Автоматическое управление скоростью грузового поезда при использовании распределенной тяги тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Киселев Максим Дмитриевич

• Киселев Максим Дмитриевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Киселев Максим Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР РАНЕЕ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ предпосылок создания системы автоматического управления скоростью для грузового поезда с распределенной тягой

1.2 Анализ существующих систем автоматического управления скоростью локомотивов

1.3 Системы управления подвижным составом с распределенной тягой

1.4 Модели поезда как объекта управления и исследования в области продольной динамики

1.5 Выбор рациональной схемы формирования поезда повышенной массы и длины и профиля пути для целей исследования

1.6 Постановка цели и задач настоящего исследования

Выводы по первой главе

2 МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ЛОКОМОТИВОВ, РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ПО СОСТАВУ

2.1 Математическая модель поезда

2.2 Методика учета внешних сил, действующих в поезде

2.3 Влияние параметров бортовой микропроцессорной системы локомотива на управление

2.4 Функциональная схема системы автоматического управления скоростью с

эталонной моделью для грузового поезда с распределенной тягой

Выводы по второй главе

3 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ТЯГОЙ

3.1 Выбор критериев для оценки качества управления

3.2 Параметрический синтез системы автоматического управления скоростью

для распределенной тяги с эталонной моделью поезда

Выводы по третьей главе

4 ВЛИЯНИЕ РАЗБРОСА ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НА КАЧЕСТВО УПРАВЛЕНИЯ ГРУЗОВЫМ ПОЕЗДОМ С

РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ТЯГОЙ

4.1 Постановка задачи для оценки чувствительности системы автоматического управления

4.2 Исследование чувствительности системы автоматического управления скоростью с распределенной тягой для поезда, сформированного по схеме локомотив-состав-состав-локомотив

4.3 Исследование чувствительности системы автоматического управления скоростью с распределенной тягой для поезда, сформированного по схеме

локомотив-состав-локомотив-состав

Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список использованных источников

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматическое управление скоростью грузового поезда при использовании распределенной тяги»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Железнодорожный транспорт в Российской Федерации осуществляет значительную часть общего объема грузоперевозок. Основными конкурентами железнодорожного транспорта являются трубопроводный и автомобильный транспорт. На ближних и средних расстояниях выбор грузоотправителей падает на автомобильный транспорт, но на дальних маршрутах железные дороги имеют существенное преимущество. По состоянию на 2018 год, без учета трубопроводного транспорта, на железные дороги в России приходится более 85 % грузооборота, что составляет почти 2500 млрд т-км [1], что на 6 % и 8 % выше по сравнению с 2016 и 2017 годами. В настоящее время наблюдается рост объемов железнодорожных перевозок, в том числе в результате увеличения экспортных поставок сырьевых материалов - нефть, газ, металлы, сельскохозяйственное сырье [2]. Помимо этого, наблюдается лидерство железнодорожного транспорта в области перевозки грузов в контейнерах. За 2018 год было перевезено порядка 40 млн т грузов в контейнерах по железным дорогам России [1].

Рост железнодорожных перевозок привел к тому, что наиболее используемые железнодорожные линии почти полностью исчерпали резервы пропускной и провозной способности. В результате возникают существенные сбои в работе железных дорог, вследствие чего увеличивается задержка грузов, повышающая затраты для грузоотправителя и перевозчика.

Для вождения поездов повышенной массы и длины используют мощные локомотивы 3ЭС5К и 4ЭС5К, локомотивы, состоящие из нескольких четырехосных секций, работающих совместно по системе многих единиц - ВЛ11, ВЛ80С, 2ЭС5К, 2ЭС6, 2ЭС7, 2ЭС10, 2ЭВ120. Также широкое применение находит вождение соединенных поездов и поездов с подталкиванием, т.е. системы распределенной тяги.

При вождении длинносоставных тяжеловесных поездов действие неблагоприятных факторов, таких, как нерациональный способ формирования

тяжеловесных поездов (например, наличие легковесных вагонов в головной части поезда), нарушение технологии управления тяговыми и тормозными средствами локомотивов и состава, ведет к разрыву поезда из-за разрушения автосцепок в результате возникновения продольных динамических сил значительной величины. Неблагоприятный характер протекания переходных процессов в поезде способствует ускоренному накоплению усталостных повреждений в упряжных приборах, в результате чего их разрушение происходит при действии сил, существенно меньших, чем установленные допустимые значения. Помимо этого, нарушения в технологическом процессе управления поездом приводят к ухудшению условий взаимодействия подвижного состава и пути, и, как следствие, увеличивают вероятность его схода с рельсов вследствие возникновения квазистатических продольных сжимающих сил недопустимой величины или стаскивание внутрь кривой из-за превышения этими силами допустимых значений растягивающих сил [3].

Применение распределенной тяги при вождении тяжеловесных длинносоставных поездов позволяет значительно снизить максимальные величины продольных сил [4], однако, при этом важным является вопрос организации взаимодействия локомотивов, распределённых по составу.

Одним из способов повышения безопасности движения поездов и экономической эффективности транспорта является применение на подвижном составе систем автоведения поездов (САВП). Применение таких систем позволяет исключить влияние т.н. «человеческого фактора» на технологические процессы, связанные с управлением движением поезда и, как следствие, повысить безопасность движения поездов.

Преимуществами обладают САВП, построенные по многоконтурному принципу [5]. В САВП в качестве внешнего контура выступает контур регулирования времени хода, задачей которого является выбор траектории движения поезда, обеспечивающей соблюдение графика движения поездов при условии минимизации расхода топливно-энергетических ресурсов, затрачиваемых на тягу. Внутренним же контуром выступает система автоматического управления

(САУ) скоростью движения, которая исполняет режимы движения, заданные системой верхнего уровня. Для выбора структуры и параметров, а также алгоритмов работы компонентов САУ скоростью движения поезда с распределенной тягой, необходимо провести детальное исследование влияния способов управления силами тяги и торможения при распределенной тяге на процессы, протекающие в поезде, а также на взаимодействие подвижного состава и верхнего строения пути.

