Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ устойчивости работы автоматической локомотивной сигнализации
1.1. Особенности функционирования системы АЛСИ , 12
1.2. Анализ влияния сбоев в работе систем АЛС на процесс движения поездов 17
1.2.1. Одиночные сбои с автостопным торможением 18
1,2.2* Постоянные сбои с автостопным торможением 26
1.3. Анализ сбоев кодовых комбинаций АЛСН устройств КЛУБ и КЛУБ-У 29
1.4. Формулировка задач исследования ,. 32
1.5. Выводы по главе 34
2. Моделирование локомотивных цифровых устройств обработки сигналов АЛСН
2.1. Анализ алгоритма функционирования существующего устройства обработки сигналов АЛСН 36
2.2. Нелинейные методы обработки сигналов систем передачи дискретной информации 39
2.3. Анализ существующих способов защиты от воздействия помех в канале АЛСН 45
2.3.1. Способы защиты от аддитивных импульсных помех 46
2.3.2. Способы защиты от аддитивных синусоидальных помех 48
2.4. Разработка функциональной схемы нелинейного устройства обработки сигналов АЛСН 50
2.5. Метод исследования локомотивных устройств обработки сигналов АЛСН 56
2.6. Разработка имитационных моделей устройств обработки сигналов АЛСН 59
2.6.1. Имитационная модель существующего устройства обработки сигналов АЛСН. 59
2.6.2. Имитационная модель нелинейного устройства обработки сигналов АЛСН 63
2.7, Выводы по главе 66
3. Моделирование внешних воздействий на локомотивные цифровые устройства обработки сигналов АЛСН
3.1. Общие требования к моделям внешних воздействий 67
3,2- Имитационная модель полезного сигнала 68
3.3. Имитационная модель аддитивной флуктуационнои помехи от тягового тока 70
3.4. Имитационная модель аддитивных синусоидальных помех от ЛЭП " 71
3.4.1. Модель помехи прямого влияния ЛЭП на локомотивное устройство обработки сигналов АЛСН 72
3.4.2, Модель помехи косвенного влияния ЛЭП на локомотивное устройство обработки сигналов АЛСН 79
3.5. Имитационная модель импульсных помех от тягового тока 87
3.6. Выводы по главе 101
4. Экспериментальное исследование локомотивных цифровых устройств обработки сигналов АЛСН
4.1. Стратегическое и тактическое планирование экспериментов 103
4.2. Исследование помехозащищенности устройств обработки сигналов АЛСН при воздействии аддитивных флуктуационных помех 107
4.3. Исследование помехозащищенности устройств обработки сигналов АЛСН при воздействии аддитивных импульсных помех. 113
4.4. Исследование помехозащищенности устройств обработки сигналов АЛСН при воздействии аддитивных синусоидальных помехе ."ТТ. 117
4.5. Влияние величины относительного порога решающего устройства на помехозащищенность нелинейного устройства обработки сигналов АЛСН 121
4.6. Результаты испытаний нелинейного устройства обработки сигналов АЛСН в условиях эксплуатации 124
4.7. Оценка результатов работы и рекомендации по их использованию 127
4.8. Выводы по главе 129
Заключение 130
Список использованных источников
- Одиночные сбои с автостопным торможением
- Анализ существующих способов защиты от воздействия помех в канале АЛСН
- Имитационная модель аддитивных синусоидальных помех от ЛЭП
- Исследование помехозащищенности устройств обработки сигналов АЛСН при воздействии аддитивных флуктуационных помех
Введение к работе
В связи со структурным реформированием железнодорожного транспорта значительные усилия направлены на решение задач повышения эффективности работы железных дорог, снижение затрат на перевозки грузов и обеспечение безопасности движения поездов.
Одним из направлений в решении этих задач является комплексное применение средств железнодорожной автоматики на базе микропроцессорной техники [1].
Важную роль в процессе интервального регулирования движения поездов (ИРДП) и обеспечении безопасности этого движения играют системы автоматической локомотивной сигнализации (АЛС) [2-6].
