автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Алгоритмы автоматизированного управления временем хода поезда "Русич" на перегонах метрополитена

005005612

Мелёшин Иван Сергеевич

АЛГОРИТМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ВРЕМЕНЕМ ХОДА ПОЕЗДА «РУСИЧ» НА ПЕРЕГОНАХ МЕТРОПОЛИТЕНА

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

Москва-2011

005005612

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)» на кафедре «Управление и информатика в технических системах».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Баранов Леонид Аврамович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Поплавский Андрей Адольфович

кандидат технических наук, доцент Зенкович Юрий Иосифович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Петербургский государственный

университет путей сообщения (ПГУПС)»

Защита диссертации состоится 21 декабря 2011 г. в ][_ часов на заседании диссертационного совета Д218.005.04 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ГСП-4, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТа. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба направлять по адресу Совета университета.

Автореферат разослан гг_\. //. 7о I/

Ученый секретарь

диссертационного совета Д218.005.04, д.т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В современном мегаполисе значительную роль в пассажироперевозках играет метрополитен. При интенсивном увеличении численности населения города происходит расширение городских границ, увеличение площадей транспортной сети и уплотнение графика движения поездов. Актуальными являются вопросы безопасности движения, мероприятия по уменьшению сбоев в движении и уменьшению потребления электроэнергии. Снижение расхода электроэнергии и повышение качества перевозки на метрополитене в значительной мере может быть достигнуто за счет автоматизации управления движением. Частичная или полная автоматизация перевозочного процесса может быть выполнена за счет применения систем автоведения. Такого рода системы позволяют повысить безопасность, улучшить использование пропускной способности линий, облегчить условия труда работников метрополитена. Важную роль в работе таких систем играет регулятор времени хода. Повышение качества управления достигается за счет более точного по сравнению с ручным управлением выполнения графика движения и за счет использования оптимальных по критерию минимума расхода электроэнергии времен хода по перегонам и режимов ведения поезда. Для условий метрополитена характерны высокие требования точного выполнения времени хода и прицельного торможения. Поэтому большое значение в разработке алгоритмов автоматизированного управления играет применение моделей, наиболее адекватно описывающих реально происходящие процессы.

Вопросам разработки алгоритмов автоматизированного управления метрополитеном посвящены работы ученых МИИТа, ПГУПСа, ВНИИЖТа, Гипротранссигналсвязь, ОАО

«Метрогипротранс», ОАО «НИИАС», ОАО "НИИ Точной механики", выполненные совместно с сотрудниками метрополитенов России и стран СНГ.

Сегодня парк подвижного состава Московского метрополитена обновляется, и все большую долю в нем занимают поезда с асинхронным тяговыми двигателями. Схема привода позволяет осуществлять непрерывное управление тягой и рекуперативным торможением. В зависимости от ситуации на линии и напряжения на токоприемнике рекуперируемая электроэнергия может поступать как в контактную сеть, когда есть потребители электроэнергии, так и на тормозной резистор, когда нет потребителей в тяговой сети. Поэтому возникает необходимость в создании алгоритмов автоматизированного управления, которые учитывали бы особенности поезда нового типа.

Целью диссертационного исследования является разработка алгоритмов автоматизированного управления временем хода поезда метрополитена типа «Русич» с асинхронными двигателями.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику идентификации параметров модели движения поезда метрополитена типа «Русич».

2. На базе разработанной методики получить параметры модели движения поезда метрополитена типа «Русич».

3. Оиенить адекватность модели движения поезда объекту управления.

4. Разработать алгоритм оперативного определения параметров основного сопротивления движению.

5. Получить систему соотношений, позволяющую для поездов метрополитена типа «Русич» выбирать управления, обеспечивающие минимум расхода энергии на тягу при заданных времени хода и ограничениях на фазовую координату.

6. Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для построения энергоэффективной траектории движения поезда метрополитена типа «Русич».

7. Определить влияние неполноты априорной информации и погрешностей измерения на энергоэффективную траекторию.

8. Разработать алгоритмическое и программное обеспечение регулятора времени хода поезда метрополитена типа «Русич» и оценить показатели качества управления.

Методы исследований. Результаты диссертационной работы получены на основе использования теории автоматического управления, теории оптимального управления, теории электрической тяги, системного анализа, методов имитационного моделирования.

Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обусловлена адекватностью модели, корректностью постановок задач, обоснованностью принятых допущений, удовлетворительной сходимостью результатов моделирования с данными, полученными в реальных условиях эксплуатации.

Научная новизна результатов.

1. Предложена методика идентификации параметров модели движения поезда метрополитена с асинхронными тяговыми двигателями и рекуперативным тормозом.

2. Разработан алгоритм определения основного удельного сопротивления движению подвижного состава на основании экспериментальных данных.

3. Разработан алгоритм выбора энергоэффективных режимов управления движением поезда метрополитена с асинхронными тяговыми двигателями с учетом возврата энергии в сеть при рекуперативном торможении.

4. Разработан алгоритм регулирования времени хода движения поезда метрополитена по перегону на базе нечеткой логики с упреждающим тяговым расчетом энергоэффективной траектории.

Практическая ценность полученных результатов.

1. Разработано программное обеспечение определения параметров модели движения поезда метрополитена. На основании экспериментальных данных получены уточненные оценки основного удельного сопротивления движению для поездов метрополитена различных типов, определены тяговые, тормозные и токовые характеристики поезда типа «Русич». Полученные характеристики были применены для поиска энергоэффективных режимов ведения и для оценки эффективности включения рекуперации на линиях Московского метрополитена.

2. Разработано программное обеспечения для проведения имитационного моделирования движения поезда нового типа по перегону и для поиска энергоэффективного управления. Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет проводить анализ и выбор энергоэффективных режимов управления движением поезда метрополитена с учетом возврата энергии в сеть при рекуперативном торможении. Расчетная экономия электроэнергии на тягу по линии за счет использования полученных режимов составляет 5 - 6% (с учетом энергооптимального распределения времён хода по перегонам).

3. Разработанный алгоритм управления временем хода поезда метрополитена типа «Русич» является составной частью алгоритмического обеспечения систем автоведения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-практических конференциях «Неделя науки» (МИИТ, 2008 - 201 Orr), на научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (МИИТ, 2008 - 201 Orr), на международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Инновационные технологии в автоматике, информатике и телекоммуникациях» (ДВГУПС, 2008г), на международной научно-практической конференции «Trans-Mech-Art-Chem» (МИИТ, 2008г, 20 Юг), на заседаниях кафедры «Управление и информатика в технических системах» МИИТа (2008 - 2011гг).

Реализация результатов работы. Проведены эксперименты на линиях Московского метрополитена, которые позволили оценить адекватность используемых в расчетах моделей и провести уточнение их параметров. Автоматизированная система энергооптимального тягового расчета (АСЭР) дополнена модулями для работы с поездами нового типа и реализована на Московском метрополитене. Полученные времена хода по перегонам и режимы ведения поездов внедрены в постоянную эксплуатацию на Московском метрополитене. Результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры «Управление и информатика в технических системах». Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 21 работа. Из них пять - в журнале из перечня ВАК России, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, 3-х приложений, списка литературы, включающего 123 наименование, изложена на 173 страницах и поясняется 78 рисунками, 17 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, поставлены цель и задачи исследования.

В первой главе проведены классификация и обзор методов автоматизированного управления движением поездов метрополитена.

На основании представленных материалов сформулированы выводы, показывающие актуальность получения адекватной модели движения поездов типа «Русич» (с асинхронными двигателями и рекуперативным торможением) и разработки алгоритмов его управления, позволяющих минимизировать расход энергии на тягу поезда при заданном времени хода по перегону. Для решения поставленных задач выбирается традиционная модель, описываемая системой дифференциальных уравнений движения и представляющая поезд в виде материальной точки или нерастяжимой нити:

dv 0,00981/,. . \

— = v/3.6, dt

где / - время, с; s - путь в момент времени /, м; v -скорость поезда в момент времени t, км/ч; у - коэффициент инерции вращающихся масс; 0,00981/(1+7) - коэффициент, учитывающий размерность величин и у; /л- - удельная сила тяги, кГ/т, w0 - удельная сила основного

сопротивления движению поезда, кГ/г, 1УД - удельная сила дополнительного сопротивления движению поезда, кГ/т; Ьт - удельная сила торможения, кГ/т.

Для разработки алгоритмов энергоэффективного управления рассмотрены различные методы оптимизации управления движением поезда по перегону. В данной работе за основу выбран метод принципа максимума. Определен перечень основных задач, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Во второй главе разработана методика идентификации параметров модели движения поезда метрополитена типа «Русич».

Особенностью поезда этого типа является наличие привода с асинхронными двигателями и рекуперативным тормозом. Системой управления привода осуществляется двухзонное регулирование -поддержание постоянства силы тяги или постоянства мощности. Торможение осуществляется с помощью электрического (при скорости движения свыше 7км/ч) и электропневматического (при скорости от О до 7км/ч) тормоза.

