Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта – необходимое условие для обеспечения перехода отечественной экономики к инновационному пути развития, роста ее конкурентоспособности и укрепления ее экономической безопасности. Одним из немаловажных направлений совершенствования транспортной системы является автоматизация перевозочного процесса. Составной частью автоматизация является внедрение систем автоведения поездов (САВП). Такие системы позволяют повысить безопасность движения, увеличить использование пропускной способности линий, снизить энергопотребление на тягу поездов.
На магистральном электроподвижном составе (э. п. с.), как правило, применяют автономные двухуровневые САВП. Верхний уровень этих систем является по существу регулятором времени хода и обеспечивает выполнение заданного времени хода с минимальным расходом электроэнергии на тягу поездов. На э. п. с. с управляемыми полупроводниковыми преобразователями реализуется плавное непрерывное управление силой тяги и нижний уровень САВП управляет автоматизированным тяговым электроприводом и состоит из двух контуров: главного (внешнего) – контура скорости и подчиненного (внутреннего) контура тока. При этом регулятор времени хода САВП формирует заданное значение скорости, регулятор скорости – заданное значение тока, а регулятор тока – управляет силами тяги и торможения, обеспечивающими следование поезда с заданной скоростью движения.
В настоящее время отработка алгоритмов управления нижнего уровня САВП для отечественного э. п. с. выполняется, как правило, в процессе проведения стендовых и эксплуатационных испытаний. В этом случае не удается оптимизировать структуру и параметры системы автоматического управления (САУ) тяговым электроприводом, что не позволяет обеспечить необходимый уровень её работоспособности и стабильность показателей качества управления в процессе эксплуатации. Несовершенство контура управления током может вызывать значительные колебания тока тяговых двигателей, приводящие к срабатыванию аппаратов защиты. Такое срабатывание в режиме электрического торможения создает угрозу безопасности движения, так как повторное включение электрического торможения или переход на пневматическое торможение происходит с существенной временной задержкой, что может вызвать аварийную ситуацию. В связи с этим задача дальнейшего совершенствования контура автоматического управления током тяговых двигателей электроподвижного состава является актуальной.
Целью настоящей работы является разработка алгоритмов адаптивного управления током тяговых двигателей электровоза, как подсистемы системы автоведения поездов, обеспечивающей требуемые значения показателей качества управления, независимо от режимов работы электровоза, параметров тяговой сети и удаления электровоза от тяговой подстанции.
Методика исследований. В работе применены методы математического моделирования процессов управления в электромеханических системах с использованием основных положений теории автоматического управления, теории электрических цепей и теории электрических машин.
Для разработки модели обобщенного объекта управления использовался программный пакет Matlab / Simulink. Расчеты выполнялись на вычислительном комплексе реального времени, состоящем из вычислительной платформы RT-lab фирмы Opal-RT, микроконтроллере типа NI CompactRIO, модульной измерительной системе типа NI PXI, а также персонального компьютера (ПК). Модель была реализована на ПК, а затем введена в платформу RT-lab. Здесь она была конвертирована в программу реального времени. Численное интегрирование дифференциальных уравнений выполнялось решающим устройством ARTEMIS с фиксированным шагом. Реальная микропроцессорная система управления (МПСУ), управляющая исполнительными устройствами САУ током т. э. д. – тиристорными преобразователями, была реализована на NI CompactRIO в графической среде LabVIEW-RT. Визуализация и обработка результатов вычислений осуществлялась на модульной измерительной системе NI PXI также в пакете LabVIEW-RT.
Научная новизна.
-
Показано, что на реализацию алгоритмов подсистемы автоматического управления током САВП существенно влияет обобщенный объект управления, в составе которого необходимо учитывать систему тягового электроснабжения, состоящую из электростанции, высоковольтной линии электропередачи, нетяговых потребителей, тяговой подстанции, двухпутного участка тяговой сети и электровозов на фидерной зоне.
-
Предложена структура программно-аппаратного комплекса реального времени, впервые позволившая выполнять программную и аппаратную разработку и отладку алгоритмов подсистем управления электроподвижного состава на реальном микроконтроллере.
-
Разработаны новые алгоритмы цифрового формирования импульсов управления выпрямительно-инверторным преобразователем, линеаризующий его регулировочную характеристику, и цифровой синхронизации подсистемы управления током с питающей сетью, позволяющий нивелировать действия высокочастотных возмущений при включении мощных нетяговых потребителей.