С 1994 г. по сети железных дорог России серийно внедряется комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ), выполненное на микропроцессорной элементной базе. Аппаратура КЛУБ соответствует современным техническим требованиям и сертифицирована. В 1999 г. завершены разработка и полный цикл испытаний унифицированной системы (КЛУБ-У) и начато ее серийное производство. В КЛУБ и КЛУБ-У реализованы функции приема информации по каналам эксплуатируемых в настоящее время систем автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа (АЛСН) и автоматической локомотивной сигнализации единого ряда непрерывного действия (АЛОЕН).
Система АЛСН по ряду своих технических характеристик не соответствует современным требованиям, предъявляемым к системам ИРДП. Амплитудная манипуляция и числовой код, применяемые в ней, характеризуются низкой помехозащищенностью, что проявляется в значительном количестве сбоев в работе системы и, как следствие, приводит к задержкам в движении поездов и повышению затрат на их ведение. Однако ее эксплуатация будет продолжаться в связи с широкой распространенностью, а также невозможностью и экономической нецелесообразностью білстрой и
-б-
повсеместной замены на современную систему АЛС-ЕН. Поэтому возникает необходимость усовершенствования системы АЛСН с целыо повышения
устойчивости ее работы/ . '
Повышение устойчивости работы АЛСН в значительной мере связано с повышением достоверности передаваемой на локомотив по индуктивно-рельсовым линиям (ИРЛ) информации об условиях движения [3].
Индуктивно-рельсовые линии характеризуются значительными уровнями импульсных, флуктуационных и синусоидальных помех, разнообразных по происхождению [4-5,7-8].
В этой связи целью данной работы является разработка локомотивного цифрового устройства обработки сигналов АЛСН повышенной помехозащищенности и на этой основе улучшение технико-экономических показателей системы и повышение безопасности движения железнодорожного транспорта.
Оценка качества разработанного устройства обработки сигналов АЛСН делает актуальной задачу сравнительного исследования его помехозащищенности и помехозащищенности существующего устройства. Традиционные методы исследования связаны с определенными трудностями, т. к. возникает необходимость в проведении значительного объема статистических экспериментов на физических объектах с учетом большого количества факторов, в том числе случайных, что требует значительных затрат времени и средств. Кроме того, в этом случае затруднен контроль условий проведения экспериментов- Поэтому необходимо применение таких методов исследования локомотивных устройств обработки сигналов АЛСН, которые позволили бы решить эту задачу с высокой эффективностью и минимальными затратами.
В соответствии с целью работы были поставлены и решались следующие задачи:
разработка функциональной схемы цифрового локомотивного устройства обработки сигналов АЛСН повышенной помехозащищенности;
исследование помехозащищенности существующего и разработанного локомотивных устройств обработки сигналов АЛСН при воздействии аддитивных помех:
флуктуационных;
импульсных;
синусоидальных;
- исследование влияния характеристик функциональных элементен
разработанного устройства обработки сигналов АЛСН на его
помехозащищенность.
В работе использованы экспериментальные и аналитические методы исследования импульсных помех от постоянного тягового тока в канале АЛСН и синусоидальных помех от высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП), нелинейные методы обработки сигналов систем передачи дискретной информации и статистические методы исследования устройств обработки сигналов АЛСН путем моделирования на ЭВМ.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: 1. Разработана математическая модель движения поездов по участку при наличии сбоев в работе АЛ С с автостопным торможением, позволяющая определять условия задержки поездов на перегоне при автостопном торможении, и оценивать величины этих задержек. 2- Па основе экспериментального исследования импульсных помех от постоянного тягового тока в каналах АЛС разработана их математическая модель, учитывающая взаимосвязь между амплитудами следующих друг за другом импульсов помехи, а также взаимосвязь амплитуды импульса с его длительностью и длительностью последующего интервала.
Разработан новый способ нелинейной обработки сигналов АЛСН, позволяющий за счет применения схемы «широкая полоса-ограничитель-узкая полоса» (ШОУ) с динамическим порогом ограничения и устройства компенсации синусоидальных помех повысить помехозащищенность устройства обработки сигналов АЛСН к воздействию как гауссовых, так и сильных негауссовых помех импульсного и синусоидального характера.
Разработана функциональная схема нелинейного устройства, реализующего предложенный способ обработки сигналов АЛСН и обладающего значительно более высокой помехозащищенностью в сравнении с применяемым в настоящее время в КЛУБ устройством обработки сигналов АЛСН.
