Энергооптимальная система автоведения электровозов, адаптированная к условиям движения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Пясик, Михаил Соломонович

• Пясик, Михаил Соломонович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пясик, Михаил Соломонович

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОПЫТ РАЗРАБОТКИ ЭНЕРГООПТИМАЛЬНЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭПС.

1.1 Развитие систем автоведения.

1.2 Система автоведения поезда ЧС-200 разработки МИИТ

1.3 Система автоведения с функцией экономии энергии на поезде ICE.

1.4 Энергосберегающая система автоматического отключения тяги для мотор-вагонного подвижного состава голландских железных дорог.

1.5 Современные системы автоведения пригородных электропоездов.

2 ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ АВТОВЕДЕНИЯ ПАССАЖИРСКИХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ.

2.1 Функциональные возможности автоведения пассажирских электровозов. Назначение системы.

2.2 Микропроцессорные системы сбора и обработки информации -базовые составляющие создания систем автоведения ЭПС.

2.3 Аппаратное обеспечение систем автоведения, включая систему датчиков.

2.4 Выбор и адаптация системного программного обеспечения.

2.5 Общая структура системы автоведения электровоза.

3 ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ АВТОВЕДЕНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПАССАЖИРСКОМУ ЭЛЕКТРОВОЗУ ЧС

3.1 Структура и схема системы автоведения электровоза, центральный вычислитель системы, датчики.

3.2 Программное обеспечение и операционная система.

3.3 Основные алгоритмы программы автоведения

3.4 Автоматический подбор позиций контроллера машиниста при реализации оптимальной траектории движения.

3.5 Коррекция координаты местоположения поезда на участке.

4 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМ АВТОВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

4.1 Особенности системы сбора и обработки информации для пуско-наладочных испытаний систем автоведения ЭПС. Их техническая реализация.

4.2 Методика проведения испытаний.

4.3 Результаты испытаний системы автоведения электровоза ЧС-7 на экспериментальном кольце ВНИИЖТ и на участке Московской ж.д.

5 УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ ТЯГОВЫХ И ТОРМОЗНЫХ УСИЛИЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПЛАВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ.

5.1 Актуальность проблемы ограничения сил тяги и электрического торможения грузовых электровозов.

5.2 Принцип и схема устройства ограничения сил тяги и торможения.

5.3 Результаты испытаний устройства на участке Карталы-Магнитогорск Южно-Уральской ж.д.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергооптимальная система автоведения электровозов, адаптированная к условиям движения»

Одним из основных направлений экономии энергоресурсов на железнодорожном транспорте на сегодняшний день является экономия электроэнергии на тягу поездов. Это обусловлено долей расхода электроэнергии на тягу поездов в общей структуре эксплуатационных расходов. Так в 2002 году затраты электроэнергии на тягу составили 42% от всех потребленных топливно-энергетических ресурсов. При доле стоимости ТЭР в общесетевых эксплуатационных расходах около 12% затраты на электроэнергию на тягу поездов составили около 5% . В натуральных показателях это составило 14,1 млрд. кВтч. или 19,8 млрд. руб.

С учетом значимости этого МПС РФ принята комплексная программа ресурсосбережения, объединяющая наиболее прогрессивные энергосберегающие технологии. Одним из основных направлений энергососбережения является использование для вождения поездов энергооптимальных режимных карт. При высокой эффективности этого мероприятия, получение максимального эффекта сдерживается тем, что выполнение рассчитанной заранее траектории движения не обеспечивается в случае значительных изменений условий пропуска поездов: наличием вынужденных неграфиковых остановок, движением на желтые сигналы светофоров, дополнительными ограничениями скорости.

Энергооптимальные режимные карты рассчитываются перед поездкой с учетом постоянных и временных ограничений скорости, заданного времени хода по участку и данных о составе поезда. Траектория движения при этом представляется в виде непрерывной зависимости скорости от пути или таблицы с указанием режимов движения, координат начала и конца выбега и величины скорости стабилизации [33]. При соблюдении этих рекомендаций гарантируется минимум расхода энергии на тягу. Если реальные условия движения отличаются от расчетных, эффект от применения энергооптимальной режимной карты снижается.

