автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оптимальное управление тяговым подвижным составом в системах автоведения магистральных железных дорог



о

Мшшств|5стф путей сообщения Российской Федерация \ псковский государственный университет путей сообщения

(ШГО)

На правах рукописи

ГОЛОВИЧЕР Яков Михайлович

УДК 629.4.05:681.513:62-52 (043.3)

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЯГОВЫМ ПОДВИХНИ» СОСТАВОМ В СИСТЕМАХ АВТОВЕДЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

05.22.07. - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МЖТ).

Научный консультант - доктор технических наук,

академик АТ, профессор Л.А.Баранов

Официальные, оппоненты - доктор технических наук,

профессор А.В.Плакс

- доктор технических наук, профессор А.Н.Савоськин

- доктор технических наук, академик АТ, профессор Т.А.Тибилов

Ведущее предприятие - Главное управление локомотивного

хозяйства министерства путей сообщения.

Защита состоится " .Р. " ^С^^М . 1994 г. в . час. на заседании специализированного совета ДI14.05.05 при Московском государственном университете путей- сообщения (ШИТ) по адресу: 101475, ГСП, Москва, А-55, ул. Образцова, 15, ауд./^/О

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. АвтореФерат разослан ". . ." . . /т . . 1994 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, в двух экземплярах просим направлять по адресу совета института.

Ученый секретарь '

специализированного совета . •—>-—.В.Н.Филиппов

- з -

ОБЩАЯ-ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ Актуальность проблемы. Повышение качества управления перевозками на транспорте в значительной мэре может быть достигнуто за счет использования средств автоматики и вычислительной техники. Процесс управления движением поезда относится к наиболее распространенным и ответственным технологическим процессам на железнодорожном транспорте. Его полная или частичная автоматизация достигается с помогла систем автоведения поездов (САЗП). Целы) такого рода систем является улучшение использования пропускной способности ж.д. линий, снижение расхода' электроэнергии (топлива) на тягу, повышение безопасности движения и облегчение условий труда локомотивных бригад. ■

Большинство разработанных для магистральных железных дорог САВП являются программными системам:!, в которых выбор режима ведения поезда осуществляется на основе рассчитанных заранее программ. Используемые в них алгоритмы управления, однако, не обеспечивают требуемое качество управления в случае изменения условий пропуска поезда по перегону (назначение или отмена ограничений скорости по предупрездениям, задержка на станции отправления и т.п.). Поэтому актуальной является задача повышения качества управления поездом путем создания САВП, не требуацда для своей работы заранее составленных программ ведения поезда. В этом случае расчет программы производится непосредственно на борту, в реальном маситзбе времени. Поскольку основой для построения указанных программ_ является тяговый расчет, то такие системы называются системами автоведения поездов с упреждэвдим тяговым расчетом (САВП-УГР).

Тяговый расчет, выполняемый в САВП-УТР, имеет существенные особенности. Дело в том, что графиковое время хода, как правило, больше минимально возможного, поскольку для управления движением поездов необходим резерв, позволяющий компенсировать возмущающие воздействия. Поэтому задача построения кривой движения поезда не может быть решена однозначно (за исключением коротких перегонов городских и пригородных железных дорог и метрополитенов, где время хода по перегону определяется только точкой отключения тяги). На магистральных дорогах, для которых характерны длинные перегоны со сложным профилем и наличием локальных ограничений скорости, приходится выбирать одну из многих возможных кривых движения, удовлетворяющих заданному времени хода. Критерием выбора является величина энергозатрат, необходимых для реализации той или иной кривой движения, т.е. процедура упреждающего тягового расчета должна предусматривать оптимизацию режимов управления тяговым подвижным составом по энергетическому критерию. Такие системы, предложенные в данной диссертации, названы системами автоведения поездов с упрездающим оптимальным тяговым расчетом (САВП-УОТР). Представленный в диссертации анализ известных методов расчета оптимальных режимов управления тяговым, подвижным составом показал необходимость разработки новых методов, сочетающих требуемую точность расчетов с высоким быстродействием, достаточным для их выполнения в реальном масштабе времени, а также создание на их основе

I

математического обеспечения микропроцессорных САВП-УОТР.

Задача определения оптимальных режимов управления тяговым подвижным составом является актуальной и за рамками проблемы автоматизации процесса ведения поезда. Повышение цен на

энергоносители требует проведения комплекса организационно-технических мероприятий, направленных на уменьшение расхода электроэнергия и топлива на тягу поездов. В частности, к таким мероприятиям относятся: расчет рациональных значений перегонных времен хода для разработки графика движения, своевременное составление и широкое использование режимных карт, оперативная оценка резервов снижения энергозатрат на тягу поездов и выработки рекомендаций по их реализации. При планировании и проведении'таких мероприятий также необходимы новые методы оптимизации режимов ведения поезда, обеспечивающие выполнение оптимальных тяговых расчетов на ПЭВМ в условиях локомотивных депо, отделений я служб железных дорог.

Цельв работы является решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, заключающейся в разработке новых методов оптимизации режимов управления тяговым подвижным составом, позволявших вести расчет оптимальной кривой движения поезда в реальном масштабе времени, и в создании на их основе алгоритмов управления для микропроцессорных САВП-УОТР и специализированного программного обеспечения для проведения оптимальных тяговых расчетов на ПЭВМ.

Методы исследования. Предложенные в рабо.те методы расчета оптимальной кривой движения поезда основаны на использовании математической теории оптимального управления, теории дифференциальных уравнений и теории тяги. Для исследования оптимальных режимов и алгоритмов управления тяговым подвижным составом использованы методы имитационного моделирования на

ЭВМ. математической статистики и экспериментальные исследования в эксплуатационных условиях.

Научная новизна. Разработан новый тип систем автоведения (САВП-УОТР), в которых режим ведения поезда выбирается на основе периодически повторяемого расчета оптимальной кривой движения поезда, проводимого для оставшейся части перегона исходя из фактических значений скорости и времени хода в текущей точке пути.

Разработаны теоретические основы оптимального управления тяговым подвижным составом, позволившие создать новые аналитические метода оптимизации режимов ведения поезда по энергетическому критерию, сочетающие необходимую точность расчета с высоким быстродействием, достаточным для организации вычислений в реальном масштабе времени.

Поставленные задачи решены как для электрической (в том числе с учетом возврата электроэнергии при рекуперативном торможении и ее дополнительных потерь при реостатном пуске), так и для тепловозной тяги. При решении перечисленных задач учитывались нелинейность и нестационарность об'екта управления, а также наличие нестационарных ограничений на Фазовые координаты.

Предложены и исследованы приближенные методы синтеза оптимальной кривой движения поезда, позволяющие существенно увеличить скорость расчетов.

Поставлена и решена задача оптимального управления

I

движением поезда при наличии на расчетном участке нескольких точек контроля времени (при безостановочном проходе промежуточных станций).

На основе предложенных методов оптимизации управления

тяговым подшшшм " составом разработаны алгоритмы регулирования времени хода для САВП-УОТР пассажирских поездов с электрической тягой. С помощьъ пмнтзционного моделирования проведено исследование этих алгоритмов, позволившее Еыбрать их параметры и дать рекомендации по их применению на обычных и высокоскоростных линиях.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработаны принципы построения микропроцессорных САВП-УОТР для магистральных железных дорог; алгоритмы расчета оптимальных кривых движения поезда, обеспечивающие выполнение всех вычислений в рэалыюм масптабе времэнл; алгоритмы регулирования времени хода л скорости пассажирских поездов; методы построения информационного обеспечения САВП-УСТР, а также сформулированы требования к трактам измерения параметров движения и аппаратному обеспечении этих систем. Полученные результаты могут быть использованы специалистами проектных и научно-исследовательских организаций железнодорожного транспорта и транспортного маыиностроенил при разработке и проектировании систем автоведеяия для различных -типов тягового подвижного состава.

Методы оптимизации, математическое и программное обеспечение, разработанное для производства " оптимальных тяговых расчетов на ПЭВМ, могут быть использованы различными эксплуатационными службами железных дорог при планировании и проведении организационно-технических мероприятий по снижении расхода электроэнергии и топлива на тягу поездов.

Реализация результатов работы. Научные положения и еыводы диссертации были использованы в научно-исследовательской

лаборатории "Автоматическое управление движением поездов" Московского государственного университета путей сообщения (МЖГ) при разработке тем,, выполненных по приказу Министра путей сообщения: "Микропроцессорная система автоведения скоростных пассажирских электровозов" (1981-1988 г.г.), "Разработка программ оперативного расчета на микроэвм в локомотивном депо оптимальных режимов управления электроподвижным составом с учетом реальных условий пропуска поездов по участкам" (1988-1990 г.г.), "Разработка типового комплекса программ для производства оптимальных тяговых расчетов на 1ВМ-совместимых ПЭВМ" (1992 - 1993г.г.) и хоздоговорных тем, выполняемых до алану института.

