Brevet FR2484350A1 — publié le 19811218

Dispositif de régulation pour le guidage d'un véhicule maintenu magnétiquement en sustentation libre. La présente invention concerne un dispositif de régulation, pour le guidage d'un véhicule maintenu magnétiquement en sustentation libre, dans lequel il existe pour chaque électroaimant individuel un régulateur indépendant dont la valeur réglée est chaque fois la différence entre, d'une part, l'entrefer mesuré entre ledit électro-aimant et le rail et, d'autre part, une valeur de consigne de ce même entrefer. Dans des véhicules à sustentation libre magnétique connus, en particulier de par le brevet allemand nO 643 316, munis d'électro-aimants de maintien et de guidage fixés rigidement au châssis, un régulateur indépendant est affecté en propre à chaque électro-aimant et, pour régler à une valeur aussi constante que possible l'entrefer entre celui-ci et le rail correspondant, on mesure chaque entrefer au moyen de capteurs et on le compare, dans le régulateur, à une valeur de consigne d'entrefer fixée. On se sert de cette comparaison pour commander ie courant d'excitation de chaque électro-aimant en sorte que les forces magnétiques contrebalancent la pesanteur et les forces perturbatrices. L'inconvénient de telles régulations individuelles d'electro-aimants fixés rigidement au véhicule à sustentation libre, ou à son châssis, réside dans le fait que l'ensemble du système est statiquement instable. Si, par exemple, les électro-aimants de maintien fixés rigidement au châssis sont au nombre de quatre et que tous quatre soient régulés individuellement de façon rigoureuse quant à leur entrefer, n'importe quelles valeurs de courant peuvent s'y établir dans des conditions déterminées.Si, par exemple, l'écartement des rails ou leur hauteur par rapport à une hauteur de référence, viennent à varier à l'intérieur du volume occupé par le véhicule, les entrefers voulus ne peuvent, pour des raisons géométriques, pas être respectés simultanément sur tous les électro-aimants en cas de suspension rigide de ceux-ci et dans hypothèse d'un véhicule et de rails rigides. Par la rétroaction de l'entrefer mesuré, cela conduit à des différences considérables entre les courants de bobine des électro-aimants.Dans le cas le plus défavorable, il peut arriver ainsi que la charge du véhicule, normalement répartie entre quatre électro-aimants de maintien, ne soit plus supportée que par deux d'entre eux ou encore que de grandes forces de traction latérales dirigées en des sens contraires agissent sur le véhicule à sustentation libre en le gauchissant et le distordant. lour éviter ces difficultés, on utilise, de façon connue de par le brevet allemand nO 21 46 499, un régulateur décen tralisé hiérarchique prépondérant pour les divers électroaimants d'un véhicule à sustentation libre. Dans cette régulation modale, par degrés de liberté, on combine entre elles les valeurs mesurées des entrefers des huit électro-aimants de maintien et de guidage en cinq grandeurs réglées que l'on amène en tant que telles à cinq régulateurs affectés chacun à un degré de liberté du véhicule. On recombine ensuite entre elles les grandeurs de sortie de ces régulateurs de façon à former à partir d'elles huit grandeurs de réglage pour les électroaimants. L'avantage de cette régulation composite réside dans le fait que, par suite de la combinaison des signaux, les courants des électro-aimants ne sont influencés ni par l'écartement des rails, ni par les diverses différences de hauteur de ceux-ci entre les électro-aimants de maintien et de guidage avant et arrière, si bien que la divagation précitée dudit courant s'en trouve empêchée. I1 se pose cependant des problèmes dans de telles régulations composites lorsqu'un des régulateurs prépondérants est totalement défaillant ou fonctionne de façon défectueuse par défaillance partielle d'un élément. La régulation de tous les électro-aimants étant influencée de ce fait, le véhicule peut à l'occasion heurter les rails, avec les conséquences que cela comporte. I1 faut donc réaliser avec redondance de telles régulations composites rrépondérantes et cela nécessite un important apport technique supplémentaire. L'entretien de systèmes composites ainsi couplés est également problématique et son cout s'élève en conséquence. Un deuxième moyen de surmonter les difficultés précitées consiste, selon la demande de brevet allemand DE-OS 25 11 382, à suspendre élastiquement au véhicule à sustentation libre, ou à son châssis, les électro-aimants et à opérer la régulation de ces derniers individuellement selon la première proposition ci-dessus. On peut ainsi déterminer statiquement l'ensemble du système sans aucune ambiguïté et parvenir à une régulation individuelle des électro-aimants correcte