автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Улучшение тягово-экономических характеристик тепловоза средствами автоматики

Введение

Глава 1 Современное состояние теории и средств автоматики 2 1.1 Некоторые результаты исследования эксплуатационных режимов работы тепловозов

1.2. Основные требования, предъявляемые к передаче мощности тепловоза

1.3. Основные требования предъявляемые к тепловозным системам автоматического регулирования

1.3.1. Системы регулирования дизеля

1.3.2. Системы регулирования и управления передачей мощности

1.4. Современное состояние теории методов управления Сложными динамическими объектами

1.4.1 Системы автоматического регулирования с одной регулируемой величиной.

1.4.1.1 Управление объектами с постоянными Динамическими свойствами

1.4.1.2 Управление объектами с переменными динамическими свойствами

1.4.2 Управление объектами с несколькими регулируемыми величинами

1.4.3 Системы автоматического регулирования с переменной структурой

Глава 2 Метод синтеза закона управления с учётом реальных динамических характеристик объекта

2.1 Аналитические методы определения динамических характеристик объекта

2.2 Экспериментальные методы определения динамических характеристик объекта

2.2.1 Экспериментальное определение частотных характеристик.

2.2.2 Экспериментальное определение временных характеристик

2.2.2.1 Определение импульсной переходной функции.

2.2.2.2 Метод ортогональных разложений

2.2.3 Фазовые характеристики (метод фазового пространства)

2.3 Использование метода фазового пространства для определения динамических характеристик системы регулирования мощности тягового генератора

2.4 Синтез закона управления объектом на основе полученных динамических характеристик

2.5 Управление ДГУ в переходном процессе при наличии ограничений на фазовые координаты

2.6 Выбор способа аппроксимации кривых переключения

Глава 3 Исследование системы автоматического управления на математической модели.

3.1 Разработка математической модели САР ДГУ

3.1.1 Регулятор частоты вращения коленчатого вала дизеля.

3.1.2 Дизель

3.1.3 Возбудитель

3.1.4 Генератор

3.1.5 Управляющее устройство

3.2 Результаты моделирования

Глава 4 Экспериментальные исследования предложенных алгоритмов управления ДГУ тепловоза

4.1 Лабораторные исследования

4.2 Натурные испытания 94 Заключение 105 Список использованных источников

Работа тепловоза в условиях эксплуатации характеризуется большим количеством неноминальных режимов, зависящих от многих факторов (профиль пути, вид выполняемой работы, род груза и др.). Качество работы энергетической установки тепловоза в этих режимах оказывает непосредственное и существенное влияние на его тяговые свойства, надежность и экономичность и во многом зависит от свойств системы автоматического регулирования силовой установки. В настоящее время на тепловозах эксплуатируются системы, построенные на различной элементной базе (от электромашинных до микропроцессорных) , однако реализующие традиционные пропорциональный, пропорционально- дифференциальный и пропорционально- интегрально- дифференциальный (ПИД) законы управления. Широкое применение этих законов регулирования связанно, в первую очередь, с их универсальностью. Свойства реальной дизель - генераторной установки тепловоза как объекта регулирования могут изменяться в широком диапазоне. Это связанно с действием многих факторов, к которым относятся как параметрические отклонения характеристик дизеля и генератора, так и изменение их технического состояния в процессе эксплуатации. В серийных системах автоматического регулирования силовых установок тепловозов (как и в подавляющем большинстве регуляторов других технических объектов) управляющее воздействие формируется без учета динамических свойств конкретного реального объекта регулирования. В связи с этим одним из необходимых условий при синтезе системы управления является универсальность регуляторов, т.е. способность их обеспечивать устойчивую работу системы регулирования в заданных режимах при изменении динамических свойств объекта регулирования в широких пределах. В большинстве случаев применение указанных выше законов регулирования позволяет обеспечить такую универсальность, что и обусловило столь широкое их распространение. Однако платой за такую универсальность во многих случаях является существенное снижение качества регулирования в неустановившихся режимах работы системы, которое в отдельных случаях может приводить даже к потере ее устойчивости.

Целью работы является улучшение эксплуатационных и экономических показателей тепловоза за счет совершенствования алгоритмов регулирования силовой установки.

1. Современное состояние теории и средств автоматики

1.1 Некоторые результаты исследования эксплуатационных режимов работы тепловозов

В табл.1,2,3 приведены результаты обработки экспериментальных данных, полученных в ходе проведения исследований режимов работы магистральных и маневровых тепловозов [14,15].

