Система автоматического регулирования скорости движения перспективного электропоезда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Пудовиков, Олег Евгеньевич

• Пудовиков, Олег Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пудовиков, Олег Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ 4.

Глава 1. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9.

1.1. Анализ существующих систем автоматического регулирования (САР) скорости движения 9.

1.2. Особенности автоматизации управления перспективными электропоездами 20.

1.3. Постановка задачи и цели исследования 25.

Глава 2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧСЕКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИМ ТОРМОЗОМ ПЕРСПЕКТИВНОГО ЭЛЕКТРОПОЕЗДА 28.

2.1. Построение структурной схемгы системы 28.

2.2. Структура контроллера машиниста 32.

2.3. Выбор структуры логического элемента и задатчика интенсивности 36.

2.4. Выбор алгоритма работы регулятора скорости 48.

2.5. Математическая модель тягового электропривода 53.

2.6. Математическая модель электропневматического тормоза 54. 217. Поезд как объект автоматического регулирования 60.

2.8. Методика учёта влияния параметров профиля пути и подвижного состава на движение электропоезда 67.

2.9. Выводы по второй главе 70.

Глава 3. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА

РЕГУЛЯТОРА 72.

3.1. Выбор показателей качества регулирования 72.

3.2. Постановка задачи оптмизации 75.

3.3. Математическая модель САР скорости движения применительно к задаче многокритериальной оптимизации 78.

3.4. Решение задачи оптимизации 80.

3.5. Исследование переходных процессов в САР скорости движения 84.

3.6. Выводы по третьей главе 97.

Глава 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОЙ И ТОРМОЖЕНИЕМ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ 101.

4.1. Разработка алгоритма управления тягой и торможением перспективных электропоездов 101.

4.2. Разработка алгортма управления тяговым электроприводом 114.

4.3. Анализ совместной работы тягового электропривода и электропневматического тормоза 116.

3.6. Выводы по четвёртой главе 124.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система автоматического регулирования скорости движения перспективного электропоезда»

Железные дороги являются одними из основных транспортных артерий нашей страны, обеспечивающими надёжное функционирование народного хозяйства и жизнеобеспечения населения. Ими выполняется более половины общего грузооборота и треть пассажирских перевозок в стране [2, 52, 56]. В условиях дефицита финансовых средств Министерство путей сообщения Российской Федерации разработало и осуществляет специальную программу повышения эффективности работы железнодорожного транспорта, одной из главных мер которой является снижение эксплуатационных расходов железных дорог, оснащение их современным подвижным составом.

В настоящее время значительная часть парка эксплуатируемых пригородных электропоездов устарела морально и физически, а выпускаемые электропоезда с коллекторными двигателями постоянного тока ЭД4 различных модификаций и ЭТ2т, и переменного тока ЭД9Т являются морально устаревшими и не отвечают современным требованиям.

Поэтому МПС разработало программу создания электропоездов нового поколения с асинхронными тяговыми двигателями, и в настоящее время ведутся работы по созданию таких поездов - ЭНЗ переменного тока, и ЭД6 -постоянного тока. Кроме того, ведутся работы по созданию высокоскоростного электропоезда «Сокол».

Значительный вклад в теорию и практику исследования проблем, связанных с разработкой и созданием систем автоматического регулирования для электроподвижного состава внесли свой вклад Б.Н. Тихменев, J1.M. Трахтман, И.П. Исаев, В.Д. Тулупов, A.B. Плакс, В.А. Кучумов, J1.A. Баранов, А.Н. Савоськин, В.П. Феоктистов, В.Н. Лисунов, C.B. Покровский, Д.Д. Захарченко, A.JI. Лозановский, А.Г. Вольвич, В.А. Малютин, Б.М. Наумов, Я.Е. Марченко, В.М. Бабич, Н.С. Назаров, и ряд других авторов.

Ранее выполненные разработки систем автоматического управления движением были ориентированы на электровозы однофазно-постоянного тока и электропоезда с релейно-контакторным управлением. Поэтому создание нового поколения электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями потребовало новой разработки по системе автоматического управления

5. режимами движения этих поездов.