Предложенные в диссертации алгоритмы управления, принципы построения программного и технического обеспечения САВП была положены в основу разработанной под руководством и при участии автора микропроцессорной системы автоведения скоростного пассажирского электровозе ЧС200, опытные образцы которой были испытаны в эксплуатационных условиях на Октябрьской ж.д.

Метода оптимизации режимов управления движением поезда, • алгоритмы регулирования времени хода, принципы построения информационной базы и требования к трактам измерения параметров движения поезда были использованы во Всесоюзном научно-исследовательском тепловозном институте при разработке подсистемы автоведения для автоматизированной системы

управления и безопасности локомотивов (АСУБ-локомотир).

<

Результаты исследования были применены и при ' разработке эскизного проекта комплекса технических средств управления движением поездов для высокоскоростной магистрали Цонтр-Пг.

На основе предложенных в диссертации методов расчета оптимальных режимов управления поездом под руководством и при участии автора были разработаны комплексы программ .для оптимальных тяговых расчетов, введенные в промышленную эксплуатацию на Московской, Октябрьской, Восточно-Сибирской и Целинной ж.д. Отраслевой "Программой основных направлений работы по энергосбережению на ж.д. транспорте в условиях либерализации цен на энергоносители" предусмотрено дальнейшее распространение этих комплексов на железных дорогах России.

Результаты диссертационной работы используются в курсе лекций "Системы автоЕЭдения поездов" в Московском государственном университете путей сообщения.

Апробащи работы. Основные положения диссертации докладывались на:

- IX и X Всесоюзных совещаниях по проблемам управления (Ереван, 1583, Алма-Ата, 1936 );

- 1У трэнспортном конгрессе {Дрезден, 1934):

- Всесоюзной конференции »пути совершенствования транспортного процесса и управления транспортом" (Гомель, 1935);

- Научно-технической конференции "Совершенствование форм управления режимами топливно-энергетических ресурсов на железнодорожном транспорте" (Москва, 1938);

- Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы и устройства управления ответственными технологическими процессами" (Москва, 1989):

- У научной конференции института транспорта Варшавского политехнического университета (Варшава, 1990);

- Всесоюзной научно-практической конференции "Научно-технический прогресс и перспективы развития

специализированных видов транспорта" (Москва, 1990);

- Заседании тошивно - теплотехнической секции научно-технического совета МПС* (Москва, 1993);

- Заседаниях кафедры "Автоматика и телемеханика" Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) (1989, 1991 , 1993- г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 монографии, 33 статьи, получено 2 авторских свидетельства.

Об'ем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Работа содержит 211 страниц машинописного текста, 20 таблиц, 64 шишстрации, 212 наименований библиографш, 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности создания САВП-УОТР для магистральных железных дорог и разработки новых методов расчета оптимальных режимов управления тяговым подвижным составом, сформулирована цель работы, перечислены решенные в диссертации.задачи.

В цервой главе проведен анализ известных автономии: и централизованных САВП и их взаимодействия с другими системами," образующими комплекс технических средств автоматического управления и обеспечения безопасности движения поездов.-Вопросам автоматического управления для различных типов тягового подвижного состава посвящены работы Л.А.Баранова, Е.В.Ерофеева, Б.Д.Никифорова, Н.Д.Сухопрудского, А.В.Плакса, Е.Я.Гяккель, Л.А.Мугинштейна, Г.В.Фаминского, В.М.Максимова, В.И.Астрахана, Г.В.Герасенкова, В.Н.Бударина, В.М.Абрамова,

Ю.В.Буынонко, А.М.Костромина и др. Большей опыт разработки САВП накоплен в МШТе, ВШШТе, НИИЖА, ГТСС, БелЖЕТе, ПТУ ПС, ВНИТИ, на Московской и Октябрьской з.д.

Методической основой разработки математической модели поезда как об'екта. управления системы автоведения является теория тяги, которая была развита в трудах И.П.Исаева, Б.Н.Тихменева, В.Е.Розенфельда, Н.Н.Сидорова, О.А.Некрасова и др.

Алгоритм работы и структура САЕП в значительной мерз определяется свойствами тягового подвижного состава. В этом смысле наиболее важным является наличие на локомотиве таких автоматических систем как устройства автоматического разгона, регулирования скорости движения, контроля за юзом и боксовашем и т.п. В разработке таких систем для различных типов подвижного состава принимали активное участие И.В.Бирюков, И.С.Ефремов, О.М.Иньков, А.Л.Лисицын, В.И.Некрасов, В.Я.Овласюк, Н.М.Луков, Н.А.Ротанов,

A.Н.Савоськин, И.Н.Сидоров, Т.А.Тибилов, Л.М.Трахтман,

B.Д.Тулупов, В.П.Феоктистов, А.И.Хомэнко и др.

На основе анализа функций САВП была сформулирована цель управления для этих систем: необходимо обеспечить выполнение заданного графиком движения перегонного времени хода при соблюдении ограничений на скорость движения поезда, ток и температуру тяговых электрических машин, продольные усилия в составе, ограничений по условиям сцепления колесо-рельс, а также при условии рационального расхода электроэнергии (топлива) на тягу.

Анализ известных САВП программного типа и посвященных их исследованию работ показал, что в настоящее время применэние

таких систем на магистральных железных дорогах нецелесообразно. Это связано презде всего с тем, что любые изменения условий пропуска поезда по перегону, которые не могут быть учтены заранее, при составлении программы ведения поезда (изменение требуемого времени хода, снижение скорости по сигналу автоблокировки), приводят к значительному снижению качества управления. Частые изменения ограничений скорости по предупреждениям вызывают необходимость перерасчета программы движения поезда, что значительно усложняет эксплуатацию этих систем. С учетом новых возможностей, открывающихся в связи с развитием микропроцессорной техники, предпочтение следует отдать системам, выполняющим расчет программ в реальном масштабе времени - САВП-УТР. Качество управления -этих систем может быть существенно повышено, если во время движения периодически повторять тяговый расчет для оставшейся части перегона, принимая начальные условия равными фактическим значениям пройденного пути, скорости и времени хода поезда.

При создании САВП-УТР для магистральных железных дорог не . представляется возможным использование известных законов управления по отклонению, применяемых в программных системах. Обычная процедура тягового расчета здесь также не может быть использована, поскольку она не учитывает необходимость выполнения заданного времени хода и не предусматривает оптимизацию по критерию минимума энергозатрат. Для этого случая в работе предложено использование систем с упреждающим оптимальным тяговым расчетом - САВП-УОТР. .

Непосредственное решение поставленной оптимизационной задачи с учетом всех особенностей управления локомотивом и

требований продольной динамики поезда наталкивается па известные трудности в пиду . ее большой размерности. Декомпозиция исходной задачи управле:мя по частотному признаку позволяет использовать при разработке систем автоводения идея подчиненного регулирования. При этом в системе управления поездом имеются два контура регулирования: внешний регулирования времени хода и внутренний - регулирования скорости. Задачей внешнего контура является определение зелнчины требуемой скорости движения, необходимой для выполнения графика движения при минимальных энергозатратах. Задачей внутреннего контура является поддержание полученного уровня скорости. В процессе регулирования скорости учитываются требования продольной динамики и особенности управления тягой н торможением для каждого тша локомотзтва. Такой подход к построение системы автоведэния позволяет добиться известной униф:с<ац;га алгоритма регулирования времени хода по отногежта к серии тягового подвижного состава.

Ключевым вопросом при разработке САВП-УСТР является обеспечение возможности проведения оптимального тягового расчета в реальном масптабе времени, поскольку он предъявляет жесткие требования к быстродействию применяемых методов оптимизации. Решению проблемы энергоонтимального управления тяговым подвиагшм составом посвящены работы 3.Е.Розенфельда, Ю.П.Петрова, Ф.Ди-Майо (?.Di-Majo), В.М.Сидельникова, Е.В.Ерофоова, Э.С.Почаевца, Л.А.Баранова, В.М.Максимова. К.Киикавы - (К. Ishikawa), А.В.Толкачева, С.В.Дуваляна, С.В.Шинской, Л.Е.Садовского. А.Е.Грицевича, А.М.Костромпнэ, П.Хорнз (P.Horn), Л.Схнвы (L.Skiva), Р.В.Ииловской, Я.Б.Кудрявцева, А.В.Плакса, Е.Енча (E.Jentach), Х.Розе

(Н.Еозе), В.Боданского (И.ВоДапзкЗ.), С.Кимуры (Уи.Мшига), И.А.Асниса, В.И.Урдина, ' А.А.Моисеева, М.Г.Ильгисонис, А.Е.Илютовича и др.