Моделирование движения поезда по перегону осуществляется через решение системы дифференциальных уравнений (1) численным методом интегрирования. Поэтому идентификации подлежат такие составляющие системы уравнений (1), как у, /пСуЛ Ът(\) и м>0(у). Удельные силы /тФ) и Ъф) соответствуют максимальным тяговым и тормозным усилиям. Дня определения потребляемой и рекуперируемой энергии необходимо идентифицировать токовую характеристику двигателя в режимах тяги и торможения.

Из руководства по эксплуатации известен общий вид зависимостей сил тяги, торможения и тока двигателя (потребляемого и рекуперируемого) от скорости V для различных уровней загрузки вагона При расчете тока двигателя выполняется условие поддержания постоянства мощности и ограничения тока сверху при учете напряжения на контактном рельсе. Расчет значений сил на каждом шаге моделирования производится на основании кусочно-линейной аппроксимации характеристик при заданных vшQ.

Для идентификации характеристик модели движения поезда в диссертации использовались данные из документации и данные регистраторов параметров движения (РПД), полученные в процессе штатной эксплуатации подвижного состава и экспериментальных поездках на линиях Московского метрополитена.

Коэффициент инерции вращающихся масс у определялся на основе метода подъемов и спусков. При этом использовались значения ускорения и замедления при одинаковых абсолютных величинах профиля, одинаковом значении скорости и известной загрузке вагона.

Идентификация характеристик поезда осуществлялась через решение обратной задачи - нахождению по дифференциальному уравнению величин м>0, /гг и Ь,, В связи с тем, что все исходные данные содержат помехи, а обратное решение уравнения связано с определением ускорения, то это может приводить к недопустимым погрешностям. Поэтому было проведено исследование влияния точности исходных данных и способов парирования помех на погрешность определения характеристик.

Значительное влияние на адекватность модели оказывает задание основного удельного сопротивления движению и-0. Это связано с тем, что данная составляющая является одной из основных действующей сил в режиме движения по инерции (выбега), который занимает значительную часть времени движения по перегону метрополитена. Удельная сила основного сопротивления движению много меньше сил /7Г и Ьт при разгоне и торможении, следовательно погрешности в определении м>0 незначительно сказываются на расчете траектории движения в этих режимах. В диссертации особое внимание уделяется методам идентификации в режиме выбега силы м>0, которая является функцией скорости и определяется как многочлен второй степени:

w0=a+bv+cv2, (2)

где а.Ь.с - коэффициенты аппроксимирующего полинома второго порядка.

Коэффициенты полинома (2) зависят от внешней среды, самого поезда и определяются на основе правил тягового расчета (ПТР). Для анализа погрешностей определения коэффициентов а, Ь и с (2) через ускорение была выбрана модель движения (1) на выбеге (при /т!~0, ¿7=0) и с заданной постоянной величиной дополнительного сопротивления и^сога/. Погрешность { измерения скорости в момент времени кТ (Т- шаг временной дискретизации,) моделируется как случайная величина, заданная гауссовским законом распределения с нулевым математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением о^. Для выделения полезного сигнала из его суммы с помехой Ш автором использовались фильтры результатов измерений на базе метода наименьших квадратов, которые различаются по степени аппроксимирующего полинома, ширине окна отсчетов и алгоритму процесса сглаживания.

Проведенные численные эксперименты при различных условиях движения позволили выбрать метод расчета ускорения поезда и определить допустимые величины погрешностей измерения скорости для расчета основного сопротивления. Анализ данных РПД

Московского метрополитена показал, что наибольшая продолжительность движения поезда в режиме выбега не превышает 120 с. Исследования показали, что при моделировании движения поезда на выбеге в течение 120 с для выполнения заданного времени хода необходимо определять с погрешностью не более чем в 1%. Данный результат достигается при СКО помехи а^ не более 0,1 км/ч и при применении интерполяционного алгоритма сглаживания, который предполагает получение уточненного значения скорости или ускорения в момент времени кТ по ряду известных близлежащих значений.

Для систем автоведения желательно, чтобы оценка параметров происходила в процессе движения поезда. Такая оценка возможна на основе цифрового фильтра Калмана, использованного автором для идентификации коэффициентов основного удельного сопротивления движению. В связи с тем, что объект описывается нелинейным уравнением (2), то для оценки параметров были применены модифицированные для нелинейных систем фильтры.

В результате работы фильтра производится оценка вектора состояния х, имеющего вид:

где X/, х2, х3, хг элементы вектора состояния размерностью и=4, которые представляют: - скорость подвижного состава, км/ч;

Х2=а+ч>д, Хз=Ь, х,,=с.

Весь процесс оценки разбивается на два этапа - прогноза и коррекции оценки вектора х. На этапе прогноза для экстраполяции состояния системы в момент времени кТ используется модель динамики системы \ и оценка состояния на предыдущем к-\ такте работы. В соответствии с (1), (2) и (3) оценка скорости поезда и коэффициентов и>о, движущегося в режиме выбега, в момент к будет определяться на основании вектор функции £

Модель измерения при получении значения скорости и векторе состоянии (3) определена как:

Коррекция оценки вектора состояния описывается заданным уравнением:

\-1х1,х2,х}.х^)т = [у,а + у/д,Ь,с\т.

(3)

Г =

(4)

(5)

К = + Кк(гк -¿к), (6)

где х~.х* -априорная и апостериорная оценка соответственно состояния системы для текущего отсчета; Кк - оптимальная по Калману матрица коэффициентов усиления, гк - результат измерения, скорость, гк - оценка ожидаемого измерения, гк =Ь(х).

Для расчета Кк в (6) на каждом такте работы фильтра необходимо вычисление матрицы Ф, которая представляет собой линеаризацию модели динамики - матрица частных производных нелинейной функции Г (4) по вектору состояния х (3):

\-(хъ+1-х4хО\Т -\Т -Х&Т -х{\Т 0 10 0

х=х(-) 0 0 10

0 0 0 1

ф = £>£ дх

(7)

После расчета х * (6) получается скорректированная оценка

коэффициентов основного сопротивления движению. На следующем такте работы фильтра применяются результаты расчета предыдущего такта и новые значения измерений скорости.

Для начала работы алгоритма необходимо задать начальную оценку вектора состояния, которая может быть получена на основе измерения скорости и коэффициентов основного сопротивления, рассчитанных согласно ПТР.

Описанный алгоритм рекуррентной оценки коэффициентов основного сопротивления движению поезда был реализован в среде матричных вычислений МаНаЬ. В результате обработки данных РПД для перегонов Московского метрополитена для линий Серпуховско-Тимирязевской, Филевской и Арбатско-Покровской были получены оценки коэффициентов основного удельного сопротивления движению для вагонов типа «Русич». В таблице 1 представлены примеры полученных оценок для поезда типа «Русич» на перегонах Филевской и Арбатско-Покровской линиях.

Далее были определены тяговые и тормозные характеристики на основе экспериментальных данных и обратного решения уравнения движения. При этом за основу были приняты характеристики из соответствующей документации.

Таблица 1 Оценки коэффициентов основного сопротивления для поезда типа «Русич»_____________

№ п а т Оценки коэффициентов основного сопротивления км/ч 1, м Д?Л7. с А7Ъ с

а* Ь* с*

1 5 0 0,89 0,008 0,00081 54,5-68,1 1991 4,13 0,25

2 5 0 0,88 0,008 0,0008 33,6-48,1 1300 0,66 0,15

3 4 18 0,34 0,003 0,00032 54,1-54,9 510 0,5 0,12

4 4 18 0,11 0,001 0,0009 21,4-52,3 792 9 1,45

№ - номер перегона, где 1 - Киевская - Парк Победы, 2 - Славянский бульвар - Кунцевская, 3 - Багратионовская - Фили, 4 - Студенческая -Кутузовская; п- число вагонов; О - загрузка одного вагона; Ь-длительность пройденного пути в режиме выбега; угу5 - диапазон скорости, на котором происходил выбег, - погрешность расчета времени хода во время выбега по начальным оценкам коэффициентов, полученных на базе МНК по нескольким перегонам; АТ.и -погрешность расчета времени хода во время выбега по найденным коэффициентам.

Проведенная проверка адекватности результатов моделирования движения поезда экспериментальным данным на перегонах Московского метрополитена на Арбатско-Покровской и Филевской линии показала, что отклонение времени хода по перегону от заданного не превышает 5с, отклонение расчетной скорости от измеренной не превышает Зкм/ч, среднеквадратичное отклонение между измеренной и рассчитанной скоростью в режиме выбега по полученным коэффициентам основного сопротивления движению не превышает 0,65км/ч. Максимальная погрешность расчета времени хода по полученным коэффициентам основного сопротивления движению в режиме выбега составила 1,45с. Погрешность расчета пройденного пути не превышает 7м. Расчет по стандартным коэффициентам приводит к погрешности расчета времени хода 9с и СКО между измеренной и рассчитанной скоростью 2,05км/ч. Максимальная погрешность пройденного пути по стандартным коэффициентам составляет 60м. Пример сравнения результатов расчета с экспериментальными данными представлен на рис. 1 для перегона «Электрозаводская - Бауманская».