При этом созданные для электровозов ВЛ85, ВЛ65 и ЭП1 регуляторы скорости не могут быть использованы для пригородного и высокоскоростного электропоезда, так как они не обеспечивают реализации максимально возможного по условиям движения и условиям сцепления колёс с рельсами моторных вагонов электропоезда ускорения при трогании и разгоне или замедления при торможении. Кроме того, эти регуляторы не обеспечивают выполнения ограничения по плавности хода в переходных режимах движения.

Решение поставленных задач возможно только с применением микропроцессорной техники, широкие функциональные возможности, простота изменения алгоритмов управления, универсальность и другие достоинства которой позволяют реализовать любые алгоритмы управления, решающие поставленные задачи. Кроме указанных, бортовые микропроцессорные системы управления способствуют повышению безопасности движения поездов, а также позволяют снизить эксплуатационные расходы за счёт реализации рациональных алгоритмов управления тягой и торможением, вспомогательными машинами и т.п.

Таким образом, комплексная задача разработки системы автоматического управления для подержания скорости движения электропоезда с учётом выполнения ограничения по плавности хода в переходных режимах движения является актуальной и может быть реализована на основе использования микропроцессорной техники.

Целью данной диссертационной работы является разработка системы автоматического регулирования скорости перспективных электропоездов, включая высокоскоростные, с учётом особенностей их конструкции, а также требований к ускорению (замедлению) движения и плавности хода в переходном режиме.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- разработаны алгоритмы автоматического регулирования скорости электропоезда, обеспечивающие выполнение поставленной цели;

- решена задача многокритериальной оптимизация параметров регуля

6. тора скорости в соответствии с выбранными критериями;

- разработаны алгоритмы управления режимом тяги и торможения;

- разработан алгоритм совместной работы электрического и электропневматического тормозов перспективных электропоездов. Методика исследований. В работе использовался метод математического моделирования переходных процессов движения поезда и алгоритма управления. Рациональные значения параметров регулятора скорости определены с применением метода многокритериальной оптимизации.

Научная новизна работы.

1. Разработан алгоритм задатчика интенсивности скорости движения, обеспечивающий заданный уровень ускорения (замедления) при трога-нии (торможении) и выполнение ограничения по величинам плавности хода и продольных динамических сил в поезде.

2. Предложена новая структура регулятора скорости, состоящая из нелинейного элемента с зоной нечувствительности и ПИ-регулятора, обеспечивающая возможность перехода на выбег, что ведёт к снижению расхода электроэнергии.

3. Выполнена многокритериальная оптимизация параметров ПИ-регулятора обеспечивающая получение наилучших возможных показателей качества процесса регулирования скорости движения.

4. Обеспечено взаимодействие электрического и электропневматического тормозов поезда так, чтобы в зоне действия ограничения по мощности тягового привода недостаток величины тормозной силы электрического тормоза восполнялся электропневматическим тормозом.

5. Обоснована целесообразность адресного управления электропневматическим тормозом для повышения показателей качества процесса управления.

Практическая ценность. Проведённые исследования позволили:

1. разработать алгоритм работы системы регулирования скорости движения;

2. разработать структуру контроллера машиниста и развёртки его валов;

3. обеспечить взаимосвязь с системой управления асинхронного тягового привода и пневматической тормозной системой поезда.

7.

4. обеспечить отключение режима автоматического управления скоростью при срабатывании пневматического тормоза. Реализация в промышленности. Основные положения диссертационной работы использованы при разработке комплекта рабочей конструкторской документации на пригородный электропоезд ЭДб.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на

- доклад на VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта», 1998, г. Алушта.

- доклад на IX Международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта», 1999, г. Алушта.

- доклад на научно-технической конференции «Подвижной состав 21 века (идеи, требования, проекты)», 1999, г. Санкт-Петербург.

- доклад на научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», 1999, г. Москва.

- доклад на научно-практической конференции «Неделя науки - 99», 1999, г. Москва.