Известные численные методы расчета (такие, как дискретный вариант метода динамического программирования, метод локальных вариаций и им подобные) не обладают требуемым быстродействием и не ногут быть использованы для решения поставленной задачи. С этой точки зрения более перспективными является аналитические методы оптимизации, в которых для синтеза оптимального управления ' используются полученные при математическом исследовании задачи формулы, связывающие между собой параметры оптимальной кривой движения.

Рассмотрение работ, посвященных аналитическим методам оптимизации управления движением поезда, показало, что наиболее существенные результаты были получены при использовании математического аппарата принципа максимума. Однако и в этих работах поставленная задача не была решена до конца для общего случая (т.е. до получения полной системы соотношений, достаточной для определения оптимального управления на любом перегоне). Ее решение проведено либо для коротких перегонов (например, для поездов метрополитена), либо при- условии' принятия значительных допущений. Такими допущениями являются предположения о постоянстве уклона пути и ограничения скорости или гипотеза о неизменности сопряженной' функции на всем перегоне за исключением его границ. На основании аналитического обзора работ, выполненных в этой области, сделан вывод о необходимости создания новых методов оптимизации управления тяговым подвижным составом, сочетающих

высокое быстродействие с требуемой адекватностью математической модели.

Во второй главе сформулирована математическая постановка задачи оптимального тягового расчета: необходимо найти такие оптимальные управляющие воздейсташ и( и "ь и соответствующую им оптимальную кривую движения поезда и , являющуюся решением дифференциального уравнения движения поездэ

\> ' = и • / Си) - и » 6 Си) - ш СиО - е (1 )

а^г г я ь ш

которые удовлетворяют:

а) граничным условиям на скорость поезда в начале и в конце расчетного участка г® , ^ ):

и } = и ; ' и ) = и ; (2)

н н к к

б) ограничениям, накладываемым на управляющие воздействия иг и иь и фазовую координату и :

и( > 11ь е ГО, и." (3) V < V (4)

в) изоперимэтрическону условию выполнения заданного времени хода т по участку . ^ з-.

Г^-. • (5)

и

а также обеспечивают мнзымум функционалу, представляющему собой величину энергозатрат на тягу поезда на участка

г. з- 7: н

| к с . . ^ (б)

н

Здесь используются следующие обозначения: I', - скорость поезда и пройденный путь, который в данном случае рассматривается как независимая переменная;

uf, ub - относительный (в долях от максимально-допустимых) значения сил тяги и торможения;

fj: v), bjcvi - максимально-допустимые значения сил тяги и

торможения, приведенные к размерности ускорения;

bX"to, ¿(s> - основное и дополнительное (от плана и профиля пути)

сопротивление движению поезда, также приведенное к размерности

ускорения;

v>h, к - скорость поезда в начале и конце расчетного участка;

v <ло - максимально-допустимая скорость движения в данной точке пути;

а - величина энергозатрат на тягу поезда в единицу времени

(потребляемая от сети мощность при электрической тяге' или

минутный расход топлива при тепловозной тяге).

С целью учета изопериметрического условия (5) переходят к

минимизации обобщенного критерия s

Г К

j - а + \ • т ■= I са ■* Х> • -г- , (7)

s

н

где к - неопределенный множитель Лагранжа.

Для решения этой задачи в диссертации использован принцип максимума в формулировке, предложенной А.А.Милютиным и А.Я.Дубовицким, которая позволяет учитывать ограничения не только на .управляющие воздействия, но и на фазовые координаты. Процесс, решения поставленной задачи состоял из следующих трех этапов: определение набора оптимальных режимов управления; определение условий их существования и переключения, которые позволяют получить структуру оптимального управления для каждого конкретного расчетного участка; вывод необходимых условий оптимальности, используемых для расчета точек включения каждого oír» .шального режима.

Рассмотрим вначале оптимизацию управления поездом по критерию минимума работы силы тяга. В этом случае а = и^/^сиэ-и. Анализ гамильтониана и дифференциального уравнения для сопряженной функции показывает, что оптимальными являются следующие пять режимов: полной тяги, стабилизации скорости, выбега, подтормаживаяия и торможения с максимальной

интенсивностью. В режиме подтормаживания скорость поезда поддерживается на уровне ^. В режиме стабилизации скорость поезда равна т1п(ь>е, исао ). Величина однозначно определяется множителем Лагранжа из уравнения и*, и- -си^) =» \ (здесь и далее штрих обозначает взятие' производной функции). Эти результаты, однако, не обеспечивают возможность синтеза оптимальной кривой движения, поскольку не определен порядок чередования оптимальных режимов и не рассчитаны координаты точек переключений. В отличии от известных работ, в которых для решения поставленных задач были сделаны различные допущения (предположения, что функции и усзо постоянны, предположения о неизменности сопряженной функции), в настоящей диссертации задача (1) - (б) ресена без привлечения упрощающих или эвристических соображений.

С целью получения результатов, пригодных для расчетов на любых реально существующих участках, в диссертации проведен анализ сопряженной функции, на основе которого получены условия переключения оптимальных режимов как внутри, так и на границе фазового пространства. Это позволило синтезировать графи переключений оптимальных режимов, а также сформулировать условия существования каждого такого режима, связывакггие его использование с особенностями профиля пути и карты ограничений скорости. Эти условия позволяют для каждого конкретного перегона

определить порядок чередования оптимальных режимов, т.е. структуру управления.

Для расчета точо^ включения оптимальных розшшз в диссертации получены необходимые условия оптимальности. Достаточно иметь такие условия только для режимов тяги и выбега, поскольку, как следует из анализа оптимального управления, кривые движения на всех остальных режимах определяются граничными условиями, зависимостью максимально-допустимой скорости от путл и уровнем Проверка необходимого условия оптимальности сводится к оценке следующей величины.:

П П 1-1

у Си У - 1 С\> У .—,

* • £ д., л ~ -и-.' «

* V-» V

V «1 ¿«1

где /о= и + -А. ; /,= «,-/тс»> - «ло :

Ра, рь- значение функции р с^З, пропорциональной сопряженной функции, в начале и конце рассматриваемого режима; 1л - скорость в конце *-го элемента профиля;

"о * ио» ип " ~ скорость поезда в начало и .конца рассматривав!,5ого режима;

- уклон на 1-м элементе профиля; п -' число элементов профиля на рассматриваемом режиме;

В работе доказано, что величина Ф . пропорциональна чувствительности обобщенного критерия J к вариации точки включения исследуемого ресшма.

Если кривая движения на рассматриваемом реяимо задана граничным, условием либо она "касается" функции кс^о, то необходимое условие оптимальности имеет вид неравенства,

определяющего знак Ф. С помощью этого пэравенствз проверяется оптимальность построенной кривой. Во всех остальных случаях необходимое условие оптимальности имеет вид строгого равенства £> = О, выполнение которого обеспечивает оптимальность каждому участку кривой, движения. В работе предложена методика определения значений ра, рь и условий, накладываемых на величину Ф , в зависимости от текущего и соседнего режимов.

Необходимые условия оптимальности совместно с уравнением движения поезда (1), граничными условиям* (2) и характеристиками расчетного участка и образуют полную систему

соотношений, достаточную для синтеза оптимальной кривой движения на любых расчетных участках. При этом расчет сводится к последовательному построению отдельных участков оптимальной кривой, что обеспечивает уменьшение времени счета на два порядка по сравнению с'методом динамического программирования.

В работе проведено исследование оптимальной кривой движения поезда для ряда характерных случаев: в окрестности локального ограничения скорости, крутого лод'ема (на котором мощности локо,мотива недостаточно для поддержания скорости поезда на уровне и^) а вредного спуска (¡та котором скатывающая сила больше силы основного сопротивления на скорости чс). В частном случае, когда уклон пути на всем расчетном участке постоянен, выражение, получаемое из формулы (8), совпадает с известными результатами. Сравнение оптимальных режимов управления с режимами,' часто рекомендуемыми из эвристических соображений показывает, что такие рекомендации не всегда эффективны. Ведение поезда на оптимальных режимах позволяет обеспечить снижение энергозатрат до 9 % по сравнению с режимами, используемыми при ручном управлении поездом.

