автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Адаптивная система комбинированного автоматического управления током тяговых двигателей электроподвижного состава

На правах рукописи

ТЕЛЕГИН МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ

АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г ДЕК 2013

005543825

Москва-2013

005543825

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ) на кафедре «Электрическая тяга».

Научный руководитель - Савоськин Анатолий Николаевич

доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты: - Щербаков Виктор Гаврилович - доктор технических наук,

Ведущее предприятие - Федеральное государственное бюджетное образовательное

Защита состоится «25» декабря 2013 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.04 на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, Москва, ГСП-4 ул. Образцова, д. 9, стр. 9, аудитория 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПС (МИИТ).

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.

профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени МИ. Платова», профессор кафедры «Электромеханика и электрические аппараты»;

- Никифорова Нина Борисовна - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»), ведущий научный сотрудник лаборатории «Электровозы».

учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.005.04 д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта - необходимое условие для обеспечения перехода отечественной экономики к инновационному пути развития, роста ее конкурентоспособности и укрепления ее экономической безопасности. Одним из немаловажных направлений совершенствования транспортной системы является автоматизация перевозочного процесса. Составной частью автоматизация является внедрение систем автоведения поездов (САВП). Такие системы позволяют повысить безопасность движения, увеличить использование пропускной способности линий, снизить энергопотребление на тягу поездов.

На магистральном электроподвижном составе (э. п. е.), как правило, применяют автономные двухуровневые САВП. Верхний уровень этих систем является по существу регулятором времени хода и обеспечивает выполнение заданного времени хода с минимальным расходом электроэнергии на тягу поездов. На э. п. с. с управляемыми полупроводниковыми преобразователями реализуется плавное непрерывное управление силой тяги и нижний уровень САВП управляет автоматизированным тяговым электроприводом и состоит из двух контуров: главного (внешнего) - контура скорости и подчиненного (внутреннего) контура тока. При этом регулятор времени хода САВП формирует заданное значение скорости, регулятор скорости — заданное значение тока, а регулятор тока - управляет силами тяги и торможения, обеспечивающими следование поезда с заданной скоростью движения.

В настоящее время отработка алгоритмов управления нижнего уровня САВП для отечественного э. п. с. выполняется, как правило, в процессе проведения стендовых и эксплуатационных испытаний. В этом случае не удается оптимизировать структуру и параметры системы автоматического управления (САУ) тяговым электроприводом, что не позволяет обеспечить необходимый уровень её работоспособности и стабильность показателей качества управления в процессе эксплуатации. Несовершенство контура управления током может вызывать значительные колебания тока тяговых двигателей, приводящие к срабатыванию аппаратов защиты. Такое срабатывание в режиме электрического торможения создает угрозу безопасности движения, так как повторное включение электрического торможения или переход на пневматическое торможение происходит с существенной временной задержкой, что может вызвать аварийную ситуацию. В связи с этим задача дальней-

шего совершенствования контура автоматического управления током тяговых двигателей электроподвижного состава является актуальной.

Целью настоящей работы является разработка алгоритмов адаптивного управления током тяговых двигателей электровоза, как подсистемы системы автоведения поездов, обеспечивающей требуемые значения показателей качества управления, независимо от режимов работы электровоза, параметров тяговой сети и удаления электровоза от тяговой подстанции.

Методика исследований. В работе применены методы математического моделирования процессов управления в электромеханических системах с использованием основных положений теории автоматического управления, теории электрических цепей и теории электрических машин.

Для разработки модели обобщенного объекта управления использовался программный пакет Matlab / Simulink. Расчеты выполнялись на вычислительном комплексе реального времени, состоящем из вычислительной платформы RT-lab фирмы Opal-RT, микроконтроллере типа N1 CompactRIO, модульной измерительной системе типа N1 РХ1, а также персонального компьютера (ПК). Модель была реализована на ПК, а затем введена в платформу RT-lab. Здесь она была конвертирована в программу реального времени. Численное интегрирование дифференциальных уравнений выполнялось решающим устройством ARTEMIS с фиксированным шагом. Реальная микропроцессорная система управления (МПСУ), управляющая исполнительными устройствами САУ током т. э. д. - тиристорными преобразователями, была реализована на N1 CompactRIO в графической среде LabVIEW-RT. Визуализация и обработка результатов вычислений осуществлялась на модульной измерительной системе N1PXI также в пакете LabVIEW-RT.

Научная новизна.

1. Показано, что на реализацию алгоритмов подсистемы автоматического управления током САВП существенно влияет обобщенный объект управления, в составе которого необходимо учитывать систему тягового электроснабжения, состоящую из электростанции, высоковольтной линии электропередачи, нетяговых потребителей, тяговой подстанции, двухпутного участка тяговой сети и электровозов на фидерной зоне.

2. Предложена структура программно-аппаратного комплекса реального времени, впервые позволившая выполнять программную и аппаратную разработку и отладку

алгоритмов подсистем управления электроподвижного состава на реальном микроконтроллере.

3. Разработаны новые алгоритмы цифрового формирования импульсов управления выпрямительно-инверторным преобразователем, линеаризующий его регулировочную характеристику, и цифровой синхронизации подсистемы управления током с питающей сетью, позволяющий нивелировать действия высокочастотных возмущений при включении мощных нетяговых потребителей.

4. Многочисленные имитационные эксперименты позволили установить, что требуемые показатели качества подсистемы автоматического управления током тяговых двигателей с существенными нелинейными характеристиками обеспечиваются применением комбинированной системы управления с воздействиями по отклонению тока и возмущению—напряжению в контактной сети.

5. В контуре управления по отклонению тока такой подсистемы эффективно применение алгоритма с астатизмом второго порядка на базе двух изодромных звеньев, со звеньями гибкой обратной связи, а также с дополнительным воздействием, пропорциональным э. д. с. тягового двигателя.

6. В контуре управления по возмущению такой подсистемы следует использовать пропорционально-дифференцирующий закон управления, при дополнении дифференцирующего звена апериодическим звеном первого порядка для исключения влияния частот выше 20 Гц.

7. Разработан алгоритм адаптации коэффициентов регуляторов управления по отклонению и возмущению к параметрам тяговой сети, обеспечивающий независимость работы системы автоматического управления током тяговых двигателей от удаления э. п. с. от тяговой подстанции и режимов работы других электровозов.

