Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение качества управления перевозками на транспорте в значительной мэре может быть достигнуто за счет использования средств автоматики и вычислительной техники. Процесс управления движением поезда относится к наиболее распространенным и ответственным технологическим процессам на железнодорожном транспорте. Его полная или частичная автоматизация достигается с помогла систем автоведония поездов (САЗП). Цельп такого рода систем является улучшение использования пропускной способности 2.д.. линий, снижение расхода' электроэнергии (топлива) на тягу, повышение безопасности движения и облегчение условий труда локомотивных бригад.
Большинство разработанных для магистральных железных дорог САВП являются программными системами, в которых выбор режима ведения поезда осуществляется на основе рассчнташшх заранее программ. Используемые в них алгоритмы управления, однако, не обеспечивают требуемое качество управления в случае изменения условий пропуска поезда по перегону (назначение или отмена ограничений скорости по предупреждениям, задержка на станции отправления и т.п.). Поэтому актуальной является задача повышения качества управления поездом путем создания САВП, не требуяцих для своей работы заранее составленных программ ведения поезда. В этом случае расчет программы производится непосредственно на борту, в реальном маситзбе времени. Поскольку основой для построения указанных нрограмм_ является тяговый расчет, то такие системы называются системами автоведения поездов с упреждэвдим тяговым расчетом (САВП-УГР).
- 4 -Тяговый расчет, выполняемый в САВП-УТР, имеет
существенные особенности. Дело в том, что графиковое время
хода, как правило, больше минимально возможного, поскольку для
управления движением поездов необходим резерв, позволящий
компенсировать возмущающие воздействия. Поэтому задача
построения кривой движения поезда не может быть решена
однозначно (за исключением коротких перегонов городских и
пригородных железных дорог и метрополитенов, где время хода по
перегону определяется только точкой отключения тяги). На
магистральных дорогах, для которых характерны длинные перегоны
со сложным профилем и наличием локальных ограничений скорости,
приходится выбирать одну из многих возможных кривых движения,
удовлетворяющих заданному времени хода. Критерием выбора
является величина энергозатрат, необходимых для реализации той
или иной кривой движения, т.е. процедура упреждающего тягового
расчета должна предусматривать оптимизацию режимов управления
тяговым подвижным составом по энергетическому критерии. Такие
системы, предложенные в данной диссертации, названы системами
автоведения поездов с упреждающим оптимальным тяговым расчетом
(САВП-УОТР). Представленный в диссертации анализ известных
методов расчета оптимальных режимов управления тяговым.
подвижным составом показал необходимость разработки новых
методов, сочетающих требуемую точность расчетов с высоким
быстродействием, достаточным для их выполнения в реальном
масштабе времени, а также создание на их основе
математического обеспечения микропроцессорных САВП-УОТР.
Задача определения оптимальных режимов управления тяговым
подвижным составом является актуальной и за рамками проблемы
автоматизации процесса ведения поезда. Повышение цен на
энергоносители требует проведения комплекса организационно-технических мероприятия, направленных на уменьшение расхода электроэнергия и топлива на тягу поездов. В частности, к таким мероприятиям относятся: расчет рациональных значений перегонных времен хода для разработки графика движения, своевременное составление и широкое использование режимных карт, оперативная оценка резервов снижения энергозатрат на тягу поездов и выработки рекомендаций по их реализации. При планировании и проведении'таких мероприятий также необходимы новые методы оптимизации режимов ведения поезда, обеспечивающие выполнение оптимальных тягових расчетов на ПЭВМ"
В УСЛОВИЯХ ЛОКОМОТИВНЫХ ДЄПО, Отделений И служб Ж8Л93ННХ
дорог.
Целью работы является решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, заключающейся в разработке новых методов оптимизации режимов управления тяговым подвижным составом, позволявших вести расчет оптимальной кривой движения поезда в реальном масштабе времени, и в создании на их основе алгоритмов управления для микропроцессорных САВП-УОТР и специализированного программного обеспечения для проведения оптимальных тяговых расчетов на ПЭВМ.
Методы исследования. Предложенные в работе методы расчета оптимальной кривой движения поезда основаны на использовании математической теории оптимального управления, теории дифференциальных уравнений и теории тяги. Для исследования оптимальных режимов и алгоритмов управления тяговым подвижным составом использованы метода имитационного моделирования на
ЭВМ. математической статистики и экспериментальные исследования в эксплуатационных условиях.
Научная новизна. Разработан новый тип систем автоведения (САВП-УОТР), в которых режим ведения поезда выбирается на основе периодически повторяемого расчета оптимальной кривой движения поезда, проводимого для оставшейся части перегона исходя из фактических значений скорости и времени хода в текучей точке пути.
Разработаны теоретические основы оптимального управления тяговым подвижным составом, позволившие создать новые аналитические методы оптимизации режимов ведения поезда по энергетическому критерию, сочетающие необходимую точность расчета с высоким быстродействием, достаточным для организации вычислений в реальном масштабе времени.
Поставленные задачи решены как для электрической (в том числе с учетом возврата электроэнергии при рекуперативном торможении и ее дополнительных потерь при реостатном пуске), так и для тепловозной тяги. При решении перечисленных задач учитывались нелинейность и нестационарность об'єкта управления, а также наличие нестационарных ограничений на Фазовые координаты.