В диссертации выполнены исследования, позволившие оценить увеличение энергозатрат, 'связанное с отклонениями- реальных условий движения поезда (сопротивление движению, напряжения контактной сети и т.п.) от их значений, используемых при проведении оптимального тягового расчета. В процессе управления движением поезде эти отклонения играют роль возмущающих воздействий. Поскольку циклически повторяемый расчет оптимальной, кривой движения учитывает реальное состояние поезда в каждой точке пути (т.е. и - это фактическая скорость поезда в момент расчета, т - оставшееся время хода), то значительная часть возмущающих воздействий не приводит к существенным отклонениям реализуемого движения от оптимального. Например, если из-за ухудшения условий сцепления уменьшилась интенсивность разгона, то скорость в режиме стабилизации будет <5ольше, чем планировалось в начале перегона, поскольку к моменту перехода на стабилизацию оставшееся время хода стало меньше, чем планировалось. В этом случае, если не будут действовать другие возмущающие воздействия, на перегоне будет реализована оптимальная кривая движения. .В режиме стабилизации возмущающие воздействия парируются с помощью контура регулирования скорости.

Исследования, проведенные с помощью имитационного моделирования, показали, что увеличение энергозатрат из-за' различия между расчетными и фактическими условиями движения поезда в среднем составляет 0,535?, а их максимальная величина не превышает г,1%. Это свидетельствуют о слабой чувствител£ности оптимального управления поездом к рассматриваемым возмущающим воздействиям, что обуславливает возможность использования предложенного метода для решения практических задач.

Для увеличения скорости проведения расчетов в диссертации выведены приближенные формулы, позволявшие существенно упростить процедуру построения оптимальной траектории. Для определения точки отключения тяги перед локальным ограничением скорости или остановкой поезда. предложено использовать следующую формулу, определяющую оптимальное значение скорости начала торможения: 2 • и • Г

1 - / 1 - 4 • х • у

где ЛГ=-1+Сш'Си > + -т^; У =

а 1 Л

(9)

п

•¿Ч - V • \ :

С - длина »-го элемента профиля;

- скорость в момент перехода на выбег.

Результаты расчетов показывают, что для всех случаев, за исключением вредных спусков, увеличение энергозатрат, связанное с применением приближенной формулы (9) вместо точной (8), не превышает 2 %. Следовательно, ее можно рекомендовать для высокоскоростных линий, где основное сопротивление, как правило, больше скатывающей силы.

Для расчета точки перехода в режим максимальной тяги перед крутым ' под*емом'были предложены следующие приближенные формулы, заменяяхцие выражение (8):

/ Си У СV - и )2 - Си

ф = —--•> —1---—-=— ; (Ю)

2 / Си ) - <?

{ = /, Си ) • С ^ - и • Т ) , (11)

2 с аЪ с аЬ

ГДе /г<и> = ьХи) + ;

/*оь' Гоъ 7 Д^ина участка движения с полной тягой и время хода по нему.

Эти формулы могут быть использованы также для расчета точкй включения тяги перед _ вредным спуском незначительной протяженности, на котором не требуется использовать режим подтормаживапия. Обе данные формулы дают достаточно точное приближение, погрешность здесь не превосходит 0,5 % .

В диссертации проведено сравнение кривых движения поезда, оптимальных по критерию минимума работы силы тяги, с результатами оптимизации режимов управления электровозами по критерию минимума расхода электроэнергии. Для проведения такого расчета на достаточно простых перегонах был использован градиентный метод поиска экстремума функции многих переменных. Установлено, что разность в расходе электроэнергии между движением поезда, оптимальным по критерии минимума работы силы тяги, и движением, оптимальным по критерию минимума затрат электроэнергии на тягу! не превышает 1,3 %• Следовательно, предложенный метод расчета обеспечивает рациональное ведение поезда и с точки зрения расхода электроэнергии на тягу. Искличением является только управление разгоном ЭПС постоянного тока с реостатным пуском, когда из-за больших потерь энергии в реостатах к.п.д. меняется в широких пределах, поэтому оптимизация по критерии минимума работы' силы тяги здесь неприемлема. Этот случай рассмотрен в третьей главе.

В' работе решена также задача оптимизации управления электроподвижным составом с рекуперативным торможением. В этом случав оптимальными являются следующие семь режимов: полной тяги, стабилизации скорости, выбега, неполного рекуперат1{вного

I

торможения, полного рекуперативного .торможения, механического подтормаживания и механического торможения. Установлено, что скорость поезда на втором, четвертом и шестом режимах должна поддерживаться постоянной, получены выражения для расчета ее

значения на каждом из' них. Показано, что на затяжных спусках скорость поезда не обязательно должна быть равна максимально допустимой даже если уклон пути велик настолько, что совместно с рекуперативным приходится использовать механический тормоз (режим подтормэживания >.

Для подвижного состава с рекуперативным торможением были получены графы возможных переключений оптимальных режимов управления и сформулированы условия существования каждого режима, позволяющие определять структуру оптимального управления на конкретном расчетном участке. В этом случае необходимые условия оптимальности для режимов полной тяга, выбега и полного рекуперативного торможения также строятся с помощью формулы (8), где / <>.0 = и, • / <"> - Т) • и - г Си) + ; (12)

О 1т ' г т и

>= иг • /¿V) - иг • - ъХмЗ ; (13)

иг - относительная сила рекуперативного торможения;

гт - максимально-допустимая сила рекуперативного торможения,

приведенная к размерности ускорения;

т) - коэффициент возврата электроэнергия в сеть, учитывапдий к.п.д. электровоза в режиме тяги и в режиме рекуперации.

Предложена методика определения значений Ра и рь и условий, накладываемых на величину Ф , для каждого случая включения одного из трех перечисленных режимов. Это позволяет с помощью выражения (8) определить точки включения оптимальных режимов и, тем самым, синтезировать оптимальную кривую движения.

В диссертации поставлена и решена задача оптимального управления поездом в том случае, если помимо общего времени хода поезда по участку заданы моменты проследования нескольких точзк на нем. Эта задача возникает, например, если рассматривается

движение поезда, преследующего без остановки одну или несколько станций, на которых отсутствуют ограничения скорости1 движения. В работе доказано, что оптимальными здесь являются те же режимы, что и полученные при решении задачи (1)-(6). Установлено, что строгое решение поставленной задачи требует выбора N неопределенных множителей Лагранжа \ , где N - число точек контроля времени. Установлено, ' что в окрестности этих точек включается либо режим тяги, либо выбега. Точка включения этого режима определяется из условия выполнения следующего необходимого условия оптимальности:

1 - П^+ • П^+ ■ ГЬ - (14)-

v= I ist j=l i = rn+1 j= i

.wo „" f°Cvs - , k ' + ч

где в. = —--- ; fa- u •/ + —;

А «Ч-.3 "

} cvi и л. - определяются как в выражении (8): m - номер элемента профиля, на котором находится к -я точка контроля времени.

Если уклон пути в окрестности станции постоянный, то вместо выражения (14) можно использовать следующую формулу, позволяющую непосредственно оценить значение скорости поезда в точке контроля времени:

К ~ Ч-.

- - ъ ъ» (15)

1с к-»1

f Си > - / Си, i JZ а Ь

гдэ =' исъо * ;

I

скорость поезда в начале и конце данного режима.

В работе рассмотрен приближенный метод решения задачи с несколькими точками контроля времени, при котором режим ведения поезда в конце каждого перегона рассчитывается из предположения,

что распределение общего времени хода по отдельным перегонам близко к оптимальному. Сравнение результатов оптимизации кривой движения поезда по приближенной и точной методикам показало, что увеличение энергозатрат, вызванное принятием указанного допущения, не превосходит г % .