САУ скоростью движения для вождения тяжеловесных длинносоставных поездов с распределенной тягой должна учитывать вес, длину состава, расположение экипажей на элементах плана и профиля пути для выработки правильной стратегии управления и обеспечения необходимого качества управления.

Степень разработанности темы. Значительный вклад в разработку систем автоматического управления скоростью и систем автоведения поездов внесли такие учёные, как И. А. Аснис, В. М. Бабич, Ю. В. Бушненко, А. Г. Вольвич, Я. М. Головичер, Д. Д. Захарченко, И. П. Исаев, М. Ю. Капустин, П. Е. Коваль, В. А. Кучумов, В. Н. Лисунов, А. Л. Лозановский, В. М. Максимов, В. А. Малютин, Я. Е. Марченко, Н. С. Назаров, Б. М. Наумов, Н. Б. Никифорова,

A. В. Плакс, С. В. Покровский, М. С. Пясик, Б. Н. Тихменев, Л. М. Трахтман,

B. Д. Тулупов, А. Н. Савоськин, Г. В. Фаминский, В. П. Феоктистов и др.

В области разработки систем телеуправления локомотивами, в том чис-ле распределёнными по составу, а также способов передачи и шифрования управляющих сигналов, известны работы Л. А. Баранова, Е. В. Ерофеева, Е. А. Жироухова, А. Е. Пырова, П. Г. Солюса и др.

Теоретическая и экспериментальная разработка проблем продольных колебаний поездов, решение различных прикладных задач, в том числе автоматизации управления, с учётом динамических моделей поезда, выполнены в работах А. А. Бакман, С. И. Баташова, Е. П. Блохина, С. В. Вершинского,

A. У. Галеева, П. Т. Гребенюка, С. В. Дуваляна, Н. Е. Жуковского,

B. Г. Иноземцева, В. А. Лазаряна, А. Л. Лисицина, Л. А. Манашкина,

Л. А. Мугинштейна, Б. Д. Никифорова, Л. Н. Никольского, Н. А. Панькина, В. Я. Першина, Ю. И. Першица, О. Е. Пудовикова, В. П. Терещенко, А. И. Тимощука, А. М. Филимонова, Р. Г. Черепашенца, Г. Л. Эпштейн и др.

Целью диссертационной работы является разработка системы автоматического управления скоростью движения грузового длинносоставного поезда с локомотивами, распределёнными по составу. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.

1) Формирование системы критериев оценки качества управления скоростью движения грузовых поездов с распределенной тягой.

2) Разработка структуры системы автоматического управления скоростью движения поезда с распределённой тягой, отличающейся от известных тем, что использует в своем составе эталонную модель поезда для выбора алгоритма управления. Разработка программного обеспечения САУ.

3) Выбор методики решения задачи параметрического синтеза САУ.

4) Разработка методики определения чувствительности САУ к изменению параметров системы управления.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- сформирована расширенная система критериев качества управления скоростью грузового поезда. Показано, что в дополнение к известным критериям качества, целесообразно использовать коэффициент запаса устойчивости вагона против схода с рельс, характеризующий безопасность движения грузового поезда в квазистатическом режиме движения;

- разработаны структура системы автоматического управления скоростью движения грузового поезда с распределенной тягой и алгоритмы управления на основе эталонной модели поезда, позволяющие обеспечить необходимое качество управления;

- разработана методика определения чувствительности показателей качества разработанной САУ к изменению параметров системы управления.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- предложенный алгоритм работы системы автоматического управления

скоростью движения грузового поезда с распределённой тягой позволяет значительно повысить безопасность движения поезда за счёт повышения запаса устойчивости вагонов против схода с рельс при действии продольных квазистатических сжимающих сил;

- разработанное автором программное обеспечение позволяет проводить исследования продольных колебаний в поезде с локомотивами, распределенными по составу, и решать задачу параметрического синтеза САУ;

- разработанная в диссертационной работе методика определения чувствительности системы автоматического управления скоростью грузового поезда при использовании распределенной тяги позволяет оценить качество управления при изменении параметров САУ.

Методология и методы исследования. В работе использованы методы теории автоматического управления, теории электрической тяги и методы имитационного моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

- система критериев качества управления скоростью движения грузового поезда с распределенной тягой;

- адаптивная система автоматического управления скоростью движения грузового поезда при распределенной тяге с эталонной моделью поезда;

- результаты имитационного моделирования по исследованию работы

САУ;

- результаты решения задачи параметрического синтеза САУ в виде зависимостей, связывающих параметры закона управления с параметрами поезда и режимами движения;

- методика и результаты определения чувствительности САУ к изменению её параметров.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена удовлетворительным совпадением полученных в работе экспериментальных

данных с аналогичными данными, полученными другими исследователями в данной области.

Основные положения работы были доложены и обсуждены на:

- XVIII Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», 2017, г. Москва, МИИТ;

- Международной научно-практической конференции «Компьютерное Моделирование - 2017 (КОМОД - 2017)», 2017, г. Санкт-Петербург, СПбПУ;

- Девятом Международном симпозиуме «Элтрас-2017» («Eltrans-2017»), 2017, г. Санкт-Петербург, ПГУПС;

- III Международной научно-практической конференции «Перспективы развития сервисного обслуживания локомотивов», 2018, г. Москва, ООО «ЛокоТех»;

- Всероссийской научно-практической конференции «Электропривод на транспорте и в промышленности», 2018, г. Хабаровск, ДВУГПС;

- заседании кафедры «Электропоезда и локомотивы» РУТ (МИИТ) в 2017-2019 г.

Результаты опубликованы в 10 печатных работах, включая 4 статьи в научных журналах, входящих в перечень журналов ВАК России, 1 статью в журнале, индексируемом в списке Scopus, 5 работ в трудах научно-практических конференций. Получены 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Разработанные в диссертационной работе алгоритмы управления распределенными по составу локомотивами с эталонной моделью поезда нашли применение при разработке и совершенствовании систем автоматического управления электровозов с асинхронными тяговыми двигателями, а также использованы при модернизации системы телеуправления скоростью движения тепловозов с асинхронными тяговыми двигателями. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Электропоезда и локомотивы» в МИИТе.

