Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahnen

Die Forschungstätigkeiten am ITM im Bereich der Magnetschwebebahnen erstrecken sich von der Modellbildung und -validierung über die Entwicklung von fortgeschrittenen Regelungskonzepten bis hin zur Simulation des mechatronischen Gesamtsystems bestehend aus den verschiedenen zuvor entwickelten Teilmodellen. Teilweise geschieht dies in Kooperation mit Partnern aus der Industrie wie thyssenkrupp Transrapid und CRRC Qingdao Sifang. Als Bindeglied fungiert hierbei auch das Chinesisch-Deutsche Forschungs- und Entwicklungszentrum für Bahn- und Verkehrstechnik Stuttgart (CDFEB).

Die Modellbildung umfasst zum einen die mechanische Modellierung des Fahrzeugs und des Fahrwegs als starres und/oder elastisches Mehrkörpermodell, wobei hauptsächlich die Methode der Mehrkörpersysteme zum Einsatz kommt. Die programmtechnische Umsetzung erfolgt mit der institutseigenen Mehrkörpersimulationssoftware Neweul-M². Zum anderen umfasst die Modellbildung die Abbildung des statischen und dynamischen Verhaltens der Trag- und Führmagnete auf Basis elektrischer und magnetischer Netzwerke. Hierbei werden abhängig von den zu untersuchenden Problemstellungen unterschiedliche Modelle benötigt und entwickelt, die verschiedene Aspekte des jeweiligen Systems abbilden.

Im Falle des eingesetzten elektromagnetischen Schwebeprinzips muss jeder Trag- und Führmagnet aktiv geregelt werden, um einen Luftspalt zwischen Fahrzeug und Fahrweg sicherstellen zu können. Dem Regelsystem ist hier eine Schlüsselrolle zuzuordnen, da es zum einen den sicheren Betrieb gewährleisten muss und gleichzeitig entscheidend für Fahrdynamik und -komfort ist. Der Forschungsschwerpunkt am ITM liegt auf der Untersuchung der Anwendbarkeit von modellprädiktiven Regelansätzen (MPC, aus dem Englischen model predictiv control) zur Regelung der per se instabilen Systemdynamik. Hierbei wird die Stellgröße auf Basis eines wiederkehrenden Optimalsteuerungsproblems bestimmt, indem das zukünftige Systemverhalten auf der Grundlage der zuvor beschriebenen und hergeleiteten mathematischen Modelle prädiziert wird. Dadurch ist es möglich, die nichtlineare Systemdynamik der Elektromagnete sowie die Stellgrößenbeschränkungen unmittelbar im Reglerentwurf zu berücksichtigen. Herausfordernd sind jedoch die echtzeitfähige Lösung des wiederkehrenden Optimierungsproblems, das Ausregeln bleibender Regelabweichungen oder Themen wie Redundanz und Verlässlichkeit der Regelung.