В табл.1 приведён характерный спектр распределения режимов работы магистрального тепловоза серии 2ТЭ116 [14] .

Таблица 1

Спектр распределения режимов работы тепловоза серии 2ТЭ116 в эксплуатации

Режим нагрузки Т, %

Холостой ход 30, 8

От 0,00 до 0,26 10, 96

От 0,26 до 0,51 24,15

От 0,51 до 0,76 25, 15

От 0,76 до 1,00 8, 54

В табл.2 приведены усреднённые значения параметров режимов работы маневровых тепловозов ТЭМ2 в эксплуатации [15] .

Таблица 2

Усреднённые значения параметров режимов работы тепловоза серии ТЭМ2 в эксплуатации

Параметры Значения параметров m XX о д t 0 61,00-73,00

QX.X 0. о , "б 18,40-24,30 гр Н о Д Г ° 0,01-0,04

КдН, ед./ч 33-56

КДП ед./ч 0,06-0,14

Кк.м, ед./ч 172-198

В таблицах 1,2 приняты следующие обозначения: Т - время работы тепловоза в % от общего; Тдхх - время работы дизеля на холостом ходу в % от общего;

Вх'х - расход топлива в режиме холостого хода в % от общего;

Тдн - временем работы дизеля в режиме полной нагрузки в % от общего; Кдн - число включений дизеля в режим нагрузки; Кдп число пусков дизеля; Кк.м ~ число переключений позиций контроллера машиниста .

В табл.3 приведён характерный спектр распределения режимов работы маневрового тепловоза ТЭМ2 [15].

Таблица 3

Характерный спектр распределения режимов работы тепловоза серии ТЭМ2 в эксплуатации

Режим нагрузки Значение параметров режимов нагрузки, %

Т Ае Ве

Холостой ход 69,10 12, 4 46, 0

От 0,00 до 0,26 26, 53 52, 6 30,2

От 0,26 до 0,51 4, 12 27,2 17,1

От 0,51 до 0,76 0, 19 6,7 3,5

От 0,7 6 до 1,00 вкл. 0, 08 1,5 5,8

Т - время работы тепловоза в % от общего, Ае - выработанная дизелем энергия в % от общей, Ве- расход топлива в % от общего.

Как видно из приведённых выше данных, характерной особенностью работы силовой установки тепловоза является значительная доля неноминальных и переходных режимов . Особенно велика она для маневровых локомотивов, у которых, как следует из данных таблицы 2, на переходные режимы приходится более 50% времени работы.

Такие особенности режимов работы силовых установок тепловозов обуславливают ряд специфических требований к передачам мощности тепловозов и системам регулирования их силовых установок.

7. Результаты работы использованы отделом микропроцессорных систем управления ВНИТИ при разработке программного обеспечения бортовых микропроцессорных систем управления перспективных тепловозов.

На защиту выносится:

1. Методика определения динамических характеристик на основе анализа его фазовых траекторий.

2. Способ синтеза закона управления с учётом динамических характеристик реального объекта.

3. Методика оценки технического состояния дизеля по фазовым траекториям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты:

1. Предложена методика определения динамических характеристик объекта регулирования основанная на оценке фазовых траекторий.

2. Предложена и исследована методика синтеза закона управления в переходных режимах работы учитывающего динамические характеристики реального объекта регулирования .

3. Предложенный закон управления обеспечивает возможность формирования управления при ограничении фазовых координат и координат состояния системы.

4. Предложенная методика позволяет существенно повысить качество переходного процесса при изменении динамических характеристик объекта в широких пределах .

5. На основе предложенной методики разработан алгоритм управления ДГУ тепловоза в переходных режимах работы и реализован в бортовой микропроцессорной системе управления электрической передачей тепловоза УСТА.

6. Предложена методика оценки технического состояния ДГУ по фазовым траекториям.

1. Емельянов С.В. Системы автоматического регулирования с переменной структурой. М. Наука 1967г. 335с.

2. Жильцов К.К. Приближённые методы расчёта систем с переменной структурой. М. Энергия . 1974г. 224с.

3. Емельянов С.В. Теория систем с переменной структурой. М. Наука 1970г.

4. Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. М. Транспорт. 1989

5. Методика выбора законов управления параметров настройки для типовых систем регулирования. М. 1972

6. Емельянов С.В. Новые типы обратной связи, управление при неопределённости. М. Наука 1987г. 348с.