Разработаны имитационные модели синусоидальных помех от ЛЭП и импульсных помех от постоянного тягового тока в каналах АЛС, а также имитационные модели существующего устройства обработки сигналов АЛСН, применяемого в КЛУБ, и нелинейного устройства, позволяющие в динамике исследовать влияние этих видов помех на функционирование данных устройств.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель импульсных помех от постоянного тягового тока в каналах АЛС, учитывающая взаимосвязь амплитуд следующих друг за другом импульсов помехи, а также взаимосвязь амплитуды импульса с его длительностью и длительностью последующего интервала.
Способ нелинейной обработки сигналов АЛСН с применением схемы ШОУ с динамическим порогом ограничения и устройства динамической компенсации синусоидальных помех.
Нелинейное устройство обработки сигналов АЛСН, характеризующееся более высокой помехозащищенностью в
сравнении с применяемым в настоящее время в КЛУБ и КЛУБ-У устройством, 4. Имитационные модели синусоидальных помех от ЛЭП и импульсных помех от постоянного тягового тока в каналах АЛС, а также имитационные модели существующего локомотивного цифрового устройства обработки сигналов АЛСН, применяемого в КЛУБ, и нелинейного устройства. Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Разработано нелинейное устройство обработки сигналов АЛСН, обладающее за счет использования нелинейной обработки более высокой помехозащищенностью при воздействии флуктуационных, импульсных и синусоидальных помех в сравнении с применяемым в настоящее время в КЛУБ и КЛУБ-У устройством и позволяющее значительно повысить устойчивость работы системы АЛСН. Все основные научные результаты и результаты статистического моделирования на ЭВМ, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.
Результаты исследований использованы во ВНИИАС МПС России при выполнении НИОКР по темам 1422 «Усовершенствованное приемное устройство сигналов АЛС для аппаратуры КЛУБ» и 1509 «Оборудование специального самоходного подвижного состава системами безопасности», а также при модернизации серийно выпускаемого оборудования № 36991-00-00 «Устройство безопасности комплексное локомотивное унифицированное КЛУБ-У» и № 36993-00-00 «Аппаратура системы обеспечения безопасности движения специального самоходного подвижного состава I категории КЛУБ-УП». Результаты работы используются в учебном процессе СамГАПС при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ, а также при чтении лекций по курсам, связанным с элементами автоматики и вычислительной техники.
- 10-Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10
печатных работах, из которых одно авторское свидетельство на полезную модель и два положительных решения по заявкам.
Работа выполнена на кафедре «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» Самарской государственной академии путей сообщения.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы - 162 страницы, в том числе 36 иллюстраций, 21 таблица, список литературы из 100 наименований, 4 приложения на 22 страницах.
В первой главе диссертационной работы проведен анализ условий и особенностей функционирования системы АЛСН. Рассмотрено влияние сбоев в работе АЛС на процесс движения поездов, определены условия задержек поездов, возникающих в результате неустойчивой работы АЛС и автостопного торможения поездов на перегоне, и получены оценки величин этих задержек. Рассмотрена статистика сбоев в работе АЛСН устройств КЛУБ и КЛУБ-У и показана низкая помехозащищенность локомотивных устройств АЛСН. В заключении главы сформулированы цели и поставлены задачи исследования.
Вторая глава посвящена анализу функционирования существующего цифрового устройства обработки сигналов АЛСН, применяемого в составе аппаратуры КЛУБ-У, и разработке устройства с повышенной помехозащищенностью к воздействию импульсных и синусоидальных помех. Рассмотрены предлагавшиеся ранее способы защиты от этих видов помех и нелинейные методы обработки сигналов систем передачи дискретной информации, в результате чего предложено использовать для защиты от импульсных помех схему ШОУ с динамическим порогом ограничения, а для защиты от синусоидальных помех разработано устройство их динамической компенсации. Составлена функциональная схема существующего и разработана функциональная схема нелинейного устройств обработки сигналов АЛСН, В качестве метода исследования устройств выбрано имитационное
-u-
моделирование, позволяющее проводить контролируемые эксперименты при условиях, определяемых экспериментатором. Разработаны имитационные модели существующего и нелинейного устройств обработки сигналов АЛСН.
