Автоматическое управление скоростью грузового поезда с электровозом, допускающим плавное управление силами тяги и торможения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, доктор технических наук Пудовиков, Олег Евгеньевич

• Пудовиков, Олег Евгеньевич
• доктор технических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор технических наук Пудовиков, Олег Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ выполненных работ и постановка задачи исследования

§ 1.1. Эксплуатационные показатели подвижного состава и безопасность движения. Особенности автоматизации управления движением грузового поезда.

§ 1.2. Анализ существующих систем автоматического управления скоростью движения.

§ 1.3. Постановка задачи и цели исследования.

Глава 2. Разработка комплексной математической модели системы автоматического управления скоростью движения грузового поезда

§ 2.1. Поезд как объект автоматического управления.

§ 2.2. Методика учёта влияния параметров подвижного состава и профиля пути на движение поезда.

§ 2.3. Моделирование измерительных трактов системы автоматического управления.

§ 2.4. Математическая модель тягового электропривода

§ 2.5. Функциональная схема системы автоматического управления скоростью.

§ 2.8. Выводы по второй главе.

Глава 3. Параметрический синтез системы автоматического управления скоростью движения и исследование её работы.117"

§ 3.1. Постановка задачи.

§ 3.2. Выбор критериев оценки качества управления скоростью движения грузового поезда.

§ 3.3. Обоснование выбора исследуемых режимов движения поезда.

§ 3.4. Параметрический синтез системы автоматического управления скоростью движения.

§ 3.5. Исследование работы САУ скоростью движения при управлении однородным поездом массой 6049 тонн . . . 142 3.5.1. Методика обработки результатов вычислений

3.5.2. Разгон с последующей стабилизацией скорости

3.5.3. Стабилизация скорости в режиме тяги, переход в выбег с последующим включением тяги для разгона и стабилизации.

3.5.4. Стабилизация скорости в режиме тяги, переход на выбег с последующим включением тяги для стабилизации скорости, разгон и повторная стабилизация

3.5.5. Стабилизация скорости в режиме электрического торможения, переход на выбег с последующим включением торможения для замедления и стабилизации

§ 3.6. Исследование работы САУ скоростью движения при управлении однородным поездом массой 4250 тонн

3.6.1. Режим трогания с места.

3.6.2. Повторное включение тяги для стабилизации скорости после выбега.

§ 3.7. Выводы по третьей главе.".

Глава 4. Методика моделирования разброса параметров поезда и исследования влияния разброса параметров на величину продольных сил, действующих в поезде.

§ 4.1. Выбор исследуемых параметров и законов распределения, описывающего их разброс.

4.1.1. Постановка задачи

4.1.2. Моделирование разброса параметров поглощающих аппаратов и автосцепок.

4.1.3. Моделирование разброса масс экипажей поезда

§ 4.2. Выбор методики исследования влияния разброса параметров поезда на работу САУ скоростью.

4.2.1. Методика обработки результатов моделирования

§ 4.3. Выводы по четвёртой главе.

Глава 5. Результаты исследования влияния разброса параметров поезда на величину продольных динамических сил, действующих в поезде

§ 5.1. Анализ результатов, полученных при исследовании режима трогания поезда с места

§ 5.2. Анализ результатов, полученных при исследовании режима повторного включения тяги после выбега для стабилизации скорости.

§ 5.3. Сопоставление результатов, полученных в результате моделирования движения неоднородных поездов с результатами, полученными для однородных поездов.

§ 5.4. Выводы по пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматическое управление скоростью грузового поезда с электровозом, допускающим плавное управление силами тяги и торможения»

Железнодорожный транспорт является основой транснортиой системы многих стран. В России на долю железных дорог приходится свыше половины общего грузооборота, а также треть пассажирских перевозок, причём в последние годы, до появления спада объёма перевозок, связанного с состоянием мировой экономики, наблюдался неуклонный рост грузо- и пассажиропере-возок. Так, в 2004 году прирост составил 8,6%, а в 2005 - 3,4%.

В связи с этим, многие железнодорожные линии к настоящему времени практически исчерпали резервы провозной и пропускной способности, вследствие чего возникают существенные сбои в работе железных дорог, ухудшаются их основные показатели.

В этих условиях одним из реальных способов снижения или, по крайней мере, стабилизации размеров движения на особо грузонапряжённых линиях, является повышение массы поезда. Данная концепция нашла своё подтверждение в программе, реализуемой ОАО «РЖД» и предусматривающей введение унифицированной нормы массы поезда, составляющей 6000 тонн.