-
Многочисленные имитационные эксперименты позволили установить, что требуемые показатели качества подсистемы автоматического управления током тяговых двигателей с существенными нелинейными характеристиками обеспечиваются применением комбинированной системы управления с воздействиями по отклонению тока и возмущению – напряжению в контактной сети.
-
В контуре управления по отклонению тока такой подсистемы эффективно применение алгоритма с астатизмом второго порядка на базе двух изодромных звеньев, со звеньями гибкой обратной связи, а также с дополнительным воздействием, пропорциональным э. д. с. тягового двигателя.
-
В контуре управления по возмущению такой подсистемы следует использовать пропорционально-дифференцирующий закон управления, при дополнении дифференцирующего звена апериодическим звеном первого порядка для исключения влияния частот выше 20 Гц.
-
Разработан алгоритм адаптации коэффициентов регуляторов управления по отклонению и возмущению к параметрам тяговой сети, обеспечивающий независимость работы системы автоматического управления током тяговых двигателей от удаления э. п. с. от тяговой подстанции и режимов работы других электровозов.
Предмет исследования: динамика подсистемы управления током тяговых электродвигателей САВП с учетом электромагнитных и электромеханических процессов в системе тягового электроснабжения переменного тока.
Объект исследования: алгоритмы автоматического управления током коллекторных тяговых электродвигателей электровоза однофазно-постоянного тока как подсистема САВП.
Практическая ценность.
-
Создан программно-аппаратный комплекс, позволяющий выполнять разработку законов управления для подсистемы автоматического управления током тяговых электродвигателей различных типов э. п. с. переменного тока с учетом электромагнитных взаимодействий в системе тяговое электроснабжение – электроподвижной состав.
-
Разработано математическое и программное обеспечение для микроконтроллера, реализующее адаптивную комбинированную систему управления током тяговых двигателей и обеспечивающее стабильные показатели качества управления для э. п. с.
-
Разработано математическое и программное обеспечение цифровой синхронизации системы управления с питающей сетью и формирования импульсов управления тиристорами исполнительного устройства для использования на э. п. с.
-
Созданное математическое и программное обеспечение предназначено для разработки алгоритмов автоматического управления током тяговых двигателей электроподвижного состава переменного тока различных типов как подсистемы САВП.
-
Выбраны методом многокритериальной оптимизации коэффициенты законов управления и настроечные кривые для их адаптации к параметрам тяговой сети для электровозов 2ЭС5К, эксплуатируемых на сети железных дорог.
На защиту выносятся:
-
Модель обобщенного объекта управления, включающая систему внешнего электроснабжения с нетяговым потребителем, которая оказывает влияние на реализацию алгоритмов подсистемы управления током тяговых двигателей электровоза.
-
Программно-аппаратный комплекс имитационного моделирования в реальном времени, предназначенный для отработки алгоритмов подсистем управления э. п. с.
-
Алгоритмы цифрового формирования импульсов управления выпрямительно-инверторным преобразователем и цифровой синхронизации подсистемы управления током тяговых двигателей электровоза с питающей сетью.
-
Адаптивная система комбинированного автоматического управления током
тяговых двигателей электроподвижного состава. -
Рекомендации по выбору коэффициентов законов управления в контуре тока и настроечных кривых для их адаптации к параметрам тяговой сети.
Достоверность полученных результатов, обеспечивается:
– корректностью принятых допущений и строгостью формальных преобразований;
– применением фундаментальных законов теории электрических цепей и теории автоматического управления;
– удовлетворительной сходимостью результатов моделирования тяговой сети и силовых цепей электровозов с известными экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» МИИТа в 2008-2011 г.г., на совместных научно-техническом семинаре и заседаниях кафедр «Управление и информатика в технических системах» и «Электрическая тяга» МИИТа в 2012 г. и 2013 г., на научно-практической конференции Неделя науки – 2008 «Наука-Транспорту» (МИИТ, апрель 2008), на X Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (МИИТ, октябрь 2009), на VIII международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (РУДН, ноябрь 2009), на VII международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM» (МИИТ, май 2010), на XI Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (МИИТ, октябрь 2010), на IX международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (РУДН, ноябрь 2011), на XII Всемирном электротехническом конгрессе (Москва, октябрь 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано двенадцать печатных работ, в том числе четыре в издания, рекомендованных перечнем ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка, содержащего 85 наименований, и приложений. Работа содержит 177 страниц основного текста, 61 рисунок и 9 таблиц.