В третьей главе рассмотрены вопросы описания рабочей нагрузки -совокупности внешних воздействий, оказывающих влияние на качество обработки устройствами сигналов АЛСН. В соответствии с задачами исследования в качестве рабочей нагрузки приняты полезный сигнал и аддитивные помехи трех видов: флуктуационные, синусоидальные и импульсные. Проведено экспериментальное исследование импульсных помех от постоянного тягового тока в каналах АЛС и разработана математическая модель импульсной помехи, в которой учитывается взаимосвязь амплитуд следующих друг за другом импульсов помехи, а также взаимосвязь амплитуды импульса с его длительностью и длительностью последующего интервала. Разработаны имитационные модели полезного сигнала и указанных видои помех.
В четвертой главе приводятся результаты сравнительного исследования
существующего и нелинейного устройств обработки сигналов АЛСН.
Рассмотрены вопросы стратегического и тактического планирования
статистических экспериментов на ЭВМ. Получены количественные оценки
помехозащищенности устройств при воздействии аддитивных
флуктуационных, синусоидальных и импульсных помех. Исследовано влияние величины относительного порогового уровня решающего устройства на помехозащищенность нелинейного устройства. Приведены результаты опытной эксплуатации нелинейного устройства.
В заключительном разделе диссертации приведены основные результаты выполненной работы.
Приложения содержат иллюстрации, таблицы и акты об использовании результатов диссертационной работы.
Одиночные сбои с автостопным торможением
В настоящее время наиболее широко распространена на сети железных дорог числовая кодовая система AJICIT с непрерывным каналом связи. Основным ее эксплуатационным недостатком является малый объем передаваемой информации в связи с применением всего трех кодовых комбинаций: «КЖ», «Ж» и «3».
Кроме того, серьезным недостатком системы является отсутствие в ней защиты от приема кодовых сигналов с соседних путей и впередилсжащсго блок-участка, а также при приеме кодовых сигналов, предназначенных для в переди иду ще го поезда, на локомотиве, вступившем на занятый блок-участок (так называемый «эффект двойного шунта»). Инерционность системы, низкая скорость изменения показаний локомотивного светофора и срабатывания тормозов (7-12 с) и ее малая информативность не позволяют использовать эту систему на высокоскоростных участках железных дорог.
В связи с этим специалистами МИИТа и КБ ЦШ была разработана система АЛС частотного типа повышенной помехозащищенности и значности АЛС-ЕН[2, 11].
Для комплексной замены АЛСН и ряда других устройств безопасности в 1994 г, специалистами ВНИИАС МПС РФ, ВНИИЖТ, АО «Ижевский радиозавод» и ООО «Транспортные системы безопасности» разработаны комплексное локомотивное устройство безопасности КЛУБ и его модификация для специального самоходного подвижного состава - КЛУБ-П [2У і 2]. В 1999 г. завершены разработка и полный цикл испытаний унифицированных систем КЛУБ-У и КЛУБ-УП и начато их серийное производство. Поскольку подавляющее большинство железнодорожных линий сети железных дорог России оборудовано системой АЛСН, то в КЛУБ и КЛУБ-У реализованы функции приема как сигналов современной системы АЛОЕН, так и системы АЛСН.
Дальнейшим направлением развития систем ИРДП (и в первую очереди систем АЛС) является расширение их функциональных возможностей и создание единого комплекса систем безопасности на локомотиве, устройств сигнализации, централизации и блокировки и взаимодействующих с ними информационных и телекоммуникационных систем [13].
При этом решения локомотивных устройств АЛС по изменению режимов движения поездов с целью обеспечения их безопасности принимаются на основе информации, поступающей на локомотивы по рельсовым каналам, в которых действует комплекс помех с изменяющимися во времени характеристиками [4-5, 8, 14].
Помехи в каналах АЛС подразделяются на аддитивные и мультипликативные, которые по своему характеру могут быть флуктуационными, импульсными и гармоническими.
