Содержание к диссертации
Введение
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 ТОР можением 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.
Заключение 127.
Литература
- Особенности автоматизации управления перспективными электропоездами
- Выбор структуры логического элемента и задатчика интенсивности
- Математическая модель САР скорости движения применительно к задаче многокритериальной оптимизации
- Анализ совместной работы тягового электропривода и электропневматического тормоза
Введение к работе
Актуальность работы. 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 также морально устаревшими и не отвечают современным требованиям.
Поэтому МПС разработало программу создания электропоездов нового поколения с асинхронными тяговыми двигателями и микропроцессорными системами управления, и в настоящее время ведутся работы по созданию таких поездов - ЭНЗ переменного тока и ЭДб - 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 Б.Н. Тихменев, Л.М. Трахтман, И.П. Исаев, В.Д. Тулупов, А.В. Плакс, В.А. Кучумов, Л.А. Баранов, А.Н. Са-воськин, В.П. Феоктистов, В.Н. Лисунов, СВ. Покровский, Д.Д. Захарченко, А.Л. 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 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 З'скорения при трогании и разгоне или замедления при торможении. Кроме того, эти регуляторы не обеспечивают выполнения ограничений по плавности хода в переходных режимах движе-
4.
ния и по величине продольных динамических сил.
Таким образом, задача по разработке системы автоматического управления скоростью движения электропоезда, лишённой этих недостатков, является актуальной.
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 величинам плавности хода и продольных динамических сил 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 регулятора скорости в соответствии с выбранными критериями;
разработаны алгоритмы управления режимом тяги и торможения;
- разработан алгоритм совместной работы электрического и электро
пневматического тормозов перспективных электропоездов.
Методика исследований. В работе использовался метод математи
ческого моделирования переходных процессов движения поезда и алгоритма
управления. Рациональные значения параметров регулятора скорости опре
делены с применением метода многокритериальной оптимизации.
Научная новизна работы.
-
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.
-
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.
-
Выполнена многокритериальная оптимизация параметров ПИ-регулятора,
5.
обеспечивающая получение наилучших возможных показателей качества процесса регулирования скорости движения.
-
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.
-
Обоснована целесообразность адресного управления электропневматическим тормозом для повышения показателей качества процесса управления.
Практическая ценность. Проведённые исследования позволили:
-
разработать алгоритм работы системы регулирования скорости движения;
-
разработать структуру контроллера машиниста и развёртки его валов;
-
обеспечить взаимосвязь с системой управления асинхронного тягового привода и пневматической тормозной системой поезда.
-
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:
VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта», 1998, г. Алушта;
IX Международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта», 1999, г. Алушта;
научно-технической конференции «Подвижной состав 21 века (идеи, требования, проекты)», 1999, г. Санкт-Петербург;
научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», 1999, г. Москва;
научно-практической конференции «Неделя науки - 99», 1999, г. Москва;
6.
- научно-техническом семинаре и заседаниях кафедры «Электрическая
тяга» МЙИТа 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 с, в том числе 124 с. текста, 49 рисунков, 1 с. таблиц, б с. списка литературы.
Особенности автоматизации управления перспективными электропоездами
Автоматизация управления электроподвижным составом (э.п.с.) - задача сложная и многоплановая. По мере развития э.п.с. и элементной базы систем управления развивались и усложнялись законы управления, позволяющие повысить качество работы как отдельных элементов железнодорожного транспорта, так и всей отрасли в целом. В решении проблем, связанных с разработкой и созданием систем автоматического регулирования для э.п.с. внесли свой вклад такие видные учёные, как Б.Н. Тихменев, Л.М. Трахтман, И.П. Исаев, В.Д. Тулупов, А.В. Плакс, В.А. Кучумов, Л.А. Баранов, А.Н. Са-воськин, В.П. Феоктистов, В.Н. Лисунов, СВ. Покровский, Д.Д. Захарченко, А.Л. Лозановский, А.Г. Вольвич, В.А. Малютин, Б.М. Наумов, Я.Е. Марченко, В.М. Бабич, Н.С. Назаров, и др.