Для вождения поездов повышенной массы и длины используются созданные в 80-х годах XX века мощные двенадцатиосные локомотивы В Л15 и В Л 85, а также соединённые по системе многих единиц 3 или 4 секции четырёхосных локомотивов серий ВЛ11, ВЛ80С, 2ЭС5К, 2ЭС6. Сочетание этих факторов (увеличение масс поездов и применение более мощных локомотивов) привело к увеличению продольных динамических сил, возникающих при переходных процессах, до величин, вызывающих обрыв автосцепок или выжимание вагонов из рельсовой колеи. Помимо массы поезда, на состояние автосцепных устройств оказывают влияние качество технического обслуживания и возраст подвижного состава. Так, несмотря на спад объёма перевозок в 90-х годах прошлого века, средний срок службы автосцепок продолжал сокращаться, что было вызвано старением подвижного состава. Кроме того, в последнее время наблюдается некоторое снижение уровня подготовки локомотивных бригад, что проявляется в допущении ими ошибок в технологическом процессе ведения поездов. Результатом допущенных ошибок, связанных с выбором режима управления тяговыми и тормозными средствами локомотива и состава, является возникновение в поезде продольных сил недопустимой величины.

Известно, что одним из способов, способствующих повышению эффективности и безопасности железнодорожных перевозок, является автоматизация ряда технологических процессов управления подвижным составом железных дорог. В нашей стране более 50-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 пригородных поездов и поездов метрополитена, пассажирских поездов с локомотивной тягой. Также ведутся работы по созданию комплексных систем управления грузовыми локомотивами.

Значительный скачок в создании систем локомотивной автоматики произошёл после появления высокопроизводительных микропроцессорных систем. Такие комплекты обладают недостижимыми для средств аналоговой и цифровой электроники показателями эффективности и надёжное™. Использование современных микропроцессорных систем управления и диагностики позволяет реализовать наиболее эффективные алгоритмы управления которые, зачастую, требуют выполнения значительных объёмов вычислений и хранения информации, и поэтому были технически нереализуемыми с использованием вычислительной техники предыдущих поколений, и тем более дискретной электроники.

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 счёт снижения расхода топливно-энергетических ресурсов.

Только с появлением микропроцессорных систем стало возможным говорить о создании комплексных систем автоматического управления таким сложными с точки зрения управления объектом, как грузовой поезд. При их разработке можно учесть особенности протекания переходных процессов в грузовом поезде, а следовательно, и снизить возможность возникновения недопустимых по величине продольных сил и повысить безопасность движения .поездов.

Целью данной работы является разработка методов синтеза САУ скоростью грузовых поездов при использовании электровозов, допускающих плавное управление силами тяги и торможения, с учётом особенностей протекания динамических процессов, возникающих при переходных режимах движения.

Методика исследований. В работе использовались методы теории автоматического управления, теории электрической тяги, теории случайных процессов, методы имитационного моделирования.

Объект исследований. Объектом исследований является система автоматического управления скоростью движения грузового поезда.

Предмет исследований - проблема снижения продольных динамических сил, действующих в поездах и повышение безопасности движения за счёт предупреждения разрывов грузовых поездов.

Научная новизна:

1. Показано, что использование адаптивной системы управления скоростью грузового поезда позволяет реализовать систему регулирования, учитывающую особенности объекта управления. Выбор закона управления скоростью, оператора задания скорости, параметры которых изменяются в зависимости от характеристик поезда, позволяет удовлетворить требованиям, предъявляемым к САУ.

2. Сформулирована система критериев, позволяющих оценивать качество процесса управления скоростью движения поезда. В дополнение к традиционным критериям качества управления, предложено использовать критерии, учитывающие особенности протекания переходных процессов в объекте управления - грузовом поезде. К этим дополнительным критериям относятся значение наибольшей продольной динамической силы, действующей в составе поезда, а также сумма накопленных усталостных повреждений в деталях автосцепок локомотива и вагонов.

3. Показано, что для преобразования заданной верхним уровнем величины заданной скорости во входной сигнал САУ скоростью целесообразно использовать оператор, описываемый линейным дифференциальным уравнением второго порядка. Предложен алгоритм определения параметров оператора.

4. Показано, что распределение величин зазоров в автосцепках вагонов поезда и жёсткостей поглощающих аппаратов автосцепок удовлетворительно описывается при помощи трёхпараметрического закона Вейбулла. При описании распределения масс вагонов поезда следует использовать суперпозицию распределений отдельно порожних и гружёных (включая частично гружёные) вагонов, взятых в определённом соотношении. Также показано, что распределения масс гружёных и порожних вагонов по отдельности, удовлетворительно описываются с помощью трёхпараметрического закона Вейбулла. Разработаны методики выбора параметров трёхпараметрического закона Вейбулла, а также бимодальных законов, сглаживающих гистограмму распределения.

5. Показано, что распределение величин наибольших продольных динамических сил, действующих в поезде, удовлетворительно сглаживается унимодальным или бимодальным законом распределения в зависимости от варианта формирования поезда. В качестве таких законов использованы соответственно трёхпараметрический закон Вейбулла или суперпозиция двух таких законов распределений.

Практическая ценность.