Полученные параметры модели движения использовались для проведения расчетов для линий Московского метрополитена в автоматизированной системе энергооптимальных расчетов (АСЭР).

V. К

о

——1——--

О 100 200 300 400 500 600 700 .V, М

Рис. 1 Сравнение расчета зависимости скорости от пути с экспериментальными данными. Цифрами обозначено: 1 экспериментальная \(з), 2 - расчетная у(з), 3 - режим ведения.

В третьей главе был разработан алгоритм выбора энергоэффективных режимов управления движением поезда метрополитена типа «Русич» по перегону. Разрабатываемый алгоритм основывается на решении оптимизационной задачи при помощи принципа максимума с учетом рекуперативного тормоза и наличия ограничений на фазовые координаты. Решение задачи было проведено диссертантом совместно с Барановым Л.А. и Чинь Л. М. и базируется на проведенных ранее в МИИТе исследованиях.

В основе решения поставленной задачи - минимизация функционала, который определен обычным образом и включает в себя заданное время хода и расход энергии с учетом рекуперируемой энергией:

где V - скорость поезда; 5 - пройденный путь; Аэ - расход энергии на тягу; ТХп - время хода по' перегону; Я - неопределенный множитель Лагранжа; параметры и^ иг - управления тягой и рекуперативным торможением, принимающие значения в диапазоне [0..1]; г,„ш(у)—максимальные удельные силы тяги и рекуперативного торможения соответственно, Цг к.п.д. в режиме тяги, г]- коэффициент возврата энергии рекуперации в сеть; - соответственно начальная и конечная координаты траектории движения.

Задача оптимизации решается с учетом записи дифференциального уравнения движения (1) в форме, позволяющей уйти от смешанных ограничений. При записи основных выражений было введено допущение о постоянстве к.п.д. двигателей привода. В

качестве управления при движении поезда приняты силы тяги, рекуперативного и механического торможения - и//тт и,гтах и иф1тах соответственно, которые необходимо определить, чтобы минимизировать критерий оптимальности (8) при выполнении заданных времени хода поезда по перегону Тхп и ограничений на фазовую координату - скорость.

Решение задачи оптимизации базируется на принципе максимума в формулировке для задач с ограничениями, наложенными на фазовые координаты. Для записи гамильтониана были введены функций /о и , которые соответствуют подынтегральному выражению критерия оптимизации и правой части уравнения движения соответственно. Гамильтониан для рассматриваемой задачи имеет вид:

И = Уо/о + У>/. ~М(Ф ~ (9>

• с1и

где щ, щ - сопряженные функции. ¡л($) = —; Функция обладает

следующими свойствами: во-первых, она изменяется только тогда, когда фазовая координата достигает Утах - скоростного ограничения,

во-вторых, это неубывающая функция, ¡л($) = 0 при У<Ушах(з) и

/" (,<;) > 0 при v = VmJs).

Для упрощения записи решения введена />функция:

„--Ъ- (10)

V

Анализ гамильтониана Н (9) на максимум с учетом (10) позволил получить совокупность режимов управления на оптимальной траектории, последовательность которых в зависимости от значении функции р приведена в таблице 2.

Из полученных режимов четыре (ТГ, ВБ, РК, ТМ) имеют очевидный смысл - движение с максимальными тяговыми и тормозными усилиями и движение по инерции. Для режимов С, СР и СТ, соответствующих стабилизации скорости, был проведен дополнительный анализ с учетом ограничений на фазовую координату. Анализ показал, что при у< \;тах выбирается своя скорость Г( •, Уа>, или УС7- для каждого режима, которые связаны с Я.

Для определения структуры энергооптимальной траектории (последовательности режимов на траектории) установлены необходимые условия возможности переключения режимов.

Таблица 2 Режимы управления на энергооптимальной траектории

Режим и сокращение Управление Значения р

Полное торможение с максимальной интенсивностью - ТМ =0, иь = 1, иг - 1; р< 0

Стабилизация скорости рекуперативным и механическим тормозом - СТ и/ = 0, иг = 1, 0 < иь < 1; " р=0

Полное рекуперативное торможение - РК иг =0, иь =0, и,. = 1; 0</><?7

Стабилизация скорости рекуперативным тормозом -СР И/ =0, иь =0, 0 <ыг < 1; Р=П

Выбег - ВБ «у = 0, иь= 0, иг = 0; ц<р< 1

Стабилизация скорости в режиме тяги - С (><«,-<1, ий=0, иг = 0; р=1

Полной тяга - ТГ =1, иь = 0, мг = 0; р> 1

Теоретические результаты решения задачи оптимального управления позволили разработать алгоритм поиска энергоэффекгивной траектории движения поезда по перегону.

Разработанный алгоритм состоит из двух частей. Основная часть является итерационным процессом, при котором в результате изменения Ус (или однозначно с ней связанной величиной Я) происходит поиск траектории, удовлетворяющей заданному времени хода. Итерационный процесс завершается, когда невязка в условии выполнения времени хода становится меньше заданной. При этом на каждом шаге итерации происходит обращение ко второй части алгоритма, задача которой - поиск траектории при заданном значении Ус- Поиск производится путем интегрирования дифференциальных уравнений движения поезда и функции р(в) при известных граничных условиях V и р.

В результате работы второй части алгоритма, который представлен на рис. 2, строится зависимость удовлетворяющая необходимым условиям оптимальности. Построение траектории на перегоне производится по участкам, границы которых определяются в зависимости от координат скоростных ограничений и сложных элементов профиля. При построении траектории на участках используются однотипные процедуры, которые включают в себя расчет скорости движения поезда при определенных режимах ведения в заданных границах {(з7л7); (л'2,у2)} с определением

значений р(и) и времени хода по каждому участку. В зависимости от типа участка, который определяется ограничениями скорости близлежащих участков, происходит разветвление алгоритма. Таким образом производится построение допустимых фрагментов траекторий, которые в конце расчета объединяются в одну траекторию движения по перегону.

Рис. 2 Алгоритм поиска энергоэффективной траектории при заданном Ус

Разработанный алгоритм был реализован в среде матричных вычислений МаНаЬ. На основании численных экспериментов по данным перегонов Московского метрополитена (более чем 2000 расчетов для 44 перегонов) было проведено исследование получаемых энергоэффективных траекторий, в том числе анализировалась «грубость» получаемого решения.

Далее было проведено исследование влияние различных допущений модели на точность моделирования. Моделирование показало, что допущение о постоянстве к.п.д. при поиске энергоэффективных режимов вызывает незначительный перерасход электроэнергии. Сравнение результатов расчета энергоэффективных траекторий при различных моделях поезда показал, что в условиях метрополитена расчет необходимо производить на модели «нерастяжимая нить». Выбор более простой модели «материальная точка» приводит к недопустимым погрешностям. Максимальная погрешность координат переключения режимов при этом может составлять 171м. Проведенные исследования показали, что отклонения расчетных значений удельного основного сопротивления от экспериментальных при определении коэффициентов м/о средствами цифровой фильтрации в результате влияния случайных возмущений могут достигать 5%. В результате дополнительные энергозатраты не превышают 4%, а максимальное отклонение координат переключения составляет 70м.

В условиях эксплуатации вес поезда известен не точно, распределение рекуперируемой энергии торможения поезда между другими тяговыми потребителями и собственными реостатами, характеризующийся параметром >/, зависит от значительного числа факторов, которые заранее не известны. Поэтому было исследовано влияние частичного отсутствия априорной информации на выбор энергоэффективного управления для различных перегонов. В результате сравнения энергоэффективных траекторий при заданных времени хода, соответствующих графиковым значениям, было установлено, что на большинстве перегонов (-90% из 44 перегонов) выбор коэффициента возврата энергии в сеть не влияет на структуру энергоэффективной траектории В остальных случаях (в основном перегоны со сложным профилем) может наблюдаться изменение структуры энергоэффективной траектории. При выборе параметра //, равного его математическому ожиданию, перерасход в электроэнергии из-за погрешности задания >/ не будет превышать 2%. Перерасход электроэнергии в результате погрешности работы авторежима в 2г будет составлять менее 1%.

Таким образом, влияние допущений и погрешностей в определении параметров модели движения на выбор режимов управления и на перерасход электроэнергии соизмеримо с влиянием случайных возмущений, действующих на поезд.

На основании данных РПД и расчетов было произведено сравнение оценок энергозатрат при энергоэффективном управлении поезда (непрерывное управление тягой и торможением) с

энергозатратами при ручном режиме управления (дискретное управление тягой и торможением).