Предмет исследования: динамика подсистемы управления током тяговых электродвигателей САВП с учетом электромагнитных и электромеханических процессов в системе тягового электроснабжения переменного тока.

Объект исследования: алгоритмы автоматического управления током коллекторных тяговых электродвигателей электровоза однофазно-постоянного тока как подсистема САВП.

Практическая ценность. 1. Создан программно-аппаратный комплекс, позволяющий выполнять разработку законов управления для подсистемы автоматического управления током тяговых

электродвигателей различных типов э. п. с. переменного тока с учетом электромагнитных взаимодействий в системе тяговое электроснабжение — электроподвижной состав.

2. Разработано математическое и программное обеспечение для микроконтроллера, реализующее адаптивную комбинированную систему управления током тяговых двигателей и обеспечивающее стабильные показатели качества управления для э. п. с.

3. Разработано математическое и программное обеспечение цифровой синхронизации системы управления с питающей сетью и формирования импульсов управления тиристорами исполнительного устройства для использования на э. п. с.

4. Созданное математическое и программное обеспечение предназначено для разработки алгоритмов автоматического управления током тяговых двигателей элекгропод-вижного состава переменного тока различных типов как подсистемы САВП.

5. Выбраны методом многокритериальной оптимизации коэффициенты законов управления и настроечные кривые для их адаптации к параметрам тяговой сети для электровозов 2ЭС5К, эксплуатируемых на сети железных дорог.

На защиту выносятся:

1. Модель обобщенного объекта управления, включающая систему внешнего электроснабжения с нетяговым потребителем, которая оказывает влияние на реализацию алгоритмов подсистемы управления током тяговых двигателей электровоза.

2. Программно-аппаратный комплекс имитационного моделирования в реальном времени, предназначенный для отработки алгоритмов подсистем управления э. п. с.

3. Алгоритмы цифрового формирования импульсов управления выпрямительно-инверторным преобразователем и цифровой синхронизации подсистемы управления током тяговых двигателей электровоза с питающей сетью.

4. Адаптивная система комбинированного автоматического управления током тяговых двигателей электроподвижного состава.

5. Рекомендации по выбору коэффициентов законов управления в контуре тока и настроечных кривых для их адаптации к параметрам тяговой сети.

Достоверность полученных результатов, обеспечивается:

- корректностью принятых допущений и строгостью формальных преобразований;

- применением фундаментальных законов теории электрических цепей и теории автоматического управления;

- удовлетворительной сходимостью результатов моделирования тяговой сети и силовых цепей электровозов с известными экспериментальными данными.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» МИИТа в 2008-2011 г.г., на совместных научно-техническом семинаре и заседаниях кафедр «Управление и информатика в технических системах» и «Электрическая тяга» МИИТа в 2012 г. и 2013 г., на научно-практической конференции Неделя науки - 2008 «Наука-Транспорту» (МИИТ, апрель 2008), на X Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (МИИТ, октябрь 2009), на VIII международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments» (РУДН, ноябрь 2009), на VII международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM» (МИИТ, май 2010), на XI Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (МИИТ, октябрь 2010), на IX международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (РУДН, ноябрь 2011), на XII Всемирном электротехническом конгрессе (Москва, октябрь 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано двенадцать печатных работ, в том числе четыре в издания, рекомендованных перечнем ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка, содержащего 85 наименований, и приложений. Работа содержит 177 страниц основного текста, 61 рисунок и 9 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость диссертационной работы, а также приведен краткий анализ состояния исследуемого вопроса. Отмечено, что значительный вклад в развитие теории автоматического управления и в практику применения на э. п. с. систем автоматики своими работами внесли такие ученые, как JI. А. Баранов, 10. В. Бушненко, Я. М. Головичер, Е. В. Ерофеев, A. JI. Лозановский, В. М. Максимов, Я. Е. Марченко, JI. А. Мугинштейн, Б. М. Наумов, Б. Д. Никифоров, Н. Б. Никифорова, А. В. Плакс, А. Н. Савоськин, В. Д. Тулупов, Г. В. Фаминский, В. П. Феоктистов и другими специалистами в нашей стране и зарубежом. Здесь же сформулированы основные научные положения диссертационной работы.

Первая глава посвящена аналитическому обзору существующих систем

автоведения поездов э. п. с. и систем адаптивного управления. В САВП электровозов с тиристорными преобразователями внутренними контурами являются контур скорости и контур управления током тяговых электродвигателей. Показано, что несовершенство алгоритмов управления током электровозов ВЛ85, ВЛ65, ЭП1 и 2ЭС5К в эксплуатационных условиях может вызывать срабатывание защиты и отключение силовой электрической схемы. Поэтому в настоящей диссертации рассматривается задача совершенствования алгоритма управления током тяговых электродвигателей.

Анализ выполненных исследований по разработке таких алгоритмов показал, что повышение качества управления можно обеспечить при более полном учете следующих внутренних и внешних факторов, влияющих на работу системы управления:

- внутренние - нелинейность характеристик тяговых двигателей (кривой намагничивания и динамических индуктивностей); переключения, связанные с изменениями режимов работы и схем питания т. э. д.;

— внешние — возмущения со стороны контактной сети; изменения электромагнитных параметров тяговой сети, возникающие при движении электровоза по участку и изменения режимов работы других электровозов на данном и/или смежных участках фидерной зоны, влияние мощных нетяговых потребителей.

Таким образом, электромагнитные взаимодействия электровоза с источником питания - тяговой сетью, определяющее все процессы управления в контуре тока, требуют включения в состав обобщенного объекта управления не только всех элементов силовой электрической цепи электровоза: трансформатор, выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП), сглаживающие реакторы, тяговые электродвигатели, но и всех элементов системы электроснабжения: электростанция, высоковольтная линия электропередачи, нетяговый потребитель, тяговая подстанция, двухпутный участок тяговой сети с электровозами. На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены требования, предъявляемые к программно-аппаратному комплексу (ПАК) имитационного моделирования и к модели обобщенного объекта управления, необходимые для проектирования и отладки внутренних контуров САВП, а также выполнен выбор аппаратных средств для реализации такого комплекса.

Основными требованиями являются создание подробной модели, которая более полно воспроизводит процессы, происходящие в системе электроснабжения и контуре тока электровозов в режиме реального времени (РВ) и разделение всей этой системы на силовую электрическую цепь и цепи управления для реализации последних на внешнем микроконтроллере.