Причинами возникновения флуктуационных помех являются изменения во времени уровня тягового тока из-за нарушения контакта между пантографом и контактным проводом при обледенении и окислении проводов, качке кузова локомотива, нарушении контакта между колесом и рельсами при загрязнении поверхности катания рельсов и галопировании локомотива, т,е. являются результатом наложения многих возмущающих воздействий. Как показывают проведенные экспериментальные исследования [4-5, 15-17], флуктуационные помехи имеют, как правило, гауссов закон распределения, нулевое магематическое ожидание и изменяющуюся по времени дисперсию, значения которой колеблются в значительных пределах (от нескольких сотых долей В2 до нескольких В ). Осі тонной причиной возникновения аддитивных импульсных помех являются асимметрия приемного тракта канала АЛСН и изменение по абсолютной величине тягового тока [4-5, 14-19]. Изменения величины тягової о тока в рельсах под локомотивными катушками имеют место в районах изолирующих стыков, стрелочных переводов, изолирующих сопряжений анкерных участков, пересечения проводов контактной сети, подключения отсасывающих линий тяговых подстанций, а также в результате изменения режима работы тяговых двигателей (переключении схем управления двигателями, наборе и сбросе позиций контроллера машиниста), подпрыгивания отдельных колес, вызывающих резкое изменение сопротивления «колесо-рельс» и перераспределение тягового тока в рельсоных нитях (PIT). Импульсные помехи возникают также в результате наводок от других параллельно работающих систем АЛС и АБ, особенно в районах изолирующих стыков, стрелочных переводов, подключения передатчиков рельсоных цепей без изолирующих стыков, от другой аппаратуры рельсовых цепей. Характерной особенностью импульсных помех, вызываемых изменением режима работы тяговых двигателей, является группирование импульсов в пачки.
Основными статистическими характеристиками импульсных помех являются плотности распределения вероятностей (ПРВ) амплитуд импульсов, их длительностей и длительностей временных интервалов между ними. Как правило, распределение амплитуд импульсных помех имеет негауссов характер. Длительности импульсных помех, их количество в пачке, а также интервалы между ними также являются случайными величинами с негауссовыми ПРВ [4-5].
Анализ существующих способов защиты от воздействия помех в канале АЛСН
Особенности импульсных помех таковы, что степень подверженности их влиянию импульсов и пауз кодового сигнала АЛСН различна. Наименее защищены от них паузы кодового цикла. Поэтому использование различных способов защиты от импульсных помех приводит к непропорциональному росту защищенности импульсов и пауз кодового сигнала АЛСН.
Подтверждением тому может служить приемник сигналов АЛСН с переменной структурой [5], отличающийся тем, что на время действия импульсной помехи ширина полосы пропускания его входного фильтра путем изменения структуры фильтра уменьшается, чем затрудняется изменение уровня сигналов из-за резкого увеличения инерционности системы.
Экспериментальные исследования приемника с переменной структурой показали большую защиту импульсов кодового сигнала, чем в случае существующего приемника, и примерно одинаковую защищенность пассивной паузы кодового сигнала при использовании обоих типов приемников.
При воздействии импульсных помех от тягового тока повышения устойчивости работы приемника АЛСН, как уже указывалось в п. 2-3, можно достичь, применяя схему ШОУ В [5] предложена схема приемника с амплитудным ограничителем в паузе кодового сигнала.
Применение амплитудного ограничителя в интервале между импульсами кодового сигнала позволило несколько снизить воздействие низкочастотной помехи от боковой качки локомотива на приемник с амплитудным ограничителем, приводящее к подавлению сигнала в ограничителе.
Сравнительные эксплуатационные испытания существующего приемника и приемника с амплитудным ограничением в паузе показали большую помехозащищенность последнего.
Опытная эксплуатация приемников с переменной структурой и приемников с амплитудным ограничением в паузе кодового сигнала, проводившаяся на Пензенском отделении Куйбышевской ж, д, в период 1972-1973 rs. показала преимущество этих приемников перед существующим, выразившееся в снижении количества сбоев системы АЛСН. Однако переменная структура данных приемников при некоторых видах воздействий приводила к искажению временных параметров кода.
Поэтому был предложен двухканальный приемник АЛСН с амплитудными ограничителями [57].
Двухсторонние амплитудные ограничители А01 и А02 являются несимметричными. Такое ограничение входного сигнала позволяет устранить искажение временных интервалов между импульсами сигнала и одновременно снижает мощность воздействия помех от тягового тока.
Следует отметить, что для импульсной помехи от тягового тока, когда импульсы помехи в каналах приемника имеют противоположную полярность, а после ограничения вычитаются, такое включение амплитудных ограничителей приводит к эффекту бланкирования импульсов. Такая схема обеспечивает практически полное подавление импульсных помех и не ухудшает помехоустойчивость приемника относительно синусоидальных и флуктуационных помех [27].