По данным Арбатско-Покровской линии оценка возможной экономии электроэнергии по сравнению с ручным управлением за счет применения энергоэффективных режимов при выполнении графикового времени хода с точностью 2,5с может составлять от 3% до 15% для перегонов, где присутствуют два и более режимов включения тяги. Основное преимущество выбранных энергоэффективных режимов управления по сравнению с используемыми режимами «ручного» управления заключается в более рациональном использовании силы инерции на выбеге и в выборе таких режимов ведения, при которых расход на тягу компенсируется большей отдачей энергией рекуперативного торможения.

Дополнительное снижение расхода электроэнергии возможно за счет использовании энергооптимального распределения участкового времени хода по перегонам. Расчеты по 9 линиям показали, что снижение энергозатрат за счет введения новых времен хода возможно от 2 до 8% в зависимости от линии. Результаты оптимизации были внедрены на линиях Московского метрополитена.

Использование режима рекуперации позволило за январь 2011г сократить расход электроэнергии: на Арбатско-Покровской линии - 35,61%, на Филевской линии - 26,22%, на Бутовской линии -18,34%.

В четвертой главе был разработан алгоритм регулятора времени хода (PBX) для поезда метрополитена типа «Русич» на базе нечеткой логики с упреждающим тяговым расчетом.

Характерными условиями при управлении движением на перегонах Московского метрополитена является большое число пар поездов, перегонов с разнообразными ограничениями, частые изменения ситуации на линии, сбои в движении и т.д. В таких неопределенных условиях при наличии неизвестных заранее возмущений с задачами управления успешно справляются алгоритмы, основанные на нечеткой логике, которая была выбрана для разработки PBX.

К разрабатываемому регулятору предъявлены ряд требований по качеству управления, а именно - соблюдение скоростных ограничений скорости, погрешность выполнения заданного времени не должна превышать ±2,5с, управление должно быть энергоэффективным. Реализация алгоритма осуществляется с помощью нечеткого регулятора, который является составной частью PBX и позволяет компенсировать отклонения, возникающие в результате погрешностей параметров модели. В качестве алгоритма нечеткого вывода выбран

алгоритм Сугено, хорошо себя зарекомендовавший в технических системах управления. Для описания работы применяются лингвистические переменные «расстояние до подтормаживания», «отклонение по времени хода», «превышение скорости» и т.д. При этом управляющее воздействие формируется на основе четких значений входных переменных и заданных правил. Например, для соблюдения скоростных ограничений одно из правил формулируются следующим образом: «Если «расстояние до подтормаживания» = «немного» или «превышение скорости» = «превышение», то режим управления = «торможение»». Четкие входные переменные регулятора рассчитываются на основании текущих измерений параметров движения, заданных времени хода, скоростных ограничений и результатов упреждающего моделирования. Вся работа нечеткого регулятора компактно описывается 4 нечеткими переменными и 5 правилами. Для обеспечения качества управления осуществляется изменение 10 функций принадлежности через настройку 6 параметров.

Начальные значения настраиваемых параметров регулятора выбирались исходя из смысла соответствующих лингвистических переменных. На основании результатов анализа работы алгоритма при имитационном моделировании на перегонах Московского метрополитена были получены рекомендации по выбору параметров регулятора.

Для обеспечения энергоэффективности управления при задании программ движения используются рассчитанные бортовым вычислительным устройством энергоэффективные режимы ведения. В процессе движения происходит слежение за отклонением от заданной программы ведения на основании измерений параметров движения и упреждающего моделирования и производится соответствующая корректировка действующих режимов ведения. Алгоритм будет стремиться сохранять энергооптимальную структуру траектории с учетом скорости стабилизации и сложных элементов профиля. При этом приоритет будет отдаваться командам, отвечающих за безопасность. Пример сравнения траекторий движения при работе алгоритма автоведения при отсутствии заданных режимов ведения с энергоэффективной траекторий на перегоне с крутым спуском Калининской линии представлен на рис 3. Как видно из приведенного рисунка, полученная траектория движения поезда близка к энергоэффективной Погрешность выполнения времени хода составила - 1,46 с, перерасход электроэнергии на тягу - 0,34 кВт*ч.

Перово-Шоссе Энтузиастов

и> >

100 80 60 40 20

АП=4.1096А12=4.447 С1А

Тх1 =219.3603 Тх2=217.9034 с!Т, С=1

СР

569 п=0.6

кВт*ч=0.33738

=1.5581

500

1000

1500

2000

2500

3000

-^и(з)

500

1000

1500 Э, М

2000

2500

3000

Рис. 3 Сравнение траекторий при энергоэффективном управлении (сплошная линия) и при работе регулятора времени хода на базе нечеткой логики (штрих пунктирная линия). ¿7(5) - управляющее воздействие нечеткого регулятора (1- ТГ, 0,5- С, О- ВБ, -0,5-СР, -1-РК,ТМ), р(з) - значения функции р.

Для исследования влияния возмущений на работу регулятора были проведены серии численных экспериментов для линий Московского метрополитена, при которых задавались погрешности измерений и параметров модели (скорость, основное и дополнительное сопротивление движению, загрузка). Оценивалось качество управления - точность выполнения времени хода, перерасход энергии и наличие наезда на ограничение. В результате анализа определены допустимые границы рассмотренных погрешностей, при которых регулятор будет обеспечивать требования выполнения времени хода с заданной погрешностью ±2,5с при соблюдении скоростных ограничений. Для выполнения требований по качеству управления измеренное значение скорости не должно превышать истинного значения и может быть меньше не более чем на 2%, что при максимальной скорости 80км/ч составляет 1,бкм/ч. Сопротивление движению (сумма основного и дополнительного) должно быть известно с погрешностью не более 1кГ/т. Погрешность задания загрузки вагона не более 2т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена задача, имеющая существенное значение для автоматизации управления движением поездов, заключающаяся в выборе энергоэффективного управления для поездов метрополитена типа «Русич» с асинхронными тяговыми двигателями и рекуперативным тормозом.

Основные выводы и результаты диссертации:

1. Разработаны методы идентификации основного сопротивления движению поезда при фильтрации зашумленных результатов измерений на базе метода наименьших квадратов. Разработан метод и алгоритм оценки коэффициентов основного сопротивления движению на базе фильтра Калмана, позволяющий определять параметры основного сопротивления движению в бортовых вычислительных устройствах системы автоведения в условиях эксплуатации.

2. На базе разработанных методов идентификации основного сопротивления движению поезда и проведенных экспериментальных исследований получены коэффициенты, позволяющие рассчитывать основное сопротивление движению поездов 81-717 и 81-740 . типа «Русич». Расчет траектории движения на перегонах Серпуховско-Тимирязевской, Арбатско-Покровской и Филевской линий показал, что среднеквадратичное отклонение между измеренной и рассчитанной скорости в режиме выбега составляет не более 0,65 км/ч. Погрешность расчета времени хода в режиме выбега при использовании найденных коэффициентов основного сопротивления не превышает 1,45с. Расчет по стандартным коэффициентам приводит к погрешности расчета времени хода 9с и СКО между измеренной и рассчитанной скоростью 2,05км/ч.

3. На основании экспериментальных данных получены тяговые, тормозные и токовые характеристики поезда типа «Русич». Проведенная проверка соответствия экспериментальным данным результатов моделирования движения поезда в различных режимах на перегонах Арбатско-Покровской и Филевской линий Московского метрополитена показала, что отклонение времен хода движения поезда по перегону, полученные на модели и в реальных условиях, не превышает 5с, отклонение величины скорости, полученной на модели от экспериментальной, составляет не более Зкм/ч.

4. Полученные в результате идентификации характеристики поезда использовались для определения режимов управления поезда на линиях Московского метрополитена в автоматизированной системе энергооптимальных расчетов (АСЭР).

5. Разработанный итерационный алгоритм поиска энергоэффективных режимов управления движением нового поезда

метрополитена основывается на решении задачи оптимального управления на базе принципа максимума и, в отличие от известных алгоритмов, учитывает одновременно наличие скоростных ограничений и рекуперативного тормоза. Разработано математическое и программное обеспечение решения задачи знергоэффективного управления. Показана структура энергооптимальной траектории в зависимости от скоростных ограничений и профиля пути.

6. Проведенный анализ «грубости» решения задачи энергоэффективного управления в зависимости от погрешности исходных данных показал, что на большинстве перегонов (-90% из более 2000 расчетов для 44 перегонов) выбор коэффициента возврата энергии в сеть не влияет на структуру энергоэффективной траектории. В остальных случаях использование значения коэффициента возврата энергии рекуперации, равного его математическому ожиданию для данной линии, приведет к незначительному перерасходу электроэнергии (среднее значение по перегонам 2%). Показано, что в условиях метрополитена расчет энергоэффективной траектории следует проводить на модели поезда в виде «нерастяжимой нити».