Такой ПАК, в разработке и создании которого участвовал автор, выполнен на кафедре «Электрическая тяга» МИИТа в виде взаимодействующих между собой трех подсистем (рис. 1). Верхний уровень образован системой 11Т-1аЬ, состоящей из персонального компьютера ПК и платформы КТ-1аЬ, выполняющей моделирование электромагнитных процессов в реальном времени. Вторым уровнем является микропроцессорная система управления, реализованная на базе внешнего микроконтроллера МК. К третьему уровню относятся система отображения и обработки сигналов, включающая в себя модульную измерительную систему ИС и дисплей. Второй и третий уровни состыкованы с первым многоканальными аналоговыми и цифровыми устройствами ввода/вывода.

В качестве основной системы моделирования была выбрана платформа реального времени ЮЧаЬ, компании Ора1-ЯТ, 1пс (Канада). Этот компьютер выполняет вычисления в режиме РВ и на нем размещены модели всех силовых элементов. ПК - управляющий компьютер, в котором размещается программа обобщенного

ПК платформа 1*Т-1аЬ

Рис. 1. Архитектура программно-аппаратного комплекса для имитационного моделирования в реальном времени

объекта управления, составленная в пакете Matlab / Simulink, а также осуществляется настройка RT-lab. Обмен рабочей информацией между подсистемой реального времени и ПК осуществляется по стандартному сетевому каналу ТСРЛР. Однако процессы РВ не могут быть воспроизведены на ПК из-за невозможности работы модели тиристорных преобразователей в РВ. Поэтому для визуализации результатов работы платформы RT-lab использована отдельная система отображения информации (третий уровень) на основе измерительной системы ИС стандарта PXI, компании National Instruments (США). N1 PXI представляет собой модульную конструкцию, реализованную на основе высокоскоростной шины PCI, оборудованную встроенным контроллером, выполняющим сбор и обработку данных.

Второй уровень - внешняя система управления реализована на базе микроконтроллера МК типа N1 CompactRIO, также выпускаемого National Instruments. Этот микроконтроллер работает на основе технологии реконфигурируемого ввода/вывода программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). В целом система N1 CompactRIO включает в себя контроллер, шасси и модули ввода/вывода. Шасси содержит слоты для контроллера и модулей, ядро ПЛИС, а также шину PCI для передачи данных между ПЛИС и контроллером. ПЛИС оперирует единичными значениями, обменивается данными с модулями ввода/вывода и в случае необходимости накапливает массив данных в буфере памяти. Микроконтроллер работает значительно медленнее, оперируя при этом массивами данных, получаемых из буфера. Визуализации доступны только данные с контроллера. Такая архитектура N1 CompactRIO позволяет реализовывать сложную обработку входных сигналов на контроллере и осуществлять сбор данных и/или управление через ПЛИС с высокой частотой дискретизации.

С помощью разработанного программно-аппаратного комплекса становится возможным реализовывать в реальном времени имитационные модели высокой степени сложности, осуществлять управление моделью от внешнего микроконтроллера, многоканально визуализировать данные из модели, а также сохранять их для обработки и анализа.

Третья глава посвящена разработке математической модели обобщенного объекта управления (ООУ) контура регулирования тока тягового электродвигателя, как внутренней подсистемы САВП.

На основе анализа выполненных работ, проведенного в первой главе, в диссертации разработана новая модель ООУ. Эта модель состоит из следующих элементов (рис. 2): электростанция (ЭС); нетяговый потребитель (НП), высоковольтная линия электропередачи (ЛЭП), тяговая подстанция (ТП); цепь пониженного напряжения, включающая в себя - контактные провода (КП), усиливающие фидеры (УФ), секционирующие провода (СП), рельсовые пути (РП) и два электровоза. Нетяговый потребитель моделируется трехфазным диодным выпрямителем и активно-индуктивной нагрузкой, параметры которой выбраны таким образом, чтобы мощность, потребляемая НП, составляла половину мощности ЭС.

Линии двухпутного участка конечной длины Ах представляются П-образными схемами замещения (рис. 3). Согласно методике А.Б. Косарева элемент Ах выбран длиной равной 200 м, поскольку через такое расстояние КП соединяется с УФ. Продольная составляющая схем содержит сопротивления проводников тяговой сети, состоящие ИЗ последовательно включенных активных сопротивлений Г„р. 1, индуктивностей Luр.! и двухполюсников г„р.г -L „р.2, моделирующих эффект вытеснения тока на поверхность проводника. В поперечную составляющую входят соединенные параллельно проводимости g.p и емкости участка с„р между землей и линией. Кроме того, в многопроводных цепях по причине взаимной индуктивности между проводами возникают электромагнитные связи. В схеме замещения эти взаимодействия обозначаются сопротивлениями взаимоиндукции Mnpi.Bp2.

Рис. 2. Схема системы тягового электроснабжения переменного тока с электровозами

Для моделирования тяговой сети вначале был выполнен расчет электрических параметров составляющих ее проводов, а затем с помощью метода многокритериальной оптимизации определены г„р-ь ¿ор-ь г.р-г, ¿вр-2,,обеспечивающие минимальное значение суммы квадратов отклонений расчетных и эквивалентных зависимостей вещественных и мнимых составляющих полного сопротивления электрической цепи от частоты. Модель системы тягового электроснабжения (рис. 2) содержит 100 таких участков, что эквивалентно фидерной зоне питания ТП длиной 20 км.

Модель силовых цепей электровоза была принята в соответствии с работами, ранее выполненными на кафедре «Электрическая тяга» МИИТа, и включает преобразователь (ВИП); тиристорный выпрямитель управления возбуждением (ВУВ); тяговые электродвигатели (т. э. д.); сглаживающие реакторы. Модели т. э. д. учитывают влияние вихревых токов по методу Жица М. 3., нелинейность магнитной характеристики и нелинейность зависимости динамических индуктивноетей обмоток от протекающего тока. В качестве прототипа для моделирования был выбран грузовой электровоз 2ЭС5К.

В четвёртой главе описаны принципы построения САУ током тяговых двигателей на микроконтроллере типа N1 СотрасЖЮ с новой структурой кошура тока, а также решена задача параметрического синтеза САУ электровоза, работающего вблизи ТП.

777777777>^

Рис. 3. Расчетная схема двухпутного участка тяговой сети длиной Ах в виде цепи с сосредоточенными параметрами

В данной работе предлагается для контура управления током т. э. д. применить комбинированную систему с управлением по отклонению фактического тока от заданного и по возмущению - по напряжению в контактной сети. При этом в качестве воздействия по отклонению предлагается использовать два изодромных звена, звенья гибкой обратной связи и ввести дополнительное воздействие, пропорциональное э. д. с. тяговых двигателей (рис. 4).