Результаты практического использования полученных в диссертации исследований подтверждены соответствующими актами, представленными в приложении к диссертации.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 17-20-03043.

1 ОБЗОР РАНЕЕ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ В ОБЛАСТИ

ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Анализ предпосылок создания системы автоматического управления скоростью для грузового поезда с распределенной тягой

По данным Росстата за 2018 год [1] отмечается существенный рост грузовых железнодорожных перевозок за последние 15 лет [1]. Введенные Правительством РФ санкции в отношении импортных поставок сказались на потере доли рынка автомобильными грузоперевозчиками. Это связано с тем, что и импорт, и экспорт большого количества потребительских товаров снизился, так как именно они перевозились автомобильным транспортом. В тоже время из-за низкого курса рубля Россия увеличила поставки сырьевых товаров - нефти, газа, металлов, продукции сельского хозяйства. Причем санкции и продовольственное эмбарго привели к снижению торговли с Европой. Выросла доля стран Азиатско-тихоокеанского региона, что положительно скажется на развитии железнодорожных грузовых перевозок на дальние расстояния.

Рисунок 1.1 - Грузооборот ключевых видов транспорта в Российской Федерации

По тоннажу погрузки в 2018 году на железнодорожном транспорте первое место занимает каменный уголь - 362 млн т, на втором месте нефть и нефтепродукты - 236 млн т. Также большую часть составляют черные металлы, на них пришлось порядка 73 млн т [2]. По грузообороту товаров конкуренция идет между железнодорожными и трубопроводными видами транспорта, но только по обороту газа и нефти (Таблица 1.1). Таким образом, железные дороги остаются одним из основных видов транспорта на территории России и повышение пропускной и провозной способности является одной из приоритетных задач по улучшению их эффективности.

Во внимании железнодорожных операторов всегда находились проблемы повышения пропускной и провозной способности железных дорог. Различным способом решения этих проблем посвящено значительное количество работ [6, 7, 8, 9]. Однако, интенсивное увеличение числа поездов и, как следствие, приближение к максимальному использованию пропускной способности приводят к значительным сбоям работы на железной дороге, ухудшению основных показателей. В работе [10] показано, что участковая скорость начинает сильно снижаться в диапазоне заполнения пропускной способности выше 0,7. На каждый процент прироста пропускной и провозной способности приходится снижение участковой скорости на 2,5-3 %. В связи с этим, для снижения и стабилизации размеров движения на особо грузонапряженных участках в условиях возрастания объема перевозок целесообразно применять повышение массы поезда.

Таблица 1.1 - Грузооборот по видам транспорта в млрд т-км

Транспорт 2005 г. 2010 г. 2015 г. 2016 г. 2017 г.

Железнодорожный 1858 2011 2306 2344 2493

Автомобильный 194 199 247 248 255

Трубопроводный 2474 2382 2444 2489 2615

Морской 60 100 42 43 46

Внутренний водный 87 54 64 67 67

Воздушный 2,8 4,7 5,6 6,6 7,9

ВСЕГО 4676 4752 5108 5198 5484

Проведенные на железных дорогах СССР мероприятия по увеличению средней массы поезда в 1979-1986 гг. [11, 12], показали положительные результаты снижения размеров движения на 4 % и достижение значительного экономического эффекта. В результате этого была значительно повышена участковая скорость и ускорен оборот вагонов.

Повышение массы поезда требует применения более мощных локомотивов (например, двенадцатиосных локомотивов или 3-4 секции четырехосных локомотивов, соединенных по системе многих единиц). Рост массы поезда и увеличенная мощность локомотивов привели к увеличению величин продольных динамических сил в составе поезда, возникающих при переходных режимах движения (смена режимов работы тяговых единиц - тяга, выбег, торможение), до величин, способных вызвать разрыв автосцепок или сход вагонов с рельсов.

На состояние автосцепных устройств значительное влияние оказывает не только масса поезда, но и качество технического обслуживания и возраст подвижного состава. Возросшие вместе с массой поезда динамические силы, а также их повторяемость значительно уменьшили срок службы автосцепных устройств. Также, кроме перечисленных факторов, на срок службы автосцепки влияют условия обработки вагонов на сортировочных горках. При несоблюдении скорости роспуска и при неисправных поглощающих аппаратах упряжных приборов из-за ударного взаимодействия вагонов возникают трещины в корпусе или изгибы хвостовиков автосцепок.

Ошибки локомотивной бригады, возникающие в процессе управления поездом, приводят к повреждению подвижного состава. Так, наиболее частой причиной обрыва автосцепки в головной части поезда при трогании является некорректный выбор темпа увеличения силы тяги локомотива. Если в составе поезда присутствует группа вагонов с растянутыми поглощающими аппаратами или вагоны с заторможенными осями, то это усугубит ситуацию. Когда такой поезд начинает трогаться, вслед за локомотивами, по мере выбора зазоров в автосцепках, приводятся в движение вагоны состава до тех пор, пока волна растяжения не дойдет до растянутых или заторможенных вагонов. Если к этому моменту времени

скорость локомотива и вагонов, которые уже пришли в движение, будет достаточно велика, то возникнет значительная динамическая сила в автосцепке перед растянутой группой вагонов или заторможенной частью. Динамическая сила, зависящая не только от величины деформации поглощающих аппаратов автосцепки, но и от относительной скорости перемещения центров масса соседних вагонов [13, 14], может превысить допустимое значение [15].

Наложение прямой и обратной волн упругого растяжения и сжатия состава, причиной появления которых является деформация упругих элементов поглощающего аппарата и свободное перемещение корпусов автосцепок в пределах зазоров, также могут быть причиной превышения продольных сил в упряжных приборах экипажей в середине состава.

Возникновение обрывов автосцепок в хвостовой части поезда связано с не вовремя отпущенными тормозами вагонов, волнами растяжения или сжатия, распространяющимися вдоль поезда, группой груженых вагонов, неработающими поглощающими аппаратами.