- научно-техническом семинаре и заседании кафедры «Электрическая тяга» МИИТа в 1998, 1999, 2000 годах.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ; подана заявка о выдаче патента на изобретение.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 134 е., в том числе 124 с. текста, 4$ рисунков, 1 с. таблиц, 6 с. списка литературы, 0 с. приложения.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Пудовиков, Олег Евгеньевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Система автоматического регулирования скорости должна обеспечивать разгон (торможение) электропоезда с заданным ускорением (замедлением) и стабилизацию скорости на заданном уровне при условии выполнения ограничений по плавности хода в переходных режимах \Н\ < 0,5 м/с3. При этом необходимо обеспечить допустимый уровень продольных динамических сил в поезде при переходных процессах.

2. В качестве регулятора скорости используется ПИ-регулятор, дополненный элементом с зоной нечувствительности. В случае, если на работу САР скорости оказывают влияние ограничения на координаты тягового электропривода, интегрирующая часть ПИ-регулятор обнуляется и блокируется, и регулятор превращается в П-регулятор.

3. При решении задачи многокритериальной оптимизации параметров регулятора скорости электропоезда за частные критерии качества регулирования целесообразно время регулирования £рег и перерегулирование сг, а за целевую функцию - функцию суммарных допустимых потерь.

4. Решение задачи оптимизации для режима тяги для высокоскоростного и пригородного электропоездов, выполненное при помощи метода деформируемого многогранника (Нелдера-Мида) показало, что параметры регулятора не зависят от типа электропоезда и должны составлять /Срег = 37687 и Трег = 0,2375.

5. Разработанная в рамках работы структура САР скорости при использовании в регуляторе скорости параметров, полученных в результате решения задачи оптимизации, позволяет реализовать разгон (торможение) поезда с заданным уровнем ускорения (замедления), выполнение ограничений по плавности хода в переходных режимах движения и стабилизацию скорости на заданном уровне при изменяющихся условиях движения.

6. Для повышения эффективности процессов торможения на высоких скоростях в зоне действия ограничения мощности тягового электропривода, а также при остановочном торможении при истощении электрического тормоза необходимо применив совместно электрического и электропневматического тормозов поезда на основе предложенного алгоритма.

7. Параметры регулятора скорости, указанные в п. 4 для режима тяги,

128. для тормозного режима необходимо изменить на крег = 1500 и Трег = 2, 334 для обеспечения возможности совместной работы электрического и электропневматического тормозов. При этом практически не происходит ухудшения качества регулирования в режиме тяги.

8. Индивидуальное управление электропневматическим тормозом вагонов более предпочтительно по сравнению с групповым способом, так как в этом случае наблюдается двукратное снижение частоты и амплитуды колебаний кривых скорости и ускорения, а также уменьшение показателя плавности хода в семь раз.

9. Величины продольных динамических сил, действующих в составе скоростного и пригородного поездов при различных режимах и условиях движения, достигают ±670 кН, и не превышают максимально допустимых по условиям эксплуатации значений.

129.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пудовиков, Олег Евгеньевич, 2000 год

1. Автоматизация электроподвижного состава: Учебник для вузов ж.-д. трансп./А.Н. Савоськин, Л.А. Баранов, В.П. Феоктистов; Под ред. А.Н. Савоськина. М.: Транспорт, 1990. 311 с.

2. Архангельский Ю.Н. Локомотивостроение в новых условиях хозяйственной деятельности предприятий России//Междунар. конф. «Состояние и перспективы развития локомотивостроения», Новочеркасск, 7- 9 июня 1994 г.: Тезисы докл. Новочеркасск, 1994, с. 1-2.

3. Блохин Е.П. К вопросу об усилиях в неоднородном поезде//Сб. науч. тр. ДИИТ. Днепропетровск. 1971. Вып. 133. с. 51 58.

4. Блохин Е.П., Маслеева Л.Г. О возможности понижения порядка системы дифференциальных уравнениий движения поезда при возмущениях, распространяющихся вдоль него//Сб. науч. тр. ДДИТ. Днепрпет-ровск. 1978. Вып. 199/25. с. 47 54.

5. Блохин Е.П. О влиянии неоднородности поезда на динамические усилия, возникающие в упряжных приборах при трогании с места//Сб. науч. тр. ДИИТ. Днепрпетровск. 1958. Вып. 26. с. 235 258.

