Переходные процессы в ЭДП и меры по обеспечению комфорта в БЭПС

Из-за незначительного собственного демпфирования колебательный процесс, возникающий в ЭДП при каких-либо возмущениях, является слабозатухающим и возникает задача активного

Рис. 2.32. Конструктивная схема модели ЭДП:

I, 2 — демпфирующая и левитаци-оиная катушки; 3 — криостат; 4 — путевая шина демпфирования колебаний. Схема ЭДП представлена на рис. 2.32. Демпфирующая катушка 1 жестко связана с левитационной катушкой 2, причем управление током катушки осуществляется так, чтобы колебательный процесс в системе подвеса был быстрозатухающим. Дифференциальные уравнения рассматриваемой системы при малых отклонениях от равновесного состояния включают в себя:

Яо, й, о%, я3 — коэффициенты полинома знаменателя размерной передаточной функции; Ь0, Ь — коэффициенты полинома числителя.

В данном случае

Согласно диаграмме Вышнеградского качество переходного процесса определяется в основном безразмерными коэффициентами Л) и Л2. В существующей модели ЭДП напряжение на демпфирующей катушке является только функцией вертикального ускорения г. Интенсивность воздействия определяется коэффициентом усиления датчика ускорения & (2.68). Следовательно, имеется возможность повлиять только на коэффициент Л2 путем выбора того или иного значения к(. Для того чтобы иметь возможность оказать также влияние и на коэффициент Аг передаточной функции, необходимо дополнительное воздействие на напряжение демпфирующей катушки, пропорциональное скорости вертикального перемещения.

В результате экспериментов на модели рис. 2.32 было выяснено, что переходный процесс в системе ЭДП без демпфирования является колебательным, причем с увеличением частоты вращения диска, что соответствует увеличению скорости движения экипажа, число колебаний возрастает. На рис. 2.34, а представлена осциллограмма колебательного процесса модели при частоте вращения диска 920 об/мин и силе тока в левитационной катушке 30 А. Ниже приведены результаты исследования колебательного процесса ЭДП без демпфирования колебаний при следующих условиях: /л=30 А, /д=0, /г=30 мм:

Частота вращения п, об/мин..

.. 900

920

980

1100

Скорость V, км/ч…….

159

170

191

Число колебаний……..

.. 3

4

5

8

При исследовании активного демпфирования колебательного процесса модели ЭДП определялось влияние различных соотношений между токами демпфирующей и левитационной катушек на время колебательного процесса. Частота вращения диска была равной 920 об/мин. Блок-схема управления напряжением на демпфирующей катушке представлена на рис. 2.33, б, на которой: ДЛУ- датчик линейных ускорений, ШИМ — широтноимпульсный модулятор, ТК — транзисторный ключ, Ьл-демпфирующая катушка, и- питающее напряжение. При отношениях /д//л число колебаний

/д//л….. 0/30 2,6/30 5,4/25 7,5/30 8/25 8/30 10/30

Число колебаний…. 4 3 2 2 1,5 2 3

Эти результаты и соответствующая им осциллограмма (рис. 2.34, б) позволяют заключить, что оптимальные условия активного демпфирования, определяющие ток в демпфирующей катушке, зависят, с одной стороны, от внешнего возмущения, с другой — от скорости движения экипажа и тока в левитацион-ной катушке. Таким образом, передаточная функция системы активного демпфирования -модели ЭДП и эксперименты показывают, что переходный процесс системы ЭДП колебательный; оптимальные условия демпфирования могут иметь место только при управлении током в демпфирующей катушке в зависимости от скорости и ускорения вертикальных перемещений экипажа; экспериментально выявлена зависимость времени колебательного процесса от скорости движения экипажа; при определении оптимальных условий активного демпфирования модели ЭДП установлено, что, помимо внешних возмущений, необходимо учитывать скорость движения экипажа и ток в левитационной катушке.

Исходя из изложенного, любая система магнитного подвеса БЭПС предполагает наличие, по крайней мере, одного уровня упругой подвески для механической фильтрации возмущений в системе «путь — электромагнит — кузов» и повышения устойчивости замкнутой электромеханической системы.

Функциональная схема одного комплекта автоматизированной системы регулирования рабочих воздушных зазоров и демпфирования колебаний (САРЗД-1) ЭДП на стационарном стенде 4ЭДП-30 представлена на рис. 2.35. Она состоит из двух подсистем: регулирования левитационных зазоров (ПРЗ) и автоматического демпфирования колебаний (АДК). Число комплектов равно числу опор модели. Теоретические исследования [1] различных вариантов структурных схем АДК показали, что наиболее приемлемым как в смысле динамических свойств системы, так и технической реализации является АУУ, построенное по пропорционально-интегральному закону регулирования относительно вертикального ускорения экипажа, обеспечивающее наибольшее затухание по ускорению вертикальной координаты экипажа, наименьшую максимальную амплитуду ускорения и достаточно малое время переходного процесса. Экспериментальные

Рнс. 2.35. Функциональная схема одного комплекса САРЗД-1

исследования САРЗД-1 с АУУ, выполненные по пропорционально-интегральному закону, показали, что введение активного демпфирования обеспечивает уменьшение колебательности по левитационному зазору от 20 колебаний (без системы демпфирования) до 1 колебания. Время переходного процесса уменьшается соответственно с 6 до 0,3 с. С данной структурой регулятора и конструктивными особенностями лабораторного стенда не удалось получить перерегулирования по левитационному зазору ниже 8,5% при возмущениях, сообщающих модели ЭДП ускорение 2 м/с2. При этом коэффициент передачи кп по пропорциональной составляющей входного сигнала АУУ кп=9, а по интегральной составляющей ки-160. Дальнейшее увеличение указанных коэффициентов передачи АУУ приводило к потере устойчивости управления.