В нашей стране более 60-ти лет ведутся работы по созданию систем автоматического управления движением поездов, а также систем, предназначенных для автоматизации управления отдельными системами локомотивов и моторвагонного подвижного состава. За это время разработаны и внедрены в эксплуатацию системы автоматического управления электропоездов пригородного сообщения и поездов метрополитена, пассажирских поездов с локомотивной тягой. Также ведутся работы по созданию комплексных систем управления грузовыми локомотивами.

Значительный скачок в создании локомотивной автоматики произошел после появления средств микропроцессорной техники. Системы на ее базе обладают недостижимыми для средств аналоговой и дискретной цифровой электроники показателями эффективности и надежности. Использование современных микропроцессорных систем управления и диагностики позволяет реализовать наиболее эффективные алгоритмы управления, которые, зачастую, требуют выполнения значительных объемов вычислений и хранения информации, и

поэтому были технически нереализуемыми с использованием вычислительной техники предыдущих поколений, и тем более дискретной электроники. Только с появлением микропроцессорных систем стало возможным говорить о создании комплексных систем автоматического управления таким сложным с точки зрения управления объектом, как грузовой поезд.

Применение средств автоматизации позволяет более эффективно использовать тяговые и тормозные средства локомотива, выбирать рациональные режимы ведения поезда, что приводит к повышению пропускной способности железнодорожной линии, а также к снижению себестоимости перевозок за счет снижения расхода топливно-энергетических ресурсов и экономии на бригадо-часах локомотивных бригад, применительно к ведомым тяговым единицам в составе тяжеловесного, длинносоставного поезда.

Таким образом, используя распределенную тягу, можно вводить в обращение поезда существенно больших длины и массы, чем при локомотиве (их сцепе) в голове поезда. Вождение таких поездов должно быть полностью автоматизировано. Система автоматического управления локомотивами при распределенной тяге должна учитывать массу и длину состава, скорость его движения, а также расположение его на переломах профиля пути, для выработки правильной стратегии управления тягой и, как следствие, обеспечения эффективности и безопасности движения поезда.

1.2 Анализ существующих систем автоматического управления скоростью

локомотивов

Для облегчения труда машиниста и повышения безопасности движения, использование систем автоматики является принципиально необходимым, особенно когда длительность процессов, вызывающих необходимость принятия решения, настолько мала, что локомотивная бригада не успевает адекватно реагировать на изменяющуюся ситуацию. Помимо этого, наличие систем автоматического управления на подвижном составе обязательно для процессов,

являющихся наиболее сложными и ответственными с точки зрения ведения поезда и обеспечения безопасности движения.

Необходимость улучшения провозной и пропускной способности железных дорог, а также безопасности движения привело к созданию систем автоматического ведения поездов САВП [16].

Системы автоведения по уровню централизации делятся на централизованные и автономные.

Централизованные САВП получают информацию о параметрах движения всех поездов на той линии, где находится поезд, и вырабатывают команды управления каждому поезду в соответствии с полученной информацией и требуемой программой движения.

Автономные САВП осуществляют управление только одним поездом. При этом взаимодействие поездов определяется системой интервального регулирования. Компенсация возмущений происходит за счет использования системы автоматического управления внутри каждого поезда вне зависимости от расположения остальных поездов на линии и определяется законами управления, наличием ресурса регулирования и ограничениями, накладываемыми системой безопасности поезда.

Также САВП можно классифицировать и по количеству контуров управления - одноконтурные и двухконтурные. Одноконтурные САВП имеют только регулятор времени хода, который в зависимости от рассогласования между программным и фактическим временем хода выбирает позицию контроллера машиниста.

В двухконтурных системах автоведения (Рисунок 1.2) внешним является контур регулятора времени хода, а подчиненным - регулирования скорости движения. Задающим сигналом для контура скорости является величина заданной скорости движения, получаемая от вышестоящей САВП.

Рисунок 1.2 - Функциональная схема двухконтурной САВП

К регуляторам скорости для управления грузовыми тяжеловесными поездами предъявляются дополнительные требования. Действующие в составе поезда силы необходимо ограничить на допустимом уровне в соответствии со схемой формирования поезда и профилем пути; управлять локомотивом с максимальным использованием его тяговых способностей [17, 18].

Проблеме разработки регуляторов скорости движения электроподвижного состава посвящены труды многих выдающихся ученых МИИТа [19-28], ВНИИЖта [17], УрЭМИИТа [29], ПГУПСа [30], ГТСС [31], РВЗ [32] и др. Условно регуляторы скорости, рассмотренные в данных работах, можно классифицировать на регуляторы скорости с релейно-контакторным (ступенчатым) управлением и непрерывным (плавным) управлением тягой.

Так, в работах [19-24, 30] ученых Я. М. Головичера, П. Е. Коваля, А. В. Плакса, М. С. Пясика, А. Н. Савоськина, В. П. Феоктистова и др. рассматривались регуляторы скорости движения для электровозов и электропоездов с релейно-контакторным управлением силой тяги как с использованием линейного, так и нелинейного закона управления. Например, в работе [23] с учетом особенностей релейно-контакторного способа управления приводом был сформулирован дополнительный критерий качества управления -обеспечение минимума числа переключений при фиксированных динамических и статических погрешностях управления. Синтез регулятора скорости проводился путем параметрической оптимизации коэффициентов выбранного нелинейного закона управления [23, 24].

Параллельно с этим, регулятор скорости, разработанный во ВНИИЖТе для пассажирских поездов с электрической тягой и релейно-контакторным управлением тягового привода, использует эвристические алгоритмы [17]. На базе эвристических алгоритмов институтом ГТСС был разработан регулятор скорости электропоезда ЭР200 [31].

В работах [26, 27] проводилось исследование регулятора скорости для электропоездов с непрерывным управлением тягой при допущениях, что модель поезда линеаризована, временная дискретизация не учитывалась, измерительные

тракты также не учитывались. Параметры регулятора находились путем решения задачи параметрического синтеза.