7. Результаты численного эксперимента для линий Московского метрополитена показали, что возможная экономия электроэнергии по сравнению с ручным управлением достигает от 3 до 15% за счет изменения режимов ведения. При использовании энергооптимального распределения участкового времени хода на времена хода по перегонам снижение энергозатрат возможно от 2 до 8%. Использование режима рекуперации позволило за январь 2011г сократить расход электроэнергии: на Арбатско-Покровской линии 35,61%, на Филевской линии - 26,22%, на Бутовской линии - 18,34%.

8. Разработан алгоритм регулирования времени хода поезда метрополитена по перегону на базе нечеткой логики с упреждающим тяговым расчетом. Предложенный алгоритм решает задачу управления движением поезда по перегону - выбора энергоэффективных режимов ведения для обеспечения заданного времени хода. На основании численных экспериментов были определены параметры регулятора и допустимые погрешности измерений, позволяющие выполнить время хода с заданной погрешностью при соблюдении скоростных ограничений. Показано, что погрешность выполнения заданного времени хода ±2,5с достигается при относительной погрешности измерения скорости, не превышающей 2%, при погрешности в задании сопротивления движению (сумма основного и дополнительного), не превышающего 1 кГ/т, и погрешности определения загрузки вагона не более 2т.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Баранов Л.А., Мелёшин И.С. О параметрах сопротивления движению метропоездов // Мир транспорта, №2, 2010.- с. 102-107.

2. Мелешин И.С., Калиев Ж.Ж., Шабданов Д.Т. Модули и алгоритмы автоведения // Мир транспорта, №3,2010,- с. 138-144

3. Баранов Л.А., Мелёшин И.С.,Чинь Л. М. Энергооптимальное управление движением поезда с рекуперативным тормозом при учете ограничений на фазовую координату // Наука и техника транспорта, №4,2010,- с. 19-29.

4. Мелёшин И.С. Оценка основного сопротивления поезда метрополитена на основе фильтра Калмана // Мехатроника, автоматизация, управление, №1, 2011.- с. 31-36.

5. Баранов Л.А., Мелёшин И.С., Чинь. Л.М. Оптимальное управление поездом метрополитена по критерию мимнимума энергозатрат // Электротехника, №8,2011.- с. 9-14.

В других изданиях:

1. Мелёшин И.С. Автоматизированная система энергооптимальных расчетов движения для метрополитена // Труды научно-практической конференции «Trans-mech-art-chem» в рамках «Неделя науки-2008. Наука транспорту».- М:МИИТ, 2008, с.155-156.

2. Мелёшин И.С., Баранов Л.А. Адекватность модели движения поезда метрополитена автоматизированной системы выбора энергооптимальных режимов // Труды научно-практической конференции «Неделя науки-2008. Наука транспорту» .- М:МИИТ, 2008, с. VII-46.

3. Баранов Л.А., Васильева М.А., Ершов A.B., Максимов В.М., Мелёшин И.С. Автоматизированная система выбора энергооптимальных режимов управления движением поезда метрополитена // Вестник МИИТа. 2008 , № 19, с. 3-10

4. Мелёшин И.С. Расчет основного сопротивления движению поезда метрополитена в автоматизированной системе выбора энергооптимальных режимов II Вестник МИИТа, 2008, №19, с. 3437.

5. Калиев Ж.Ж., Мелёшин И.С., Шабданов Д.Т. Труды /47/ Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в автоматике, информатике и телекоммуникациях» // Моделирование подвижного состава метрополитена с асинхронным тяговым приводом.- Хабаровск, 2008, с. 208-211.

6. Калиев Ж.Ж., Мелёшин И.С., Шабданов Д.Т. Обеспечение безопасности движения поездов при выборе режимов ведения подвижного состава метрополитена с асинхронным тяговым приводом // Труды IX научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». -М:МИИТ, 2008, с. V-14-15.

7. Мелёшин И.С. Моделирование движения поезда метрополитена «Русич» в режиме тяги // Труды научно-практической конференции «Неделя науки-2009. Наука транспорту».- М:МИИТ, 2009, с. Н-57-58.

8. Мелёшин И.С. Модель поезда Московского метрополитена «Русич» с асинхронным тяговым приводом // Труды X научно-практической конференции «Безопасность движения поездов».-М:МИИТ, 2009, с. V-15.

9. Баранов JI.A., Гречишников В.А., Мелешин И.С., Шевлюгин М.В. Экспериментальная оценка эффективности рекуперации энергии торможения в С'ГЭ Московского метрополитена // Труды десятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов»,- М:МИИТ, 2009, с. VI-14-15.

10. Мелёшин И.С. Оценка основного сопротивления поезда метрополитена с помощью фильтра Калмана // Труды научно-практической конференции «Trans-mech-art-chem» в рамках «Неделя науки-2010. Наука транспорту», 2010, с. 222-224.

11. Мелёшин И.С. Регулятор времени хода поезда в системе автоведения поездов метрополитена на базе нечеткой логики // Труды XI научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» .- М:МИИТ, 2010, с. II-3.

12. Баранов Л.А., Мелёшин И.С. , Чинь Л. М. Управление движением поезда с рекуперативным тормозом при учете ограничений на фазовую координату, доставляющее минимум расхода электроэнергии // Труды одиннадцатой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов».- М:МИИТ, 2010, с. II-7.

13. Баранов Л.А., Мелёшин И.С., Чинь Л. М. Влияние модели поезда на выбор энергооптимальных режимов управления современных поездов метрополитена // Вестник МИИТа,№ 23, 2011.- с. 27-32.

Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ:

1. Баранов Л.А., Васильева М.А., Ерофеев Е.В., Ершов А.В., Максимов В.М., Мелёшин И.С., Сидоренко В.Г., Щукин Ю.Г. "Автоматизированная система выбора энергооптимальных режимов управления электроподвижным составом метрополитена" // Свидетельство о государственной регистрации программы для

ЭВМ № 2011610612 - Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11.01.2011

2. Балакина Е.П., Баранов Л.А., Гречишников В.А., Ерофеев Е.В., Ершов A.B., Максимов В.М., Мелёшин И.С., Сидоренко В.Г., Шевлюгин М.В., Щукин Ю.Г. " Комплекс программ для расчета системы электроснабжения при работе подвижного состава с рекуперацией." // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011610650 - Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11.01.2011

3. Балакина Е.П., Баранов JI.A., Гречишников В.А., Ерофеев Е.В., Ершов A.B., Максимов В.М., Мелёшин И.С., Сидоренко В.Г., Шевлюгин М.В., Щукин Ю.Г. " Модель линии метрополитена для определения эффективности включения режима рекуперации." // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011610651 - Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11.01.2011.

Мелёшин Иван Сергеевич

АЛГОРИТМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ВРЕМЕНЕМ ХОДА ПОЕЗДА «РУСИЧ» НА ПЕРЕГОНАХ МЕТРОПОЛИТЕНА

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

Подписано к печати //Г // .£0//?

Объем 1,5 п.л. Печать офсетная.

Формат 60x84/16 Тираж 80 экз. Заказ № .636"

Типография МИИТа, 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

ВВЕДЕНИЕ.

1 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДАМИ МЕТРОПОЛИТЕНА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Обзор и классификация систем автоведения поездов.

1.2 Методы расчета энергооптимальных режимов ведения поезда.

1.3 Моделирование движения поезда метрополитена по перегону.

1.4 Постановка задачи исследования.

В современном мегаполисе значительную роль в пассажироперевозках играет метрополитен. На долю Московского метрополитена приходится более 50% объема городского пассажиропотока. При интенсивном увеличении численности населения города, происходит расширение городских границ, увеличение площадей транспортной сети и уплотнение графика движения поездов. Актуальными являются вопросы безопасности движения, мероприятия по уменьшению сбоев в движении и уменьшению потребления электроэнергии. Снижение расхода электроэнергии и повышение качества перевозки на метрополитене в значительной мере может быть достигнуто за счет автоматизации управления движением. Частичная или полная автоматизация перевозочного процесса может быть выполнена за счет применения систем автоведения. Такого рода системы позволяют повысить безопасность движения, улучшить использование пропускной способности линий, облегчить условия труда работников метрополитена. Важную роль в работе таких систем играет регулятор времени хода. Эффект снижения расхода электроэнергии достигается за счет более точного по сравнению с ручным управлением выполнения графика движения и за счет использования оптимальных по критерию минимума расхода электроэнергии времен хода по перегонам и программ ведения поезда. Для условий метрополитена характерны высокие требования точного выполнения времени хода и прицельного торможения. Поэтому большое значение в разработке алгоритмов автоматизированного управления играет применение моделей, наиболее адекватно описывающих реально происходящие процессы.

Вопросам разработки алгоритмов автоматизированного управления метрополитеном посвящены работы ученых МИИТ (Московский государственный университет путей сообщения), ПГУПС (Петербургский государственный университет путей сообщения), ВНИИЖТ (Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта), Гипротранссигналсвязь, Метрогипротранс, ОАО «НИИАС» (Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте), ОАО "НИИ Точной механики", выполненные совместно с сотрудниками метрополитенов России и стран СНГ.