В третьей главе решена задача оптимизации управления тяговым подвижным составом по критерию минимума расхода электроэнергии или топлива в общем случае, когда к.п.д. локомотива зависит от силы тяги и скорости движения. . Установлено, что выбор оптимального управления в значительной мере определяется характером зависимости величины энергозатрат в единицу времени в от силы тяги / = и( • /т. Анализ этой зависимости для различных типов тягового подвижного состава показал, что она, как правило, носит 5 - образный характер, причем в области малых значений силы тяги эта кривая имеет выпуклость вверх, а в области больших -вниз. Исследование гамильтониана, составленного для решения задачи (1)-(6) показало, что в данном случае оптимальными являются следующие шесть режимов: полная тяга, неполная тяга, скользящий режим, выбег, подтормаживание и полное торможение. В режиме неполной тягй сила / е г/с> , а в скользящем режима (или режиме пунктирной тяги) происходят циклические переключения силы тяги с нуля на значение /с. Таким образом, / представляет собой минимально-целесообразную силу тяги, применение более низких значений силытяги оказывается энергетически невыгодным. Минимально-целесообразная величина р. абсолютной (не приведенной к размерности ускорения) силы тяги г не зависит от массы состава и участка движения, а определяется исключительно зависимостью вер, V) для каждой конкретной серии локомотива. Она является

корнем следующего уравнения (здесь и далее штрих означает частную производную функции многих переменных по переменной, обозначенной индексом):

F • а ' (F , vi = GCF , и} - GCо, i>J . (16)

с Г с с' ' '

В общем случав / и fc зависят от скорости движения. Установлено, что максимум к.п.д. локомотива достигается внутри интервала </с. fj -

Исследование поведения сопряженной функции показало, что в скользящем режиме скорость поезда поддерживается на постоянном уровне, равном min(uc, v). в отличив от случая постоянного к.п.д. здесь значение i>c зависит от уклона пути. Для его расчета получено следующее алгебраическое уравнение:

<Z Со. vO + 2 C/Cu>, v> • ш 'Cv3 - "К / Л • f (иЗ +

V I с с

+ CZC/CuO, 1Л> - Z Со, \.33 • CwCvi + g3 - О, (17)

ve v

где ZC/, к> = GC/, lO / v.

В работе показано, что в режиме неполной тяги функция j(s) должна удовлетворять следующему дифференциальному уравнению:

= h\j, / а'/(с/, vi, (18)

где не/, иЗ » CGC/, iO - о|с/, иЗ -С/ - u<u> - £} + %}/ V,

которое совместно с уравнением движения поезда определяет значения и /с.s> на данном режима. Анализ системы

уравнений (1) и (18) показал, что она имеет особую точку типа "седло". Исследование фазовых траекторий на плоскости Си, р позволило провести качествешшй анализ оптимального управления поездом в режиме неполной тяги. На каждом отдельном элементе профиля зависимость между скоростью и силой тяги определяется

следующим соотношением:

не/, гО = сопа!;, (19)

которое совместно с уравнением движения позволяет рассчитать оптимальную кривую движения без интегрирования уравнения (18).

Фазовые траектории в режиме неполной тяги ограничены сверху максимально-допустимой силой тяги /тСи;>, а снизу -минимально-целесообразной силой тяги . Анализ процессов

переключения оптимальных режимов, управления, происходящих на этих границах, позволил определить условия и синтезировать графл таких переключений.

Для определения точек включения режимов максимальной тяги и выбега здесь так!ке используются необходимые условия оптимальности, при этом в выражении (8)

= ССОу/т<ЧО, + Х> / V, (20)

а значения ра и рь определяются типом переключений на границах данного режима. Получены выражения для расчета этих величин йри всех возможных переключениях оптимальных режимов управления.

Необходимые условия оптимальности, уравнение (19), граничные условия и характеристики перегона совместно с уравнением движения (1) образуют полную.систему соотношений, достаточную для синтеза оптимальной кривой движения при любом профиле и любой карты ограничений скорости на перегоне. Однако в данном случае в расчет вводится дополнительная процедура, отсутствущая при оптимизация по критерию минимума работы силы тяги, - поиск константы, являющейся правой частью уравнения. (19). Следует отметить, что описанный метод является достаточно общим и, как показали дальнейшие исследования, при применении его в конкретных приложениях расчетные формулы и сама процедура расчета могут Сыть существенно упрощены.

В частности, в диссертации решена задача оптимизации управления движением поезда с тепловозной тягой. В этом случае максимальная .касательная мощность приведенная к единице массы поезда (с учетом инерции вращающихся масс) г>т = /т- о слабо зависит от скорости на всем диапазоне скоростей за исключением участка, где действует ограничение по сцеплению, а расход топлива зависит только от касательной мощности локомотива V = / • В этом случао в качестве управляющего воздействия целесообразно рассматривать значение V. Установлено, что минимально-целесообразная величина абсолютной (не приведенной к размерности ускорения) касательной мощности не зависит также и от скорости. Она определяется следующим выражением:

н • а'сл з = > - осо> (21)

с с с '

Скорость поезда в скользящем режиме к£ здесь но зависит от уклона пути, постоянна для всего расчетного участка и определяется следующим соотношением:

V2- о' <у з • и. '<и 5= А. + асоз. (22)

с с с

Значительно упрощается также уравнение, определяющее условия переключения оптимальных режимов и расчет яа и рь в выражении (8).

Сравнение оптимальных кривых движения пассажирского поезда с тепловозом ТЭП70, построенных по изложенному методу и кривых, полученных при минимизации работы силы тяги показывает, что во втором случае расход топлива в среднем больше па 3,7? % . а■ максимальное значение этой разности составляет около 7 Ж . Таким образом, замена точной оптимизации по критерию минимума расхода топлмва более простой методикой, основанной на допущении неизменности к.п.д. локомотива, в данном случао неприемлемо. В работе ■ предложена другая методика приближенного расчета

оптимальной кривой движения поезда при тепловозной тяге, основанная на замещении режима неполной тяги движением с постоянной скоростьи, равной определяемой уравнением (22)

Расчеты показали, что это позволяет уменьшить перерасход топлива, вызванный заменой точного расчета приближенным, в сродном в 2 раза.

В диссертации решена также задача оптимального управления разгоном ЭПС постоянного тока с реостатным пуском. Из-за потерь в реостатах зависимость потребляемой мощности от силы тяги при некоторых значениях скорости существенно нелинейна. Получено алгебраическое уравнение, позволяющее определить оптимальную скорость в точке переключения ступеней соединения тяговых двигателей, обеспечивающую минимум расхода электроэнергии на всем перегоне. Построены кривые для определения этой величины в зависимости от значения скорости в режиме стабилизации.

В четвертой главе проведено исследование процесса регулирования времени хода и скорости движения в системах автоведения пассажирских поездов с электровозной тягой. Разработанная для этой цели имитационная модель позволяет учитывать реальные' процессы, происходящие при управлении электровозом, в том числе влияние возмущающих воздействий и погрешностей трактов измерения параметров движения поезда. Возмущающими воздействиями здесь являются любые изменения условий движения поезда, которые не могут быть учтены при выполнении упреждающего тягового расчета. В модели учитываются вариации напряжения контактной сети, вызванные случайными изменениями напряжения на фидерах тяговых подстанций, а такжэ падением напряжения от расчетного и сопутствующих поездов. Предусмотрено

- зо -

стохастическое моделирование дополнительного сопротивления от ветра (в зависимости от его силы и направления).

С помощью имитационного моделирования в диссертации проводе но исследование релейного регулятора скорости пассажирских • электровозов со ступенчатым управлением силой тяга. Помимо точности, показателями качества регулятора скорости являются число переключений позиций управления и средний к.п.д. систомы рвгулнтор-электровоз. Необходимость оценки числа переключений связана с тем, что без учета этого показателя стремление обеспечить высокую точность регулирования скорости может привести к ускоренному'износу коммутационной аппаратуры электровоза.

Параметрами данного регулятора являются длительность такта регулятора т, порог чувствительности релейного элемента и коэффициенте коррекции по ускорению . Анализ цифрового тракта измерения скорости и ускорения позволил установить, что величины гр и ка взаимозависимы, поэтому оптимизация регулятора проведена в пространство двух параметров: тр и Имитационное

моделихюванио показало, что введение коррекции по ускорению позволяет повысить точность регулирования, в сродном в 2,1 раза у электровозов постоянного тока ив 1,0 раз у электровозов переменного тока. Уменьшение числа переключений составляет 5,5 и 5.2 раза соответственно. Средний к.п.д. систомы для электровозов постоянного тока повышается на что связано с уменьшением

потерь в пусковых реостатах при сшскшши числа переключений. На основании результатов этого исследования даны рекомендации по шбору параметров регулятора, обоспочиваадих заданную точность при рациональном число переключений позиций управления.

В диссертации проведено исследование алгоритмов регулирования времени хода в САВП-УОТР, предназначенных для

пассажирских поездов с электровозной тягой. Показателями качества таких алгоритмов являются точность вмполнония заданного времени хода, расход электроэнергии на тягу и количество подключений корректирующих режимов. Корректирующим называется дополнительный (не предусмотренный на более ранних циклах тягового расчета) режим тяга или выбега, прорывающий текущий режим выбега или тяги соответственно, который обеспечивает выполнение заданного времени хода при действии возмущений. Например, если сопротивление движению на выбеге оказалось больше-, чем предполагалось при расчете, дач выполнения заданного времени хода может потребоваться дополнительное включение тяги перед станцией. Такие подключения не только осложняют работу коммутационной аппаратуры, но и повышают расход электроэнергии на тягу, поэтому их число должно учитываться при оценке кячества управления.