Эксплуатация двухканальных приемников АЛСН показала снижение среднего количества сбоев АЛСН за месяц, отнесенного на один локомотив» в 3-4 раза [5].
Таким образом, практика подтверждает высокую эффективность применения амплитудного ограничения и бланкирования для подавления импульсных помех в канале АЛСН.
Как известно, из синусоидальных помех наибольшим уровнем и влиянием на работу локомотивных устройств АЛСН обладают помехи, возникающие при движении локомотива в зоне влияния высоковольтных ЛЭП [20-24, 58].
Заслуживает внимания разработанная ПКБ ЦТ МПС приставка-ограничитель к приемному устройству ЛЛСН с повышенной помехозащищенностью [5, 57].
Данное устройство эффективно при импульсных помехах, одновременно действующих на входе ПК и совпадающих по фазе. В рассматриваемом случае влияния ЛЭП эти условия выполнимы не во всех точках опасной зоны влияния ЛЭП. Экспериментальные исследования, проведенные в лабораторных условиях, показали недостаточную эффективность применения такой схемной защиты из-за изменения фазовых соотношений напряжений помех в ПК при движении под ЛЭП [8],
Имитационная модель аддитивных синусоидальных помех от ЛЭП
Установлено, что наибольшее косвенное влияние оказывает ток в раме локомотива, наводимый от ЛЭП [8], Поэтому в методике расчета косвенного влияния ЛЭП учитывается только влияние через раму.
Косвенное влияние рассматривается для общего случая - при неперпендикулярном пересечении ЛЭП и ж. д. линии. Балки рамы рассматриваются как элементарные контура в виде нитей, в которых индуктируется э,д.с, от токов в проводах ЛЭП.
Определяется э.д.с. в четырех балках рамы от тока в L-ом проводе ЛЭП и находится результирующая э.д.с. по контуру рамы от фазы L.
Аналогично находятся результирующие э.дх, от токов в двух других проводах ЛЭП. Определяется общая э.дх. в раме по контуру как геометрическая сумма результирующих э.дх. от токов в трех проводах. Вычисляется комплексное сопротивление рамы по контуру. Находится ток в раме. Рассчитывается э.дх. в ПК, наводимая током в раме.
В проводе L ЛЭП протекает ток lLj который наводит в четырех балках рамы э.д.с. t_,, EL_2, Ё и ЁЬ_А. Результирующая э.дх. по контуру рамы от тока в L-ou проводе, согласно направлениям э.дх. в балках на рис- 3 Приложения 1, будет равна:
После подстановки вместо Ёы в (3.13) их значений из (3.14) и группировки членов получаем: = -ja -iL-rip-[(ML_y-ML_2)[+(ML -ML_4yr2], где Л определяются по (3.10).
Множитель V" указывает на то, что индуктированные в раме э.д.с. отстают от соответствующих токов в проводах ЛЭП на 90 .
Общая э.д.с. по контуру рамы от всех трех токов ЛЭП равна сумме индуктированных э.д.с. от каждого из токов: ЛЭП = ] + ][+ Ш Ток в раме равен f _ лэп где Zp - комплексное сопротивление рамы по замкнутому контуру, Ом, Рама локомотива рассматривается как две короткие двухпроводные липли, соединенные последовательно, причем, в качестве проводов первой линии принимаются короткие стороны рамы ( и 32\ расположенные перпендикулярно оси локомотива, а проводов второй -длинные стороны рамы ( 53 и & ) расположенные параллельно оси локомотива.
Тогда комплексное сопротивление рамы по контуру равно Zp=Zt+Za, (3.15) где ZK - комплексное сопротивление шлейфа первого отрезка линии, составленного из коротких балок рамы; Za - второго отрезка из длинных балок рамы. Комплексное сопротивление шлейфа двухпроводной линии выражается формулой: Zsl = 2(jRa+jwLi)+jwLe9 (3.16) где Ra - активное сопротивление элемента контура рамы, Ом; L, - внутренняя индуктивность элемента контура рамы, Гн; Le - внешняя индуктивность элемента контура рамы, Гн,
Активное сопротивление балки как прямолинейного ферромагнитного проводника определяется, как и сопротивление рельса, по формуле Неймана: Яа=Ш-ЛО- ф9,-Рс-/9 (3.17) и где//- длина /-ой балки, м; и — периметр ее поперечного сечения, м; ц-уг— относительная магнитная проницаемость стали балки;
Максимальное значение наводимой в одной ПК э.д.с. достигает 1,25 В. При прохождении центра рамы локомотива непосредственно под проводами ЛЭП имеют место снижения уровня э.дх вследствие частичной взаимокомпенсации токов в продольных и поперечных балках рамы локомотива.
