифровую фильтрацию, сопровождающую процесс восстановления вектора состояния системы, которая улучшает соотношение «сигнал - шум» в управляющем воздействии, что благоприятно сказывается на качестве управления.

Анализ алгоритмов адаптации и многосвязности управления показал необходимость построения САУ ЭМП высокоскоростного БЭПС на основе иерархической многопроцессорной вычислительной системы. Программное обеспечение процессора верхнего уровня иерархии реализует алгоритмы коррекции заданий и адаптации регуляторов точек подвеса, групповое управление которыми осуществляет программное обеспечение процессоров нижнего уровня [2].

Тормозная и подъемная силы при движении БЭПС | Транспорт с магнитным подвесом | Виброзащита БЭПС с ЭМП