Отдельно следует рассмотреть работу [27], где проводился анализ продольной динамики длинносоставного тяжеловесного грузового поезда путем имитационного моделирования. На основе выполненного анализа был разработан регулятор скорости грузового локомотива с асинхронным тяговым приводом с непрерывным управлением тягой, позволяющий плавно регулировать силу тяги и электрического торможения, обеспечивая ограничения на продольные динамические силы, действующие в поезде.

Рассмотрим более подробно некоторые регуляторы скорости. В России первые регуляторы скорости движения были разработаны для электровозов со ступенчатым регулированием силы тяги. Пассажирские электровозы ЧС2 и ЧС4 имели регулятор скорости [23-25, 33, 34], который выполнял работу внутреннего контура двухконтурной системы автоведения поездов. Функциональная схема такого регулятора скорости представлена на Рисунке 1.3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Киселев Максим Дмитриевич, 2019 год

• // •

1,2

Т1,

1---1 ,1,2 еХР

7

1,2 1 Т1 — Т 2

1,2

V Т1 у

Т

1,2

7

^1,2 _ ^1,2 еХР

1,2

V Т 2 у

/т (7) = (/1т (7) + /1 т (7)) V /1т (7)

если (7 > 7р) V (7 < 7р)

или

1,2

/Г (7) = а

з1,2

Т1

' 7 Л

1,2

Т1 — Т 2

йеХР

1,2

V Т1 у

Т

1,2

' 7 Л

1,2

Т1 — Т 2

йеХР

1,2

V Т 2 у

V,

зи1,2

/

|/П'2(7)й7, где п = 1,2

.(2.11)

При переходе на выбег из режимов тяги или торможения изменение сигнала на выходе ПУ2 определяется по (2.12) следующими законами /2 (7) и /41,2(7), соответственно для тяги и торможения

/з1,2(7 ) = а

**

з

Т

1,2

7

^еХР

или

/4'2(1) = а*

1,2

Т1 — Т 2

Т1,2

1,2

V Т1 у

' 7 Л

+

Т

1,2

' 7 Л

1,2

Т1 — Т 2

12еХР

1,2

Т1 — Т 2

1,2

V Т1 у

+

1,2

Т1

1,2

V Т 2 у

' 7 Л

— 1,15аз1,2

1,2

Т1 — Т 2

12еХР

1,2

V Т 2 у

+ 1,15аз1,2

. (2.12)

V,

зи1,2

/

I /П'2 (7 )й7, где п = 3,4

<

0

<

0

Здесь значение а * ускорение локомотива на момент перехода к выбегу.

ЭМ

Момент начала разгона с заданным ускорением Ц, фактически, является временем, когда все не тяговые единицы поезда (вагоны) приходят в движение, т.е. произошло предварительное растяжение поезда. Вычисление ^ происходит в модуле ПУ устройства ЭМ, где реализована эталонная модель поезда. Алгоритм работы модуля вычисления представлен на Рисунке 2.12.

В начальный момент времени, когда еще все вагоны поезда не пришли в движение, время не определено и равно нулю и переменной Зщпа\р присвоено

значение ноль. По мере разгона поезда в устройстве ЭМ работает счетчик времени tp, но как только все экипажи приходят в движение (вычисление массива скоростей [v] в эталонной модели), это свидетельствует о том, что все зазоры были выбраны и подсчет времени tF прекращается и переменная Signalv=\. Переменная Signalv используется только в момент трогания поезда с места и передается в устройство ПУ2, чтобы согласно (2.11) обеспечить разгон с максимальным ускорением, т.к. время tp еще не посчитано. В дальнейших переходных режимах, таких как набор/сброс скорости, переход из выбега в режим тяги/торможения величина Signa1р не используется и в выражение (2.11) подставляется t^

Результат работы устройства сглаживания представлен на Рисунке 2.13. Заданное значение ускорения а3 принято равным 0,2 м/с. Изменение скорости v3 (Рисунок 2.13, а) соответствует изменению скорости на выходе ПУ2.

На Рисунках 2.13, б и 2.13, в приведены графики скорости v3II и ускорения ам соответственно.

2.4.2 Управляющее устройство

Устройство ПУ3 реализует пропорционально-интегральный закон управления и является управляющим устройством в составе САУ. Управляющее устройство представляет собой регулятор скорости движения поезда, который предназначен для формирования управляющего воздействия для исполнительного устройства ИсУ (в рамках данной работы - автоматизированный тяговый электропривод), направленного на ликвидацию рассогласования Av12 между

величиной, пропорциональной заданному значению скорости движения v ,

формируемой устройством ПУ2, и величиной, пропорциональной фактической скорости (датчика скорости ИУ) Vф1,2.

В качестве закона, по которому функционирует устройство управления, использован пропорционально-интегрирующий закон, описываемый уравнением

а> \

км/ч 30

15 0

б)у , зи

км/ч

О

30 15 О

О

в) а •>

зн

м/с

О -0,1 -0,2

О

50

50

100

100

гя

50

100

150

200

250

300

350

400

450

г, с

00

150

200

250

300

350

400

450

и с

150

200

250

300

350

400

450

Л с

Рисунок 2.13- Результат моделирования работы устройства ПУ2 а - скорость на входе ПУ2; б - скорость на выходе ПУ2; в - ускорение на выходе ПУ2

1 Г

^зад1,2 (Взад1,2 ) = + ТЦ ]

к 1'2 к2 0

где к/'2,к/'2 - параметры закона управления.

Для выполнения пробных расчетов величины к{ и к2 ' были приняты равными 700000 и 13 соответственно. В последующем для выбора рациональных параметров САУ была решена задача параметрического синтеза (Глава 3).

2.4.3 Эталонная модель поезда в составе системы автоматического

управления

Устройство ЭМ системы управления реализует в себе эталонную модель поезда [80-83]. Задачей ЭМ является вычисление массива значений величин продольных сил [Р], действующих в составе поезда, для передачи их в ПУ1, с целью реализации рационального способа управления локомотивами.