Наиболее полно вопросы разработки автоматических систем управления э.п.с. рассмотрены в [1, 35]. Так, в [1] отмечается, что «Применение на электровозах и электропоездах систем автоведения в значительной мере облегчает труд машиниста... . При управлении скоростным поездом наличие системы автоведения принципиально необходимо, так как длительность процессов, вызывающих необходимость изменения управления, настолько мала, что машинисты не успевают принимать рациональные решения. Применение систем автоматического управления (САУ) э.п.с. повышает также безопасность движения поездов.» Подобные системы получили широкое распространение как у нас в стране, так и за рубежом.
Системы автоматического регулирования могут быть как автономными, так и входить в состав более сложных систем управления (например, типа «автомашинист»).
В настоящее время на сети железных дорог России находятся в эксплуатации электровозы однофазно-постоянного тока двенадцатиосный ВЛ85 и шестиосный ВЛ65, оснащённые плавным тиристорным регулированием напряжения на тяговых электродвигателях ТЭД, и системой автоматического управления (САУ).
Основными функциями САУ, помимо обеспечения безопасности движения, являются:
1. в режиме тяги: - разгон с автоматическим поддержанием заданной величины тока тяговых двигателей до заданной скорости; - автоматическое поддержание скорости;
2. в режиме торможения: - предварительное торможение с тормозным усилием, зависящим от скорости движения электровоза; - остановочное торможение с заданным тормозным усилием при ограничении максимально допустимых величин тока якоря и возбуждения тяговых двигателей; - функции по обеспечению оптимального режима работы инвертора.
Рассмотрим работу САУ на примере электровоза ВЛ85. На каждой секции установлены силовой трансформатор с тремя тяговыми обмотками, три выпрямительно-инверторных преобразователя ВИП и шесть тяговых двигателей. На электровозе установлены два блока автоматического управления БАУ (один - рабочий, другой - резервный). Измерение токов якорей двигателей и токов возбуждения осуществляется соответствующими датчиками. Функциональная схема САУ электровозов ВЛ85 в режиме тяги (рис. 1.1) представляет собой двухконтурную систему селективно-подчинённого регулирования. При этом внутренним является контур регулирования тока якоря (и тока возбуждения в режиме рекуперации), а внешним - контур скорости. Регулятор скорости (PC) выполняет в режиме стабилизации скорости функции автоматического задатчика тока для внутреннего контура.
В процессе разгона на выходе регулятора скорости формируется максимальный по величине сигнал /рс и через схему ИЛИ-mm проходит сигнал от задатчика тока 13 машиниста (3/). По мере достижения заданной ско или-min w рости величина сигнала на выходе PC уменьшается и, как только станет меньше величины сигнала 13 от задатчика тока, /рс поступит на вход автоматизированного тягового электропривода (АТЭП). В АТЭП входят регулятор тока РТ, блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем БУВИП и выпрямительно-инверторный преобразователь. В качестве РТ используется ПИ-регулятор. Сигнал с выхода РТ является задающим для блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем. Импульсы управления от блока БУВИП открывают соответствующие плечи ВИП с заданной фазой для поддержания требуемого значения тока якоря объекта регулирования (ОР) - тяговых двигателей.
За истинное значение тока тяговых двигателей принимается наибольшее значение тока всех тяговых двигателей. Истинное значение скорости определяется как минимальное из всех измеренных (на электровозе установлено 6 датчиков скорости). После окончания регулирования напряжения сигнал с выхода РТ подаётся на схему автоматического включения контакторов ослабления поля (ОП). Скорость нарастания заданного значения тока обеспечивается задатчиком интенсивности (ЗИ). Максимальная величина тока определяется схемой ограничения (ОТЯ).