Передаточная функция звеньев ^»»(р) определяется произведением передаточных функций двух последовательно включенных изодромных звеньев, придающих системе астатизм второго порядка и, следовательно, нулевые установившиеся ошибки по положению и скорости:

ч2

^„н (Р) =

А-.. +

1

тир

(1)

Выходной сигнал этих звеньев суммируется с сигналом звена гибкой обратной связи, со следующей передаточной функцией:

(тіР+ф4Р+іУ

(2)

обеспечивающей устойчивость и качество управления в переходном режиме.

Введение дополнительного воздействия, сигнал которого пропорционален э. д. с. (е) (выполняется с помощью функционального устройства ФУ) обеспечивает уменьшение рассогласования контура управления током, поскольку в этом случае угол открытия ор тиристоров ВИП будет пропорционален не величине напряжения иК на зажимах т. э. д., а гораздо меньшей величине ик - е.

РВ

И ср

н'

Ф2 ДН

УС I I ' I СУ

РО

ГОС"

«р //К' 1

УУ ИсУ ОУ — *

дт

дс

ФУ

/ср

і

Ф1

Рис. 4. Структурная схема стабилизации тока тягового двигателя с регулятором 2-го порядка астатизма, отрицательной гибкой обратной связью и дополнительным воздействием, пропорциональным э. д. с. двигателя

Питание ВИП осуществляется от вторичной обмотки трансформатора с напряжением ийр. При движении электровоза по фидерной зоне, а также вследствие процессов коммутации, величина н^ изменяется, для ее учета вводится контур регулирования по возмущению со стороны контактной сети. Регулятор по возмуще-

Такой алгоритм обеспечивает стабильность показателей качества как при скачках питающего напряжения, так и при его снижении по мере удалении от тяговой подстанции.

Для реализации на контроллере алгоритмов управления по отклонению и возмущению, их законы регулирования были записаны в дискретной форме. Для этого вначале уравнения, описывающие работу алгоритмов управления в операторной форме, с помощью обратного преобразования Лапласа записываются в области времени. Полученные дифференциальные уравнения (ДУ) решались численным методом Рунге-Кутта 4-го порядка.

Для обеспечения необходимого качества управления была выполнена многокритериальная оптимизация параметров регуляторов. Критерием их настройки выступили три частных критерия оптимизации: время регулирования V1 = /р, перерегулирование иг = а и колебательность 1/3 = N. Поскольку характеристики САУ неоднозначно влияют на эти частные критерии, то одновременно минимизировать все показатели качества не представляется возможным. В связи с этим вначале выполнялась оптимизация параметров регуляторов по каждому частному критерию, в результате чего были определены минимальных и! и максимальные и" значения частных критериев (/ = 1,2, 3). Затем на их основе с помощью дополнительной целевой функции Ц, описывающей условия компромисса, выделялось паретовское множество. Оптимальные значения параметров регуляторов выбирались из этого паретовского множества, состоящего из минимальных значений частных критериев С/)* и таких других точек, в которых величина целевой функции Ц меньше чем при !//*. В качестве целевой функции была использована функция суммарных допустимых потерь:

нию с передаточной функцией ^„(р) состоит из усилительного звена и реального дифференцирующего звена с замедлением:

(3)

Для отыскания минимума целевой функции был применен метод «деформируемого многогранника» (метод Нелдера-Мида), не использующий производных от критериев оптимизации. В этом методе минимизируется функция л независимых переменных с использованием п + 1 вершин деформируемого многогранника в £" -мерном Евклидовом пространстве.

Решение задачи оптимизации было выполнено на программно-аппаратном комплексе с использованием измерительной системы РХ1. При этом в качестве нулевого приближения задавались исходные параметры регулятора, найденные в процессе решения задачи синтеза линеаризованной системы методом ЛАЧХ. Для этого была составлена соответствующая программа, работающая в режиме «мягкого» реального времени. В результате работы этой программы были получены параметры регуляторов предлагаемой комбинированной САУ током тяговых двигателей, обеспечивающие близкие к минимальным значения целевой функции для большинства рассматриваемых переходных режимов работы электровоза.

При реализации САУ током на микроконтроллере были разработаны новые способы цифровой синхронизации ВИЛ с питающей сетью, а также формирования импульсов управления тиристорами. Способ цифровой синхронизации основан на выделении первой гармоники напряжения вторичной обмотки трансформатора, посредством его разложения в ряд Фурье, и формирования синхронизирующих импульсов в моменты пересечения первой гармоникой нулевого уровня напряжения.

Для формирования импульсов управления тиристорами вместо генератора пилообразного напряжения и других устройств, используемых на серийных электровозах, применен способ аналитического вычисления момента появления такого импульса. Это обеспечило не только упрощение алгоритма, но и привело к линеаризации внешней характеристики выпрямителя.

Для проверки эффективности нового способа синхронизации ВИП с питающей сетью были выполнены сравнительные численные эксперименты для электровозов с типовым и предложенным способом синхронизации. В момент времени I, происходит включение нетягового потребителя (рис. 5, б). При этом величина напряжения в ЛЭП в месте подключения НП снижается всего на 8-10 %, однако появляются высокочастотные гармонические составляющие. Их появление приводит к существенному искажению кривой питающего напряжения электровоза (рис. 5, в), в котором происходит от 4-х до 8-ми переходов через нулевой уровень. Это вызывает срыв процесса выпрямления

;т............ і » » ' —......■ ^ - ... . К^-1 к^.' ч«^ і і і і ' -•^ч, ^Ч*

.! ....... ! 1 1 ' і 1 . -. .. ^..... . .....^ .....л ... л......р . ^.....і 1 .. . 1-і-г-1- , г. і і» ї, г

Рис. 5. Диаграммы напряжений фаз ЛЭП (а) и иетягового потребителя (б), напряжение на токоприёмнике электровоза (в); для электровоза с типовой схемой: ток вторичной обмотки трансформатора (г), выпрямленное напряжение (д); для электровоза с предлагаемой схемой синхронизации с сетью: ток вторичной обмотки трансформатора (е), выпрямленное напряжение (этс)

на электровозе с типовым способом синхронизации с сетью (рис. 5, г и д), в то время как работоспособность электровоза с предложенным способом синхронизации не нарушается (рис. 5, е и ж).

