능동제어되는 자기부상열차-가이드웨이의 동적상호작용 해석 = Dynamic interaction analysis between actively controled maglev and guideway

국문 초록 (Abstract)

자기부상열차(磁氣浮上列車, MAGLEV: Magnetically Levitated Vehicle)는 자석의 힘으로 차량을 지지(부상)하고 가이드웨이(guideway)상에서 자기장에 의해서 일정한 갭(gap)을 유지하면서 선형전동기로 추진하는 새로운 형태의 교통수단이다. 본 연구에서는 가이드웨이의 특성이 중저속 혹은 고속의 자기부상열차의 주행성에 미치는 영향을 파악하는데 목적을 두고 있다. 이를 위하여 자기 공극의 피드백을 포함한 2자유도 및 5자유도 차량에 대한 운동방정식을 구성하고, 차량과 교량이 연동 혹은 비연동된 상태공간방정식을 정립하고 최적능동제어기법인 LQR 및 DOFC을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 매개변수 연구로 차량 속도, 레일조도, 교량 처짐, 경간의 연속성, 경간장, 단차, 차량의 편성수 등이 UTM-01 자기부상열차의 부상공극, 연직가속도, 제어전류 및 제어전압 그리고 부상력에 미치는 영향을 파악하였다. 또한 해석결과를 국내외의 고속철도의 차량 및 교량의 설계기준과 비교하였다. 해석 결과, 차체의 응답은 교량의 정적처짐에 영향을 받으나 이는 차량의 속도가 저속일 때 그리고 처짐비 1:1500이하일 때에 크게 받으며 고속일 경우에는 교량의 처짐보다는 차량의 속도에 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 또한 교량단차의 영향으로 인한 교량자체의 응답은 크게 증가하지 않으나 차량의 부상공극에는 매우 큰 영향을 끼치는 것으로 파악된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

MAGLEV(Magnetically Levitated Vehicle) is an innovated transportation system. Which runs on guideway-supported bridge without wheels. The purpose of present study is to examine the effect of guideway characteristics on runnability of low and medium and high speed maglev vehicle. For this purpose, the dynamic governing equation for 2-dof and 5-dof of maglev vehicles and the optimal feedback control scheme by LQR and DOFC were developed. And the computer program code was developed to simulate the coupled and uncoupled maglev-guideway system with numeric tools of MATLAB.
And then the effect of vehicle's speed, guideway roughness, guideway deflection ratio, continuity of spans, span length on dynamic response of the UTM-O1 maglev vehicle were investigated. As a result, the runnability of vehicle is mainly governed by speed of vehicle and the magnitude of rail-roughness. And when the deflection-span length ratio is less than 1:1500, the runnability of vehicle is affected little amount. Accordingly the runnability of maglev vehicle can be improved by reducing the maximum deflection of guideway and adopting continuous span.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구배경 및 현황 = 2
• 1.1.1 연구배경 = 2
• 1.1.2 교량-차량의 동적상호작용해석에 관한 연구현황 = 3
• 1.1.3 자기부상열차의 연구현황 = 5
• 1.2 연구목적 및 내용 = 7
• 1.3 연구방법 및 기본가정 = 9
• 제2장 자기부상열차(MAGLEV)의 개요 = 12
• 2.1 자기부상열차의 특성 = 12
• 2.2 자기부상열차의 작동원리 = 14
• 2.3. 자기부상열차의 종류 = 15
• 2.3.1 부상방식에 따른 분류 = 15
• 2.3.2 추진방식에 따른 분류 = 20
• 2.3.3 속도에 따른 분류 = 22
• 제3장 자기부상열차-가이드웨이 시스템의 연동 운동방정식 = 23
• 3.1 자기부상력 = 24
• 3.2 가이드웨이의 조도 = 29
• 3.3 교량정적처짐을 노면조도에 포함시킨 2자유도 차량의 운동방정식 = 33
• 3.4 2자유도 차량-가이드웨이의 연동 운동방정식 = 36
• 3.4.1 단경간 가이드웨이의 자유진동 = 36
• 3.4.2 2경간 연속보 가이드웨이의 자유진동 = 38
• 3.4.3 2자유도 차량에 대한 연동된 교량-차량 운동방정식 = 40
• 3.5 5자유도 차량-가이드웨이 시스템의 연동 운동방정식 = 43
• 3.5.1 가이드웨이의 고유진동 모우드와 운동방정식 = 43
• 3.5.2 차량의 운동방정식: 5자유도 차량 모델 = 46
• 3.5.3 5자유도 차량에 대한 연동된 교량-차량 운동방정식 = 49
• 제4장 부상능동제어 = 51
• 4.1 LQR(Linear Quadratic Regulator) = 51
• 4.2 DOFC(Direct Optimal Feedback Control) = 55
• 4.3 상태공간(state space) 방정식 = 58
• 4.3.1 가진되는 2자유도 차량의 상태공간방정식 = 58
• 4.3.2 차량-교량이 연동된 경우: 2자유도 차량 모델 = 60
• 4.3.3 차량-교량이 연동된 경우: 5자유도 차량 모델 = 62
• 4.4 해석순서 및 해석의 검증 = 68
• 4.4.1 자기부상열차-가이드웨이의 비연동 해석프로그램 = 68
• 4.4.2 자기부상열차-가이드웨이의 연동 해석프로그램 = 69
• 4.4.3 해석의 검증 = 70
• 제5장 2자유도 차량-가이드웨이 비연동 해석 = 74
• 5.1 LQR 및 DOFC의 해석비교 = 74
• 5.2 2자유도 차량-가이드웨이 비연동 매개변수분석 = 84
• 5.2.1 검토 변수의 선정 = 85
• 5.2.2 노면조도 및 차량 속도의 영향 = 86
• 5.2.3 가이드웨이 처짐 및 차량 속도의 영향 = 91
• 5.2.4 노면조도, 가이드웨이의 처짐 및 차량 속도의 영향 = 96
• 5.2.5 공진 속도의 영향 = 101
• 5.2.6 연속경간의 영향 = 102
• 5.2.7 경간장의 영향 = 104
• 제6장 5자유도 차량-가이드웨이 연동 해석 = 107
• 6.1 2자유도 및 5자유도 차량의 해석비교 = 109
• 6.1.1 5자유도 차량의 피드백 게인 = 109
• 6.1.2 2자유도 및 5자유도 차량-가이드웨이의 연동해석 비교 = 113
• 6.2 차량 속도의 영향 = 118
• 6.3 교량 처짐비의 영향 = 129
• 6.4 노면조도의 영향 = 132
• 6.5 경간장의 영향 = 134
• 6.6 연속보의 영향 = 136
• 6.7 차량 편성수의 영향 = 138
• 6.8 단차의 영향 = 147
• 제7장 동적성능 검증 = 154
• 7.1 충격계수 = 155
• 7.2 교량의 고유진동수 = 157
• 7.3 상판의 연직가속도 = 159
• 7.4 단부 꺾임각 = 161
• 7.5 차체의 연직가속도 = 163
• 7.6 부상공극 = 165
• 제8장 결론 = 166
• 참고문헌 = 171
• ABSTRACT = 179