В процессе опытных поездок, проводившихся в различное время ВНИИЖТом, МИИТом, ОмГУПСом, ДВГУПСом и другими организациями, был выявлен ряд недостатков в функционировании систем автоматического управления электровозов ВЛ85 и ВЛ65. Отмечено, что при переходе из режима разгона к стабилизации скорости имеют место резкое уменьшение тока двигателя, что вызывает значительные оттяжки и толчки, т.е. в поезде возникают существенные продольные динамические силы, которые при определённых условиях могут превысить допустимые значения. Кроме того, выявлено, что при работе регулятора скорости после спадания тока в тяговых двигателях скорость должна уменьшиться не менее, чем на 10 км/ч, после чего обратная связь по скорости начинает воздействовать на восстановление заданного значения.
В настоящее время выпускаются электровозы ЭП1, оборудованные микропроцессорной САУ с алгоритмом, предложенным МИИТом [18] и име 13. ющей ряд отличий от аналогичного по назначению устройства электровозов ВЛ85 и ВЛ65. Электровоз оборудован теми же органами управления, что и ВЛ85 и ВЛ65. Кроме того, на пульте машиниста установлен дисплей с клавиатурой, связанные с бортовой микропроцессорной системой управления, при помощи которых можно вводить параметры поезда.
Функциональная схема САУ электровоза ЭП1 приведена на рис. 1.2. Она содержит задатчик скорости Зг;, при помощи которого машинист вводит в систему заданное значение скорости. В качестве задатчика параметров поезда (массы, числа вагонов в составе) Зт используется клавиатура и дисплей.
С целью выполнения требований, предъявляемых к САУ и устранения недостатков САУ электровозов ВЛ85 и ВЛ65, была введена дополнительная обратная связь по ускорению, воздействующая на регулятор скорости. Коэффициент обратной связи по ускорению формируется на основе информации о параметрах поезда, задаваемых задатчиком Зт .
Такая система выполняет основные функции (см. стр. 10) удовлетворяет изложенным выше требованиям, однако не способна обеспечить выполнение ограничений, накладываемых на плавность хода в переходных режимах движения (трогание с места, разгон, торможение), определяемую как производную от ускорения.
Для автоматизации процесса торможения поездов в нашей стране разработаны системы автоматического управления торможением (САУТ) [38], предназначенные для различного подвижного состава (моторвагонный подвижной состав, пассажирские и грузовые электровозы). В САУТ пассажирского поезда для автоматического регулирования скорости и прицельного торможения можно использовать реостатный тормоз электровозов ЧС2Т, ЧС4Т, ЧС6, ЧС7, ЧС8Т, ЧС200, оборудованных системой автоматического регулирования тормозной силы.
Выбор структуры логического элемента и задатчика интенсивности
Логический элемент ЛЭ предназначен для принудительного перевода САР в режим выбега в случае несанкционированного со стороны САР применения электропневматического или пневматического тормоза. Кроме того, по условиям безопасности движения и обеспечения работы системы автоведения, логический элемент блокирует возможность дальнейшего управления поездом до возвращения машинистом рукоятки задатчика скорости в нулевое положение. Блокировка осуществляется в том случае, если давление в тормозных цилиндрах любого моторного вагона превысило величину в 0,6 МПа (сигнал DD = 1, рис. 2.1.).
Логический элемент реализован в виде алгоритма в бортовой системе управления. Блок-схема алгоритма работы логического элемента приведена на рис. 2.4.
При включении системы в блоке 1 (см. рис. 2.4) происходит присвоение начальных значений переменным ЛЭ: Swv — 0 (необходима для контроля за установкой рукоятки задатчика скорости в нулевое положение после каждого вмешательства в работу САР) и indicator = 0 (необходима для включения системы напоминания машинисту о необходимости установки в ноль рукоятки ЗС, на рис. 2.1. не показана). В блоке 2 осуществляется опрос входных портов lex, 2вх и Звх.