В работе предложено два способа построения алгоритмов регулирования времени хода: с . заданием скорости и с заданием времени. В последнем случае на каждом цикле расчета производятся построение оптимальной кривой движения для оставшегося времени хода по перегону. Эти алгоритмы включают в себя итерационную процедуру подбора 'величины (или множителя Лагранжа X , однозначно ею определяемого), обеспечивающей выполнение заданного времени хода. На каждом шаге итерации происходит обращение к задаче построения оптимальной кривой движения при известном уровне и .

В алгоритмах с заданием скорости при выполнении упреждающего тягового расчета предполагается, что равна фактической скорости поезда. Это позволяет обойтись без итерационной процедуры подбора ^ - на каждом цикле расчета обращение к задаче

построения оптимальной кривой движения при известном уровне « происходит только один раз. При этом определяется расчетное время хода по оставшейся части перегона г . На основании сравнения значения тц с оставшимся временем хода определяется режим управления. Алгоритмы с заданием скорости являются более простыми и пред'являют меньшие требования к производительности процессора.

Для снижения числа корректирующих режимов тяги • в этих алгоритмах в работе предложено учитывать значение множителя Лагранжа А., характеризующего величину энергозатрат, необходимых для ликвидации одной секунды опоздания. Предложен алгоритм регулирования времени хода, в котором дополнительное включение тяги разрешается только в том случае, если к оказывается меньше некоторого уровня, а при значительном увеличении X производится принудительное выключение тяги; Получены расчетные формулы для определения \ и рекомендации по выбору пороговых значений.

Результаты моделирования показывают, что предложенный алгоритм позволяет уменьшить число дополнительных подключений тяги в среднем на и более чем в 2 раза снизить величину разности Ол между реальным расходом электроэнергии на тягу и его минимальным значением, полученным при расчете оптимальной кривой движения поезда для фактических условий движения. Установлено, что ' с помощью рассмотренного алгоритма . обеспечивается точность регулирования времени 2 15 с, при этом максимальная величина разности Ъа не превышает 2%, а ее среднее значение составляет 0,35 %.

В алгоритмах регулирования с заданием времени имеется возможность оценить величину разности энергозатрат при

включении корректирующего режима и при продолжении движения на

существующем режиме. На основе предложенного в работе метода

оптимизации получена следующая оценка ОJ , в которую входят дополнительные энергозатраты, необходимые для ликвидации

опоздания, возникающего при сохранении существующего рента движения:

3J - f <\> з • L • mod ( ф з, (23)

п> н Кр '

где LKp - длина корректирующего режима.

Величина ф рассчитывается для участка кривой движения на продолжении существующего режима по формулам (8), (ю) или (11). Решение о переходе на корректирующий режим принимается только в том случае, если вэлйчина бJ превысит пороговое значение. Результата моделирования этого алгоритма показали, что его применение позволяет уменьшить максимальное значение разности 6л до 1 % при увеличении точности регулирования времени хода до ±10 с.

Наиболее сложной процедурой, используемой' в обоих рассмотренных алгоритмах, является построение оптимальной кривой движения при зодапном уровне Основой для этих расчетов

являются полученные, во второй главе правила выбора структуры оптимального управления и необходимые условия оптимальности (8) - (11). В работе предложены алгоритмы такого расчета для перегонов разной сложности.

В пятой главе рассмотрены принципы построения аппаратного и информационного обеспечения микропроцессорных САВП магистральных железных дорог. Необходимые для управлешм поездом исходные данные включают в себя характеристики подвижного состава, сведения об участках и расписании движения. Значительная часть исходной информации требует периодической

корректировки (сведения об ограничениях скорости, график движения). Поэтому ввод и хранение сведений об участках и графике движения представляют собой сложную организационно-техническую задачу, способы решения которой во многом определяет технологию эксплуатации САВП.

В работе дан сравнительный анализ трех способов организации информационной базы САВП: передача исходных данных на одну поездку перед отправлением поезда; передача исходных данных для одного или нескольких вперодиложащих перегонов по специальным каналам связи; хранение на борту исходных данных для всех участков, обслуживаемых локомотивами, приписанными к данному депо. Первый из рассмотренных способов, несмотря на свою кажущеюся простоту, представляется наименее удачным, поскольку тробует создания специальной службы, занимающейся подготовкой и оперативной передачей исходной информации или, по крайней море, выполнение этих функций другими эксплуатационными подразделениями. С другой стороны, проведенный в работе анализ количества исходных данных, необходимой для системы автоводония пассажирского электровоза, обращающегося на полигоне общей протяженностью 9150 км, показал, что при соответствующей организации этой информации ее об'ом не превышает 128 Кбайт. Запоминающее устройство такой емкости легко может бить реализовано на современной элементной базе, а наличие широкого спектра микросхем энергонезависимой памяти делаот возможным его дополнение специальным запоминающим устройством для хранения часто меняющихся предупреждений.

При широком внедрении разрабатываемых в настоящее время

систем обеспечения безопасности движения, предусматривающих передачу на поезд части необходимой для автоведонил исходной информации, самым преспективным может оказаться третий способ организации информационного обеспечения. Рассмотрены варианты "симбиоза" второго и третьего способов, которые позволяют снизить требования к каналам связи путь-поезд.

Анализ погрешностей от запаздывания при выборе режима ведения поезда позволил сформулировать требоватгая к скорости выполнения оптимальных тяговых расчетов в реальном масштабе времени. Макетирование алгоритмов автоведешм на ПЭВМ показало, что требуемое время счета может быть достигнуто на отечественных микропроцессорных наборах серий 1806 и 1810.

Структура САВП и состав ее интерфейса определяется организацией взаимодействия системы с датчиками, устройствами обеспечения безопасности, системами внутренней автоматики и органами управления локомотива. В работе рассмотрены три уровня интеграции этих систем: модернизация' локомотива системой автоведения, имеющей собственный развитый интерфейс, органы управлении и датчики; включение системы автоведения наряду с другими системами управления, диагностики и контроля в бортовую локальную сеть и реализация всех перечисленных задач, включая задачу автоведения, на многомашинном вычислительном комплексе. Отмечено, что с увеличением уровня интеграции снижается стоимость оборудования и повышается надежность выполения отдельных задач.

Проведенный в диссертации анализ влияния погрешностей трактов измерения параметров движения поезда на качество управления позволил сформулировать требования к статической погрешности и шагу дискретизации измеряемых параметров.

В работе описан ряд систем автоведения пассакзтрскях наездов, при разработке которых были использованы результата настоящей диссертации. Под руководством и при участии автора в MWW'i'e совместно с институтом "Гипротранссигналсвязь" была разработана система автоведвния скоростного пассажирского электровоза ЧС200 на базо микроэвм "Электроника С5-12". Испытания опытных образцов, проведешше в эксплуатационных условиях на Октябрьской ж.д., подтвердили способность СЛВП-УОТР выполнять график движения с заданной точностью при рациональном расходе электроэнергии на тягу.

Предложенные в диссертации пришиты построения систем автоведения, мотоды оптимизации и алгоритмы управления используются в настоящее время при разработке автоматизированной системы управлении и безопасности локомотивов (ЛСУБ-Локомотив), проводимой организациями МПС, транспортного машиностроения и аэрокосмичослой промышленности. Результаты настоящей диссертации использованы при проектировании комплекса технических средств управления и обеспечения безопасности для специализированной

высокоскоростной магистрали.

В шестой главо рассмотрены принципы построения и результаты эксплуатации программного обосшзчмгня для производства оптимальных тяговых рясчзтов. На базе предложенных в диссертации методоп оптимизации режимов управления тяговым подвижным составом под руководством и при участил автора был разработан ряд программ для 1ВД-совместимых ПЭВМ, с помощью которых планируются и проводятся мероприятия, направленные на сншкуяиэ шифгтоятрат на тягу поездов. В

области эксплуатации железных дорог имеется две сферы применения таких программ: для расчета перегонных и участковых времен хода при составлении графика движения поездов и для моделирования ведения поезда, оценки энергозатрат и обучения рациональным режимам вождения поездов.