Для создания наилучших комфортных условий в пассажирском салоне экипажа ЭДП и достижения минимума энергозатрат на демпфирование колебаний при скачкообразном изменении левитационного зазора оптимальным является апериодический характер переходного процесса изменения левитационного зазора г (і), приближающийся к экспоненте, при котором достигается минимум обобщенной интегральной квадратичной оценки качества переходного процесса по левитационному зазору:

*

где (п.„- полное время переходного процесса; г2(1)-переходная составляющая погрешности изменения левитационного зазора; ег(/)=2уСт — д(1); 2уст — установившийся левитационный зазор; Тр — постоянная времени, от выбора которой зависят величина перерегулирования и время регулирования; ув. >• — коэффициент, определяющий уровень вертикальных ускорений транспортного средства.

Введение в АУУ подсистемы АДК обратной связи (ОС) по переменной составляющей левитационного зазора при указанных выше значениях коэффициентов передачи к„ и приводит к появлению незатухающих колебаний модели ЭДП. При увеличении коэффициента передачи по переменной составляющей рабочего зазора колебательность по левитационному зазору возрастает. Добиться апериодического переходного процесса по левитационному зазору удалось кратковременным (40 мс) введением отрицательной обратной связи по переменной составляющей зазора. При увеличении длительности действия указанной обратной связи переходный процесс по левитационному зазору вновь становится колебательным. Для получения апериодического переходного процесса по левитационному зазору коэффициент передачи по переменной составляющей зазора должен находиться в некотором диапазоне. Подсистема регулирования левитаци: онного зазора содержит: датчик зазора, вычислитель среднего зазора, аналоговый делитель напряжения, преобразователь входных сигналов, реверсивный источник питания и демпфирующую катушку (см. рис. 2.35).

Сигнал с выхода датчика зазора н2, поступает на суммирующий элемент СЭ1, одновременно на СЭ1 идет сигнал Игср с выхода вычислителя среднего значения. Разность сигналов (ы2,-

— и2ер) передается на первый вход аналогового делителя напряжения, на второй вход которого поступает сигнал от вычислителя среднего значения левитационных зазоров. Выходной сигнал аналогового делителя напряжения, равный (иг,-

— и*ср)’Чр’ сравнивается с сигналом ызд от блока задания. Если относительное отклонение зазора от среднего уровня превышает заданную величину, то на блоке индикации включается соответствующий световой указатель. Регулировочные резисторы пульта управления позволяют оператору изменять постоянную составляющую тока в демпфирующих катушках. ПРЗ позволяет оператору стенда 4ЭДП-30 установить заданный левитационный зазор.

При экспериментальных исследованиях ПРЗ в стационарных режимах осуществлялись: выравнивание модели ЭДП массой 400 кг на разных левитационных зазорах; то же при неравномерном распределении массы полезного груза. Неравномерность распределения массы над магнитными опорами достигала 15%;

ориентация платформы в пространстве (повороты влево-¦ вправо, вверх-вниз). При этом достигалось изменение левита-ционного зазора до 10 мм при номинальном зазоре 14 мм. Мощность, необходимая для ориентации платформы, составляла порядка 1 кВт. Зазоры модели ЭДП выравнивались оператором с помощью показаний стрелочных индикаторов, которые позволяют не только определять значение, но и знать тенденцию изменения зазора при изменении постоянной составляющей тока демпфирующих катушек.

Было проведено моделирование подсистемы автоматического выравнивания зазоров на аналоговой вычислительной машине. Для этой подсистемы был выбран регулятор, построенный по пропорционально-дифференциальному закону (ПД-регулятор). Параметры настройки регулятора были рассчитаны с помощью метода.О-разбиения. Исследования показали, что переходный процесс в системе при переходе с одного уровня левитационного зазора на другой имеет апериодический характер. Длительность переходного процесса изменения зазора не превышала 0,3 с. Расчет энергозатрат на стенде 4ЭДП-30 для системы демпфирования вертикальных колебаний с пропорционально-интегральным регулятором (ПИ-регулятор) показал, что при импульсе силы длительностью 40 мс, создающем ускорение 3,3 м/с2, потребляемая мощность на модель массой 400 кг составляет 0,25 кВт, на экипаж массой 40 т — 25 кВт. Таким образом, энергозатраты на активное демпфирование вертикальных колебаний невелики и составляют менее 1% полной мощности, потребляемой экипажем массой 40 т. Ориентировочные расчеты показали, что масса системы активного демпфирования колебаний и регулирования ле-витационных зазоров составляет менее 1% массы экипажа 40 т, а ее стоимость- 1,4% стоимости экипажа.

Левитационное качество систем ЭДП со сплошной путевой структурой | Транспорт с магнитным подвесом | Сферы применения постоянных магнитов для подвеса транспортных средств

Добавить комментарий