В случае выполнения условия блока 3 (не применено электропневматическое (пневматическое) торможение в обход САР скорости), управление передаётся блоку 4. В случае выполнения условия блока 4 управление пере-даётся блоку 8. В блоке 8 происходит присвоение величин величины v3 = v3 и Vibeg = Vibeg .
При невыполнении условия блоков 3 и 4 управление передаётся блоку 5, в котором проверяется условие установки рукоятки ЗС в нулевое положе 37. ниє. При невыполнении условия блока 5 (рукоятка ЗС не была переведена в ноль) управление передаётся блоку 7, в котором происходит присвоение переменных Swv = 1 и indicator = 1. В противном случае (рукоятка ЗС была переведена в ноль) происходит обнуление переменных Sw v = О и indicator = 0. С выходов блоков 6 и 7 управление передаётся блоку 9, в котором происходит присвоение величин v3 — 0 и Vibeg = 1, то есть осуществляется перевод системы в режим выбега.
В блоке 10 происходит запись v3 и Vibeg в выходные порты ЛЭ 1вых, 2вых. С блока 10 управление передаётся блоку 2.
Задатчик интенсивности вводится в схему с целью ограничения темпа изменения какой-либо величины. В работах [33, 37] для обеспечения плавности нарастания заданного значения тока тягового двигателя предлагалось вводить в систему элементы на основе апериодического звена первого порядка ([37], электровозы ВЛ85, ВЛ65) или комбинации звена с насыщением и интегрирующего. Подобные решения обладают рядом недостатков. Так, интенсивность изменения тока (интенсивность изменения силы тяги (торможения)) не может оставаться неизменной. Эта интенсивность зависит от веса поезда, закона изменения силы тяги (торможения) во времени, конечного её значения. Таким образом, фиксация одного значения величины интенсивности, оказавшейся приемлемой в одном случае, может отрицательно сказаться на управлении при изменении параметров поезда и условий движения. Так как результатом дифференцирования переходной функции, соответствующей апериодическому звену первого порядка, будет функция, имеющая разрыв, при использовании в качестве задатчика интенсивности этого звена невозможно выполнить ограничение по плавности хода в переходных режимах движения.
В рамках данной диссертационной работы разработан задатчик интенсивности ЗИ, обеспечивающий разгон (торможение) поезда с ускорением, заданным машинистом или иным способом, а также выполнение ограничений по плавности хода в переходных режимах.
В основе данного устройства лежит апериодическое звено второго порядка. Сам ЗИ должен быть реализован как алгоритм в бортовой микропроцессорной системе управления. Блок-схема алгоритма работы ЗИ приведена
Задатчик интенсивности работает следующим образом. В момент времени, следующий непосредственно за включением системы, в блоке 1 происходит присвоение исходных параметров (см. рис. 2.5): v3 = 0 (заданное значение скорости), а3 = 0, Vibeg = 1 (признак включения режима выбега), Regim = 1 (режимная переменная разгон-торможение), vn = 0 (контрольная переменная, необходимая для контроля за изменением величины заданной скорости), Sw = О (контрольная переменная, необходима для контроля за переходом системы в режим выбега), Swl = 0 (контрольная переменная, необходима для контроля за изменением ускорения (набор-сброс)), t\ = 0 (внутреннее время ЗИ). Машинист с помощью задатчика скорости 3v (см. рис. 2.1.) устанавливает заданное значение скорости v3, с помощью реверсивно-режимной рукоятки РР - режим движения Vibeg - выбег или работа. Величина заданного ускорения а3 вводится с задатчика ускорения За КМ. Опрос этих сигналов со входных портов и запись в память ЗИ происходит в блоке 2.
В зависимости от значения величины Vibeg, поступающей на вход блока 3, осуществляется выбор режима движения локомотива - разгон (торможение) или выбег. В случае невыполнения условия блока 3 управление передаётся блоку 4, в котором осуществляется контроль за изменениями величины заданной скорости v3. При её изменении (удовлетворении условия блока 4) в блоке 5 проверяется соотношение величин заданной v3 и фактической Уф скоростей, а также величины т, определяемой в блоке 31 и зависящей от величины заданного ускорения а3. В случае неудовлетворения условий блоков 4 и 5 изменения режима движения (разгон - торможение) не происходит и управление передаётся блоку 8, из которого управление передаётся блокам 9 и 10 в зависимости от текущего режима движения (разгон - торможение).