1. Предложен алгоритм работы САУ скоростью грузового поезда при использовании электровозов с непрерывным управлением силами тяги и торможения, применение которого обеспечивает снижение уровня величин продольных динамических сил, а также снижает колебательность переходного процесса в поезде, уменьшая количество накопленных усталостных повреждений в упряжных приборах вагонов и локомотива. Эти факторы приводят к повышению безопасности движения поездов благодаря уменьшению вероятности возникновения разрыва автосцепок в результате возникновения их внезапного или постепенного отказа.

2. Разработана методика исследования продольных динамических сил в однородных (состоящих из вагонов одинаковой массы) и неоднородных (состоящих из вагонов различной массы) грузовых поездах при автоматическом управлении скоростью и движении по сочетанию различных элементов профиля пути.

3. Разработана методика параметрического синтеза САУ скоростью и решена задача синтеза применительно к двухсекционному локомотиву (типа 2ЭС5К).

4. Предложены модели, учитывающие разброс характеристик автосцепных приборов подвижного состава (значений зазоров в автосцепках и жёсткостей поглощающих аппаратов), а также масс вагонов и позволяющие исследовать продольные колебания, возникающие в поезде.

Апробация работы. Л

Основные положения работы доложены и обсуждены на:

- международной научно-практической конференции «Транссибирская магистраль на рубеже ХХ-ХХ1 веков: Пути повышения эффективности перевозочного потенциала», г. Москва, 2003 г.;

- шестой, десятой и одиннадцатой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», г. Москва, 2006, 2009, 2010 г.;

- совместном заседании научно-технического совета ЗАО «Отраслевой центр внедрения новой техники и технологий» и «АВП-Технология», г. Москва, 2008 г.;

- шестьдесят шестой и шестьдесят девятой международной научно-практической конференции «Проблемы развития железнодорожного транспорта», г. Днепропетровск, 2006 и 2009 г.;

- пятом международном симпозиуме «Элтранс 2009», г. С.-Петербург, 2009 г.;

- всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», г. Хабаровск, 2010 г.;

- всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии на железнодорожном транспорте и задачи учебных заведений по подготовке специалистов для предприятий железных дорог», г. Красноярск, 2010 г.;

- Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2010», г. Ростов-На-Дону, 2010 г.;

- Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы, решения, инновации транспорта Российской Федерации», г. Иркутск, 2010 г.;

- Ш-й всероссийской научно-практической конференции «Наука и образование транспорту», г. Самара, 2010 г.;

- Н-й международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологий», г. Липецк, 2010 г.;

- научно-технических семинарах и заседаниях кафедры «Электрическая тяга» МИИТа в 2005, 2008 г.;

- совместных заседаниях кафедры «Управление и информатика в технических системах» и «Электрическая тяга» МИИТа в 2009 и 2010 г.

По результатам выполненных исследований опубликовано 36 печатных трудов, из них 13 в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов исследований; в том числе получены два патента РФ на изобретения. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, четырёх приложений и библиографического списка, содержащего 162 наименования. Работа содержит 291 страницу, в том числе 112 рисунков и 27 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Пудовиков, Олег Евгеньевич

§2.6. Выводы по второй главе.

1. При решении задачи синтеза САУ скоростью движения грузового поезда необходимо использовать многомассовые модели поезда, позволяющие учитывать особенности протекания динамических процессов в поезде за время переходного режима.

2. Исследование работы САУ скоростью необходимо осуществлять на участке с переменным профилем, так как наличие переломов профиля оказывает существенное влияние на величину продольных сил, действующих в поезде. При разработке структуры САУ скоростью движения необходимо учитывать особенность принятой в настоящее время реализации тракта измерения скорости движения, связанную со значительной погрешностью при инфранизких скоростях движения.

3. Из-за значительного различия в постоянных времени контуров регулирования скорости и силы тяги в качестве модели тягового электропривода грузового электровоза можно рассматривать апериодическое звено первого порядка.

4. С целью удовлетворения требований, предъявляемых к САУ скоростью, предложено выполнять преобразование задающего воздействия, которое осуществляется с помощью оператора, реализованного на базе линейных дифференциальных уравнений второго порядка. Также необходимо обеспечить изменение структуры САУ, на первом этапе обеспечив предварительное растяжение (сжатие) поезда с пониженным ускорением, а на втором - дальнейший разгон (торможение) с полным ускорением.

5. Параметры САУ скоростью следует определять по результатам решения задачи параметрического синтеза.

6. В качестве регулятора скорости можно использовать ПИ-регулятор.

7. Величину пускового ускорения следует определять на основании тяговых характеристик локомотива и массы поезда по формулам, представленным в работе.

Глава 3. Параметрический синтез системы автоматического управления скоростью движения и исследование её работы

§3.1. Постановка задачи.

При переходе из одного состояния в другое под действием управляющих или возмущающих воздействий в системах автоматического управления возникают переходные процессы, протекание которых зависит от динамических свойств системы. САУ должна удовлетворять ряду требований. В первую очередь, она обязаны быть устойчивой. Помимо этого, необходимо обеспечивать качество процессов управления.