du point de vue électrique sans qu'il se produise de gauchissement du véhicule ni de divagation des courants des électroaimants. En dépit de la conception simple du régulateur ainsi permise, la réalisation de la suspension élastique et de la possibilité de régler indépendamment les divers électro-aimants appelle des moyens mécaniques importants. En présence des fréquences de suspension élastique d'environ 6 à 7 Hz à réaliser et des fréquences d'excitation prédominantes, situées dans cette même zone, il peut en outre se produire des résonances indésirables lors de la régulation des électro-aimants. Cela implique à son tour un plus grand entrefer, ou une plus grande zone de variation de l'entrefer. I1 en résulte la nécessité de plus grandes forces magnétiques que dans d'autres régulations comparables.De plus, les ressorts de suspension des électro-aimants sont soumis à des charges permanentes considérables, si bien que l'on doit être très exigeant sur la qualité desdits ressorts. La suspension élastique des électro-aimants engendre des degrés de liberté supplémentaires non réglés résultant par exemple des mouvements de rotation des châssis de véhicules. Mais, ces mouvements de rotation déterminent aussi les mouvements des électro-aimants et sont bien entendu mesurés en même temps par les capteurs d'entrefer. Cela peut provoquer des réactions fausses dans les degrés de liberté soumis à régulation; le système peut même devenir statiquement instable en rotation dans le cas extrême de très basses fréquences de suspension élastique, cela en particulier si la rigidité effective en rotation du dispositif des électro-aimants par rapport au châssis se dégrade par l'effet de défaillances d'électroaimants individuels La cause en est l'instabilité des électroaimants à l'égard des mouvements de rotation. I1 faut ajouter qu'en cas de défaillance d'un composant d'un système magnétique individuel, par exemple du régulateur de courant, du capteur ou du régulateur proprement dit, l'électro-aimant correspondant peut se cramponner à peu près sans freinage au rail lorsque le véhicule est en marche, d'où le risque de destructions de l'électro-aimant ou du rail, car les autres électro-aimants du châssis ne s'opposent qu'insuffisamment audit cramponnement par suite de la mollesse relative de leurs ressorts. L'invention a pour objet un dispositif de régulation pour véhicule à sustentation libre dans lequel on utilise la régulation individuelle des électro-aimants rigidement fixés aux châssis des véhicules, régulation techniquement simple à réaliser, mais dans lequel le concept de régulation soit modifié en sorte que les difficultés précitees ne puissent plus se présenter. Ce dispositif de régulation, du genre annoncé, est caractérisé par le fait que, les électro-aimants étant fixés rigidement au véhicule à sustentation libre, la valeur de consigne de la grandeur réglée, c'est-à-dire de l'entrefer, est modifiable, pour chaque régulateur individuel, en fonction du courant s'écoulant à travers l'électro-aimant correspondant. On utilise donc une régulation individuelle pour électro-aimants fixés rigidement au véhicule dans laquelle le concept de régulation est cependant modifié en ce sens que la valeur de consigne de la grandeur réglée ne soit plus maintenue constante, mais soit variable en fonction de chaque courant d'électro-aimant. Avec une telle régulation individuelle d'électro-aimants, on peut utiliser des électro-aimants montés rigidement sur le véhicule ou sur le châssis de celuici sans que des forces de distorsion indésirables s'exercent sur le véhicule ou que les courants desdits électro-aimants divaguent. Rn cas de courants d'électro-aimants élevés, la valeur de consigne de l'entrefer se trouve augmentée , conformément au concept de régulation selon l'invention,en sorte que l'électro-aimant individuel se règle sur cette nouvelle valeur de consigne, ce réglage s'accompagnant en même temps de la tendance consistant à agir sur l'entrefer et, par conséquent, sur le courant d'électro-aimant en direction de plus faibles valeurs. Inversement, dans le cas d'un courant d'électroaimant inférieur à la valeur nominale correspondant à la valeur de consigne nominale de l'entrefer, ce dernier se règle sur une valeur de consigne inférieure à la valeur nominale, avec tendance à ramener la valeur de consigne vers la valeur nominale. Le concept de régulation selon l'invention satisfait aussi aux exigences voulues par le système de régulation de l'ensemble du véhicule à sustentation libre. L'augmentation de la valeur de consigne de l'entrefer en présence de courants magnétiques élevés eux aussi est avantageuse en ce que, dans ces secteurs, la dynamique du système de régulation étant plus mauvaise, il faut que l'amplitude de variation