Предложены и исследованы приближенные методы синтеза оптимальной кривой движения поезда, позволялдие существенно увеличить скорость расчетов.
Поставлена и решена задача оптимального управления движением поезда при наличии на расчетном участке нескольких точек контроля времени (при безостановочном проходе промежуточных станций).
На основе предложенных методов оптимизации управления
тягошм подвижным " составом разработаны алгоритмы регулирования времени хода для САВП-УОТР пассажирских поездов с электрическое тягой. С помощьэ пмнтзционного моделирования проведено исследование этих алгоритмов, позволившее Еыбрать их параметры л дать рекомендацій по их применэнию на обычных и высокоскоростных линиях.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработаны принципы построения мнкропроцэссорных САВП-УОТР для магистральных железных дорог; алгоритмы расчета оптимальных кривых движения поезда, обеспечивающие выполнение всех вычислений в реальном масптабе времени; алгоритмы регулирования времени хода и скорости пассажирских поездов; методы построения информационного обеспечения САВП-УСТР, а также сформулированы требования к трактам измерения параметров движения и аппаратному обеспечении этих систем. Полученные результаты могут быть использованы специалистами проектных и научно-исследовательских организации железнодорожного транспорта и транспортного маыиностроешш при разработка и проектировании систем автоведеяия для различных -типов тягового подвижного состава.
Методы оптимизации, математическое и программное обеспечение, разработанное для производства " оптимальных тяговых расчетов нэ ПЭВМ, могут быть использованы различными эксплуатавдоннымн службами железных дорог при планировании и проведении организационно-технических мероприятии по снижении расхода электроэнергии и топлива на тягу поездов.
Реализация результатов работы. Научные положения и еыводы диссертации были использованы в научно-исследовательской
..-8-лаборатории "Автоматическое управление движением поездов"
московского государственного университета путей сообщения
(МЖГ) при разработке тем,, выполненных по приказу Министра
путей сообщения: "микропроцессорная система автоведения
скоростных пассажирских электровозов" (1981-1988 г.г.),
"Разработка программ оперативного расчета на микроэвм в
локомотивном депо оптимальных режимов управления
электроподвижным составом с учетом реальных условий пропуска
поездов по участкам" (1988-1990 г.г.). "Разработка типового
комплекса программ для производства оптимальных тяговых
расчетов на IBM-совместимых ПЭВМ" (1992 - 1993г.г.) и
хоздоговорных тем, выполняемых по плану института.
Предложенные в диссертации алгоритмы управления, принципы построения программного и технического обеспечения САВП была положены в основу разработанной под руководством и при участии автора микропроцессорной системы автоведения скоростного пассажирского электровозе ЧС200, опытные образцы которой были испытаны в эксплуатационных условиях на Октябрьской ж.д.
Методы оптимизации режимов управления движением поезда, алгоритмы регулирования времени хода, принципы построения информационной базы и требования к трактам измерения параметров движения поезда были использованы во Всесоюзном научно-исследовательском тепловозном институте при разработке подсистемы автоведения для автоматизированной системы управления и безопасности локомотивов (АСУБ-локомотив). Результаты исследования были применены и при ' разработке эскизного проекта комплекса технических средств управления движением поездов для высокоскоростной магистрали Центр-Юг.
На основе предложенных в диссертации методов расчета
оптимальных режимов управления поездом под руководством и прл участии автора были разработаны комплексы программ .для оптимальных тяговых расчетов, введеиные в промышленную эксплуатацию на Московской, Октябрьской, Восточно-Сибирской л Цэлинной ж.д. Отраслевой "Программой основных направлений работы по энергосбережении на ж.д. транспорте в условиях либерализации цен на энергоносители" предусмотрено дальнейшее распространение этих комплексов на железных дорогах России.
Результаты диссертационной работы используются в курсе лекций "Системы автоЕэдения поездов" В KfoCKOBCKOM государственном университете путей сообщения.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на:
- IX и X Всесоюзных совещаниях по проблемам управления
(Ереван, 1983, Алма-Ата, 1936 );
Ті трзнспортном конгрессе {Дрезден, 1934):
Всесоюзной конференции "Пути совершенствования транспортного процесса и управления транспортом" (Гомель, 1935);
Научно-технической конференции "Совершенствование форм управления режимами топливно-энергетических ресурсов на железнодорожном транспорте" (Кк>сква, 1988);
Всесоюзной научно-технической конференции "микропроцессорные системы и устройства управления ответственными технологическими процессами" (Москва, 1989):
Y научной конференции института транспорта Варшавского политехнического университета (Варсавз, 1990);
Всесоюзной научно-практической конференции "Научно-технический прогресс и перспективы развития
..-10-
специализированяых видов транспорта" (Москва, 1990);
Заседании топхивно - теплотехнической секции научно-технического совета МПС* (Москва, 1993);
Заседаниях кафедры "Автоматика и телемеханика" Московского государственного университета путей сообщения (МШИ) (1989, 1991, 1993- г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 монографии, 33 статьи, получено 2 авторских свидетельства.
Об'єм работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Работа содержит 211 страниц машинописного текста, 20 таблиц, 64 иллюстрации, 212 наименований библиографии, 3 приложения.