В пятой главе выполнено сравнение работы электровоза с типовой и предлагаемой САУ, разработана процедура идентификации и адаптации коэффициен-

тов регуляторов к параметрам сети, а также исследована работа адаптивной САУ на различном удалении двух электровозов от тяговой подстанции ТП, работающих на одном фидерном участке, на смежных участках, и при включении нетягового потребителя НП.

Результаты моделирования для электровоза, работающего с типовым ПИ-регулятором на удалении 200 м от ТП (рис. 6) при различных начальных условиях (скорость движения, заданное значение тока и скачки тока) свидетельствуют о существенном разбросе показателей качества как в режиме тяги, так и рекуперации. В ряде случаев имеет место значительное перерегулирование (о > 15%) и как следствие - существенное время регулирования (/р > 0,9 с).

В свою очередь, расчеты электромагнитных и электромеханических процессов в СТЭС для предложенной САУ током т. э. д. на удалении 200 м от ТП с такими же начальными условиями (рис. 7) показывают, что предлагаемая система значительно улучшает показатели качества. Здесь переходной процесс носит монотонный характер (о < 0,5 %), при этом система обладает большим быстродействием (<р < 0,41 с).

Для снижения влияния изменений индуктивности и активного сопротивления тяговой сети на показатели качества управления в данной работе предлагается применить непрямую адаптивную систему управления с идентификацией. Для этого схема стабилизации тока тяговых двигателей дополняется идентификатором И и адаптером А (рис. 8).

С помощью идентификатора И вычисляются приведенные к вторичной обмотке трансформатора параметры £ (і2> гі) тяговой сети. Определение их текущих значений выполняется за время интервала сетевой коммутации, когда вторичная обмотка трансформатора электровоза оказывается закороченной коммутируемыми тиристорами ВИП и цепь выпрямленного тока не влияет на процесс коммутации. В этом случае для цепи коммутирующего контура в моменты времени /і и С2 можно записать два уравнения:

I <#2-1

^г + Г212-1 — ^2-1» ш

г ¿<2-2 • _ (5)

і ^ + г112-г ~ ег-іі

где ¡2.1, сИ^Л, е2-і - ток, первая производная тока и э. д. с. вторичной обмотки трансформатора в моменты времени и 12.

Fiic. 6. Электромагнитные процессы в цепи выпрямленного тока электровоза, работающего с ПИ-регулятором 3 на удалении 200 м от ТП в тяге (а) и рекуперации (б)

Рис. 7. Электромагнитные процессы в ЦВТ электровоза, работающего с предлагаемым алгоритмом управления на удалении

200 м от ТП в режимах тяги (а) и рекуперации (б)

,-н

тр ---------------

де

Рис. 8. Структурная схема адаптивной САУ током

Прямым измерением МОЖНО определить ТОЛЬКО величины тока ¡2-1> поэтому производные и значения э. д. с. необходимо вычислять косвенно. Для этого была выполнена аппроксимация кривой тока за время сетевой коммутации:

и производные определяются по этому выражению:

(6)

(¡и

ш

(7)

где Ь^і {] = 0 3) - коэффициенты аппроксимирующего полинома.

Величины э. д. с. ви коммутируемой секции трансформатора могут быть определялись расчётом в моменты времени ^ и /2 с учётом амплитуды первой гармоники Еі напряжения иг вторичной обмотки трансформатора:

(8)

Сигнал настройки Н адаптера А определяется на основе аналитических зависимостей Н = Дії, Гг). Таким образом, изменяются параметры регуляторов при движении электровоза. Для получения этих соотношений, также как и в четвертой главе, были определены рациональные настройки для пяти удалений электровоза 2ЭС5К отТП-200 м, 5 км, 10 км, 15 км, 20 км, а затем проведена их аппроксимация:

и* вА

г. г

Электровоз №2, ручное управление, выбег - рекуперация

77"

Рис. 9. Электромагнитные процессы в ЦВТ электровозов, при работе 1-го в режиме тяги и переходе 2-о с выбега на рекуперацию на удалении 20 км от ТП

•л В; г

10 км от ТП, рекуперация

1н А, ,

Рис. 10 Электромагнитные процессы в ЦВТ электровоза, при включении нетягового потребителя

нк =с1к+ск1гг+ си Ьг + с4кг? + сък Ь\ . (9)

где к - один из параметров регуляторов С АУ током.

Рациональные настройки параметров регуляторов Н = Д£2, гг) были построены также на основе рассмотренного способа многокритериальной оптимизации. В результате проведенного численного эксперимента были построены трехмерные настроечные кривые для адаптера А, определяющие зависимость величин к/ И входящих в (1) — (3) от индуктивности ¿г и активного сопротивления гг тяговой сети, приведенных ко вторичной обмотке трансформатора.

Результаты моделирования для электровоза, работающего с предлагаемой адаптивной САУ током т. э. д. при различных начальных условиях (скорости движения, фактического тока и заданного тока) и на различном удалении двух э. п. с. от ТП, работающих как на одном фидерном участке (рис. 9), так и на смежных участках, а также при включении НП (рис. 10) свидетельствуют о том, что показатели качества управления остаются стабильными во всех режимах работы электровоза (в основном ?р < 0,2 с; <г < 3%; ЛГ= 0).

Таким образом, применение контура адаптации позволяет обеспечить значительную стабилизацию показателей качества управления САУ током тяговых двигателей электровоза независимо от его положения на фидерной зоне и режимов работы других электровозов и нетяговых потребителей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработанный адаптивный алгоритм для подсистемы управления током тяговых электродвигателей системы автоведения поездов обеспечивает стабильность требуемых значений показателей качества управления независимо от режимов работы электровоза, параметров тяговой сети и положения электровоза на фидерной зоне.

2. Созданная модель электромагнитных процессов в электрической железной дороге, отличающаяся от известных учетом параметров внешней питающей сети (электростанция, ЛЭП) с нетяговыми потребителями и параметров двухпутного участка тяговой сети с электровозами, позволяет выполнять адекватную оценку показателей качества подсистемы автоматического управления током.