В программах первой группы расчет производится как для минимального, так и для нескольких значений рационального участкового времени хода, больших минимального. При расчете движения поездов с увеличенным временем хода производится оптимальное распределение его по перегонам. Для каждого варианта рассчитывается расход электроэнергии или топлива, работа сил тяги и торможения, на основании чего определяются приведенные затраты. Пользователю предоставляется возможность выбора одного из вариантов, после чего рассчитываются все параметры, необходимые для составления графика движения, включая межпоездной интервал. Предусмотрено также ведение архива и заполнение сравнительных ведомостей для оценки динамики изменения основных параметров графика по годам. Сравнение результатов расчетов с данными опытных поездок с динамометрическим вагоном подтвердили адекватность модели, в том числе и при оценке расхода электроэнергии на тягу. Опыт эксплуатации программы на Целинной и Восточно-Сибирской ж.д. показал, что при разработке графика для малонагруженных участков железной дороги ее использование позволяет уменьшить энергозатраты на тягу поездов на 2-3%.

Программы, относящиеся ко второй группе, рассчитывают оптимальные режимы управления тяговым подвижным составом для известного времени хода. При этом учитываются и другие условия пропуска поезда по участку (предупреждения. напряжение

контактной соти, влияние ветра, температура, атмосферное давление и т.д.), состав поезда (число, тип, загрузка ваго::ов), а также состояние тягового подвижного состава (износ бандажей колесных пар, максимально допустимые значения тока и перегрева тяговых двигателей и т.д.). Это позволяет оперативно составлять режимные карты, отражающие реальные условия движения поезда. При расчете режимных карт помимо кривой скорости определяются токи и температура тяговых двигателей, расход электроэнергии или топлива, сила тяги на автосцепке головного вагона и ряд других параметров. Эти кривые вместе с профилем пути, ограничениями скорости, обозначением километража и станций выдаются на экран и печать в любом удобном пользователю масштабе. В настоящее время программа расчета режимных карт внедрена в пяти депо на Московской и Октябрьской ж.д.

Одновременно с оптимизацией режимов данная программа позволяет, с целью снижения энергозатрат на тягу, перераспределять участковое время хода по таким перегонам, где это нэ влияет на пропуск других поездов. По опыту работы Смоленского отделения Московской ж.д. использование скорректированного таким образом графика движения пассажирских поездов позволило уменьшить расход электроэнергии на 7%.

Поскольку при оптимальном тяговом расчете, в отличие от обычного, учитываются реальные времена хода по перегонам, он позволяет с достаточной степенью точности имитировать ручное управление локомотивом опытным машинистом. Это позволяет использовать его результаты при расчете норм расхода электроэнергии и топлива на поездку, для определения режимом

работы тягового привода, для оценки влияния на энергозатраты различных эксплуатационных факторов. В частности, с помощью разработанной программы оцениваются дополнительные

энергозатраты на выполнение каждого конкретного ограничения скорости, назначаемого по состоянию пути, что позволяет дать рекомендации по очередности проведения путевых работ.

Проведенные расчеты показывают,, что водогото поезда на оптимальных режимах позволяет не только сократить энергозатраты, но и уменьшить работу сил тяги и торможения. Особенно велико уменьшение последней составляющей: при переходе на график движения с оптимальным распределением времени хода по перегонам оно может составлять до 25*, что особенно важно для уменьшения износа пути и повышения безопасности движения. Результаты работы по внедрению программ расчета оптимальных режимов управления тяговым подвижным составом были рассмотрены на топливно-теплотехничоской сокции НТО ШС, принято решение о необходимости дальнейшего распространения этих программ на сети дорог.

В приложениях к диссертации приведены математические доказательства свойс.тв оптимальных кривых движения поезда и расчетных соотношений, а. также представлены материалы по внедрению результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена проблема оптимизации управления тяговым подвижным составом по критерию минимума энергозатрат на тягу поезда: разработаны методы и алгоритмы расчета оптимальной кривой движения поезда в реальном масштабе времени, предложены принципы построения информационного л

технического обеспечения бортовых микропроцессорных систем автоведения, а также принципы построения программ для проирчодства оптимальных тяговых расчетов на ПЭВМ.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ эффективности систем автоведения и применяемых в них алгоритмов управления тяговым подвижным составом. Сформулированы цели управления для автономных и централизованных систем автоведения. Предложена и обоснована идея использования на магистральных железных дорогах систем евтоведения с упреждающим оптимальным тяговым расчетом, обеспечивающих минимизацию энергозатрат при заданной точности выполнения графика движения.

Анализ известных способов расчета энергооптимальных режимов ведения поездов показал, что для решения задачи синтеза оптимального управления в реальном масштабе времени необходимо создание принципиально новых методов, сочетающих высокое быстродействие с достаточной точностью модели об'екта управления.

2. . На основе принципа максимума разработаны новые методы решения задачи оптимального управления движением поезда, которые в отличие от известных аналитических методов оптимизации обеспечивают учет нелинейности и нестационарности об'екта управления, а также нестационарных ограничений на фазовые координаты. Задача решена для различных критериев качества: работы силы тяги, расхода электроэнергии и топлива на тягу (с учетом переменного к.п.д. локомотива).

Предложенные аналитические методы обеспечивают оптимизацию режимов ведения поездов как с электрической тягой

(в том числе и с рекуперативным тормозом), так поездов с тепловозной тягой.

Поставлена и решена задача оптимизации управления движением поезда при заданных временах безостановочного проследования промежуточных станций.

3. С помощью имитационного моделирования проведено исследование влияния случайных возмущающих воздействий на процесс управления движением поезда, на основе которого сделан вывод о возможности использования предложенных методов оптимизации для управления тяговым подвижным составом. Данные опытной эксплуатации систем автовбдения, промышленной эксплуатации программ* оптимальных тяговых расчетов, а также результаты опытных поездок с динамометрическим вагоном подтверждают адекватность принятой математической модели об'екта управления.

4. Разработаны приближенные методы расчета оптимальной кривой движения поезда, позволяющие значительно сократить время решения задачи. Даны рекомендации по примененению этих методов в системах автоведения.

5- Разработаны .алгоритмы регулирования времени хода для систем автоведения пассажирских поездов с упреждающим оптимальным тяговым расчетом. Проведен анализ качества управления, даны рекомендации по выбору алгоритмов и их параметров. Полученные результаты позволили создать математическое обеспечение микропроцессорных систем автоведения пассажирских поездов.

6. Предложена структура и проведено исследование импульсного релейного регулятора скорости для пассажирских электровозов со ступенчатым регулированием силы тяги с учетом

особенностей реальных цифровых трактов измерения скорости и ускорения поезда. Проведена параметрическая оптимизация рогу;:лтора для различных серий пассажирских электровозов, обеспечивающая выполнение заданной точности регулирования скорости при минимальном числе коммутаций силовой аппаратуры.

7. Предложены и обоснованы принципы организации ввода и хранения исходной информации в системах автоведения для магистральных железных дорог, а такжо сформулированы требования к статической точности и шагу дискретизации трактов измерения параметров движения поездов.

На основе моделирования алгоритма регулирования времзни хода сформулированы требования к производительности процессора для решения задачи оптимизации режима ведения поезда в реальном масштабе времени, что позволило показать возможность построения микропроцессорных систем автоводешя на отечественной элементной базе.

8. Сформулированы принципы построения и разработаны комплексы программ для ПЭВМ, выполняющие оперативный расчет оптимальных режимов ведения поездов. Дан анализ имеющегося опыта и перспектив использования оптимальных тяговых расчетов для обучения локомотивных бригад, расчета перогошшх и участковых времен хода, определения расхода электроэнергии (топлива) на поездку, для решения задач управления и планирования, направленных на снижение расхода энергозатрат на тягу поездов, а также уменьшение износа пути и подвижного состава.

9. На основании выполненных исследований разработана и прошла опытную эксплуатацию микропроцессорная система

автоведения скоростного пассажирского поезда с электровозом ЧС200.'

Результаты исследования использованы при разработке автоматизированной системы управления и безопасности локомотивов (АСУБ-Локомотив).

На базе предложенных методов разработаны комплексы программ оптимальных тяговых расчетов "Рональд", "Истра" и "Корт", внедренные на Московской, Октябрьской,

Восточно-Сибирской и Целинной ж.д.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Головичер Я.-М., Караулов А.Н. К вопросу выбора алгоритма управления для микропроцессорных систем автоведения поезда // Тр. МИИТ. - вып. 651. - 1979. - С. 34-38.

2. Баранов A.A., Ерофеев Е.В., Головичер Я.М. Принципы построения программных устройств для систем автоведения поездов // Тр. МИИТ.- вып. 664. - 1980. - С. 90-96.

3. Головичер Я.М., Ратайко В.Н. Анализ патентной литературы в области систем автоматического управления движением поездов // Тр. МИИТ. - вып. 660. - 1S80. - С. 11-17.