de l'entrefer soit augmentée en conséquence. Si la valeur de consigne de l'entrefer était indépendante du courant d'électroaimant comme dans les régulations individuelles antérieures/ il faudrait toujours conduire le véhicule avec un entrefer inutilement grand lorsque apparaltraient des courants d'électro-aimants plus faibles: l'invention supprime cette nécessité. Avec le concept de régulation selon l'invention, on peut par exemple traiter, en dépit de la suspension rigide des électro-aimants, des variations d'écartement des rails de guidage ou de hauteur des rails de maintien en sorte qu'il ne s'exerce à peu près pas de réaction sur la régulation ni sur le vehicule à sustentation libre. La variation volontaire de la valeur de consigne de l'entrefer réduit essentiellement par rapport à un véhicule à suspension individuelle élastique des électro-aimants, les vibrations de structure, car les résonances mentionnées plus haut comme possibles ne se présentent plus, par suite de l'absence d'une telle suspension élastique des électro-aimants.En l'état réglé, il s'établira dans la zone des basses fréquences un cycle limite avec des fréquences d'environ 0,3 à 0,4 Hz et des amplitudes de courant dlélectroaimants de l'ordre de 5% du courant maximal. Sur la base de ces données aussi, il n'interviendra pratiquement pas de rétroaction conduisant à des vibrations de structure. Un avantage essentiel du dispositif de régulation selon l'invention réside aussi dans le fait qu'en cas de défaillance d'un électro-aimant, due par exemple à des défauts de cet électro-aimant, du régulateur de courant, du capteur ou du régulateur proprement dit, les électro-aimants voisins, ayant le même rôle, fonctionnent avec une efficacité maximale pour diminuer l'effet de cette défaillance. Le véhicule à sustentation libre ne peut en aucun cas heurter, par exemple, les rails, avec les conséquences que l'on connaît, du fait d'une telle défaillance. Aussi le dispositif de régulation selon l'invention est-il, malgré sa structure simple, plus sûr que les dispositifs connus. Selon d'autres caractéristiques avantageuses possibles de l'invention : à chaque régulateur d'un électro-aimant individuel est affectée une valeur de consigne de'la grandeur réglée, c'est-à-dire de l'entrefer, qui correspond à un courant d'électro-aimant maintenant en équilibre le véhicule à sustentation libre; les régulateurs des électro-aimants individuels sont des régulateurs à fortes parts proportionnelle et intégrale; en ce qui concerne les valeurs d'entrefer, un signal correspondant à la valeur mesurée négative et, sous forme additive, des signaux correspondant respectivement à une valeur nominale constante et à l'écart de la valeur de consigne variable, sont amenables à l'entrée d'un régulateur d'un électro-aimant individuel; le signal correspondant à l'écart par rapport à la valeur de consigne est amené audit régulateur à travers un filtre passe-bas. L'invention sera mieux comprise à-l'aide de la description détaillée de deux modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et iNustrés schématiquement par le dessin annexé, sur lequel la figure 1 est un croquis en perspective d'un véhicule à sustentation libre maintenu et guidé le long de rails de maintien et de guidage, avec un entrefer, par des électroaimants; la figure 2 est un diagramme de l'entrefer en fonction du courant s'écoulant à travers les électro-aimants; la figure 3 est le schéma synoptique du régulateur d'un électro-aimant. Le véhicule à sustentation libre comporte quatre électroaimants de maintien 10,11,12,13 disposés symétriquement par rapport à son axe longitudinal et quatre électro-aimants de guidage 20,21 et 22,23 en des positions symétriques par rapport à son axe transversal. Des rails de maintien et de guidage réalisés par exemple en cornières et fixés rigidement à une piste non représentée sont associés à ces électro-aimants de mêmes fonctions. Il existe, entre les éLectro-aimants et les rails correspondants, des entrefers S1 à S8, dont la largeur est mesurée par des capteurs non représentés. Les valeurs ainsi mesurées portent ci-après la désignation Sm. A chaque électro-aimant individuel est affecté un régulateur 40 qui, à cause de la dynamique exigé de l'ensemble du système, comporte entre autre, en tant que régulateur, de fortes parts proportionnelle et intégrale . Cette part proprotionnelle et integrale est la partie importante pour l'objet de la régulation; de façon générale, le régulateur individuel possède naturellement d'autres branchements, par exemple celui du signal d'entrefer différentié d'autres grandeurs de mesure telles que l'accélération; ces branchements sont représentés schématiquement sur la figure 3 par un bloc 41 dans lequel les fonctions de transfert qui