6. Блохин Е.П., Манашкин Л.А. Динамика поезда (нестационарные продольные колебания). М.: Транспорт. 1982. 222 с.

7. Блохин Е.П., Стамблер Е.Л. Об уточнении модели междувагонного пружинно-фрикционного амортизатора удара//Тр. МИИТ. 1979. Вып. 643. - с. 122 - 127.

8. Блохин Е.П., Стамблер Е.Л., Маслеева Е.Г. Об оценке наибольших продольных сил в поезде, движущемся по перелому продольного профиля пути//Сб. науч. тр. ДИИТ. Днепрпетровск. 1975. Вып. 169/21. - с. 86 - 91.

9. Брахман Т.Р. Многокритериальность и выбор альтернативы в технике.- М.: Радио и связь, 1984. 288 с.

10. Вождение поездов: Пособие машинисту/Р.Г. Черепашенец, В.А. Бирюков, В.Т. Понкрашов, А.Н. Судиловский; Под ред. Р.Г. Черепашенца. -М.: Транспорт, 1994. 304 е.; ил., табл.

11. Вольвич А.Г., Наумов Б.М. Управление магистральными электровозами с помощью микропроцессорных средств//Электротехника, 1987.130.1. N° 2. с. 32 - 34.

12. Галеев А.У., Першиц Ю.И. Вопросы механики поезда. М.: Трансжел-дориздат. 1958. 232 с.

13. Герасенко В.И., Ефимов Л.А. Автоматический регулятор скорости для электропоезда ЭР-200//Автоматика, телемеханика, связь. 1981. №- 9. - с. 34 - 35.

14. Гуткин Л.В., Дымант Ю.Н., Иванов И.А. Электропоезд ЭР200. М.: Транспорт. 1981. 192 с.

15. Занозин П.В., Маврицкий И.О. О методе оптимизации параметров вертолётов по совокупности критериев. Труды ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, 1971, вып. 1300, с. 3 20.

16. Иноземцев В.Г., Казаринов В.М., Ясенцев В.Ф. Автоматические тормоза. М.: Транспорт, 1981. - 464 с.

17. Каплунова О.Б. Нестационарные продольные колебания в поезде как системе упруго-инерционных тел с нелинейными связями, включающими зазоры. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. М.: ВЗИИТ, 1989, 165 с.

18. Коваль П.Е. Система автоматического регулирования скорости движения грузового электровоза.: Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. М.: МИИТ, 1989, 165 с.

19. Крылов В.И, Крылов В.В. Автоматические тормоза подвижного состава. М.: Транспорт, 1983. - 360 с.

20. Лазарян В.А. Исследование неустановившихся режимов движения поездов. М.: Трансжелдориздат. 1949. 136 с.

21. Лазарян В.А. Исследование усилий, возникающих в переходных режимах движения в стержнях с различными упругими несовершенства-ми//Сб. науч. тр. ДИИТ. Днепрпетровск. 1956. Вып. 25. - с. 5-50.

22. Лазарян В.А. Применение математических машин непрерывного действия к решению задач динамики подвижного состава. М.: Трансжел-дориздт. 1962 219 с.

23. Лазарян В.А. О переходных режимах движения поездов//Сб. науч. тр. ДИИТ. Днепрпетровск, 1973. Вып. 152. с. 3 - 43.131.

24. Лазарян В.А., Блохин Е.П. О математическом моделировании движения поезда по переломам продольного профиля пути//Тр. МИИТ. 1974. Вып. 444. - с. 83 - 123.

25. Лазарян В.А., Барбас И.Г., Каблуков В.А., манашкин Л.А. Влияние времени нарастания силы тяги на продольные усилия при трогании однородного поезда//Сб. науч. тр. ДИИТ, Днепрпетровск, 1964. Вып. 50. - с. 21 - 27.

26. Лазарян В.А., Манашкин Л.А. О понижении порядка системы дифференциальных уравнений движения многомассовой цепочки твёрдых тел// Прикладная механика, 1981 т. XVII. - №- 3. - с. 122 - 128.

27. Лазарян В.А., Львов A.A., Блохин Е.П. Продольные усилия, возникающие в тяжеловесных грузовых поездах при трогании с места//Сб. науч. тр. ДИИТ, Днепрпетровск. 1961. Вып. 35. - с. 112 - 147.