На Рисунке 2.14 представлена структурная схема ЭМ. Для того, чтобы массив значений величин расчетных продольных сил [Р] в наибольшей степени соответствовал реально действующим в поезде значениям этих сил, необходимо в процессе вычислений учитывать в наибольшей степени полно возмущения, действующие на экипажи поезда. С этой целью на вход устройства модель объекта управления МОУ подаются значения заданной силы тяги с устройства ИЛИ-тш1 ведущего и ведомого локомотивов, параметры поезда с устройства ЗПП и профиля

Рисунок 2.14 - Структурная схема устройства ЭМ

пути с устройства ЭК (Рисунок 2.10), необходимые для вычисления основного и дополнительного сопротивления движению Жо и Жд соответственно для каждого экипажа поезда. В модуле МОУ осуществляется решение полноразмерной системы дифференциальных уравнений движения поезда (2.1) (в этом случае решается система для каждого экипажа поезда).

2.4.4 Устройство корректировки ускорения и скорости локомотивов

При действии квазистатических сил значительной величины возможен сход вагонов из-за потери устойчивости. Воздействовать на величины этих сил в поездах с распределенной тягой, возможно, корректируя силу тяги (торможения) ведущего или ведомого локомотива, обеспечивая необходимое состояние межвагонных соединений. В зависимости от вычисленного в устройстве ЭМ состояния межвагонных соединений, для снижения вероятности схода вагонов, промежуточное устройство ПУ1 корректирует сигнал задания скорости (в режиме стабилизации скорости) или ускорения (в режимах тяги и электрического торможения) ведущего или ведомого локомотива таким образом, чтобы «растянуть» поезд. Схема алгоритма работы устройства ПУ1 представлена на Рисунке 2.14. Рассмотрим более подробно алгоритм работы данного устройства.

Для этого в блоке 3 устройства (Рисунок 2.15) происходит вычисление величин коэффициентов запаса устойчивости против схода с рельсов [ку] для всех экипажей в составе поезда. Далее, в блоке 4 происходит проверка признака Sw[t-At] достижения значением коэффициента ку какого-либо вагона поезда величины, недопустимой с точки зрения запасов устойчивости. Если на предыдущем такте работы системы управления признак Sw [t-At] был равен 1 (величины коэффициентов ку имели допустимые значения), в блоке 7 происходит проверка принадлежности ранее вычисленных значений величин ку области допустимых значений. В случае, если все вычисленные значения ку являются допустимыми (условие блока 8 выполняется), корректировка управления не производится (блок 9). Иначе, в блоке 10 выполняется проверка расположения вагона, для которого

Начало ^

ку тт 2

[Л

(21 Конец )

Рисунок 2.15 - Алгоритм работы устройства ПУ1

зафиксировано снижение величины ку ниже порогового уровня (блок 10).

Выполнение условия блока 10 свидетельствует о расположении вагона, для которого зафиксирован выход значения ку из области допустимых значений, перед ведомым локомотивом (данное состояние возможно, как для соединённого поезда, так и для поезда с подталкиванием), иначе - после ведомого локомотива (только для соединённого поезда).

В случае, если условие блока 4 не выполняется (т.е. на предыдущем такте работы САУ было зафиксировано снижение величины коэффициента ку ниже допустимого значения), в блоке 5 проводится проверка эффективности выполненного на предыдущих тактах работы САУ в блоках 15-19 корректирующего воздействия. При недостижении необходимого результата корректировки управления (при невыполнении условия блока 5), корректирующее воздействие не изменяется. В противном случае применение корректировки отменяется в блоке 6.

В блоке 12 сравнивается значение узи2 с выхода устройства ПУ2 второго электровоза со значением заданной машинистом или вышестоящей системой автоведения скорости уз. Если условие узи2 < 0.99-уз блока 12 выполняется, это означает, что значение заданной измененной скорости узи2 меньше значения заданной скорости уз и происходит увеличение скорости, т.е. режим тяги. Поэтому

значение ускорения ведущего локомотива а* не корректируется и подается на блок

*

ПУ2 без изменений, а значение а* становится равным

а2 = аз -Аакор ,

где Аакор - величина корректировки заданного ускорения с выхода модуля адаптации А устройства ЭМ.

Такой выбор регулирования обусловлен тем, что при обнаружении ку меньшее, чем пороговое ку пор, САУ уменьшает интенсивность увеличения скорости ведомого локомотива, чем достигается растяжение состава уменьшением значения силы тяги и увеличение коэффициента запаса устойчивости.

На Рисунках 2.16, а и 2.16, в показаны эпюры распределения продольных сил в поезде, соединённого по схеме ЛСЛС и ЛССЛ, в режиме разгона. Как видно из представленных эпюр, опасность схода вагона с рельсов больше в случае формирования поезда по схеме ЛСЛС и ЛССЛ, т.к. в этом случае присутствует сжатая часть поезда перед вторым локомотивом.

Блок 14 определяет работу системы при уменьшении заданной скорости уз. Если условие узи2 > 1.01 V блока 14 выполняется, это означает, что значение заданной измененной скорости узи2 больше значения заданной скорости уз и происходит уменьшение скорости, т.е. режим электрического торможения.

В таком случае значение ускорения ведомого локомотива а* не корректируется и подается на блок ПУ2 без изменений, а значение а* становится равным

аз*1 = аз -Дакор .

На Рисунках 2.16, б и 2.16, г приведены эпюры сил в режиме электрического торможения, показывающие наличие сжатой части в передней части поезда для схемы ЛССЛ и сжатия составов в поезде, сформированном по схеме ЛСЛС. При уменьшении заданной скорости, происходит набегание вагонов на локомотив, вызывая тем самым увеличение сжимающих сил, что способствует сходу вагонов с рельсов.

На Рисунке 2.16, а видно, что во время разгона при а > 0 наличие сжатой части невозможно во второй части поезда, поэтому ^ всегда будет больше нуля, что означает, что во второй части поезда наличие продольных сжимающих усилий исключено. В связи с этим условие узи2 < 0.99-уз блока 11 не будет выполняться.