Сегодня парк подвижного состава Московского метрополитена обновляется и все большую долю в нем занимают поезда с асинхронным тяговыми двигателями. Данный тип двигателей обладает известными преимуществами перед коллекторными двигателями постоянного тока. Схема привода позволяет осуществлять непрерывное управление тягой и рекуперативным торможением. В зависимости от ситуации на линии и напряжения на токоприемнике рекуперируемая электроэнергия может поступать как в контактную сеть, когда есть потребители электроэнергии, так и на тормозной резистор, когда нагрузки тяговой сети не могут принять ток рекуперации. Поэтому возникает необходимость в создании алгоритмов автоматизированного управления, которые учитывали бы особенности поезда нового типа.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов автоматизированного управления временем хода поезда метрополитена типа «Русич» 81-740 с асинхронными двигателями.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику идентификации параметров модели движения поезда метрополитена типа «Русич».

2. На базе разработанной методики получить параметры модели движения поезда метрополитена типа «Русич».

3. Оценить адекватность модели движения поезда объекту управления.

4. Разработать алгоритм оперативного определения параметров основного сопротивления движению.

5. Получить систему соотношений, позволяющую для поездов метрополитена типа «Русич» выбирать управления, обеспечивающие минимум расхода энергии на тягу при заданных времени хода и ограничениях на фазовую координату.

6. Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для построения энергоэффективной траектории движения поезда метрополитена типа «Русич».

7. Определить влияние неполноты априорной информации и погрешностей измерения на энергоэффективную траекторию.

8. Разработать алгоритмическое и программное обеспечение регулятора времени хода поезда метрополитена типа «Русич» и оценить показатели качества управления.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные выводы и результаты диссертации:

1. Разработаны методы идентификации основного сопротивления движению поезда при фильтрации зашумленных результатов измерений на базе метода наименьших квадратов. Разработан метод и алгоритм оценки коэффициентов основного сопротивления движению на базе фильтра Калмана, позволяющий определять параметры основного сопротивления движению в бортовых вычислительных устройствах системы автоведения в условиях эксплуатации.

2. На базе разработанных методов идентификации основного сопротивления движению поезда и проведенных экспериментальных исследований получены коэффициенты, позволяющие рассчитывать основное сопротивление движению поездов 81-717 и 81-740 типа «Русич». Расчет траектории движения на перегонах Серпуховско-Тимирязевской, Арбатско-Покровской и Филевской линий показал, что среднеквадратичное отклонение между измеренной и рассчитанной скорости в режиме выбега составляет не более 0,65км/ч. Погрешность расчета времени хода в режиме выбега при использовании найденных коэффициентов основного сопротивления не превышает 1,45с. Расчет по стандартным коэффициентам приводит к погрешности расчета времени хода 9с и СКО между измеренной и рассчитанной скоростью 2,05км/ч.

3. На основании экспериментальных данных получены тяговые, тормозные и токовые характеристики поезда типа «Русич». Проведенная проверка соответствия экспериментальным данным результатов моделирования движения поезда в различных режимах на перегонах Арбатско-Покровской и Филевской линий Московского метрополитена показала, что отклонение времен хода движения поезда по перегону, полученные на модели и в реальных условиях, не превышает 5с, отклонение величины скорости, полученной на модели от экспериментальной, составляет не более Зкм/ч.

4. Полученные в результате идентификации характеристики поезда использовались для определения режимов управления поезда на линиях Московского метрополитена в автоматизированной системе энергооптимальных расчетов (АСЭР).

5. Разработанный итерационный алгоритм поиска энергоэффективных режимов управления движением нового поезда метрополитена основывается на решении задачи оптимального управления на базе принципа максимума и, в отличие от известных алгоритмов, учитывает одновременно наличие скоростных ограничений и рекуперативного тормоза. Разработано математическое и программное обеспечение решения задачи энергоэффективного управления. Показана структура энергооптимальной траектории в зависимости от скоростных ограничений и профиля пути.

6. Проведенный анализ «грубости» решения задачи энергоэффективного управления в зависимости от погрешности исходных данных показал, что на большинстве перегонов (-90% из более 2000 расчетов для 44 перегоно?) выбор коэффициента возврата энергии в сеть не влияет на структуру энергоэффективной траектории. В остальных случаях использование значения коэффициента возврата энергии рекуперации, равного его математическому ожиданию для данной линии, приведет к незначительному перерасходу электроэнергии (среднее значение по перегонам 2%). Показано, что в условиях метрополитена расчет энергоэффективной траектории следует проводить на модели поезда в виде «нерастяжимой нити».

7. Результаты численного эксперимента для линий Московского метрополитена показали, что возможная экономия электроэнергии по сравнению с ручным управлением достигает от 3 до 15% за счет изменения режимов ведения. При использовании энергооптимального распределения участкового времени хода на времена хода по перегонам снижение энергозатрат возможно от 2 до 8%. Использование режима рекуперации позволило за январь 2011 г сократить расход электроэнергии: на Арбатско-Покровской линии 35,61%, на Филевской линии - 26,22%, на Бутовской линии - 18,34%.

8. Разработан алгоритм регулирования времени хода поезда метрополитена по перегону на базе нечеткой логики с упреждающим тяговым расчетом. Предложенный алгоритм решает задачу управления движением поезда по перегону - выбора энергоэффективных режимов ведения для обеспечения заданного времени хода. На основании численных экспериментов были определены параметры регулятора и допустимые погрешности измерений, позволяющие выполнить время хода с заданной погрешностью при соблюдении скоростных ограничений. Показано, что погрешность выполнения заданного времени хода ±2,5с достигается при относительной погрешности измерения скорости, не превышающей 2%, при погрешности в задании сопротивления движению (сумма основного и дополнительного), не превышающего 1кГ/т, и погрешности определения загрузки вагона не более 2т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена задача, имеющая существенное значение для автоматизации управления движением поездов, заключающаяся в выборе энергоэффективного управления для поездов метрополитена типа «Русич» с асинхронными тяговыми двигателями и рекуперативным тормозом.

1. Микропроцессорные системы автоведения электроподвижного состава / Баранов Л.А., Головичер Я.М., Ерофеев Е.В., Максимов В.М.; под ред Л.А. Баранова.-М.: Транспорт, 1990.-е. 272.

2. Баранов Л.А., Ерофеев Е.В., Межох А.К. Алгоритм управления движением поездов метрополитена с помощью управляющего вычислительного комплекса// Тр. МИИТа, 1978 г., Вып. 612.-е. 40-46.

3. Ковальский А.Н. Система автоматического управления поездом метрополитена (САУ-М) и ее модификация.// Тр. МИИТа, вып.276, 1968.-е. 3-13.

4. Астрахан В.И. Автоматизация управления движением поездов метрополитена//Автоматика, связь, информатика., N 2, 2006.-е. 29-31.

5. Ерофеев Е.В. Автоматизированное отправление со станций поездов метрополитена и определение времени их хода по перегону. // Вестник ВНИИЖТ,// Вестник ВНИИЖТ, №16, 1983.-е. 17-19.

6. Ерофеев Е.В. Алгоритмы централизованного управления поездами метрополитена для системы автоведения. // Автоматическое управление технологическими процессами на транспорте// Юбилейный сб. науч. тр. Вып.892.-М.:МИИТ, 1996.-е. 22-26.

7. Теория электрической тяги / Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров H.H., Озеров М.И.; под ред. И.П. Исаева.-М.: Транспорт, 1995.-е. 294.

8. Розенфельд В.Е., Палей Д.А. Аналитический метод проведения на ЭЦВМ тягового расчета при заданном времени хода и минимальном расходе электроэнергии.//Вестник ВНИИЖТ, №1, 1974.-е. 10-15.

9. Jensen, Tommy О. Bag от metroen// Jernbanen, 5, 2002.-е. 32—41.

10. НИИ Точной Механики. Электронный ресурс., http://www.niitm.spb.ru/, (дата обращения: 10.05.2011).

11. Кузнецов С., Половинкин В Комплексная система обеспечения безопасности и автоматизированного управления движением поездов метрополитена// Современные технологии автоматизации, «СТА-ПРЕСС», 4,2004.-е. 40-47.

12. Энергоэффективность высокоскоростного движения// Железные дороги мира, 2010, № 12.-е. 61-65.

13. MATLAB 6.5 SP1/7/7 SP1/7 SP2+Simulink 5/6. Интсрументы искусственного интеллекта и бионинформатики. / Дьяконов В.П., Круглов В.В.-М.СОЛОН-ПРЕСС, 2006.-е. 456.

14. Seiji Yasunobu, Shoji Miamoto Automatic train operation system by predictive fuzzy Control// Industrial applications of fuzzy control, 1/18, 1985.-c. 1-18.