С учетом этого наибольший эффект экономии электроэнергии на тягу поезда можно получить с помощью системы, в которой по мере реализации первоначального рассчитанной траектории и изменения условий пропуска обеспечивается перерасчет траектории на оставшийся отрезок пути.

В комплексном отделении ТПЭ ВНИИЖТ под руководством д.т.н. Мугинштейна JI.A. старшим научным сотрудником Ябко И.А. с участием автора выполнена разработка и адаптация к условиям работы в локомотивных депо аппаратно-программных комплексов по расчету энергооптимальных режимных карт, которые позволяют рассчитывать траекторию движения поезда, обеспечивающую минимум затрат энергии на тягу при заданных: времени хода, составе поезда, профиле и плане пути и ограничениях скорости.

Использование программы построения энергооптимальных траекторий движения поезда в системе автоведения непосредственно на подвижном составе в составе системы автоведения предъявляет дополнительные требования к программе, в первую очередь к ее быстродействию, компактности и надежности. В процессе разработки системы управления движением поезда автором совместно с Ябко И.А. была разработана такая, адаптированная к условиям работы на подвижном составе быстродействующая программа расчета энергооптимальных траекторий движения.

Работы по разработке и совершенствованию таких важных элементов систем автоведения, как датчики скорости, тока и напряжения, высоковольтные гальванические развязки, велись в отделении ТПЭ ВНИИЖТ с участием автора с 1987 года и по настоящее время. Отраслевым Центром Внедрения (ОЦВ) при непосредственном участии автора в решении технологических вопросов было организовано серийное производство такой аппаратуры. Это позволило в настоящее время тиражировать систему автоведения применительно к использованию на электровозе ЧС-7, в которой решается задача расчета энергооптимальных траекторий движения в процессе поездки, адаптированных к изменяющимся условиям пропуска поезда.

Использование системы автоведения со свойствами энергооптимальности весьма актуально и для грузовых локомотивов. Вместе с тем вождение грузовых поездов повышенной массы и длины на участках со сложным планом и профилем пути ставит важнейшую задачу обеспечения допустимого по условиям безопасности уровня продольно-динамических сил в поезде.

Для решения этой задачи автором было разработано устройство для ограничения тяговых и тормозных сил на электровозах переменного тока с плавным регулированием напряжения. Это устройство может использоваться самостоятельно и как составляющая часть системы автоведения.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Пясик, Михаил Соломонович

Выводы.

1. Разработана адаптивная система автоведения пассажирского электровоза, обеспечивающая энергооптимальный режим ведения поезда и учет возможных изменений условий движения.

2. Разработаны система алгоритмов и программ, обеспечивающая пересчет энергооптимальной траектории движения при изменении условий пропуска поезда в реальном масштабе времени.

3. Разработаны схемные решения, система датчиков, электронная аппаратура управления, необходимые для реализации автоведения на пассажирском электровозе ЧС-7.

4. Разработаны методика и мобильная многоканальная система сбора и обработки данных для оптимизации параметров системы и запуска ее в эксплуатацию.

5. Разработано устройство ограничения сил тяги и электрического торможения на электровозах переменного тока с плавным регулированием напряжения, обеспечивающее ограничение квазистатических продольных сил в составе поезда.

6. Устройство ограничения сил тяги и электрического торможения может быть использовано на участках со сложным планом и профилем пути при вождении поездов повышенной массы и длины, для повышения безопасности движения за счет ограничения продольных сил в поезде.

7. Результаты испытаний электровозов ЧС-7 с адаптивной энергооптимальной системой автоведения и эксплуатация таких электровозов на Московской и Южно-Уральской железных дорогах подтвердили их высокую эффективность.

8. Алгоритмы и технические решения, реализованные при разработке ограничителя продольных сил в поезде, могут быть использованы, как составная часть, в системах автоведения грузовых электровозов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пясик, Михаил Соломонович, 2003 год

1. Баранов Л.А., Головичер Я.М., Ерофеев Е.В., Максимов В.М. Микропроцессорные системы автоведения электроподвижного состава/ Москва, «Транспорт», 1990, 272 с.