В разработанной САУ скоростью движения (глава 2, рисунок 2.18) необходимое качество управления достигается путём использования значений параметров САУ скоростью движения, обеспечивающих оптимальное или квазиоптимальное протекание переходных процессов. Таким образом, задачей параметрического синтеза системы является выбор параметров элементов САУ, обеспечивающих наилучшее качество управления с точки зрения выбранных критериев оптимальности.

Характерной особенностью САУ скоростью движения грузового поезда, которую следует учитывать при решении поставленной задачи, является значительный диапазон возможных масс поезда, что оказывает существенное влияние на качество управления скоростью.

Для компенсации изменения свойств ОУ и обеспечения требуемого качества управления вне зависимости от массы поезда необходимо выполнять соответствующую корректировку параметров, т. е. осуществлять адаптацию САУ. В разработанной системе для этой цели использован блок адаптации А, предназначенный для вычисления параметров САУ скоростью, обеспечивающих рациональное с точки зрения качества управления^ протекание переходных процессов в поезде.

§3.2. Выбор критериев оценки качества управления скоростью движения грузового поезда.

Качество процесса управления скоростью поезда характеризуется как традиционными показателями (ошибка управления в установившемся режиме, перерегулирование, длительность переходного процесса, крутизна переднего фронта, колебательность и т. д.) [128], так и специфическими, определяемыми особенностями грузового поезда, как объекта управления (ОУ) [16]. К этим специфическим показателям относятся:

- максимальные величины продольных динамических сил, действующих в поезде, в различных режимах движения;

- величина накопленных усталостных повреждений упряжных приборов экипажей поезда.

При синтезе САУ скоростью движения поезда необходимо выбрать такие структуру и параметры системы, чтобы исключить перерегулирование, как создающее угрозу безопасности движения при наличии ограничений скорости движения, а величины остальных показателей качества - минимизировать, или довести до допустимого уровня.

Рассмотрим некоторые аспекты применения показателя, ограничивающего величины продольных динамических сил в грузовом поезде. Изменение величин внешних сил, действующих на экипажи поезда при движении, вызывает в нём продольные колебания, при которых экипажи совершают продольные движения относительно друг друга и одновременно передвигаются за локомотивом; кроме того, вдоль поезда распространяются волны растяжения/сжатия. Характер протекания таких колебаний зависит от свойств системы (параметров упряжных приборов, а также типов и масс вагонов и их грузов), начальных условий (поезд сжат или растянут), а также от величин и темпа изменения внешних сил, действующих на отдельные экипажи.

При установившемся режиме движения поезда и отсутствии продольных колебаний силы, действующие в межвагонных соединениях, равномерно убывают по направлению от локомотива к последнему вагону, и не превышают силы тяги, развиваемой локомотивом на автосцепке между ним и первым вагоном. Однако, при возникновении колебаний, появляются дополнительные продольные динамические силы. Величина результирующей силы в автосцепке в этом случае может существенно превышать силу тяги. Допустимые значения продольных сил, действующих на вагоны поезда, определяются «Нормами расчёта и проектирования вагонов железных дорог» [95]. В указанных «Нормах .» рассмотрены три расчётных режима. Первый расчётный режим учитывает относительно редкое сочетание экстремальных нагрузок. В эксплуатации для грузовых вагонов ему соответствуют осаживание и тро-гание с места тяжеловесного состава, соударения при выполнении маневровых операций, а также экстренное торможение при малых скоростях движения. Максимально допустимые силы в этих режимах при квазистатическом и ударном видах нагружения составляют: на растяжение 2,5/2,5 МН; на сжатие 3,0/3,5 МН (в числителе - при квазистатическом, в знаменателе - при ударном). Данные значения приняты для того, чтобы не появлялись остаточные деформации (повреждения) в узлах или деталях вагонов, а также не возникали внезапные отказы, связанные с их возможным разрушением. Очевидно, что в САУ скоростью должен быть реализован такой алгоритм управления тяговыми и тормозными средствами локомотива, чтобы исключить возникновение продольных сил, величины которых в указанных режимах превышали бы данные значения.

Необходимо отметить, что разрушение автосцепок происходит и при гораздо меньших действующих силах, составляющих 0,7 - 0,8 МН, что вызвано накоплением усталостных повреждений и эффектом охрупчивания металла в процессе эксплуатации. На склонность металлов к охрупчиванию влияет целый ряд факторов, среди которых величина действующих напряжений; отрицательная температура окружающей среды; скорость нарастания силы и т. п. [65].

Второй режим устанавливает для отдельных типов вагонов характерное сочетание нагрузок, возникающих при погрузочно-разгрузочных работах, в процессе ремонта и т. п., и далее не рассматривается.

Третий расчётный режим учитывает действие переменных по величине, «умеренных», однако частых нагрузок. При этом рассматриваются нагрузки, действующие в нормальных условиях эксплуатации - движение с допустимой скоростью по переломам профиля, прямым и кривым участкам пути, стрелочным переводам и т. п. В данном режиме максимально допустимые продольные силы на растяжение и сжатие при любых видах нагружения не должны превышать 1 МН.

