Diese Arbeit stellt das mechanische Bremssystem eines modifizierten, konventionell betriebenen Magnetschwebebahnzugs mit mittlerer bis niedriger Geschwindigkeit vor und analysiert es. Es wird ein Modell des mechanischen Bremssystems erstellt und dessen Funktionsprinzip, Systemaufbau, Hardwarekonfiguration sowie der Softwareablauf des computergesteuerten Bremssystems beschrieben. Die automatische Steuerung und Echtzeitüberwachung des mechanischen Bremssystems des Magnetschwebebahnzugs erfolgt über einen Industrie-PC. 1. Einleitung: Magnetschwebebahnen sind ein neuartiges Schienenverkehrssystem mit kraftschlüssiger Rad-Schiene-Verbindung und Schwebe über der Schiene. Sie stellen eine einzigartige Transportart zwischen Eisenbahn und Luftfahrt dar. Auf der ersten Versuchsstrecke eines konventionell betriebenen Magnetschwebebahnzugs mit mittlerer bis niedriger Geschwindigkeit, die 2001 entwickelt wurde, kamen neben der elektrischen Bremse auch die mechanische Bremse und die Stützschleifenbremse zum Einsatz. Die Versuche zeigten, dass die elektrische Bremse und die Stützschleifenbremse im Vergleich zu anderen Bremsmethoden hervorragende Ergebnisse erzielten. Um die Leistungskennzahlen weiter zu verbessern, wurde das mechanische Bremssystem des zweiten, modifizierten, konventionell betriebenen Magnetschwebebahnzugs mit mittlerer bis niedriger Geschwindigkeit optimiert. Die mechanische Bremse ist jedoch stark von der äußeren Umgebung abhängig. Um die Bremskraft bedarfsgerecht zu verändern und den Einfluss der Umgebung effektiv zu kompensieren, wurde ein Verzögerungsregelungsschema eingeführt. In dieser Arbeit werden industrielle Steuerungscomputer, numerische Steuerung und Datenerfassungstechnologien eingesetzt, um das mechanische Bremssystem eines konventionellen Magnetschwebebahnzugs mittlerer bis niedriger Geschwindigkeit zu entwerfen und eine computergesteuerte mechanische Bremsung zu realisieren. Das gesamte Bremssystem besteht aus einer mechanischen Bremsvorrichtung, einem industriellen Steuerungscomputer, einer Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungskarte, einer Schalteingangs- und einer Schaltausgangsplatine und ermöglicht die automatische Steuerung und Überwachung der mechanischen Bremsung des konventionellen Magnetschwebebahnzugs mittlerer bis niedriger Geschwindigkeit. 2. Bremsprinzip der mechanischen Bremsung. Derzeit verwendet der von unserer Universität eigenständig entwickelte, verbesserte konventionelle Magnetschwebebahnzug mittlerer bis niedriger Geschwindigkeit ein lufthydraulisches Bremsverfahren. Um die Größe der Bremse zu reduzieren, wird Hydrauliköl als Arbeitsmedium verwendet. Die Struktur des Luftkreislaufs der mechanischen Bremse ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1: Schema der mechanischen Bremsstruktur des Magnetschwebebahnzugs. Das System besteht aus einem Proportionalventil, einem lufthydraulischen Umrichter und einer Bremse. Für die Luftdruckregelung wird ein proportionales Druckregelventil verwendet, dessen Eingangsluftdruck mittels eines Konstantdruckventils auf ca. 0,6 MPa geregelt wird. Der maximale inkrementelle Luftdruck des Luft-Hydraulik-Wandlers des Fahrzeugs ist auf 0,4 MPa eingestellt, der maximale Öldruck beträgt ca. 10 MPa. Daher wurde ein Luft-Hydraulik-Wandler mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:25 gewählt. Bei einem Steuerstrom von 4–20 mA variiert der Ausgangsluftdruck zwischen 0 und 0,4 MPa, der Bremsflüssigkeitsdruck der Bremsen entsprechend zwischen 0 und 10 MPa. Jeder Bremsarm erzeugt eine Klemmkraft von 0–9000 N. Bei einem Reibwert der Bremsbeläge von ca. 0,3 kann die Bremskraft einer einzelnen Bremse über 2500 N liegen. Da jedes Fahrzeug über 16 Bremsen verfügt, ergibt sich eine Gesamtbremskraft von über 40000 N. Unter Nennlast (Gesamtgewicht 30 t) kann die mechanische Bremsung allein eine Verzögerung von über 1,3 m/s² erzielen. Um sicherzustellen, dass das Fahrzeug auch bei Ausfall des Proportional-Luftdruckregelventils oder bei einer Notbremsung bremsen kann, ist ein Schaltmagnetventil parallel zum Proportional-Luftdruckregelventil für die Notbremsung geschaltet. Durch Anpassen des Stroms im Proportionalventil lässt sich die Bremskraft verändern und somit die gewünschte Verzögerung erzielen. Ein Computer steuert das Bremssystem im geschlossenen Regelkreis und ermöglicht dem Fahrer die freie Kontrolle des Bremsvorgangs entsprechend der erforderlichen Verzögerung. 