Блок 13 определяет работу системы при уменьшении скорости в поезде, сформированном только по схеме ЛСЛС. Если условие узи2 > 1.01 -уз блока 13 выполняется, то значение заданного ускорения ведущего и ведомого локомотива станут равными соответственно

а)

а>0

б)

а<0 —►

I

\///////№к I

£

Р

Р Р

1 2 ^

Р

в)

г)

а>0

а<0 —►

\///////х///////\

'//////Л///7777-,

£±

Р

д)

Р

а=0 —►

Р

Р

е)

Р

Р

а=0 —►

I........^т///////.

а.

л

'///////V//////,

£1

Р

Р==0

Р =0

Р

Р=0

Р1 =0

Рисунок 2.16 - Эпюры распределения продольных сил в поезде соединенного по

схемам ЛСЛС (а, б, д) и ЛССЛ (в, г, е): а - набор скорости; б - электрическое торможение; в - набор скорости; г -электрическое торможение; д - стабилизация скорости; е - стабилизация скорости

аз*1 = аз -Аакор :

аз2 = аз-А«кор'

Во время электрического торможения вторая часть состава набегает на ведомый локомотив (Рисунок 2.16, б). Для снижения продольных сжимающих сил целесообразно уменьшить интенсивность замедления локомотивов.

Невыполнение условий узи2 < 0.99 ^ и узи2 > 1.01 -уз блоков 12, 14, соответственно, означает, что увеличение или уменьшение скорости не производится, т.е. движение происходит в режиме стабилизации скорости для схем ЛССЛ и ЛСЛС. В таком случае значение заданного ускорения не корректируется, а корректируется заданная скорость ведомого локомотива. В результате чего она будет равна

* * к Vз2 = V*! ,

где Аукор - величина корректировки скорости с выхода модуля адаптации А.

Невыполнение условий узи2 < 0.99 V и узи2 > 1.01 V блоков 11, 13 означает, также, что движение происходит в режиме стабилизации скорости только для схемы ЛСЛС. Тогда скорректированная заданная скорость ведомого локомотива примет вид

* * . V з2 = + ^ кор

В этих режимах эпюры распределения сил примут вид как на Рисунках 2.16, д и 2.16, е. Так как а будет равным 0, то сжимающие усилия недопустимой величины в этом режиме движения возникнут только при наличии сторонних возмущений, например, при движении в кривой или нахождении поезда на подъеме или спуске, поэтому корректировка заданного ускорения не даст

желаемого результата и требуется корректировать заданную скорость ведомого локомотива.

Величина Аакор корректировки ускорения и Аукор корректировки скорости с целью предотвратить сход вагонов с рельсов, определяется исходя из заданной массы поезда и вычисляется в блоке А устройства ЭМ. Значения величин Аакор и Аукор рассмотрены в Главе 3, посвященной оптимизации параметров, разработанной САУ.

Для исключения «звонковой» работы устройства ПУ1, связанной с особенностями обработки и хранения данных в цифровых системах, целесообразно установить зону нечувствительности. Ширина зоны нечувствительности определена на основании выполнения пробных расчетов и составляет в 1 % при реализации условий в блоках 11, 12, 13 и 14.

Согласно проведенным исследованиям [3, 67], четырехосные груженые вагоны имеют высокую устойчивость против схода с рельсов на скоростях меньших чем 30-40 км/ч. Поэтому в предложенной системе управления устройство ПУ1 осуществляет корректировку скорости/ускорения, только при скоростях движения поезда свыше 30 км/ч.

Оценим работу устройства ПУ1. Для этого проведем расчет движения поезда, сформированного по варианту №4, по профилю вариант №2 (Глава 1). Проводилось моделирование трогания поезда с места и увеличение скорости до 50 км/ч с последующей стабилизацией скорости на всем участке движения. Считалось, что оба локомотива оборудованы предложенной в данной главе системой управления. Исследовались только режим тяги и стабилизации скорости, так как эти два процесса в достаточной мере характеризуют особенности протекания переходных и установившихся процессов в поезде при использовании предложенного алгоритма управления, реализуемого в ПУ1. Рассмотрим только те интервалы времени моделирования движения поезда, где устройство ПУ1 включалось в работу и производило корректировку скорости движения - во время разгона и стабилизации скорости при движении по переломам профиля.

20 130

б) V, км/ч

50 40 30

140

150

160

20

170

180

190

200

210

17 '77 Г~ 1 1 777

- 1 1 1 1 1 Ф1 1 VI --1- 1 1

1____ 1 ■ 1 1 1 Уф2 1 1 1

I, с

в)

130 ^ кН

140

150

160

1000 500 0

-500

170

180

190

200

210

' I 1 1/7 -- Г" 1 1

1 р 1 т2 1 1 1 ---------------- _щиЛ_/кЛ~Л—И—>—

70 1 1 - 1 --1- 1

103 ! 1 1 ■ 1 !

-1000 130

I, с

140

150

160

г)

15 10 5

170

180

190

200

210

~1 к 7 и IV к1° ¡777

у пор --- ^—'— ^— Ч| 1Щ

1 1 1 ......... 1 1 1

130

140

150

160

170

180

190

и с

200

210

Рисунок 2.17 - Зависимости заданных скорректированных (а) и фактических (б) скоростей локомотивов от времени, сил тяги локомотивов и силы в 103-м вагоне от времени (в) и коэффициента запаса устойчивости 103-го вагона от времени (г) в процессе разгона поезда, сформированного по схеме ЛССЛ, массой 8240 т

а) 600 400 200

0 -200 -400 -600

б) 600 400 200

0 -200 -400 -600

КкН

Рисунок 2.18 - Значения сил, действующих в поезде, по вагонам в режиме увеличения скорости: а) - в момент времени I, б) - в момент времени II.

а) '

б)

20 40 60 80 100

Г УI

20 40 60 80 100

,1ШП уП

20 40 60 80 100 20 40 60 80 100

Рисунок 2.19 - Коэффициенты запаса устойчивости по вагонам в режиме увеличения скорости: а) - в момент времени I, б) - в момент времени II.