Математическая модель САР скорости движения применительно к задаче многокритериальной оптимизации
Для исследования переходных режимов движения поезда разработан целый ряд моделей, отражающих те или иные особенности объекта исследования. В теории электрической тяги и в тяговых расчётах используется, как правило, точечная модель поезда, в которой поезд рассматривается как твёрдое тело с массой га, сосредоточенной в его центре масс. Уравнение движения поезда, представленного такой моделью, описывается уравнением: (l + -y)-m- — = F-W-B, (2.19) где 1 + 7 - коэффициент инерции вращающихся частей поезда; га - масса поезда; v - скорость движения поезда; F - сила тяги; W - сила сопротивления движению; В - сила торможения. В данной работе эта модель используется только для предварительных расчётов по определению параметров регулятора скорости. После этого, для определения продольных динамических сил в составе поезда и, при необходимости, корректировки параметров регулятора использована модель поезда как системы твёрдых тел.
На основе анализа различных моделей, описывающих поезд как систему твёрдых тел, выполненного в главе 1, выбрана модель, позволяющая исследовать волновые процессы не только в поезде, но и в каждом экипаже. В этой модели при описания поезда как системы твёрдых тел используется метод прямого математического моделирования (ПММ), над использованием которого применительно к решении задачи продольной динамики поезда длительное время велась работа во ВЗИИТе [17] под руководством Ю.И. Пер-шица.
Представим поезд в виде одномерной системы из N упруго-инерционных элементов конечной длины AXJ (j = 1,.. . , N), соединённых безынерционными граничными связями (j — 1,7V — 1) (рис. 2.12). В дальнейшем любые внутренние силы в системе будут обозначаться Р (положительные при сжатии), скорости - v (положительно направленные противоположно оси ж), деформации - є. В качестве структурного элемента j может быть выбран целый вагон (или его часть). При этом реальный вагон заменяем сплошным однородным упругим стержнем, для которого считаем известными массу rrij, длину lj, площадь поперечного сечения Fj, модуль упругости Ej. В пределах каждого элемента инерционные, геометрические и упругие характеристики постоянны, при переходе к другим элементам они могут меняться.
В соответствии с допущениями метода ПММ примем, что в момент времени tj-i элемент j находится в однородном напряжённо-инерционном состоянии, т.е. во всех сечениях j -ro элемента действуют одинаковые продольные силы PjQ, имеются относительные деформации SJQ, и элемент движется в продольном направлении со скоростью VjQ. В частности, это допущение выполняется в начальный момент времени t = 0, когда поезд покоится Vj0 = 0, или движется с заданной постоянной скоростью.
Пусть в течении некоторого малого, но конечного промежутка времени At = tj — tj-i на правой и левой границах элемента j действуют произвольные постоянные внутренние усилия Р- , которым соответствует ,± р. деформация Ej = F Е,, а сами границы перемещаются с постоянными скоростями V- . Эти возмущения, возникающие в начале данного временного этапа, распространяются от границ внутрь элемента с некоторой скоростью Cj.
Применяя законы сохранения импульса и массы (в интегральной форме), а также закон Гука, запишем уравнения распространения волны по К моменту времени tj = tj-i + At возмущения распространяются до противоположных границ и по всему элементу AXJ установятся новые значения Pj, Vj и Ej.Элемент снова окажется в однородном одноосно НЭПрЯЖёННОМ СОСТОЯНИИ, НО При НОВЫХ PjQ = Pj, VjQ — Vj и SJQ = Ej.