3. Показано, что эффективное управление регулятором обеспечивается применением комбинированной САУ с алгоритмами управления по отклонению

тока и возмущению - напряжению в контактной сети. Контур управления по отклонению следует выполнять на основе двух последовательно включенных изо-дромных звеньев, дополненных звеньями гибкой обратной связи и воздействием, пропорциональным э. д. с. Закон управления по возмущению следует выполнить пропорционально - дифференцирующим, дополнив дифференцирующее звено апериодическим звеном первого порядка для исключения влияния частот возмущений свыше 20Гц.

4. Новые способы формирования импульсов синхронизации и импульсов управления нивелируют действия высокочастотных возмущений при включении нетяговых потребителей и выполняют линеаризацию регулировочной характеристики выпрямительно-инверторного преобразователя.

5. Параметрическая оптимизация подсистемы управления током позволила выбрать коэффициенты регуляторов, обеспечивающие стабильные показатели качества управления независимо от действующих возмущений при постоянных параметрах тяговой сети. При этом показана необходимость адаптации параметров подсистемы к изменяющимся параметрам тяговой сети.

6. Полученные настроечные кривые адаптера подсистемы автоматического управления током обеспечивают независимость работы системы управления от положения электровоза на фидерной зоне и влияния других электровозов.

7. Выполненные имитационные эксперименты для разных режимов работы одного электровоза, находящегося на разном удалении от тяговой подстанции и испытывающего влияние другого электровоза, работающего на параллельном пути или смежном фидерном участке, а также при учете возмущений во внешней системе электроснабжения свидетельствовали, что показатели качества управления предложенной адаптивной подсистемы управления током тяговых электродвигателей системы автоведения поездов остаются практически неизменными и соответствуют требованиям, предъявляемым к системам автоматического управления током тяговых двигателей.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Публикации в изданиях из перечня ВАК

1. Телегин М. В. Совершенствование системы автоматического управления током тяговых двигателей электровоза однофазно-постоянного тока / А. Н. Савоськин, М. В. Телегин // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2010. - № 2-3. - С. 10-14.

2. Телегин М. В. Предложения по улучшению системы автоматического управления током тяговых двигателей электровоза для обеспечения его работоспособности / А. Н. Савоськин, М. В. Телегин, В. И. Плис, А. И. Жирков И Транспорт Урала. - 2010. -№ 3 (26) . - С. 84-88.

3. Телегин М. В. Новый способ синхронизации полупроводникового преобразователя электровоза однофазно-постоянного тока с питающей сетью / А. Н. Савоськин, Д. И. Болдин, М. В. Телегин // Электроника и электрооборудование транспорта.-2010.-№ 5-6.-С. 15-21.

4. Телегин М. В. Исследование электромагнитных процессов в электрической железной дороге переменного тока на базе вычислительного комплекса реального времени / А. Н. Савоськин, А. А. Чучин, Д. И. Болдин, М. В. Телегин // Вестник ВЭлНИИ. - 2011. - № 1 (61). - С. 23-38.

Прочие публикации

5. Телегин М. В. Разработка самонастраивающейся системы управления током тягового двигателя электровоза ЭП1 / М. В. Телегин // Труды Научно-практической конференции «Неделя науки». - МИИТ, 2008. - С. VII-71 - VII-72.

6. Телегин М. В. Адаптивная система автоматического управления током тяговых двигателей электровоза ЭП1 / М. В. Телегин // Труды X Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - МИИТ, 2009. - С. V-23 - V-24.

7. Телегин М. В. Применение модульной платформы PXI для моделирования электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - тяговая сеть -электровоз» / А. Н. Савоськин, Д. И. Болдин, М. В. Телегин // Труды VIII международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». - М., 2009. - С. 96-97.

8. Телегин М. В. Имитационная модель системы тягового электроснабжения однофазно-постоянного тока с двухпутным участком на платформе реального времени RT-lab / М. В. Телегин // Труды VII международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-CНЕМ». - МИИТ, 2010. - С. 345-347.

9. Телегин М. В. Модель системы тягового электроснабжения переменного тока / Д. И. Болдин, М. В. Телегин // Труды XI Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - МИИТ, 2010. — С. V-45 - V-46.

10. Телегин М. В.. Электромагнитные процессы в имитационной модели электрической железной дороги / М. В. Телегин, Д. И. Болдин // Труды XI Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». — МИИТ, 2010. — С. V-46 - V-48.

11. Телегин М. В. Использование технологий N1 для создания программно-аппаратного комплекса имитационного моделирования в реальном времени / А. Н. Савоськин, Д. И. Болдин, М. В. Телегин // Труды IX международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments». - М., 2010. - С. 473-475.

12. Телегин М. В. Имитационное моделирование в реальном времени электромагнитных процессов электрической железной дороги переменного тока / М. П. Бадер, Ю. М. Иньков, А. Н. Савоськин, Д. И. Болдин, М. В. Телегин // Тезисы доклада XII Всемирного электротехнического кошресса. - М., 2011. - С. 108-109.

АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

ТЕЛЕГИН МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ

05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)

Подписано к печати ,XÜ. I I f ¡ ¿ Тираж 80 экз. Заказ № ^ 0$

Объем 1,5 п. л. Формат 60x84/16

УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр. 9.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

МГУПС (МИИТ)

На правах рукописи

04201451060

ТЕЛЕГИН МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ

АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор А. Н. Савоськин

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТОКОВ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ................11

1.1. Анализ существующих систем автоматического управления токами тяговых двигателей электровозов однофазно-постоянного тока............................................................................11

1.2. Анализ выполненных работ в области систем адаптивного автоматического управления электроподвижного состава.........27

1.3. Анализ выполненных работ по моделированию систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока.........39

1.4. Постановка цели и задач диссертационной работы.........44

ГЛАВА 2. ВЫБОР ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ

КОМПЛЕКСА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ.................................................47

2.1. Постановка задачи..................................................47

2.2. Разработка схемы программно-аппаратного комплекса для имитационного моделирования в реальном времени...............50

2.3. Выводы по главе 2...................................................58

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ДВУХПУТНЫМ УЧАСТКОМ ТЯГОВОЙ СЕТИ И ЭЛЕКТРОВОЗАМИ.............................59

3.1. Выбор модели системы тягового электроснабжения переменного тока................................................................59

3.2. Моделирование системы тягового электроснабжения переменного тока в пакете БтиНпк..........................................67

3.2.1. Моделирование питающей сети, нетягового потребителя и тягового трансформатора подстанции.................................67

3.2.2. Расчет электрических параметров проводов тяговой сети ...69

3.2.3. Расчет электрических параметров рельсов.......................72

3.2.4. Исследование частотной зависимости сопротивлений проводников тяговой сети................................................74