leur correspondent sont portées globalement sous la désignation R (p).Chacun de ces régulateurs 30 recoit le signal de mesure d'entrefer Sm propre à l'électroaimant auquel il est affecté, et il se forme,de façon usuelle, à son entrée la différence 5cons. S S entre la valeur de m consigne et la valeur réelle. Ces signaux sont combinés entre eux, dans le régulateur, conformément au concept de régulation en sorte que la sortie du régulateur présente un signal V amené à un régulateur de courant 50 qui, de son côté, change le courant I de l'électro-aimant en question de telle façon que la valeur mesurée Sm de l'entrefer S soit ramenée à la valeur de consigne. La valeur de consigne de l'entrefer est ici variable et représentée en tant que fonction du courant d'électro-aimant. La figure 2 reproduit l'écart ssSCOn5 , en mm, de la valeur de cons. consigne par rapport à la valeur nominale S en fonction du nom courant d'électro-aimant I. L'ordonnée zéro représente l'entrefer nominal 5nom.' auquel correspond en abscisse une valeur nominale Inom. du courant d'électro-aimant. L'écart #Scons. de la valeur de consigne de l'entrefer par rapport à la valeur nominale varie d'environ -1 I environ +2 millimètres; à l'écart positif maximal de 2 mm correspond un courant d'électro-aimant maximal 1max. ,et à l'écart négatif maximal de -1 mm un courant minimal 1min. La valeur de consigne S 0 5 variable est fixée cons. en fonction du courant d'électro-aimant existant selon la relation entre ces deux grandeurs représentée sur la figure 2. * Pour un courant d'électro-aimant I,on fixe de la sorte une valeur de consigne 5* qui se compose de la valeur nominale cons. S de l'entrefer et de l'écart As* . Ladite valeur nom. cons. de consigne SG est utilisée pour former la différence à cons. I'entrée,du régulateur P-I 40. Cette formation de la valeur de consigne variable ressort du schéma de régulateur donné par la figure 3: on amène au poste différence la valeur nominale Snom. de l'entrefer etRsous forme additive, l'écart #Scons. selon la figure 2, ce dernier à travers un filtre passe-bas F.Ce filtrage passe-bas s'exerce afin de ne pas laisser parvenir au régulateur des variations minimales de haute fréquence autour d'une valeur de consigne qui seraient dues par exemple à des secousses du véhicule à sustentation libre. Une telle régulation à valeur de consigne variable en corrélation avec un régulateur à forte part proportionnelle et intégrale pour chaque électro-aimant a pour effet-de conduire paisiblement le véhicule à sustentation libre suivant une ligne idéale le long des rails de maintien et de guidage 30,31, et cette ligne idéale est influencée par la variation de la valeur de consigne, mais à peu près pas par les variations d'écartement et de hauteur des rails. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation, pour le guidage d'un véhicule maintenu magnetiquement en sustentation libre, dans lequel il existe pour chaque électro-aimant individuel un régulateur indépendant dont la valeur réglée est chaque fois la différence entre, d'une part, l'entrefer mesuré entre ledit electro-aimant et le rail et, d'autre part, une valeur de consigne de ce même entrefer, dispositif de régulation caractérisé par le fait que, les électro-aimants (10,11,12, 13,20,21,22,23) étant fixés rigidement au véhicule à sustentation libre (1), la valeur de consigne (SCOnS ) de la grandeur réglée (entrefer S) est modifiable1 pour chaque régulateur individuel (40), en fonction du courant (I) s'écoulant à travers 1' électro-aimant correspondant. 2. Dispositif de régulation selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'à chaque régulateur (40) d'un électro-aimant individuel (10 à 13, 20 à 23) est affectée une valeur de consigne (5cons). de la grandeur réglée (entrefer S) qui correspond à un courant d'électro-aimant maintenant en équilibre le véhicule à sustentation libre. 3. Dispositif de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que les régulateurs (40) des électro-aimants individuels (10 à 13, 20 à 23) sont des régulateurs à fortes parts proportionnelle et intégrale. 4. Dispositif de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait qu'en ce qui concerne les valeurs d'entrefer, un signal correspondant à la valeur mesurée (Sm) négative et, sous forme additive, des signaux correspondant respectivement à une valeur nominale (Snom.) constante et à l'écart (Q) de la valeur de consigne variable (Scons.) sont amenables à l'entrée d'un régulateur (40) d'un électro-aimant individuel (10 à 13, 20 à 23). 5. Dispositif de régulation selon la revendication 4 caractérisé par le fait que le signal correspondant à l'écart (t) par rapport à la valeur de consigne (Scons ) est amene au régulateur (40) à travers un filtre passe-bas (F).