Рассмотрим условия взаимодействия двух смежных элементов в течении времени At, если между ними нет каких-либо соединяющих устройств, т.е. модель поезда представляет собой упругий стержень. На рис. 2.13 показаны два соседних элемента j — 1 и j. Каждый из них в начале этапа At характеризуется своими параметрами однородного одноосного напряжённо-инерционного состояния. Значения усилий и скоростей на границах Pj_i и Р.
В данной работе принято, что экипаж (вагон) состоит не менее чем из двух элементов. Тогда каждый экипаж всегда имеет не менее 3-х граничных связей: двух связей, соединяющих его с соседними экипажами, и не менее одной внутренней связи.
Элементы, входящие в один экипаж, одинаковы. Однако элементы различных экипажей могут отличаться массой т = pFl, длиной I, жёсткостью G = EF/1, а, следовательно, и скоростью распространения упругой волны с = JЕ/р = Іл/G/m. Одинаковым должно быть время At прохода волны по каждому элементу. В однородных поездах это требование выполняется автоматически. В неоднородных поездах для каждого экипажа j3 существует своё фактическое время прохода волны
При расчёте граничной связи, на которую воздействуют силы сопротивления, тяги и торможения будем считать, что суммарное внешнее усилие FfH приложено к внутреннему сечению г- . Также к этой границе прило-жена масса груза mjp Граница такого типа изображена на рис. 2.14. При этом будем считать, что внешние усилия заданы и являются постоянным в течении времени At, т.е. FJn = FJn . При этом jij-i = Pj = Pj3, так как граница і А - внутренняя.
Анализ совместной работы тягового электропривода и электропневматического тормоза
Пробные расчёты показали, что принятые в результате решения задачи многокритериальной оптимизации параметры регулятора А;рег и Трег не удовлетворяют условию совместной работы электрического и электропневматического тормозов. В процессе торможения из-за наличия значительного интервала между переключениями электровоздухораспределителей на выходе регулятора скорости имели место весьма значительные колебания величины заданной силы тяги (торможения) F3aa (Взад). В результате этого при управлении электропневматическим тормозом происходило чередование ступеней торможения с максимальной тормозной силой (Ртц = 4 кгс/см ) и полного отпуска. При этом, чтобы компенсировать возросшую тормозную силу, реализуемую электропневматическим тормозом, происходило уменьшение величины тормозной силы, реализуемой электрическим тормозом и даже, в зависимости от профиля пути, на котором осуществлялось моделирование движения поезда и скорости, переход тягового электропривода в режим тяги.
С целью ликвидации этого явления по результатам многокритериальной оптимизации на множестве Парето были выбраны новые параметры регулятора крег = 1500 и Трег — 2,334 (см. точку JV—1 в табл. З.1.). Выбранные параметры регулятора обеспечили высокое качество регулирования скорости в режиме торможения при совместном действии электрического и электропневматического тормозов, что будет показано ниже. Кроме того, эти параметры регулятора в режиме не ухудшают показатели качества регулирования в режиме тяги и электрического торможения, как это показано на рис. 3.7 — 3.8.
На рис. 4.4 приведены результаты моделирования движения высокоскоростного электропоезда по уклону 10/оО в режиме стабилизации скорости на уровне 120 км/ч. При моделировании предполагалось, что задействованы только электропневматические тормоза, причём управление осуществляется всеми вагонами одновременно. На рис. 4.4, а представлена кривая скорости, имеющей колебательный характер с изменением фактической скорости в пределах от +0,05 до +0,15 км/ч относительно заданного значения с частотой и 0, 44 Гц.
Такой же колебательный характер имеют кривые а (рис. 4.4, б) и h (рис. 4.4, е), причём величина ускорения в режиме стабилизации скорости при движении по спуску остаётся в пределах ±0,05 м/с2, а величина показателя плавности хода h меняется в пределах от —0,32 до 0, 14 м/с3. Колебательный характер этих процессов объясняется тем, что процесс электропневматического торможения (механического) является неустойчивым [51], поэтому для поддержания скорости при движении по спуску необходимо чередование ступеней торможения и отпуска (рис. 4.4, г).