3. Modellierung des mechanischen Bremssystems: Zur Steuerung des mechanischen Bremssystems müssen zunächst die verschiedenen Komponenten modelliert werden. Der Hydraulikdruck der Bremsanlage wird über Leitungen aufgebaut und erfährt dabei einen gewissen Widerstand. Zudem hat die Bremse einen Leerweg, was zu einer gewissen Verzögerung beim Aufbau der Bremskraft führt. Daher ist das mechanische Bremssystem ein nichtlineares System. Am Proportionalventil bzw. am Luft-Hydraulik-Wandler sind Luftdrucksensoren und Hydrauliksensoren installiert. Durch Ändern des Steuerstroms des Proportionalventils wird der Ausgang jeder Regelkomponente des Bremssystems verändert und deren Kennlinien werden gemessen. Bei einer abrupten Änderung des Eingangsstroms des Proportionalventils wird die Sprungantwort des Systems experimentell ermittelt. Anschließend werden die grafischen Kennlinien analysiert, ein parametrisches Modell des Systems erstellt und die Struktur sowie die Parameter der Übertragungsfunktion bestimmt. Abbildung 2 zeigt die Kennlinien der mechanischen Bremsregelkomponenten des Magnetschwebebahnzugs. Bei einem auf 6,30 mA eingestellten Regelstrom des Proportionalventils greift die Bremse. Bei einer Änderung des Regelstroms von 6,30 mA auf 16,54 mA ändern sich die Ausgangsströme sowohl des Luftdrucksensors als auch des Hydraulikdrucksensors linear, wobei der Ausgangsluftdruck zwischen 0,08 und 0,5 MPa und der Ausgangshydraulikdruck zwischen 1 und 10 MPa variiert. Bei Reduzierung des Ausgangsstroms des Proportionalventils weist der Luftdruck eine bestimmte Regelschleife auf. Abbildung 2 zeigt die Kennlinien der mechanischen Bremskomponenten des Magnetschwebebahnzugs. Abbildungen 3 und 4 zeigen die Sprungantwortkurven des Proportionalventils bzw. des Gas-Flüssigkeits-Wandlers. Durch Identifikation lassen sich die mathematischen Modelle der einzelnen Komponenten wie folgt ermitteln: Modell des Proportionalventils: Modell des Gas-Flüssigkeits-Wandlers: Modell des Bremswandlers: Dabei können K1, K2, K3, T1, T2, τ1, τ2 usw. durch experimentelle Identifikation und Analyse bestimmt werden. Der Magnetschwebebahnzug verfügt über 16 Bremsbaugruppen, deren Installation von Klemmkraftsensoren in der Praxis schwierig ist. Wird jedoch die Luftdruckregelung des Bremssystems realisiert, werden Bremsöldruck und Bremsklemmkraft indirekt geregelt. Dieser Prozess vernachlässigt den Reibungswiderstand der Leitungen und die Bewegung der Bremskomponenten. Daher wird ein Luftdruckkorrekturnetzwerk zur Regelung der Klemmkraft im geschlossenen Regelkreis entwickelt. Zugegebenermaßen kann bei alleiniger Regelung der Anpresskraft dieselbe Anpresskraft aufgrund unterschiedlicher natürlicher und Streckenbedingungen unterschiedliche Bremswirkungen hervorrufen. Die Bremswirkung hängt von der Fahrerfahrung ab. Bei Verwendung einer Regelung der Verzögerung kann der Fahrer über den Bremshebel unterschiedliche Verzögerungen einstellen. Die Steuerung des Bremshebels durch den Fahrer ist jedoch auf einen Verzögerungssollwert von maximal 1,3 m/s² begrenzt. Daher wurde ein duales Regelungssystem mit Luftdruck und Verzögerung als Rückkopplungsgrößen entwickelt. Das zugehörige Blockdiagramm ist in Abbildung 5 dargestellt. Das Luftdruckkorrekturnetzwerk W2(s) dient zur Steuerung des Luftdrucks und damit indirekt zur Steuerung der Anpresskraft. Das Beschleunigungskorrekturnetzwerk W1(s) dient zur Steuerung der Verzögerung, um zu große Verzögerungen zu vermeiden und einen linearen Verlauf von 0 bis 1,3 m/s² zu gewährleisten. Abbildung 5: Blockdiagramm der Regelung des mechanischen Bremssystems . 