До момента времени I (Рисунок 2.17, а, 2.17, б), поезд находился в режиме тяги, увеличивая скорость, при этом сила тяги ведущего локомотива ^ составляла 550 кН, сила тяги ведомого локомотива была равной также 550 кН (Рисунок 2.17, в). При достижении локомотивами фактической скорости 30 км/ч в момент времени I, когда ? = 142 с, устройство ПУ1 на основании рассчитываемого в устройстве ЭМ массива сил [Р], действующих в поезде, (Рисунок 2.18, а) произвело вычисление массива коэффициентов устойчивости вагонов [ку] в устройстве ПУ1 (Рисунок 2.19, а) и выявило, что в расположенных вагонах перед ведомым локомотивом (вагоны №100-103) наблюдается снижение значений коэффициентов устойчивости ниже порового минимального значения ку пор = 3,3 (Рисунок 2.17, г). Значение коэффициента устойчивости вагона 103-го вагона к]03

было минимальным из аналогичных значений для других вагонов всего поезда и составило 2,6. Максимальное значение сжимающей силы в поглощающем аппарате 103-го вагона Р103 составило 525 кН.

В соответствии с алгоритмом устройства ПУ1, САУ при выполнении условия блока 12 (Рисунок 2.15) произвела корректировку заданного ускорения ведомого локомотива

аз*2 = аз -Аакор •

Снижение заданного ускорения привело к снижению силы тяги ведомого локомотива Ft2 до 340 кН и, как следствие, интенсивности разгона локомотива, что позволило «отпустить» вперёд ведущий локомотив по отношению к ведомому и тем самым «растянуть» состав. В результате данных действий, к моменту времени II (t = 154 c) значение сжимающей силы 103-го вагона Р103 уменьшилось до 301 кН

(Рисунок 2.17, в и Рисунок 2.18, б), а коэффициент устойчивости к1°3 увеличился

до 3,5 (Рисунок 2.17, г, и Рисунок 2.19, б).

На всем этапе увеличения скорости до перехода в режим стабилизации скорости движения в момент времени III, когда t = 205 c (Рисунок 2.17),

устройство ПУ1 за счет корректирования ускорения а* поддерживало величину коэффициента запаса устойчивости 103-го вагона к ]03 выше, чем пороговое ку пор (Рисунок 2.17, г).

Далее рассмотрим проследование подъема и площадки в режиме стабилизации скорости движения (Рисунок 2.20). На Рисунке 2.20, а и 2.20, б представлены заданные и фактические скорости движения обоих локомотивов. До момента времени I (? = 252 с) поезд находился на участке пути как показано на Рисунке 2.21. В этот момент, ведущий локомотив и первая часть соединенного поезда преодолели подъем и оказались на площадке, а ведомый локомотив продолжал «накатываться» на группу вагонов, находящихся перед ним на подъеме. Так эти вагоны замедляются из-за действующих сил сопротивления движению при движении на подъем, а локомотив продолжает двигаться с постоянной скоростью, то это приводит возникновению сжимающих усилий в упряжных приборах вагонов с 80-го по 103-й (Рисунок 2.20, в и Рисунок 2.20, а). В момент времени Iустройство ПУ1 обнаруживает, что в вагоне №103 значение коэффициента запаса устойчивости к103 уменьшилось до 3,25, что меньше порогового значения ку пор = 3.3. Максимальная сжимающая сила зафиксирована в 103-м вагоне Р103 и равна 350 кН.

Согласно условию блока 14 устройства ПУ1 (Рисунок 2.15), ведомый

локомотив находился в режиме стабилизации скорости движения, поэтому была

*

произведена корректировка заданной скорости V з2

V * = V * — Дv

з2 *з1 ^'кор-

Снижение скорости ведомого локомотива привело к снижению силы тяги и позволило растянуть поезд (Рисунок 2.20). И к моменту времени II минимальный коэффициент устойчивости к]03 вырос до 3,5 (Рисунок 2.20, г и Рисунок 2.23, б).

а)

51

50

49

V, км/ч

1 \п 1 | III 1 1

1 —— 1 1 ■

1 1

б)

250 ^ у, км/ч

260

50

в)

250 260

Л кН

г)

15 10 5

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

270

280

290

300

310

320

330

340

г, С

350

1 1 "ф! \Ш Ч ! 1 III 1 1 1 --

1 1 1 -1—---— 1 1 1 1

г, с

350

350

| / | 1 п 1 к 1 J 70 лУ^ у гЛГ" Чп \ кт

1 1 1 1 1 у х

! | 1 —*—— У1ПОР — 1 1

и с

350

Рисунок 2.20 - Зависимости заданных скорректированных (а) и фактических (б) скоростей локомотивов от времени, сил тяти локомотивов и силы в 103-м вагоне от времени (в) и коэффициента запаса устойчивости 103-го вагона от времени (г) в режиме стабилизации скорости поезда, сформированного по схеме ЛССЛ, массой 8240 т

скорости до начала корректировки скорости I и после окончания корректировки

скорости III

Рисунок 2.22 - Значения сил, действующих в поезде, по вагонам в режиме стабилизации скорости: а) - в момент времени I, б) - в момент времени II.

0

20 40 60 80 100

б) ,min V

15

20 40 60 80 100

,min УП

20 40 60 80 100 20 40 60 80 100

Рисунок 2.23 - Коэффициенты запаса устойчивости по вагонам в режиме стабилизации скорости: а) - в момент времени I, б) - в момент времени II.

Корректировка скорости продолжалась до момента времени III (t = 330 c) пока ведомый локомотив и вагоны перед ним не преодолели подъем. При этом благодаря работе устройства ПУ1 коэффициенты запаса устойчивости не опускались ниже порогового значения на всем этапе движения. Снижение сил сопротивления движению привело к уменьшению сжимающих усилий в поезде и повышению устойчивости и восстановлению значений заданных скоростей обоих локомотивов до исходных.

Выводы по второй главе