Суммарная э.д.с. Е юп помехи от прямого и косвенного влияний ЛЭП при включенных встречно ПК представлена на рис. 3.7 {Ка — 12 %, vR - 20 м/с и Рл = 60). Максимальный уровень помехи наблюдается при нахождении центра рамы локомотива в месте пересечения проекции центрального провода ЛЭП и оси ж. д. линии и достигает значения 3,6 В.
Разработанная имитационная модель синусоидальной помехи от ЛЭП использована в статистических экспериментах в главе 4 при исследовании существующего и нелинейного устройств обработки сигналов АЛСН.
Как было отмечено в главе 1, основной причиной возникновения импульсных помех является изменение по абсолютной величине тягового тока.
Импульсные помехи от тягового тока не поддаются теоретическим исследованиям [4], поэтому единственным методом их исследования является экспериментальный, подразумевающий регистрацию, обработку и анализ исследуемого процесса.
Для оценки основных свойств импульсных помех и их влияния на устройства АЛСН был проведен ряд исследований [14-18]. Наиболее полное исследование характеристик импульсных помех (стационарность, наличие периодических составляющих и т. д.) было проведено в работе [4]. Однако, в целом, имеющихся сведений не достаточно для того, чтобы можно было в лабораторных условиях воспроизвести импульсный процесс, по своим характеристикам и свойствам близкий к действующим в канале АЛСН импульсным помехам от тягового тока. Поэтому возникает необходимость в дополнительном исследовании этого вида помех для оценки таких параметров, как амплитуды и длительности импульсов, длительности межимпульсных интервалов и т. д,
Экспериментальный метод исследования предусматривает: - регистрацию исследуемого процесса; - подготовку данных (редактирование, масштабирование и группировку реализаций); - оценку необходимых параметров процесса; - анализ полученных данных.
Поскольку наиболее интенсивные импульсные помехи наблюдаются на участках ж. д. с электротягой постоянного тока [4], то регистрация помех осуществлялась на участках Куйбышевской и Московской железных дорог с электротягой постоянного тока на локомотивах серии ВЛ-10 , ведущих составы массой от 1 тыс. до 5 тыс. т. Запись реализаций помех от тягового тока в канале АЛС осуществлялась по схеме, представленной на рис. 5 Приложения 1. В качестве датчика помех использовалась измерительная катушка, Э.д.с. на выходе датчика изменяется практически линейно во всем диапазоне значений тягового тока электродвигателей локомотивов серии ВЛ-10 тяжелых поездов.
Полученные в результате реализации помех охватывают все характерные режимы движения поезда (переключения схем управления тяговыми двигателями локомотива, в том числе в режим рекуперации, набор и сброс позиций контроллера машиниста; боксование локомотива; движение по стрелкам и боковая качка локомотива; проезд изолирующих стыков) и диапазон изменений величины тягового тока от 0 до 2000 А,
Исследование помехозащищенности устройств обработки сигналов АЛСН при воздействии аддитивных флуктуационных помех
Анализ временных диаграмм реакции решающих устройств показал, что в основном ошибки вида «ложная тревога» проявляются в слиянии соседних импульсов сигнала, что говорит о более низкой помехозащищенности пассивной паузы АМ-сигнала.
На рис. 4.1 представлены графики зависимостей Рош АМ = /(й2), Из табл. 4.2 и рис, 4Л видно, что при малых отношениях сигнал/помеха экспериментальные оценки вероятности ошибки ниже теоретической. Объясняется это тем, что при сильной помехе значительное влияние на форму выходного сигнала устройств оказывает блок защиты от «дребезга» ЗД; он
Наклоны кривых экспериментальных зависимостей меньше наклона кривой теоретической зависимости, определяемой формулой (К 16). Следовательно, чем больше h , тем больше проигрыш в реальной помехозащищенности устройств обработки сигналов АЛСН по сравнению с теоретически достижимой. Вместе с тем, для нелинейного устройства наклон кривой больше, чем для существующего. Поэтому с ростом Л2 его выигрыш по помехозащищенности в сравнении с существующим будет увеличиваться.