Таким образом, необходимо выполнять ограничения на максимальные величины продольных динамических сил, действующих в поезде при трога-нии и торможении, а также при других режимах движения.

Процесс накопления усталостных повреждений приводит к возникновению постепенных отказов. Усталостные повреждения в конструкционных материалах накапливаются в том случае, если между величиной амплитуды напряжений сга и пределом выносливости материала, из которого изготовлена деталь сг1 выполняется следующее соотношение [88]: тв^0,5-<т1. (3.2)

Для различных марок сталей, в разное время применявшихся для изготовления, в частности, корпусов автосцепок, являющихся наиболее повреждаемой деталью грузового вагона, значение сг1 варьируется в диапазоне 137 - 148 МПа [65], т. е. при сга =68,5 - 74 МПа начинается процесс накопления усталостных повреждений. В то же время испытаниями установлено [65], что при действии растягивающей силы 1 МН экспериментально определённые значения напряжений сгэ в наиболее нагруженной части корпуса автосцепки составляют до 220 МПа. Наличие эксцентриситета приложения силы, возникающего из-за несоосности автосцепок, может как уменьшать, так и увеличивать действующие напряжения. При этом наибольшее влияние на величины действующих напряжений оказывает эксцентриситет в вертикальной плоскости £у. Напряжения в корпусе автосцепки при его наличии вычисляются в соответствии с формулой, приведённой в [65]: у + 0,05 где .Р - величина приложенной силы, МН; у - эксцентриситет, м; сгэ - измеренное напряжение в Н/м2 при величине внешней силы 1МН.

В том случае, если величииа эксцентриситета £у максимальна и равна 0,069 см [65], напряжение в наиболее нагруженной части корпуса автосцепки достигает 523 МПа. Величина приложенной к автосцепке силы, вызывающей напряжения, при которых начинается накопление усталостных повреждений, в этом случае составляет =70,5 кН.

Дополнительному увеличению напряжений в деталях автосцепного устройства способствует уменьшение сечения деталей, передающих нагрузку, из-за наличия производственных дефектов и ранее возникших трещин. Также на накопление усталостных повреждений существенное влияние оказывают параметры процесса нагружения деталей - среднее значение цикла, частота, амплитуда и его асимметрия, определяемые по известным соотношениям. Для приближённого учёта данных факторов введём коэффициент запаса усталостной прочности к3. С учётом этого, при дальнейшем анализе будем учитывать величины продольных сил, амплитуда которых превышает

Для учёта процесса накопления усталостных повреждений в соответствии с линейной гипотезой [88] предполагают, что усталостное разрушение наступает при выполнении условия: где щ - доля накопленного усталостного повреждения при действии щ циклов амплитуды напряжения сга{] А^ - количество циклов до разрушения детали при амплитуде динамических напряжений сга{, определяемое по кривой усталости:

Здесь АГ0 - базовое число циклов; т - показатель уравнения кривой усталости.

В качестве примера применения методики рассмотрим результаты моделирования движения по перегону поезда, состоящего из 69 гружёных вагонов массой 85 тонн, ведомого восьмиосным электровозом массой 184 тонны,

Ар > ^ ~ 35 кН.

3.4)

3.5) с двумя вариантами САУ скоростью. Первый вариант соответствует серийной САУ электровоза ВЛ85. Второй вариант моделирует предлагаемую САУ скоростью.

При моделировании рассматривались следующие режимы ведения поезда: трогание с места предварительно сжатого поезда с дальнейшим его разгоном, стабилизация скорости при движении по переломам профиля, а также последующий повторный разгон. Результаты расчёта приведены на рисунке 3.1 для первого варианта САУ, и на рисунке 3.2 - для второго.

В начальный момент времени ¿=0 скорость движения поезда V, а также исследуемые величины силы тяги и силы в середине поезда -Рз5 равны нулю. После плавного увеличения силы тяги электровоза -Рк от нуля до максимального значения (рисунки 3.1, б, в; 3.2, б, в), начинается разгон поезда.

Разгон осуществляется до тех пор, пока величина скорости движения не достигнет 40 км/ч. После этого сила тяги плавно уменьшается до уровня, необходимого для стабилизации скорости. Прохождение поезда по элементам профиля с большим или меньшим уклоном сопровождается соответствующим изменением силы тяги (рисунки 3.1, б\ 3.2, б). В момент времени £=550 с с происходит увеличение величины заданной скорости с 40 до 60 км/ч, что вызывает соответствующее увеличение силы тяги электровоза и последующий разгон поезда (рисунки 3.1, б\ 3.2, б).

Рассмотрим "более подробно процесс изменения сил, действующей в автосцепке между локомотивом и первым вагоном .Рк, а также между вагонами, расположенными в середине поезда ^35. На их графиках (рисунки 3.10 б\ 3.2, б) можно выделить несколько областей, отличающихся между собой характером изменения продольной динамической силы.