15. Прикладные нечеткие системы / Т. Тарэно, К. Асаи, M. Сугэно.-М."Мир", 1993.-е. 368.

16. Seiji Yasunobu, Shoji Miyamoto, Hirokazu Ihara A fuzzy control for train automatic stop control// Trans of the society of instrument and control engineers. Vol. E-2, Nol, 1/9, 2002.-е. 1-9.

17. Zadeh L.A. Fuzzy sets// Information and Control, Vol.8. P. 338-353, 1965.

18. Понятие линвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений / Заде Л.-Москва"МИР", 1973.-е. 167.

19. Нечеткое управление в технических системах:Учебное пособие / Деменков Н.П.-М.:Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2005.-е. 200.

20. Нечеткие регуляторы в системах автоматического управления / Гостев В.И.-К.:"Радюаматор", 2008.-е. 972.

21. Сидоренко В.Г. Автоматизация управления движением поездов на линии метрополитена с использованием нечеткой логики// Проблемы регионального и муниципального управления: Доклады и сообщения III Международной конференции 21 мая 2001г.

22. М. Sugeno, М. Nishida Fuzzy control of model car// Fuzzy Sets and Systems, 16,1985, pp. 103-113.

23. Website for Energy Efficiency Technologies for Railways. Электронный ресурс., http://www.railway-energy.org, (дата обращения:30.05.2011).

24. P. G. Howlett, J. Cheng Optimal driving strategies for a train on a track with continuously varying gradient// The Journal of the Australian Mathematical Society. Series B. Applied Mathematics, 1995, pp. 388-410.

25. P. Howlett, P. Pudney, X. Vu The 30th Conference of Australian Institutes of Transport Research (CAITR), Freightmiser: an energy-efficient application of the train control problem. //, 2008.-е. 1-7.

26. Проект EnergieSparen на железных дорогах Германии — экономия энергоресурсов и экология// Железные дороги мира, №9, 2006.-е. 63-65.

27. Innovative Integrated Energy Efficiency Solutions for Railway Rolling Stock, Rail Infrastructure and Train Operation. Электронный ресурс., http://www.railenergy.org/, (дата обращения^0.05.2011).

28. Системы автоматического и телемеханического управления электроподвижным составом / Баранов JI.A., Астрахан В.И., Головичер Я.М.; Под ред. JI.A. Баранова.-М.: Транспорт, 1984.-е. 311.

29. Ерофеев Е.В., Мостов И.С. Оптимизация программ движения поездов// Тр. МИИТа.-М., Вып.550, 1977.-е. 121-125.

30. Головичер Я.М. Оптимальное управление тяговым подвижным составом в системах автоведения магистральных железных дорог//

31. Докторская диссертация. Москва. 1994 г.-с. 346.

32. Максимов В.М. Оптимальное управление при автоматическом ведении поезда метрополитена.// Тр. МИИТ, Вып.388,1971.-е. 82-92.

33. Моисеев A.A. Синтез оптимальных траекторий движения поезда на основе построения линий переключения.// Автоматическое управление технологическими процессами на транспорте // Юбилейный сб. науч. тр.- М.МИИТ, Вып.892, 1996.-е. 32-34.

34. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов / Абдуллаев Н.Д., Петров Ю.П.-Л.:Энергоатомиздат, 1985.-е. 240.

35. Оптимальное управление движением транспортных средств. / Петров Ю.П.-JI.¡Энергия, 1969.-е. 96.

36. Вариационные методы теории оптимального управления. / Петров Ю.П.-, -Л. ¡Энергия, 1977.-280с.

37. Оптимальное управление / Болтянский, В.Г.-Наука: М., 1972.-е. 408.

38. Головичер Я.М. Аналитический расчет оптимальной кривой движения поезда с учетом переменного КПД тягового подвижного состава// Изв. ВУЗов. Электромеханика, №2, 1989.-е. 72-81.

39. Математическая теория оптимальных процессов / Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф.-М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит, 1969.-е. 384.

40. Моисеев A.A. Автоматизированная система расчета оптимальных режимов движения поезда метрополитена// Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1992.-е. 193.

41. Дубовицкий А .Я, Милютин A.A. Задачи на экстремум при наличии ограничений// Журнал вычислительной математики и математической физики, №3,1965.-е. 12-23.

42. Энергетически оптимальное управление транспортными средствами / Скива Л., Яначек Я., Ценек П.-, М.¡Транспорт, 1992-256 с.

43. Прикладные задачи динамического программирования / Беллман Р., Дрейфус С.-М.:Наука, 1965.-е. 450.

44. Ерофеев Е.В. Выбор оптимального режима ведения поезда на АЦВМ с применением метода динамического программирования// Тр.МИИТ, 1967, вып.228, с. 16-30.

45. Костромин А.И. Расчет оптимальных траекторий движения поезда методом локальных вариаций// Тр.БелИИЖТ, 1975.-№5.-с. 23-28.

46. Оптимизация управления локомотивом / Костромин А.И.-М.Транспорт, 1979,.-с. 119.

47. Крылов И.А., Черноусько Ф.Л. Решение задач оптимального управления методом локальных вариаций// ЖВМ и МФ.- Вып.6.- №1.- 1966.-е. 4649.

48. Горбачев А.Н. Методы расчета оптимальных программ ведения поезда.// Дисс. канд. техн. наук. Омск, ОмГУПС -2000.-е. 125.

49. Федянин В.П., Моисеев A.A. Оптимизация программ движения поезда метрополитена по перегону с одновременным использованием метода динамического программирования и принципа максимума// Межвузовский сб. науч. тр.-М.: Радио и связь, 1991.-е. 288.

50. Мугинштейн Л.А., Виноградов С. А., Ябко И.А. Энергооптимальный тяговый расчет движения поездов// Железнодорожный транспорт, 2, 2010.-е. 24-29.

51. Ябко И.А. Численный метод определения энергооптимального управления движением поезда// Сб. науч. тр. "Железнодорожный транспорт на новом этапе развития", 2003.-е. 129-135.

52. Chang С. S., Sim S. S., Optimising train movements through coast control using genetic algorithms// IEE Proceedings-Electric Power Applications, vol. 144, 1997, pp. 65.

53. Seong Ho, H., Yun Sub, В., Jong Hyen, В., Tae Ki, A., Su Gil, L., and Hyun

54. Wong, К. K. and Но, Т. K., Coast control for mass rapid transit railways with searching methods// IEE Proceedings-Electric Power Applications, vol. 151, 2004, pp. 365.

55. Васильева M.A. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2003.-е. 181.

56. Методы оптимизации / Банди Б.-М.- Радио и связь, 1988.-е. 128.

57. Монахов О.И., Новопрещенова Н.П., Раскин В.В., Урдин В.И. Разработка оптимальных программ управления движением транспортных средств.// Изв. Вузов., Электромеханика., -1991.-№5., с.61-66.

58. Урдин В.И., Монахов О.И., Новопрещенова Н.П. Автоматизированный расчет режимных карт депо// Электрическая и тепловозная тяга, №6, 1989.-е. 12-12.

59. Урдин В.И., Монахов О.И., Новопрещенова Н.П. Автоматизированный расчет режимных карт// Электрическая и тепловозная тяга, №9, 1990.-е. 9-10.

60. Сидоренко В.Г. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1997.-е. 263.

61. Илютович А.Е. Выбор вариации спуска в задаче оптимального управления управления со смешанными ограничениями. Декомпозиционный подход.// Автоматика и телемеханика, 9, 1989.-е. 103-114.

62. М. Dominguez, А.Р. Cucala, A.Fernandez, R.R. Pecharroman, J. Blanquer

63. Energy efficiency on train control: design of metro ATO driving and impact of energy accumulation devices // WCRR Lille, 9th World Congress on Railway Research, May 22-26, 2001, pp. 1-12.

64. Правила тяговых расчетов для поездной работы /.-- М.'Транспорт, 1985.-с. 287.

65. Динамика поезда (нестационарные продольные колебания) / Блохин Е.П., Манашкин JI.A.-M.: Транспорт, 1982.-е. 222.

66. Васильева М.А. Система моделирования движения поездов по линии метрополитена// Вестник МИИТ. 2003, Вып. №8.

67. Jyh-Cherng Jong, En-Fu Chang Models for estimating energy consumption of electric trains// Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies, Vol. 6, 2005, pp. 278 291.

68. Баранов JI.A. Модели и методы синтеза микропроцессорных систем автоматического управления скоростью электроподвижного состава с непрерывным управлением тягой// Вестник МИИТа, 10, 2004.-е. 3-16.

69. Сопротивление движению вагонов метрополитена / Радченко В.Д.-М.:Трансжелдориздат, 1956.-е. 71.

70. Баранов JI.A., Ершов А.В., Максимов В.М., Васильева М.А., Мелёшин И.С. Автоматизированная система выбора энергооптимальных режимов управления движением поезда метрополитена// Вестник МИИТа, 2008.-с. 3-10.

