Введение к работе
Актуальность работы. Одним из ключевых направлений модернизации экономики современного государства, в том числе и РФ, является энергоэффективность. ОАО «РЖД» приняла и реализует энергетическую стратегию энергосбережения в перевозочном процессе, одним из направлений которой, является обновление локомотивного парка более эффективным тяговым подвижным составом (ТПС), оборудованным микропроцессорными системами управления локомотивом (МСУЛ).
Применение МСУЛ позволяет улучшить технические характеристики и потребительские свойства ТПС, в частности, экономичность. Кроме того, появляется возможность формулировать задачи, решение которых требует обработки больших объемов измерительной информации непосредственно на борту ТПС.
Переход на современные информационные технологии позволяет разработчикам создавать системы автоматического управления (САУ) ТПС, в том числе и системы автоведения, которые позволяют посредством автоматизации процесса управления ТПС повысить его энергоэффективность.
Повышение энергетической эффективности процесса управления ТПС и его автоматизация на железнодорожном транспорте - сложная и многогранная проблема. В разное время ее решению посвящены результаты работ видных ученых: В.М. Бабича, Л.А. Баранова, Ю.В. Бушненко, ЯМ. Головичера, Е.В. Ерофеева, Я.Б. Кудрявцева, A.M. Костромина, А. Л. Лисицина, ЛА. Мугинштейна, ВА. Нехаева, Б.Д. Никифорова, А.В. Плакса, BE. Розен-фельда, А.Н. Савоськина, Е.В. Фаминского, В.П. Феоктистова, ИА. Ябко и др.
Однако в отношении энергосбережения эффективность работы систем автоведения еще не достигла потенциально возможного уровня. Опыт эксплуатации Московской железной дорогой парка ТПС, оборудованного системой автоведения, показал, что высококвалифицированные машинисты превосходят эту систему по энергоэффективности. Это связано с тем, что опытный машинист «чувствует» поезд и на основе этого ощущения управляет им. В современ-
ных системах автоведения, при построении законов управления, используются среднестатистические характеристики тягового оборудования. Эффективность, в том числе и энергетическая эффективность, процесса управления в значительной степени зависит от точности знания параметров, характеризующих состояние ТПС как объекта управления (ОУ). Неточное знание параметров ОУ, в частности, сил тяги и электрического торможения, снижает энергоэффективность процесса управления ТПС и систем автоведения.
Проявление силы тяги или электрического торможения обуславливается характеристиками тягового оборудования, которые меняются случайным образом в ходе эксплуатации ТПС и отличаются от номинальных характеристик, полученных при выпуске ТПС с завода.
Расхождение характеристик колесно-моторных блоков приводит к ухудшению тягово-энергетических показателей, характеризующих работу ТПС.
Исследования в области теории тяги, направленные на уточнение и стабилизацию характеристик, выполнены известными учеными И.П. Исаевым, Д.К. Миновым, В.А. Раковым, Н.И. Ливенцевым, Д.Р. Какабадзе и др.
В 2010 г на совместном заседании секции локомотивного хозяйства и топливно-энергетической секции Научно-технического совета ОАО «РЖД» были определены пути повышение энергоэффективности ТПС, одним из которых является совершенствование систем автоведения посредством оперативного уточнения на борту локомотива основного сопротивления движению, тяговых и тормозных характеристик, являющихся фактическими характеристиками ТПС.
Таким образом, определение сил тяги и электрического торможения электровоза в процессе движения является актуальной научной задачей для железнодорожного транспорта. Ее решение позволит повысить энергоэффективность процесса управления локомотивом.
Целью диссертационной работы является повышение энергоэффективности процесса управления электровозом.
Для достижения поставленной цели необходимо в процессе движения поезда уточнять силу тяги или электрического торможения электровоза.
Научная новизна работы.
Предложенная автором методика отличается от ранее известных методик определения сил тяги или электрического торможения электровоза тем, что для повышения точности и скорости сходимости определения фактической силы тяги или электрического торможения впервые предложено использовать результаты накапливаемых измерений электрических и динамических параметров в процессе движения электровоза, а также уточняемую априорную информацию об оцениваемых параметрах магнитной характеристики тягового двигателя.
Подтверждено, что применение разработанных: методики оперативного определения сил тяги и электрического торможения электровоза и стохастической модели его сил тяги и электрического торможения дает возможность экономить электроэнергию на тягу поездов.
На защиту выносятся следующие результаты:
стохастическая модель сил тяги и электрического торможения электровоза (СМСТЭ), отличающаяся тем, что фактическая сила тяги или электрического торможения функционально зависит от результатов измерений динамических и электрических параметров, содержащих погрешности, а также параметров, характеризующих ее проявление, случайным образом изменяющихся во времени;
методика оперативного определения сил тяги или электрического торможения электровоза в процессе движения поезда на основе измерительной информации МСУЛ без использования дополнительных аппаратных средств.
Методы исследования. При выполнении исследований использованы аппараты теории электрической тяги, автоматического управления, теории вероятностей, математической статистики, идентификации, оценивания, а также средства математического моделирования движения поезда.
Объектом исследования являются силы тяги и электрического торможения электровоза постоянного тока с независимым возбуждением коллекторных тяговых электродвигателей и цифровой системой управления.
Предметом исследования являются способы определения фактической силы тяги или электрического торможения в процессе движения электровоза.
Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью и обоснованностью применения апробированного математического аппарата и удовлетворительной сходимостью результатов имитационного моделирования с экспериментальными данными эксплуатации электровозов серии 2ЭС6 на Свердловской и Западно-Сибирской ж.д.
Практическая значимость результатов исследования состоит в том, что использование СМСТЭ и методики оперативного определения силы тяги и электрического торможения электровоза в процессе движения позволило снизить энергетические затраты на тягу поездов до 9%, что подтверждено результатами математического моделирования.
Реализация результатов работы. Результаты работы будут использованы при совершенствовании подсистемы автоведения МПСУиД электровоза 2ЭС6, что письменно подтверждено разработчиком МПСУиД 2ЭС6 ООО "Научно-производственным объединением САУТ" (000 "НПО САУТ").
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались:
-
на научных конференциях молодых ученых и аспирантов ОАО «ВНИИЖТ» в 2010 и 2011гг.;
-
на конкурсах диссертационных работ ОАО «ВНИИЖТ» в 2009 и 2010 гг.;
-
на научно-практической конференции «Неделя науки-2010 «Наука МИИТа-транспорту», Москва, МИИТ, 2010 г.;
-
на Ш-й Традиционной всероссийской молодежной летней школе «Управление, информация и оптимизация» (п. Ярополец, 2011);
5. на научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 95-летию ОАО "ВНИИЖТ" (г. Щербинка, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе в 3-х рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобр-науки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 138 страницах, в том числе 85 страниц основного текста, 19 рисунков, 21 таблица и 26 страниц приложения.