4. Aufbau des computergesteuerten mechanischen Bremssystems. Das computergesteuerte mechanische Bremssystem besteht im Wesentlichen aus Sensoren (Beschleunigung, Luftdruck), einer A/D-Wandlerkarte, einer Schalteingangskarte, einer D/A-Wandlerkarte und einem Industrie-Steuercomputer (einschließlich Steuerungsprogramm). Wie in Abbildung 6 dargestellt, ist die Bremsung des Zuges das Regelobjekt. Beim Bremsen misst der Beschleunigungssensor den Bremsverzögerungswert, der anschließend A/D-gewandelt und an den Industrie-Steuercomputer gesendet wird. Der Industrie-Steuercomputer filtert das gemessene Verzögerungssignal digital und vergleicht es mit dem vom Bremshebel ausgegebenen Verzögerungssignal. Das Verzögerungssteuersignal wird vom Verzögerungsregler W1(s) (in Software implementiert) berechnet und mit dem vom Luftdrucksensor erfassten Luftdruck-Rückkopplungssignal verglichen, um ein Fehlersignal zu erhalten. Dieses Fehlersignal wird dann vom Luftdruckregler W2(s) (ebenfalls in Software implementiert) erfasst. Nach der D/A-Wandlung steuert es das Proportionalventil, um den Luftdruck zu regeln und dadurch die Bremskraft zu verändern und letztendlich die gewünschte Verzögerung zu erreichen. Darüber hinaus ist der Einbauort der mechanischen Bremse relativ kompakt, was die Beobachtung und Inspektion des Bremsbelagverschleißes erschwert. Daher wird ein Verfahren angewendet, bei dem Drähte in die Bremsbeläge eingebettet sind. Sobald der Verschleiß seinen Grenzwert erreicht und die Bremsbeläge im Klemmzustand sind, kann durch Kurzschließen der eingebetteten Drähte ein elektrisches Signal erzeugt werden. Dies ermöglicht die Online-Überwachung des Bremsbelagzustands. In diesem System kommt der Industrie-Steuerungsrechner IPC610H von Advantech zum Einsatz, während die digitale Eingangskarte, die A/D-Wandlerkarte und die D/A-Wandlerkarte von Kangtuo stammen. Das Blockdiagramm des Systems ist in Abbildung 6 dargestellt. Abbildung 6: Blockdiagramm des computergestützten mechanischen Bremssystems. 5. Software-Design des mechanischen Bremssystems. Dieses System verwendet Visual C++ 6.0, eine visuelle Software für die Windows-Plattform, als Entwicklungswerkzeug. Gemäß dem modularen Software-Designkonzept ist das System in mehrere Module unterteilt, zwischen denen Schnittstellen definiert sind. Das magnetische Schwebebremssystem ist gemäß den Anforderungen in folgende Komponenten unterteilt: ein Parametereinstellungsmodul, ein Eingangsdatenerfassungs- und A/D-Wandlungsmodul, ein digitales Filtermodul, ein Regleralgorithmusmodul, ein Datenverarbeitungs- und Anzeigemodul, ein Ausgangsdaten-D/A-Wandlungsmodul, ein Datenspeichermodul und ein Kommunikationsmodul mit dem Host-Computer (siehe Abbildung 7). Das Parametereinstellungsmodul umfasst die Ein-/Ausgabekarten. Das Datenerfassungs- und A/D-Wandlungsmodul erfasst und wandelt die vom Bremshebel eingegebenen Beschleunigungswerte, die Ausgangsbeschleunigungswerte und die Luftdruckwerte digital in analoge Werte um. Um Störungen und Rauschen im Messsignal zu minimieren, ist ein digitales Filtermodul integriert, das Störungen softwareseitig filtert. Das Datenverarbeitungs- und Anzeigemodul zeigt die aktuellen Beschleunigungswerte und die Bremszeit in Echtzeit an. Das Ausgangsdaten-D/A-Wandlungsmodul wandelt das Steuersignal analog in digital um. Zusätzlich sind ein Datenspeichermodul und ein Kommunikationsmodul mit dem Host-Computer vorhanden. Der Kernalgorithmus des Reglers verwendet den nichtlinearen PID-Regler, und die Regelparameter werden vom Computer optimiert. Der Hauptprogrammablauf ist in Abbildung 8 dargestellt. Abbildung 7: Blockdiagramm des Software-Designs des computergesteuerten mechanischen Bremssystems. Abbildung 8: Hauptablaufdiagramm des computergesteuerten mechanischen Bremssystems. 6. Fazit: Diese Arbeit beschreibt das mechanische Bremssystem eines computergesteuerten, normal fahrenden Magnetschwebebahnzugs hinsichtlich Modellierung, Hardware und Software. Die computergesteuerte Bremsregelung behebt die Schwächen der bisherigen manuellen mechanischen Bremsung und stellt einen neuen Durchbruch in der Magnetschwebebahn-Bremstechnik dar. Sie befindet sich derzeit in der Forschungs- und Entwicklungsphase und wird an dem von unserer Fakultät entwickelten, verbesserten Magnetschwebebahnzug eingesetzt und getestet. Dies bildet die Grundlage für die zukünftige Forschung zur mechanischen Bremsung von normal fahrenden Magnetschwebebahnzügen. Literatur: [1] Wu Xiangming. Maglev Train. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 2003. [2] He Kezhong, Li Wei. Computer Control System. Beijing: Tsinghua University Press, 1998. [3] Jiao Zhong. Train Braking. Peking: China Railway Publishing House, 1986 [4] Hu Shousong. Grundlagen der automatischen Steuerung. Peking: National Defense Industry Press, 1994. Quelle: Control Engineering China