В целом, как показали эксперименты, помехозащищенность нелинейного устройства при воздействии белого гауссова шума в 2-3 раза выше, чем существующего.
В экспериментах с импульсными помехами факторами являются амплитуда сигнала Uc и коэффициент асимметрии приемного тракта Ка.
При выборе значений коэффициента асимметрии Кв во данной группе экспериментов принималось во внимание, что на практике асимметрия приемного тракта может достигать значения 50 % [5]- Поэтому был принят следующий ряд значений величины Ка\ 5%; 10%; ... ; 50%.
Результаты прогонов моделей существующего и нелинейного устройств представлены в табл. 4.3, а также табл. 3 и 4 Приложения 2. Из таблицы 4.3 видно, что для существующего устройства вероятность ошибки вида «ложная тревога» и вероятность ошибки вида «пропуск цели» являются величинами одного порядка. С увеличением коэффициента асимметрии сначала наблюдается рост числа ошибок вида «ложная тревога», затем некоторое снижение. Одновременно происходит значительный рост числа ошибок вида «пропуск цели», что объясняется изменением значения плавающего порога после воздействия импульса помехи (рис. 4,2). Для нелинейного устройства вероятность ошибки вида «пропуск цели» крайне мала и в экспериментах практически не превышала принятой точности ее оценки.
На верхнем графике рис. 4.2 показано напряжение смеси сигнала и импульсной помехи Г7СП на выходе сумматора С существующего устройства обработки сигналов АЛСН, на среднем - напряжение огибающей t/orwG и плавающего порога сравнения (Упор на входе РУ, на нижнем - напряжение сигнала на выходе блока ЗД. Видно, что воздействие импульсов помехи большой амплитуды вызвало значительное повышение уровня порога решающего устройства, приведшее к пропускам импульсов сигнала. Кроме того, воздействие импульса амплитудой около 5 В в интервале сигнала привело к ошибке вида «ложная тревога».
Аналогичные графики для нелинейного устройства представлены на рис. 4.3. Видно, что воздействие импульсов помехи большой амплитуды благодаря их амплитудному ограничению не привело к скачкам уровня порога РУ и, как следствие, были исключены ошибки вида «пропуск цели». Вместе с тем, воздействие импульсов помехи в интервале сигнала по прежнему приводит к появлению ошибок вида «ложная тревога».
Факторами экспериментов с синусоидальными помехами от ЛЭП являются коэффициент асимметрии приемного тракта Кт скорость движения поезда в зоне влияния ЛЭП vn и угол пересечения ж. д. линии с ЛЭП у В качестве показателей помехозащищенности устройств в данной группе экспериментов целесообразно выбрать длительность временного интервала 7 , в течение которого наблюдались ошибки. Показатель ТОІІЇ оказывает значительное влияние на работу АЛСН в зоне влияния ЛЭП, обусловленное алгоритмом дешифрации кодовых комбинаций и смены показаний на локомотивном индикаторе.
Поскольку выбранный показатель зависит как от vn, так и от р.гь то для определения влияния каждого из этих факторов необходимо исследовать его зависимости от одного из факторов при фиксированном значении другого фактора, т. е. зависимости тОЛ1 = ГЫ ;Гош=/Ы - (4.5) \фд = const vn - const
В экспериментах с синусоидальными помехами принято фиксированное значение коэффициента асимметрии приемного тракта Ка = 40 %, равное математическому ожиданию коэффициента асимметрии при движения локомотива [5]- Для определения зависимостей (4.5) выбраны следующие
Из табл. 4.4 следует, что при принятых значениях параметров моделей помех от ЛЭП (см. п. 3.4) для существующего устройства при пересечении с ЛЭП ее влияние вызовет ложное показание на локомотивном индикаторе при любой из указанных в таблице скоростей движения поезда, а для нелинейного -устройства влияние ЛЭП не вызовет ложного показания на локомотивном индикаторе при скоростях выше 25 м/с.