• область I, а соответствует троганию поезда с места; изменение силы Рз5 носит колебательный характер, что вызвано поочерёдным приведением в движение вагонов сжатого поезда, расположенных за ним по направлению к хвостовой части;

• область I, б соответствует разгону поезда до скорости 40 км/ч до выхода на режим стабилизации скорости. При этом сила тяги Рк остаётся постоянной, а продольная сила в первом варианте САУ совершает почти периодические колебания, вызванные распространением вдоль поезда прямой и обратной волн растяжения (рисунок 3.1, в). Во втором варианте эти колебания затухают намного быстрее (рисунок 3.2, в)

• область II, соответствует движению поезда в режиме стабилизации скорости. При этом сила тяги FK и продольная динамическая сила совершают плавные колебания, вызванные изменением сопротивления движения, определяемого длиной и уклонами элементов профиля. На эти плавные изменения накладываются высокочастотные колебательные процессы, соответствующие моментам изменения сопротивления движению; эти процессы для двух вариантов САУ протекают одинаково;

• область III соответствует повторному разгону с 40 до 60 км/ч, при этом сила тяги постоянна, а продольная динамическая сила совершает сначала высокочастотные колебания, а затем колебания с бо-, лее низкой частотой (рисунки 3.1, г; 3.2, г).

Наибольшая величина силы F35 при трогании и разгоне для первого варианта (область I, а, рисунок 3.1, в) равна 870 кН, среднее значение этой силы составляет 430 кН, наибольшая амплитуда достигает 440 кН, а частота изменения динамической составляющей равна ~5 Гц. Таким образом, величина наибольшей достигаемой силы при этом в 1,75 раза больше, чем сила тяги на автосцепке между локомотивом и первым вагоном (рисунок 3.1, в).

Хотя эта сила и не больше максимально допустимой при трогании поезда по условию прочности автосцепки, однако она значительно превышает амплитуду Ар=35 кН, что ведёт к накоплению усталостных повреждений, и накопленное за время, трогания усталостное повреждение окажется существенным.

Для второго варианта наибольшая величина силы F35 составила «300 кН, а среднее значение силы - 130 кН, наибольшая амплитуда - 180 кН. Частота колебаний силы примерно равна частоте, полученной в результате расчётов с первым вариантом САУ.

При разгоне поезда (область I, б) сила тяги FK остаётся постоянной (рисунки 3.1, б, в; 3.2, б, в). На графике -F35 для первого варианта САУ присутствуют затухающие колебания с частотой порядка 0,2 Гц, вызванные распространением вдоль поезда прямой и обратной волн растяжения (рисунок 3.1, б", в, интервал времени ¿=13 - 160 с ). Среднее значение силы ^35 составляет ~220 кН, а наибольшая амплитуда - 100 кН, что, в совокупности со сравнительно высокой частотой колебаний, также способствует накоплению усталостных повреждений. Окончание разгона сопровождается уменьшением силы тяги и, следовательно, уменьшением силы ^35. При втором варианте САУ колебания в области I, б практически отсутствуют, в результате чего накопления усталостных повреждений не происходит.

Частота колебаний сил и ^35, вызванных изменением сопротивления движению (область II), определяется скоростью движения поезда, длиной элементов профиля, и составляет порядка 0,01 - 0,1 Гц, при этом величины силы тяги, а также сил, действующих в поезде, определяются величинами сопротивления движению при заданной скорости. Для обоих вариантов САУ среднее значение продольной динамической силы составило 75 кН, наибольшая амплитуда - 150 кН. Однако, из-за весьма низкой частоты изменения силы, вызванной изменением сопротивления движению, данный режим практически не оказывает влияния на процесс накопления усталостных повреждений, и в дальнейшем может не рассматриваться.

Вместе с тем, при следовании поезда по элементам профиля различного знака происходит набегание группы вагонов, расположенных в хвостовой части поезда, на головную часть, что проявляется в виде последовательных переходов поезда из растянутого в сжатое состояние (сила ^35 соответственно положительна или отрицательна, интервалы времени ¿=310 - 350, 430 -470 с). Как видно из рисунков 3.1, б"; 3.2, б", наличие зазоров в межвагонных связях при переходе поезда из одного состояния в другое вызвало колебания высокой частоты (с частотой того же порядка, что и при трогании с места). В рассматриваемых интервалах времени наибольшая амплитуда продольной динамической силы ^35 составляет ~75 кН что, в сочетании с высокой частотой колебаний этой силы оказывает влияние на процесс накопления усталостных повреждений.

При последующем разгоне до большей скорости (область III, а на рисунках 3.1, б, г; 3.2, б", г) из-за того, что перед началом разгона часть поезда находилась в сжатом состоянии (сила ^35 отрицательна), увеличение силы ми двигателями последовательного возбуждения мгновенная смена режимов движения невозможна также и по техническим причинам, так как для этого необходимо выполнить целый ряд подготовительных действий: разобрать схему тягового режима, тяговые электродвигатели перевести из режима последовательного возбуждения в режим независимого возбуждения и собрать цепь тормозного режима, запитать обмотки возбуждения двигателей от дополнительного источника и дождаться появления тормозного эффекта.

