Введение к работе
Актуальность проблемы. Современное развитие техники и технологии предполагает создание сложных многомерных нелинейных систем, регулирование координат которых представляется непростой задачей. Сложность здесь заключается не только в самом управлении подобными системами, но и связана она с все возрастающими требованиями к их регулированию. Другими словами, подобными системами нужно не просто управлять, учитывая их нелинейности, многомерность и перекрестные связи, но и управлять «качественно», обеспечивая асимптотическую устойчивость во всей области координат и инвариантность к внешним возмущающим воздействиям. Но при этом, рассматриваемые системы должны быть энергоэф- фективны, обеспечивая в процессе своего функционирования минимизацию потерь энергии или расхода вещества.
Одним из ключевых направлений на сегодняшний день, содержащих объекты и задачи описанного класса, - транспортные, и в частности, тяговые электромеханические системы (ЭМС). Не секрет, что наиболее перспективным классом электроприводов, применяемым в данной сфере, является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗР). Это связано с тем обстоятельством, что он обладает рядом преимуществ в сравнении другими ЭМС, среди которых: небольшие габариты и масса, высокая удельная мощность и КПД, простая конструкция и, как следствие, низкая стоимость изготовления и обслуживания.
Не смотря на значительные достижения современной теории управления, в настоящее время в подавляющем большинстве случаев, в указанных выше системах применяются регуляторы, в основе которых заложена линеаризация математических моделей рассматриваемых объектов, сепарирование каналов управления. Это, естественно, в свою очередь негативно сказывается на способности синтезированных систем отвечать, предъявляемым к ним, требованиям.
Значительные результаты в решении данной проблемы достигнуты в рамках научной школы Р.Т. Шрейнера с применением методов экстремального управления. Данный подход позволил решить рассматриваемую задачу лишь отчасти, что связано с упрощением математических моделей двигателя и критериев качества при нахождении управляющих воздействий. Как следствие, практическое применение критерия минимума электромагнитных потерь привода, предложенного в рамках данного подхода, ограничено незначительным диапазоном изменения момента и скорости.
В работах В.И. Уткина, В.А. Уткина, С.А. Красновой развит подход с применением скользящих 'режимов в задачах управления. Способ регулирования с использованием скольжения обладает высокой надежностью и предполагает вынуждающее управление, при котором процесс «заставляют» протекать по определенной динамической траектории, задаваемой разработчиком, что может быть, в некоторой степени, неестественным для системы. И как следствие, недостаточная гладкость регулирующего воздействия может быть источником колебаний в реальных скользящих режимах, которые в свою очередь приводят к нагрузкам в системе.
В рамках данной работы рассматривается проблема управления тяговым электродвигателем локомотива, которая представляет собой задачу более сложную, чем синтез регулятора электропривода автомобиля, например. Это связано с особенностями сцепления колес с полотном рельса и необходимостью предотвращения эффектов «боксования». В работах П.Г. Колпахчьяна указывается на том, что применяемые в современном железнодорожном транспорте системы автоматического управления тяговыми двигателями (ТД) «заняты» формированием момента тяги, при этом значение указанной величины выбирается машинистом на основе визуальной оценки качества сцепления рельсового полотна. Отдельная подсистема отслеживает ускорение вращения колесных пар (КП) и в нужный момент сбрасывает момент тяги, чем удается избежать боксования КП.
На сегодняшний день в нашей стране нет систем управления асинхронными тяговыми двигателями (АТД), решающих перечисленные задачи комплексно: обеспечивая поддержание заданной скорости движения состава, предотвращая боксование КП, обеспечивая минимизацию потерь энергии двигателя, а также устойчивость синтезированных систем к внешним возмущающим воздействиям.
Таким образом, тема диссертации - синергетическое управление асинхронным тяговым электроприводом транспортных систем является актуальной.