2. Бушненко Ю.В., Никифорова Н.Б, Свергун С.В. Микропроцессорная система автоведения пригородного поезда В сб.: Микропроцессорные системы для испытаний и управления электроподвижным составом: статья, Москва, «Транспорт», 1992, с. 36-40

3. Котов О. Автоматизированная многофункциональная система управления локомотивом // Современные технологии автоматизации. 1998. №4. с.34-40

4. Аснис И.А., Дмитрук А.В., Осмоловский Н.П. Решение с помощью принципа максимума задачи об энергетически оптимальном упарвлении движением поезда // Журн. Вычислительной математики и мат. физики. 1985. т.25. №11, с.1644-1656

5. Баранов Л.А., Головичер Я.М., Аснис И.А., Исследование процесса регулирования времени хода в системе автоматического ведения поезда на базе микроЭВМ // Тр. МИИТ. 1982. Вып. 710. с.49-55

6. Ерофеев Е.В. Определение оптимальных по расходу электроэнергии программ движения пассажирских поездов с электровозами, оборудованными регуляторами скорости // Тр. МИИТ. 1982. Вып 710. с.74-80

7. Ерофеев Е.В., Головичер Я.М. Исследование процесса управления временим хода в системе автоведения поезда // Вестник ВНИИЖТ. 1976. №5 с.4-7

8. Ерофеев Е.В., Головичер Я.М. Система автоведения скоростного пассажирского поезда с электровозом ЧС200 // Тр. МИИТ. 1977. Вып.550. с. 78-81

9. Ерофеев Е.В., Куренков Н.И., Головичер Я.М. Система автоведения пассажирского поезда // Автоматика, телемеханика и связь. 1976 №8. с.11-13

10. Баранов J1.А., Головичер Я.М., Эпштейн Г.Л. Расчет экономичных режимов управления поездом в микропроцессорных системах автоведения // Вестник ВНИИЖТ. 1987. №6, с.12-17

11. Баранов JI.A., Ерофеев Е.В., Максимов В.М., Головичер Я.М. Микропроцессорные системы автоведения поездов // Железнодорожный транспорт. 1985. №11, с.37-39

12. Головичер Я.М. Алгоритмы управления движением транспортных средств для систем автоведения // Автоматика, телемеханика и связь. 1986. №11. с.118-126

13. Головичер Я.М. Аналитический метод расчета оптимального управления движением поезда //Изв. Вузов, сер. «Электромеханика», 1986, №3. с.58-66

14. Головичер Я.М. Энергетически оптимальный алгоритм управления для системы автоведения поезда // Вестник ВНИИЖТ. 1982. №8. с.18-22

15. Энергосберегающий способ ведения поезда ICE// Железные догори мира, 1998, №12

16. Camuset Fr. Energy consumption savig in automatic train operation system ERRI Conference materials, Amsterdam, 1997, chp. 5

17. Правила тягового расчета для поездной работы / М., Транспорт, 1985,288 с.

18. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги/ М., Транспорт, 1983 г., 328 с.

19. Илютович А.Е. Выбор вариации спуска в задаче оптимального управления со смешанными ограничениями. Декомпозиционный подход// Автоматика и телемеханика, 1989, №9, с 103-114.

20. Илютович А.Е., Хмельницкий Е.З, Декомпозиционный метод выбора вариации спуска в задаче оптимального управления со смешанными и фазовыми ограничениями. В сб.: Модели и методы оптимизации, ВНИИСИ, М.,ВЫП.1. 1989

21. Илютович А.Е., Левитин Е.Г. Методы декомпозиции задач оптимального управления со смешанными регулярными ограничниями и со свободным правым концом траектории.// Препринт, ВНИИСИ, М., 1987.

22. Розоноэр Л.И. Принцип максимума Л.С.Понтрягина в теории оптимальных систем // Автоматика и телемеханика. 1959, №10, 11

23. Ябко И.А. Численный метод определения энергооптимального управления движением поезда В сб. Железнодорожный транспорт на новом этапе развития; Москва, «Интекст», 2003, с.129-135

24. Ерофеев Е.В. Выбор оптимального режима ведения поезда на ЭЦВМ с применением метода динамического программирования // Тр. МИИТ. 1967 Вьш.228. с. 16-30

25. Ерофеев Е.В., Головичер Я.М. Исследование алгоритмов программных систем автоведения пассажирских поездов // Тр. МИИТ. 1978. Вып. 612. с.12-19

26. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования / М. Наука. 1965. 450 с.