3.2.5. Выбор параметров Ш двухполюсников проводников тяговой сети.................................................................77

3.2.6. Моделирование тяговой сети....................................81

3.3. Моделирование тягового электропривода в пакете БишИпк ...83

3.3.1. Моделирование тягового трансформатора электровоза.....83

3.3.2. Моделирование выпрямительно-инверторного преобразователя и выпрямителя управления возбуждением..................86

3.3.3. Модель коллекторного тягового двигателя пульсирующего напряжения с учетом вихревых токов...................................87

3.4. Моделирование управления вторым электровозом в пакете БшиПпк.......................................................................96

3.5. Выводы по главе 3...................................................98

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА................................99

4.1. Реализация типового алгоритма управления током тяговых двигателей на контроллере N1 Сотрас1ЫО.........................99

4.2. Разработка новой структуры контура управления током тяговых электродвигателей.............................................119

4.3. Методика моделирования.......................................126

4.4. Оптимизация параметров системы автоматического управления током тяговых двигателей электроподвижного состава.. 132

4.5. Сравнение результатов расчета электромагнитных процессов при типовом и предлагаемом алгоритме управления током тяговых электродвигателей.................................................138

4.6. Выводы по главе 4....................................................152

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ТОКОМ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.................................153

5.1. Разработка структуры и алгоритмов идентификации и адаптации параметров автоматического регулятора к параметрам контактной сети...............................................................153

5.2. Результаты расчетов электромагнитных процессов в адаптивной САУ тока т. э. д. при работе двух электровозов и включении нетягового потребителя.............................................160

5.3. Выводы по главе 5..................................................176

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................177

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................179

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПРИНЦИП РАБОТЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ВЛ65 (ЭП1).....................188

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ЭП1 .. .200 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ПРИНЦИП РАБОТЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА 2ЭС5К...........................204

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ОПИСАНИЕ ПАКЕТА ПРОГРАММИРОВАНИЯ MATLAB, ИСПОЛЬЗОВАННОГО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ...........................210

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ОПИСАНИЕ И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ПЛАТФОРМЫ

ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ RT-LAB............219

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. ОПИСАНИЕ СРЕДЫ РАЗРАБОТКИ LAB VIEW.......228

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. К РАСЧЕТУ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ

ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ...............................240

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. К РАСЧЕТУ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВЫХ ЦЕПЕЙ

ЭЛЕКТРОВОЗА..........................................................253

ПРИЛОЖЕНИЕ 9. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕРОВ САУ ТОКОМ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА................................................260

ПРИЛОЖЕНИЕ 10. АКТЫ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ

ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.....................................263

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное развитие железнодорожного транспорта — необходимое условие для обеспечения перехода отечественной экономики к инновационному пути развития, повышения ее конкурентоспособности и укрепления ее экономической безопасности. В связи с этим в 2007 году была принята «Программа развития российских железных дорог до 2030 года (Стратегия-2030)» [1].

Одной из приоритетных задач первого этапа Стратегии-2030 является замена на российских железных дорогах подвижного состава с истекшими сроками службы на новую высокопроизводительную технику к концу 2015 года. Общая сумма инвестиций в обновление подвижного состава оценивается в 4 трлн. рублей. При этом парк будет насчитывать более 23 тыс. локомотивов. Кроме того, в дальнейшем планируется существенное расширение железнодорожной сети, а также полномасштабная электрификация существующих и вновь построенных участков. Таким образом, особая роль отводится электроподвижному составу (э. п. е.).

Отечественному локомотивному производству предъявляются высокие требования в соответствии с мировыми стандартами. Локомотивы нового поколения, помимо улучшенных технических характеристик должны обладать увеличенным сроком службы, иметь длительные межремонтные интервалы и быть экономичными в эксплуатации.

Также признано целесообразным продолжение выпуска переходного электроподвижного состава с коллекторными тяговыми электродвигателями (т. э. д.), доказательством чего является серийное производство пассажирских ЭП1М (ЭП1П), ЭП2К и грузовых 2ЭС5К (ЗЭС5К, Э5К), 2ЭС4К, 2ЭС6 электровозов переменного и постоянного тока [2]. Поэтому очевидно, что эффективность электрической тяги должна возрастать не только вследствие создания новых мощных электрических локомотивов, но и в результате улучшения тяговых, тормозных, динамических и технико-экономических характеристик существующего э. п. е., а также повышения его надежности.

Одним из важнейших направлений совершенствования электропод-

вижного состава является внедрение систем автоведения поездов (САВП). Такие системы позволяют повысить безопасность движения, увеличить использование пропускной способности линий, снизить энергопотребление на тягу поездов. Автоматика отечественных электровозов прошла путь развития от первых систем регулирования локальными контурами (БРУЗ, САУТ), реа-лизовывавшихся на аналоговых интегральных схемах, до микропроцессорных систем управления и диагностики (МСУД), способных осуществлять автоматическое управление скоростью движения и токами тяговых двигателей, мониторинг состояния узлов и агрегатов э. п. е., а также регистрацию параметров его движения. Значительный вклад в развитие теории автоматического управления и в практику применения на э. п. с. систем автоматики своими работами внесли такие ученые, как Л. А. Баранов, Ю. В. Бушненко, Я. М. Головичер, Е. В. Ерофеев, А. Л. Лозановский, В. М. Максимов, Я. Е. Марченко, Л. А. Мугинштейн, Б. М. Наумов, Б. Д. Никифоров, Н. Б. Никифорова, А. В. Плакс, А. Н. Савосышн, В. Д. Тулупов, Г. В. Фаминский, В. П. Феоктистов и другими специалистами в нашей стране и зарубежом.

Наиболее перспективным направлением автоматизации э. п. с. является внедрение на железнодорожных магистралях централизованных систем автоведения поездов (САВП), которые осуществляют управление движением поездов на линии от центрального диспетчерского поста (ЦДП) путем передачи на движущиеся локомотивы величин заданного времени хода по впереди лежащему участку. Сведения о положении поездов на линии и времени их хода позволяют более гибко компенсировать возникающие возмущения и точнее выполнять график движения [3]. Централизованные САВП нашли широкое применение на метрополитенах, где очень важным является точное выполнение графика движения поездов в условиях коротких перегонов. Заданное время хода в централизованных САВП от Ц ДП поступает на регулятор времени хода, который управляет системами внутренней автоматики локомотива (рис. 1). Сюда же поступают значения ограничений скорости от путевых датчиков (ДП) и бортовых устройств безопасности (КЛУБ, САУТ). На магистральных

Рис. 1. Функциональная схема централизованной системы автоведения поездов для локомотивов с плавным непрерывным управление силой тяги

железных дорогах на сегодняшний день применяются автономные САВП, осуществляющие управление только одним поездом в соответствии с заданной программой движения, занесенной в память САВП. Как централизованные, так и автономные САВП являются двухуровневыми.