Единственным случаем, в котором возможно переключение из тяги в торможение, минуя выбег - применение экстренного пневматического торможения. Однако, этот случай не входит в круг задач, решаемых регулятором скорости.

В теории оптимального управления движением поездов принята терминология, отличная от используемой в теории тяги поездов. Для электроподвижного состава, оборудованного системой рекуперативного торможения, согласно [89], реализуется семь режимов движения поездов: тяга ТГ (режим движения с максимальной силой тяги), стабилизация в тяге С (режим движения с постоянной скоростью в тяге), выбег ВБ, торможение ТМ (режим торможения с максимальной интенсивностью), стабилизация скорости электрическим и механическим тормозом СТ, рекуперация с максимальной интенсивностью РК и режим стабилизации скорости при помощи рекуперации СР. В дальнейшем термины «тяга» и «торможение» будут употребляться в смысле, присущем теории тяги поездов, а вместо терминов теории оптимального управления «тяга» (ТГ) и «торможение» (ТМ) будут использоваться соответственно «разгон» и «замедление». Из литературы [89] известно, что на оптимальной траектории допускаются только те переключения, которые определяются графом, приведённым на рисунке 3.3.

С учётом этого, моделирование движения поезда в рамках настоящей работы производилось в следующих режимах:

- разгон ТГ с последующей стабилизацией скорости С;

- стабилизация скорости С в режиме тяги, переход в выбег ВБ с последующим включением тяги для разгона ТГ и стабилизации

С;

- стабилизация скорости СР в режиме электрического торможения,

Рисунок 3.3 — Граф возможных переключений режимов, допускаемых на оптимальной траектории: ТГ — разгон с максимальной интенсивностью; С — стабилизация скорости; ВБ — выбег; ТМ — замедление с максимальной интенсивностью; СТ — стабилизация скорости при совместном использовании электрического и механического тормоза; РК — рекуперация с максимальной интенсивностью; СР — стабилизация скорости с использованием рекуперативного тормоза переход в выбег ВБ с последующим включением торможения для замедления РК и стабилизации СР;

- стабилизация скорости С в режиме тяги, переход в режим выбега ВБ с последующим включением тяги для стабилизации скорости С, далее разгон ТГ и стабилизация С.

§3.4. Параметрический синтез системы автоматического управления скоростью движения.

Система автоматического управления скоростью движения поезда должна удовлетворять ряду требований. В первую очередь, она обязана быть устойчивой. Помимо этого, необходимо обеспечивать качество процессов управления, которое оценивают по ряду критериев, как традиционных, так и специфических для рассматриваемого объекта управления - грузового поезда:

- величину наибольшей продольной динамической силы, действующей в поезде в различных режимах движения;

- сумму накопленных за время переходного процесса усталостных повреждений автосцепок.

Как показал проведённый анализ, наиболее чувствительными к изменению параметров регулятора являются время регулирования, значения наибольшей продольной динамической силы и суммы накопленных усталостных повреждений. В том случае, если эти параметры находятся в допустимой области изменения, величины остальных критериев качества также находятся в допустимой области. Поэтому при параметрическом синтезе системы автоматического управления скоростью необходимо рассматривать векторный критерий качества, состоящий именно из этих трёх компонент - частных критериев V

- времени регулирования - СД;

- величины максимальной действующей в поезде продольной динамической силы - С/2;

- суммы накопленных усталостных повреждений - С/3.

Варьируемыми параметрами при этом будут являться: крег, Трег, ра, Т3,

Т4, Тъ и Тб.

Следует особо отметить, что значения рациональныех с точки зрения качества управления параметры САУ зависят от массы поезда, поэтому целесообразно отыскать настроечные кривые, которые позволят определять параметры САУ скоростью на борту локомотива, на основе информации, поступающей от блока задания параметров поезда ЗУп (см. рисунок 2.18).

Таким образом, задача параметрического синтеза регулятора скорости состоит в отыскании настроечных кривых, необходимых для вычисления семи параметров системы - ра, Т3, Т4, Т5, Те, крег и Трег, обеспечивающих оптимальность выбранного критерия.

Используемый векторный критерий качества состоит из разнородных частных критериев, т. е. для получения наилучших их значений к системе управления скоростью должны предъявляться различные требования, поэтому отыскание параметров САУ, удовлетворяющих всем критериям одновременно, не представляется возможным.