Целью работы является разработка синергетического метода синтеза нелинейных алгоритмов управления АТД подвижного состава, включающих стабилизацию скорости вращения КП, защиту об боксования и обеспечивающих минимизацию потерь энергии электропривода.
Направление исследований. В соответствии с поставленной целью в работе решены следующие основные задачи:
Сформирована нелинейная математическая модель АТД, учитывающая динамику АДКЗР, а также взаимодействия в подсистеме «тяговый привод - колесная пара - путь»;
Разработана новая структура адаптивной системы управления и наблюдения координат нелинейных ЭМС на базе АЭП;
Предложен прикладной метод синергетического синтеза общих законов векторного управления АЭП;
Разработаны алгоритмы синергетического синтеза наблюдателей неизмеряемых координат АЭП;
С использованием синергетической теории управления разработан прикладной метод синтеза законов энергосберегающего управления АТД, выполняющих заданную технологическую задачу - поддержание требуемой скорости вращения КП и обеспечивающих минимизацию потери энергии в системе;
С использованием синергетического подхода предложены методы синтеза регулятора тяги в системе «тяговый привод - колесная пара - путь», обеспечивающего стабилизацию угловой скорости вращения КП и поддержание проскальзывание КП относительно полотна рельса в заданном диапазоне, что позволяет исключить эффект «боксова- ния».
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы современной нелинейной динамики, синергети- ческой теории управления, методы формализации моделей механики, положения теории дифференциальных уравнений и методы математического моделирования динамических систем. Исследования динамических свойств синтезированных систем управления осуществлялись в пакете прикладных программ MatLab, синтез регуляторов осуществлялся в пакете Maple.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований и компьютерного моделирования синтезированных систем.
Научная новизна. В работе получены и выносятся на защиту основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
Прикладной метод синергетического синтеза стратегий управления ЭМС на базе АЭП (стр. 7-9);
Процедура синтеза адаптивной системы управления и наблюдения координат нелинейных ЭМС на базе АЭП (стр. 9-10);
Методика синергетического синтеза алгоритмов энергосберегающего управления АТД локомотива (стр. 10-14);
Процедура синергетического синтеза стратегий формирования тяги в системе «тяговый привод - колесная пара - путь» (стр. 14-17).
Практическая ценность работы. Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, могут быть применены для разработки системы управления АТД локомотива и других транспортных средств, комплексно решающей технологические задачи, задачу устойчивости объекта регулирования, проблему боксования.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертации научные и прикладные результаты нашли применение в ОАО «ВНИКТИ» при совершенствовании алгоритмов перспективных систем управления тяговыми электроприводами магистральных тепловозов типа 2ТЭ25А «ВИТЯЗЬ», а также в учебном процессе кафедры синергетики и процессов управления факультета информационной безопасности ТТИ ЮФУ.
Апробация работы. Научные и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (КРЭС-2010), г. Таганрог; 6-й научной конференции «Управление и информационные технологии» (УИТ-2010); Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (ССПС—2011), г. Пятигорск; научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (ЮНЦ РАН, 2011); 4th Chaotic Modeling and Simulation International Conference in Agios Nikolaos, Crete, Greece, May 31-June 3, 2011 (CHAOS 2011); Международной молодежной научной конференции «XXXVII Гагаринские чтения», 2011; Всероссийской научной школы для молодежи «Итоги и перспективы развития Российско-Германского сотрудничества в области мехатроники», 2011; Всероссийской НТК с международным участием: «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (КомТех-2012) г. Таганрог; 5th Chaotic Modeling and Simulation International Conference Athens, Greece, June 12-15 (CHAOS 2012); X Международная Четаевская конференция «Аналитическая механика, устойчивость и управление», Казань, 12-16 июня 2012 г.
Публикации. Всего соискателем по теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 156 наименований, и приложений. Содержание диссертации изложено на 159 страницах и содержит 128 рисунков.
![Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс]](/i/i/4409/168295.png "Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс] Склярова Татьяна Петровна")