На рис. 4.5 приведена блок-схема алгоритма вычисления величины давления в тормозных цилиндрах электропоезда в случае повагонного управления торможением, что принято для высокоскоростного электропоезда «Сокол»
В блоке 1 происходит опрос входных портов lex и 2вх. В блоке 2 осуществляется присвоение переменных С = 1 (номер вагона, общее число прицепных вагонов равно N JJoach) и SwStupen = 0 (признак завершения процедуры определения заданных величин давления в тормозных цилиндрах прицепных вагонов). В блоках 3 и 4 выполняется присвоение величин Ртц зад С = 0 (величина давления в тормозных цилиндрах С-го вагона), POWQ = 0 (ожидаемая величина тормозной силы С-го вагона).
После выполнения блоков 3 и 4 управление передаётся блоку 5, в котором происходит выбор номера вагона и номера ступени торможения п. При этом значение п = 1 соответствует отпуску, а п = 2 - первой ступени торможения. Общее количество ступеней торможения составляет птах. В блоке б происходит выбор величины давления С-го вагона на гг-ой ступени торможения и вычисление ожидаемой тормозной силы С-го вагона по формуле (2.14). В блоке 7 вычисляется тормозная сила всех прицепных вагонов Bs.
В блоке 8 проверяется соотношение ожидаемой тормозной силы Bs и величины заданной тормозной силы Взад пн. При выполнении условия блока 8 (Bs Дзад пн) управление передаётся блоку 9, в котором осуществляется переприсвоение признака завершения процедуры определения давления SwStupen = 1, величина давления в тормозных цилиндрах С-го вагона принимается соответствующей п — 1 ступени (для выполнения условия (4.1)). Кроме этого, в блоке 9 вычисляется величина ожидаемой тормозной силы С-го вагона POWQ С новым значением давления в тормозных цилиндрах. С выхода блока 9 управление передаётся блоку 15, в котором проверяется условие завершения процедуры определения давления в тормозных цилиндрах поезда.
В случае невыполнения условия блока 8 управление передаётся блоку 10, в котором осуществляется переход к следующему вагону. В блоке 11 проверяется условие прихода расчёта давления на ступени торможения к последнему вагону. При выполнении условия блока 11 управление передаётся блоку 12, в котором осуществляется возврат расчёта к первому вагону и увеличение ступени торможения п. С выхода блока 12 управление передаётся блоку 13, в котором происходит контроль за номером ступени торможения. Выполнение условия блока 13 говорит о том, что электропневматический тормоз не может реализовать величину заданной тормозной силы B3aR пн. При этом в блоке 14 ступени торможения присваивается максимально допустимый номер п = птах и, кроме того,происходит переприсвоение признака завершения процедуры определения давления SwStupen = 1.
При невыполнении условий блоков 11 или 13 управление передаётся блоку 15. В случае невыполнения условия блока 15 управление передаётся блоку 6, после чего цикл расчётов повторяется для другого вагона и той-же ступени торможения или другого вагона и следующей ступени торможения. В случае выполнения условия блока 15 управление передаётся блоку 16, в котором осуществляется запись результатов расчётов в выходной порт 1вых.
На рис. 4.6 приведены результаты моделирования движения высокоскоростного электропоезда по уклону 10 /00 в режиме стабилизации скорости на уровне 120 км/ч. При моделировании предполагалось, что задействованы только электропневматические тормоза прицепных вагонов, причём управление осуществляется каждым вагоном отдельно. На рис. 4.6, а приведена кривая скорости. По сравнению с рис. 4.4, а частота колебаний кривой скорости уменьшилась в 2 раза и составила 0, 22 Гц. Амплитуда колебаний кривой скорости также уменьшилась примерно в 2 раза. Величина ускорения (рис. 4.6, б) в режиме стабилизации скорости при движении по спуску остаётся в пределах ±0, 025 м/с2, а величина показателя плавности