В общем случае решением задачи многокритериальной оптимизации является «переговорное» множестве Парето, т. е. такое множество точек в пространстве критериев, в котором значение любого из частных критериев оптимальности можно улучшить только за счет ухудшения других. Одним из методов получения однозначного решения задачи многокритериальной оптимизации является сведение её к однокритериальной путём введения дополнительного, обобщённого критерия оптимальности - целевой функции. В соответствии с накопленным на кафедре «Электрическая тяга» опытом решения подобных задач [112,129,134], в качестве целевой функции будем использовать критерий суммарных потерь, формируемый на основе отклонения значений частных критериев от «идеальной» альтернативы [29,51,128]: где и* - минимальное значение г-то критерия, получаемое при решении задачи однокритериальной оптимизации по этому г-му критерию;

- максимальное или допустимое значение г-го критерия; количество частных критериев оптимизации.

В соответствии со спецификой используемой целевой функции, был принят следующий порядок решения задачи оптимизации.

Вначале последовательно решались задачи однокритериальной оптимизации, при этом вёлся поиск минимальных значений частных критериев и?. Максимальные значения частных критериев Щ* были выбраны из множества решений, полученных при решении задачи однокритериальной оптимизации. Затем, выполнялась минимизация целевой функции (3.6) с использованием найденных 17* и Щ*.

При решении задачи параметрического синтеза регулятора скорости исследовалось движение предварительно сжатого грузового поезда. Были рассмотрены четыре варианта формирования состава. Параметры исследованных в данном разделе поездов приведены в таблице 3.1. При выполнении расчётов предполагалось, что все вагоны оборудованы поглощающими аппаратами типа Ш-2-В, имеющими широкое распространение на сети железных дорог.

Для отыскания минимумов частных критериев £7/, а также целевой функции (3.6), использовался метод «деформируемого многогранника» (метод Нелдера-Мида) [154], при применении которого не требуется вычисления производных от критериев оптимизации. В соответствии с ним каждое соче

3.6)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изложены научно обоснованные технические решения по созданию систем автоматического управления скоростью движения грузовых поездов с учётом продольных колебаний в составе, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие и повышение эффективности железнодорожного транспорта страны - созданы принципы построения, методы выбора законов управления, методы анализа динамики систем автоматического управления скоростью тяжеловесных грузовых поездов с электровозами с непрерывным управлением силами тяги и торможения.

1. Разработаны принципы построения адаптивной САУ скоростью грузового поезда, учитывающие особенности протекания переходных процессов в распределённом объекте управления. Применение адаптации параметров САУ к условиям работы позволили достигнуть требуемого качества управления скоростью движения как однородного, так и неоднородного грузового поезда.

2. Предложены дополнительные к традиционным критерии качества управления, позволяющие оценить характер протекания переходных процессов в грузовом поезде: величина наибольшей продольной динамической силы, действующей в составе, и сумма накопленных усталостных повреждений в деталях автосцепок вагонов и локомотивов.

3. Предложен оператор преобразования задающего воздействия, обеспечивающий выполнение заданных критериев качества управления в переходных и установившемся режимах работы САУ.

4. Разработана методика решения задачи параметрического синтеза САУ скоростью тяжеловесного длинносоставного грузового поезда, которую следует выполнять с использованием дискретной, многомассовой модели поезда. Получены аналитические выражения, позволяющие вычислять рациональные с точки зрения качества управления параметры контура управления скоростью САУ, а также оператора преобразования, в зависимости от массы поезда.

5. Проведено исследование работы предлагаемой САУ скоростью с однородными поездами различной массы и в различных сочетаниях режимов движения, которое показало, что предлагаемая структура

САУ и реализованный в ней алгоритм управления позволяют получить требуемое качество управления скоростью движения грузового поезда.

6. Разработана методика моделирования разброса параметров вагонов неоднородного грузового поезда. При описании разброса параметров автосцепных устройств и масс вагонов целесообразно использовать трёхпараметрический закон Вейбулла, а для описания бимодального распределения масс вагонов в поездах - суперпозицию трёхпарамет-рических законов Вейбулла.

7. Предложена методика оценки максимальных величин продольных динамических сил, действующих в неоднородном поезде, с использованием метода «Монте-Карло» и последующей статистической обработкой результатов выполненного имитационного эксперимента. Как показали расчёты, увеличение значений сил, действующих в неоднородных поездах, относительно сил, действующих в однородны поездах, достигает 14-т-82% в зависимости от варианта формирования и режима движения. Необходимое количество испытаний, выполняемых для определения наибольшего значения продольных динамических сил одного варианта формирования неоднородного поезда, составляет от 40000 до 120 000 и определяется требуемой точностью вычисления выборочных среднего и дисперсии случайной величины, а также условием достижения третьим и четвёртым моментами выборочных распределений установившихся значений.

8. Проведенное исследование работы предложенной САУ с поездами различных массы и вариантов формирования в различных режимах движения показало, что по сравнению с типовой САУ величины наибольших продольных динамических сил, действующих в поезде, снизились в 1,5-гЗ раза, а значение суммы накопленных усталостных повреждений - в 2,5-г-40 раз. Таким образом, выбранные структура и параметры САУ скоростью движения обеспечивают выполнение требований, предъявляемым к таким системам.