28. Лазарян В.А., Блохин Е.П., Велик Л.В. Применение ЭЦВМ к исследованию переходных режимов движения поезов//Сб. науч. тр. ДИИТ. Днепрпетровск. 1970. Вып. 114. с. 3-23.

29. Лазарян В.А., Блохин Е.П., Манашкин Л.А., Бадикова Л.С. Интегральная оценка связей и определение их параметров по результатам натурных испытаний//С,б. науч. тр. ДИИТ. Днепрпетровск. 1971. Вып. 103. с. 3 - 17.

30. Лисицын A.A., Мугинштейн Л.А. Нестационарные режимы тяги (Тяговое обеспечение перевозочного процесса). М.: Интекст, 1996. - 159 с.

31. Лисицын A.A., Мугинштейн Л.А. Нестационарные режимы тяги (Сцепление. Критическая масса поезда). М.: Интекст, 1996. - 176 с.

32. Лосев В.В. Автоматическое микропроцессорное управление пневматическими тормозами грузового поезда.: Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. М.: МИИТ, 1996, 210 с.

33. Малютин В.А. Принципы построения систем автоматического регулирования электровозов переменного тока//Вестник ВНИИЖТ, 1982, N- 5. с. 15 - 20.

34. Манашкин Л.А., Кедря М.М., Бондарев A.M. Исследование с помощью АВМ продольных сил в поезде при регулировачных торможениях и132.движении через перелом продольного профиля пути//Сб. науч.тр. ДИ-ИТ, Днепрпетровск. 1978. - Вып. 199.25. - с. 54 - 58.

35. Микропроцессорные системы автоведения подвижного состава. J1.A. Баранов, Я.М. Головичер, Е.В. Ефремов, В.М. Максимов. Под. ред. JI.A. Баранова. М.: Транспорт, 1990. 272 с.

36. Наумов Б.М., Скрипка А.Т. Система автоматического управления электровоза ВЛ85//Сборник науч. трудов ВэлНИИ, Новочеркасск, 1985, т. 26, с. 9 21.

37. Никифоров Б.Д., Головин В.И., Кутыев. Ю.Г. Автоматизация управлением торможением поездов. М.: Транспорт, 1985. 263 с.

38. Подиновский В.В., Гаврилов В.М. Оптимизация по последовательно применяемым критериям. М.: Советское радио, 1975. - 122 с.

39. Попов В.Е. Повышение эффективности тормозных систем подвижного состава на основе совершенствования процессов управления автотормозами грузовых поездов.: Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. М.: 1992, 415 с.

40. Правила тяговых расчётов для поездной работы. М.: Транспорт. 1985. 287 с.

41. Пудовиков O.E. Выбор структуры САР скорости электровоза.//Сб. науч. тр. МИИТ. Москва. 1997. Вып. 912. с. 89 - 92.

42. Пудовиков O.E. Система автоматического управления скоростью движения электроподвижного состава/Тезисы доклада на научно-практическс конференции «Неделя науки -99». Москва. 1999. с. IV-19.

43. Растригин JI.A. Современные принципы управления сложными объектами. М,: Советское радио, 1980. 230 с.

44. Растригин JI.A. Статистические методы поиска. М.: Наука, 1968. -376 с.

45. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.: Наука, - 1981. 110 с.

46. Теория электрической тяги: Учебник для студ. вузов ж.-д. трансп./ В.Е. Розенфельд, И.П. Исаев, H.H. Сидоров и др. М.: Транспорт, 1995. - 294 с.

47. Титов В.В. Перспективы развития железных дорог Российской Федерации. Анализ эксплуатации и основные требования к электроподвижному составу.//Сб. науч. тр. Всес. н.-и. проектн.-конструкт, и технол. ин.-та электровозостроения. 1995, N- 35, с. 8 15.

48. Тормозное оборудование железнодорожного подвижного состава: Справочник/ В.И. Крылов, В.В. Крылов, В.Н. Ефремов, П.Т. Дёмушкин. М.: Транспорт, 1989, 487 с.

49. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование/ Пер. с