Верхний уровень определяет оптимальные режимы работы локомотива по ведению поезда на участке, критерием которых является минимальный расход электроэнергии за заданное время хода. Этот уровень главный и предназначен для поддержания графика движения поездов в изменяющихся условиях (сигналы АЛСН, ограничения скорости) [3].

На локомотивах с релейно-контакторным управлением САВП может задавать номер ходовой позиции тягового привода, и тогда нижний уровень автоматического управления отсутствует. Другой разновидностью системы автоматического управления (САУ) таких локомотивов является наличие контура управления скоростью в нижнем уровне. Этот контур получает от САВП заданное значение скорости и изменяет номер ходовой (тормозной) позиции так, чтобы стабилизировать скорость движения с заданной точностью.

Более сложной является структура нижнего уровня автоматического управления на локомотивах с плавным непрерывным управлением силой тяги. В этом случае нижний уровень САВП состоит из двух подчиненных контуров управления: скорости и тока (см. рис. 1). САУ скоростью является внешним контуром, определяющим величину заданной силы тяги или заданного тока тяговых двигателей электровоза, необходимых для реализации заданной главным контуром скорости и режима движения. САУ током является внутренним контуром, предназначенным для стабилизации заданного тока двигателей.

Настоящая диссертация посвящена совершенствованию алгоритма, реализуемого регулятором тока. Это связано с тем, что опыт эксплуатации электровозов, оборудованных двухконтурной системой автоматического управления нижнего уровня (электровозы ВЛ85, ЭП1, 2ЭС5К) выявил несовершенство существующих алгоритмов управления, что вызывает появление

колебательных процессов, приводящих к срабатыванию аппаратов защиты от аварийных режимов. Такое аварийное отключение электровозов может представлять угрозу безопасности движения (например, в случае движения на спуске в режиме рекуперации, поскольку повторное включение электрического торможения или переход на пневматическое сопряжены с временной задержкой). Все это свидетельствует об актуальности выбранной темы диссертации.

На защиту выносится адаптивная система автоматического управления током тяговых двигателей электровоза, обеспечивающая требуемые значения показателей качества управления, независимо от режимов работы электровоза, параметров тяговой сети и положения электровоза на фидерной зоне.

Методика исследований. В работе применены методы математического моделирования процессов управления в электромеханических системах с использованием основных положений теории автоматического управления, теории электрических цепей и теории электрических машин.

Для разработки модели обобщенного объекта управления использовался программный пакет Matlab / Simulink. Расчеты выполнялись на вычислительном комплексе реального времени, состоящем из вычислительной платформы RT-lab фирмы Opal-RT, микроконтроллере типа N1 CompactRIO, модульной измерительной системе типа N1 PXI, а также персонального компьютера (ПК). Модель была реализована на ПК, а затем введена в платформу RT-lab. Здесь она была конвертирована в программу реального времени. Численное интегрирование дифференциальных уравнений выполнялось решающим устройством ARTEMIS с фиксированным шагом. Реальная микропроцессорная система управления (МПСУ), управляющая исполнительными устройствами САУ током т. э. д. - тиристорными преобразователями, была реализована на N1 CompactRIO в графической среде LabVIEW-RT. Визуализация и обработка результатов вычислений осуществлялась на модульной измерительной системе N1PXI также в пакете LabVIEW-RT.

Научная новизна.

1. Показано, что на реализацию алгоритмов подсистемы автоматического управления током САВП существенно влияет обобщенный объект управления, в составе которого необходимо учитывать систему тягового электроснабжения, состоящую из электростанции, высоковольтной линии электропередачи, нетяговых потребителей, тяговой подстанции, двухпутного участка тяговой сети и электровозов на фидерной зоне.

2. Предложена структура программно-аппаратного комплекса реального времени, впервые позволившая выполнять программную и аппаратную разработку и отладку алгоритмов подсистем управления электроподвижного состава на реальном микроконтроллере.

3. Разработаны новые алгоритмы цифрового формирования импульсов управления выпрямительно-инверторным преобразователем, линеаризующий его регулировочную характеристику, и цифровой синхронизации подсистемы управления током с питающей сетью, позволяющий нивелировать действия высокочастотных возмущений при включении мощных нетяговых потребителей.

4. Многочисленные имитационные эксперименты позволили установить, что требуемые показатели качества подсистемы автоматического управления током тяговых двигателей с существенными нелинейными характеристиками обеспечиваются применением комбинированной системы управления с воздействиями по отклонению тока и возмущению - напряжению в контактной сети.

5. В контуре управления по отклонению тока такой подсистемы эффективно применение алгоритма с астатизмом второго порядка на базе двух изодромных звеньев, со звеньями гибкой обратной связи, а также с дополнительным воздействием, пропорциональным э. д. с. тягового двигателя.

6. В контуре управления по возмущению такой подсистемы следует использовать пропорционально-дифференцирующий закон управления, при дополнении дифференцирующего звена апериодическим звеном первого порядка для исключения влияния частот выше 20 Гц.

7. Разработан алгоритм адаптации коэффициентов регуляторов управления по отклонению и возмущению к параметрам тяговой сети, обеспечивающий независимость работы системы автоматического управления током тяговых двигателей от удаления э. п. с. от тяговой подстанции и режимов работы других электровозов.

Практическая ценность.

1. Создан программно-аппаратный комплекс, позволяющий выполнять разработку законов управления для подсистемы автоматического управления током тяговых электродвигателей различных тапов э. п. с. переменного тока с учетом электромагнитных взаимодействий в системе тяговое электроснабжение - электрический подвижной состав.

2. Разработано математическое и программное обеспечение для микроконтроллера, реализующее адаптивную комбинированную систему управления током тяговых двигателей и обеспечивающее стабильные показатели качества управления для э. п. с.

3. Разработано математическое и программное обеспечение цифровой синхронизации системы управления с питающей сетью и формирования импульсов управления тиристорами исполнительного устройства для использов