4. Головичер Я.М., Аснис И.А. Исследование регулятора скорости пассажирского электровоза со ступенчатым управлением силой тяги // Тр. МИИТ. - вып. 685- - 1981. - С. 86-91.

5. Баранов Л.А., Головичер Я.М., Аснис И.А. Исследование регулятора скорости для пассажирских поездов с электровозной тягой // Вестник ВНИЮТ. - 1982. - N 3. - С. 24-27.

6. Головичер Я.М. Энергетически оптимальный алгоритм управления для систем автоведения // Вестник ВНКЕЕГ. - 1982. -N 8. - С. 18-23.

7. Баранов Л.А., Головичер Я.М., Аснис И.А. Исследование качества управления движением поезда с помощью моделирования на эь;л // Тр. МИИТ. - ВЫП. 712. - 1982. - С. 43-44.

8. Баранов Л.А., Головичер Я.М., Аснис И.А. Исследование процесса регулирования времени хода в системе автоматического ведения поезда на базе микро-ЭВМ // Тр. МИИТ. - выл. 710. -1982.- С. 49-55.

9. Устройство для автоматического управления движением поезда. A.C. N Ю44524 / Баранов Л.А., Ерофеев Е.В., Головичер Я.М., Мухин А.Н. // Изобретения и открытия. - 1933 - N 35. -С. 36.

Ю. Баранов Л.А., Головичер Я.М. Оптимизация управления поездом по критерию минимума энергетических затрат // Тезисы доклада на IX Всесоюзном совещании по проблемам управления. - Ереван. - 1983. - С. 44.

11. Баранов Л.А., Головичер Я.М. Моделирование на ЭВМ пассажирского поезда как об'екта управления в системе автоведения. // Тр. МИИТ. - вып. 757. - 1984. - С. 105-111.

12: Баранов Л.А., Головичер Я.М., Мухин А.Н. Устройство для управления скоростью подвижного состава. А.С.1106698 // Изобретения и открытия. - 1984. - N 29. - С. 56.

13. Ausarbeitung eines Systems der Automatischen Zugstenernug des Zugverkehrs auf Basis eines Mikrorechners / Baranov I.A., Erofeev B.V., Golovitsher Ya.U., Goldenberg V.P. // Vortage des Verkehrswisseneohaftliohen Tagee. - Dresden. -1984. - S. 38-42.

14. Баранов Л.А., Головичер Я.М., Ефимов Л.Л., Силаев A.A. Система автоведения пассажирского поезда на базе

микро-ЭВМ // Автоматика, телемеханика и связь. - 1984. - N 8.

- С. 11-13.

15. Системы автоматического и телемеханического управления электроподаижным составом / Баранов Л.А., Ерофеев Е.В., Максимов В.М., Астрахан В.И., Головичор Я.М., Солюс П.Г.: Под. ред. Л.А.Баранова. - М.: Транспорт, 1984. - 311 с.

16. Головичер Я.М. Энергетически оптимальное управление электровозом // Рук. деп. в ЦНИИТЭИ МПС. - N 3067. - 1985. -25 с.

17. Мик|юпроцессорные системы автоведенил поезда / '"'Баранов Л.А., Ерофеев Е.В., Максимов D.M., Головичер Я.М.,

Бударин D.H., Сухин А.'Э. // Железнодорожный транспорт. - 1985.

- N 11. - С. 37-39.

18. Головичер Я.М., Милич A.M. Исследование точности процедуры расчета времени движения поезда в системе автоматического управления на базе микроЭВМ // Тр. МИИТ. -вып. 768. - 1985. - С. 36-43.

19. Головичер Я.М. Энергетически оптимальные алгоритмы для автоматизации управления движением поездов // Тезисы доклада на Всесошн. конф. "Пути совершенствования перевозочного процесса и управления транспортом". - Гомель. -1985. - С. 266-268.

20. Баранов Л.А., Головичер Я.М. Энергооптимальные алгоритмы управления движением поездов для микропроцессорных систем автоведения // Тезисы докладов на X Всесоюз. совет, по проблемам управления. - Алма-Ата. - 1986. - С. 83-84.

21. Головичер Я.М. Аналитический метод расчета оптимального управления движением поезда // Изв. ВУЗов, сер. Электромеханика. - 1986 - N з. - С. 55-66.

22. Головичер Я.М. Алгоритмы управления движением транспортных средств для системы автоведения // Автоматика и телемеханика.- 1986. - К 11. - С. 18-26.

23. Электроника в поезде / Баранов Л.А., Бударии В.Н., Головичер Я.М., Сухин А.Э. // Информатика и образование. -1987. - N 3. - С.80-85.

24. Расчеты экономичных режимов управления поездом в микропроцессоных системах автоведения / Баранов Л.А., Головичер Я.М., Элитейн Г.Л., Милич A.M. // Вестник ВШОТГ. 1987. - N 6. г С. 12-1725. Головичер Я.М. Энергетически оптимальное управление

электровозом с рекуперативным тормозом // Рук. доп. в ЩШТЭИ МПС. - N 3785. - 1987. - 55 с.

26. Головичер Я.М. Аналитический расчет оптимальной кривой движения поезда с учетом поремешюго к.п.д. тягового подвижного состава // Известия ВУЗов, сер. Электромеханика. -1989. - N 2. - С.72-81.

27. Баранов Л.А., Ерофеев Е.Б., Головичер Я.М. Система автоведения поездов для специализированной высокоскоростной магистрали // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Мнкропроцессорные системы и устройства управления ответственными технологическими процессами". - М. - 1S89. -С.22-24.

28. Головичер Я.М. Использование принципа максимума для расчета оптимальных режимов вождения поездов // Тезисы доклада Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы и устройства управления ответственными технологическими процессами". - М. - 1989. - С. '¿-\-?ь.

29. Голошчер Я.М. .Оптимизация управления электроподвижным составом с рекуперативным тормозом // Тр. МИИТ. - вып. 811. - 1989. - С. 19-24.

30. Расчет на ПЭВМ оптимальных режимных карт для пассажирских поездов с электрической тягой / Баранов Л.А., Ерофеев Е.В., Головичер Я.М., Милич A.M. // Тезисы докл. научно-технической конференции ."Совершенствование форм управления режимами топливноэнергетических ресурсов на железнодорожном транспорте". - М. - 1988. - С. 28-29.

31. Baranov Х.А., Golovitaher Ya.M. Problème der optimizierung der Msenbahnateneruhg des minimalen Energieverbrauches V/ Die Wirtschaften 5-Wissenschaftskonferenz des InstitutB fur Transportwessen der technischen Hoohschule in iVara'/.awa. - Warszawa. - 1990. - 5. 18-24.

32. Барзнов Л.А., Ерофеев Е.В., Головичер Я.М. Иерархическая централизованная система автоведения высокоскоростных пассажирских поездов // Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции "Научно-технический прогресс и перспективы развития специализированных видов транспорта". - М. - 1990. - С. 91-93.

33. Головичер Я.М. Энергосберегающая технология воздения поездов // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Научная основа создания энергосберегающей техники и технологий". - М. - 1990. - С.18-19.

34. Микропроцессорные системы автоведения электроподвижного состава / Баранов Л.А., Головичер Я.М., Ерофеев Е.В., Максимов В.М. - М.: Транспорт, 1990 - 272 с.

35. Баранов Л.А., Ерофеев Е.В., Головичер Я.М. Расчет энергооптимальных режимов ведения длинносоставных тяжеловесных поездов в реальном масштабе времени // Труды МИИТ. - вып.829. - М. 1991. - С. 166-171.

36. Использование персональных ЭВМ для составления режимных кврт и тяговых расчетов / Ерофеев Е.В., Головичер Я.М., Шмидрик Д.М., Акулов М.П., Соломатин A.B. // Электрическая и тепловозная тяга. - 1991. - N 6. - С. 15-17.

37. Баранов Л.А., Головичер Я.М., Эпштейн Г.Л. Принципы построения энергооптимальных алгоритмов автоводения грузовых поездов с расположением локомотивной группы в голове поезда // Микропроцессорные системы для испытания и управления электроподвижным составом. - М.: Транспорт. - 1992. - С.14-23.

ГОЛОВИЧЕР Яков Михайлович •ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЯГОВЫМ ПОДВИЖНЫМ СОСТАВОМ В СИСТЕМАХ АВТОВЕДЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ 05.22.07. Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Формат бумаги 60x90 1/16. Об'ем 3 0. Заказ 3Ö9. Тираж 100.

Сдано в набор

. Подписано к печати 2Ъ.С£.9Ц,

Типография МГУ ПС. Москва А-55, ул. Образцова, 15