71. Системы управления электрическим подвижным составом / Плакс А.В.-М.: Маршрут, 2005.-е. 360.

72. Вагоны метрополитена моделей 81-740.1 и 81-741.1. Руководство по эксплуатации 740.00.00.001 РЭ.

73. Куракин В.В., Чернышев О.Г., Анохин O.B. (RU), Пат. RU 2 284 645 С1, Регулирующее устройство для привода с асинхронным двигателем, May 20, 2005,.- N 2782807/25. -06; Заявка: 2005115258/09, 20.05.2005 Опубл. 27.09.2006 , Бюл. № 27;. 8 с.

74. Техническое описание. Тяговая система вагонов нового поколения для московского метрополитена. Т72447.

75. Мелёшин И.С. Модель поезда Московского метрополитена «Русич» с асинхронным тяговым приводом // Труды X научно-практической конференции «Безопасность движения поездов».- М, 2009.-е. V-15.

76. Мелёшин И.С. Моделирование движения поезда метрополитена «Русич» в режиме тяги // Труды научно-практической конференции «Неделя науки-2009. Наука транспорту», 2009.-е. П-57-58.

77. Астахов П.Н. Сопротивление движению железнодорожного подвижного состава// Труды Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. Выпуск 311. -М.:Транспорт, 1966.-е. 178.

78. Вольперт А.Г. Способ экспериментального определения тяговых характеристик автономного подвижного состава без использования прицепной нагрузки// Вестник ВНИИЖТ, 2000, № 3.-е. 5-8.

79. Корнев А. Н., Комарицкий М. М., Носков М. Ю. Определение тяговых характеристик автономного подвижного состава по его ускорению// Вестник ВНИИЖТ, 2006, №6.-с. 27-30.

80. Методы решения некорректных задач / Тихонов А.Н., Арсенин В.Я.-М.Наука, 1979.-е. 288.

81. Теория восстановления сигналов / Василенко, Г.И.-М.: Советское радио, 1979.-е. 272.

82. Мелёшин И.С., Баранов JI.A. Адекватность модели движения поездаметрополитена автоматизированной системы выбораэнергооптимальных режимов // Труды научно-практической конференции «Неделя науки-2008. Наука транспорту».- М:МИИТ, 2008.-е. VII-46.

83. Баранов JI.A., Мелёшин И.С. О параметрах сопротивления движению метропоездов// Мир транспорта, №2, 2010.-е. 102-107.

84. Мелёшин И.С. Оценка основного сопротивления поезда метрополитена на основе фильтра Калмана// Мехатроника, автоматизация, управление, №1, 2011.-е. 31-36.

85. Обыкновенные дифференциальные уравнения с приложениями / Егоров А.И.-2-e изд., испр. -М.:ФИЗМАТЛИТ, 2005.-е. 384.

86. Теория вероятностей / Вентцель Е.С.-М. : Высш. шк., 5-е изд., стер., 1998.-е. 576.

87. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления / Баранов JI.A.-M.: Энергоатомиздат, 1990.-е. 304.

88. Баранов JI. А., Сидоренко В.Г. Измерительные тракты многомашинного комплекса поездного устройства автоведения и обеспечения безопасности движения поезда метрополитена// Транспорт, Наука, техника, управление. М., ВИНИТИ, №12, 1996.

89. Phil Howlett, Peter Pudney, Xuan Vu. (2004) Estimating train parameters with an unscented kalman filter. Электронный ресурс., http://www.apiems.net/archive/apiems2004/topicaction.php?paper=apiems20 0434.13.pdf, (дата обращения: 11.10.2010).

90. Жербак JI.M., Елисеев И.А., Худорожко М.В. Метод оценки переменных с минимальной дисперсией// Мир транспорта, 1, 2009.-е. 28-34.

91. Мелёшин И.С. Расчет основного сопротивления движению поезда метрополитена в автоматизированной системе выбора энергооптимальных режимов// Вестник МИИТа, 19, 2008.-е. 34-37.

92. Kalman R.E. A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems// Journal of Basic Engineering, 82 (Series D): 35-45, 1960.

93. Sorenson H.W. Least-squares estimation: from Guass to Kalman// IEEE Spectrum, vol. 7, 1970, pp. 63-68.

94. Stochastic models, estimation and control / Maybeck, Peter S.-New YorkACADEMIC PRESS, 1979.-е. 292.

95. Kalman filtering. Theory and practice using matlab. Second edition / Mohinder S Grewal, Angus P.Andrews.-2001A Wiley interscience publication, New York.-c. 292.

96. An Introduction to the Kalman Filter / Greg Welch, Gary Bishop.-University of North Carolina at Chapel Hill, 2001.-е. 81.

97. Dan Simon Kalman Filtering// Embedded Systems Programming, 2001 June, pp. 72-79.

98. Eric A. Wan, Rudolph van der Merwe. The Unscented Kalman Filter for Nonlinear Estimation. Электронный ресурс., http://www.lara.unb.br/~gaborges/disciplinas/efe/papers/wan2000.pdf, (дата обращения:02.10.2010).

99. Мелёшин И.С. Оценка основного сопротивления поезда метрополитена с помощью фильтра Калмана // Труды научно-практической конференции «Trans-mech-art-chem» в рамках «Неделя науки-2010. Наука транспорту», 2010.-е. 222-224.

100. Ерофеев Е.В. Упреждающие модели при автоведении метропоездов// Мир транспорта, №4, 2008.-е. 86-89.

101. ВНИИЖТ. Труды. Вып.545: Сопротивление движению грузовых вагонов при скатывании с горок. Ред. Е.А. Сотников /.-М. : Транспорт, 1975.

102. Мелёшин И.С. Моделирование движения поезда метрополитена "Русич" в режиме тяги // Труды научно-практической конференции «Неделя науки-2009. Наука транспорту», 2009.-е. П-57-58.

103. Мелешин И.С., Калиев Ж.Ж., Шабданов Д.Т. Модули и алгоритмы автоведения// Мир транспорта, №3, 2010.-е. 138-144.

104. Мелёшин И.С. Автоматизированная система энергооптимальных расчетов движения для метрополитена // Труды научно-практической конференции «Trans-mech-art-chem» в рамках «Неделя науки-2008. Наука транспорту».- М:МИИТ, 2008.-е. 155-156.

105. Manuel A. Duarte, Patricia X. Sotomayor Minimum energy trajectories for subway systems// Optimal control applications & methods, 20, 1999, pp. 283296.

106. Баранов JI.A., Мелёшин И.С.,Чинь JI. M. Энергооптимальное управление движением поезда с рекуперативным тормозом при учете ограничений на фазовую координату// Наука и техника транспорта, №4, 2010.-е. 19-29.

107. Теория экстремальных задач / Иоффе А.Д., Тихомиров В.М.-Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., М., 1974.-е. 479.

108. Баранов Л.А., Мелёшин И.С., Чинь. Л.М. Оптимальное управление поездом метрополитена по критерию мимнимума энергозатрат// Электротехника, 2011.-е. 9-14.

109. Чинь Л.М. Труды XI научно-практической конференции «Безопасностьдвижения поездов» // Алгоритм расчет фрагмента оптимальной траектории в системе автоматизированного управления движением поездов метрополитена, 2010.-е. И-4-5.

110. Баранов Л.А., Мелёшин И.С., Чинь Лыонг Миен Влияние модели поезда на выбор энергооптимальных режимов управления современных поездов метрополитена // Вестник МИИТа, 23, 2010.-е. 27-32.

111. Мелёшин И.С. Регулятор времени хода поезда в системе автоведения поездов метрополитена на базе нечеткой логики // Труды XI научно-практической конференции «Безопасность движения поездов».-М:МИИТ, 2010.-е. II-3.

112. Kamyar Mehran Takagi-Sugeno Fuzzy Modeling for Process Control//1.dustrial Automation, Robotics and Artifcial Intelligence (EEE8005), School of Electrical, Electronic and Computer Engineering, 2008.-е. 1-18.

113. Кудрявцев, B.C., Управление движением электроподвижного состава рельсового транспортного средства с использованием нечеткой логики, Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика., №11, 2002.-е. 14-17.

114. Surmann H. Genetic Optimization of a Fuzzy System for Charging Batteries// IEEE Transactions On Industrial Electronics, pp. 541 548, Vol. 43, No. 5, Oct 1996.

115. M. Figueiredo, F.Gomide Design of Fuzzy Systems Using Neurofuzzy Networks// IEEE Transactions on Neural Networks, Vol. 10, Nr. 4 (1999), p. 815-827.

116. B. Demaya, R. Palm, S. Boverie, and A. Titli Multilevel Qualitative and Numerical Optimization of Fuzzy Controller// IEEE International Conference on Fuzzy Systems, Yokohama, Japan, 1995, pp. 1149-1154.

117. Dan Simon Training Fuzzy Systems with the Extended Kalman Filter// Fuzzy Sets and Systems, vol. 132, December 2002, pp. 189-199.