27. ОСТ 32.146-2000 Аппаратура железнодорожной автоматики, телемеханики и связи/ Стандарт отрасли, общие технические условия, МПС России, 2000, 93 с.

28. ГОСТ 26104-89 Средства измерений электронные. Техничесике требования в части безопасности. Методы испытаний/ Гос.ком.стандарт СССР, Москва, 1989, 37 с.

29. Сорокин С. Системы реального времени // Журнал Современные технологии автоматизации: статья, Москва, СТА-Пресс, 1997, с.22 29

30. Техническое описание процессорной платы CPU 6863V. Сайт компании RTD USA www.rtdusa.com

31. Техническое описание процессорной платы CPU105. Сайт компании Fastwel www, fastwel. com

32. Описание операционной системы реального времени RTOS-32. Сайт компании OnTime Informatic GmBH www.on-time.com

33. Демьянов A. VxWorks/Tornado Операционная система реального времени и инструментальная среда разработки ПО РВ // Журнал Современные технологии автоматизации: статья, Москва, СТА-Пресс, 1997, с.16- 18

34. Ющенко С. QNX // Журнал Современные технологии автоматизации: статья, Москва, СТА-Пресс, 1997, с. 12 13

35. Халявка A. OS-9 // Журнал Современные технологии автоматизации: статья, Москва, СТА-Пресс, 1997, с. 14 15

36. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации/ официальное издание МПС РФ, Москва, 2000 г., 190с.

37. Баранов JI.A. Анализ погрешностей цифровых способов измерения скорости и ускорения поезда // Тр. МИИТ. 1980 Вып. 661. cl 1 -40

38. Баранов J1.A., Головичер Я.М., Аснис И.А., Исследование процесса регулирования времени хода в системе автоматического ведения поезда на базе микроЭВМ // Тр. МИИТ. 1982. Вып. 710. с.49-55

39. Data sheet p80x5 lFx/ Philips Semiconductor, 72 p

40. Data Sheet i82C84/ Intel, 21 p.

41. Инструкция по эксплуатации тормозов подвижного состава железных дорог / М. Транспорт, Трансинфо. 1998 124 с.

42. Блохин Е.П., Манашкин JI.A. Динамика поезда (Нестационарные продольные колебания) / Москва, Транспорт, 1982, 222 с.

43. П.Т.Гребенюк Продольная динамика поезда / Москва, Интекст, 2003, 96 с.

44. Мугинштейн JI.A, Лисицын A.JI. Нестационарные режимы тяги (Сцепление. Критическая масса поезда)./ Москва, 1996, Интекст 176 с.

45. Мугинштейн JI.A, Лисицын А.Л. Нестационарные режимы тяги (Сцепление. Критическая масса поезда)./ Москва, 1996, Интекст 176 с.

46. Капустин Л.А., Копанев А.С., Лозановский А.Л. Особенности устройства и эксплуатации электровоза ВЛ80р/ Москва, Транспорт, 1979, 175 с.

47. Техническое описание системы модулей ввода/вывода Advantech ADAM4000. 148с.

48. Техническое описание модулей ввода/вывода семейства 6В Analog Devices. 166 с.

49. Техническое описание модулей ввода/вывода семейства 6В BurrBrown. 104 с.

50. Лисицын А.Л., Мугинштейн Л.А., Хацкелевич А.А. Автоматизированная система для исследования режимов работы электровозов // Вестник ВНИИЖТ, 1982г., №3, с. 14-19

51. Андреев А.А., Пясик М.С., Хацкелевич А.А., Колесников А.Е. Измерительно-вычислительный комплекс вагона-лаборатории для испытаний подвижного состава// Вестник ВНИИЖТ, 1999г., №5 с.43-47

52. Пясик М.С. Системы автоматического ведения пассажирских электровозов В сб. Железнодорожный транспорт на новом этапе развития: Москва, «Интекст», 2003, с. 124-128

53. Пясик М.С., Толстов Е.В., Случак И.И. Системы автоматического ведения поезда//Журнал Современные технологии автоматизации: статья, Москва, СТА-Пресс, 2000, с.60 67