7. Григорьев В.А. Исследование и разработка алгоритмов функционирования регуляторов с переменной структурой для управления инерционными регуляторами. Калинин 1975г. 198с.

8. Драженович Б Многомерные системы с переменной структурой. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н., Югославия. 1969г. 136с.

9. Емельяно С.В. Регулирование объекта первого порядка с запаздыванием астатическим регулятором с нелинейной коррекцией. Автоматика и телемеханика. 1959г. №8.

10. Ю.Кон Л.И. Об одном классе регуляторов с переменной структурой.

11. Автоматика и телемеханика. 1969г. №5

12. П.Степанов А.Д. Передачи мощности тепловозов. М.1. Машиностроение. 1967г.

13. Степанов А.Д. Автоматическое регулирование мощности втепловозах и газотурбовозах. М. Машиностроение. 1964г.108

14. Луков Н.М. Передачи мощности локомотивов. М. Транспорт 1987г.

15. Повышение качества функционирования тепловозов в эксплуатации. Сборник научных трудов. Омск. 1991г.

16. Исследование надёжности и экономичности дизельного подвижного состава. Сборник научных трудов. Омск 1978г.

17. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. М. Наука 1981г. 368с.

18. С.И. Ким Микропроцессорная система управления электрической передачей мощности тепловоза. Локомотив. №12 1997г.

19. Емельянов С.В. Об одном классе САР с переменной структурой. Энергетика и автоматика №14 1962.

20. Ким С.И. Системы микропроцессорного управления электрической передачей автономных локомотивов. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. СПб. 1998г. 170с.

21. Коссов Е.Е. Оптимизация режимов работы тепловозных дизель -генераторов. М. 1999г.

22. Володин А.И. Моделирование на ЭВМ работы тепловозных дизелей. М. Транспорт 1985г.

23. Никулин М.А. Оптимизация систем регулирования и управления тепловозов. М .Транспорт 1971г.

24. Лозгачёв Г.И. Синтез систем автоматического управления с переменной структурой на основе функции Ляпунова. Воронеж 1993г.

25. Карташов В.Я. Влияние периода дискретизации на структурно параметрическое взаимосоответствие между непрерывной и дискретной во времени модели линейного объекта. М. 1996г.

26. Бабичев А.В. Построение, декомпозиция и анализ фазовых портретов динамических систем управления. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. М. 1990г.

27. Проблемы управления многосвязными системами. Сборник статей М. 1983 г.

28. Морозовский В.Г. Многосвязные системы автоматического регулирования М. Энергия 1970г.

29. Исследование и оптимизация многосвязных систем. М. Наука 1979г.

30. Д. Ажелло Линейные системы с переменными параметрами, анализ и синтез. М. 1974г.

31. Алексаков Г.Н. Практика проектирования нелинейных систем управления методом фазовой плоскости. М. 1973г.31 .Павлов А. А. Синтез релейных систем оптимальных по быстродействию. М. Наука 1966г.

32. Бабков Ю.В. Микропроцессорные системы управления электрической передачей тепловозов. Труды ВНИТИ, Коломна,79 выпуск, 1999г.

33. Толшин В.И. Переходные процессы в дизель-генераторах. Л. Машиностроение 1977г.

34. Крутов В.И. Двигатель внутреннего сгорания как объект регулирования. М. Машиностроение 1978г.

35. Андреев Ю.Н. Дифференциально геометрические методы в теории управления. Автоматика и телемеханика. 1982г. №10

36. Бутковский А.Г. Фазовые портреты управляемых динамических систем. М. Наука 1984г.

37. Габасво Р. Качественная теория оптимальных процессов. М. Наука 1984

38. Дубровин В.А. Современная геометрия , метод гомологий. М. Наука !984г.

39. Красковский А.А. Фазовое пространство и статическая теория динамических систем. М. 1974.

40. Палис Ж. Геометрическая теория динамических систем. М.Мир. 1986

41. Черноусько Ф.Л. Оценивание фазового состояния динамическихсистем, Метод эллипсов. М. Наука. 1988г. 42.Чхиквадзе И.Ю. Исследование фазовых портретов систем. Автоматика и телемеханика 1989 №4.

42. Бутковский А.Г. Дифференциально геометрический метод конструктивного решения задач управления. Автоматика и телемеханика. 1982г. №5-19.

43. Силвестров А.Н. Идентификация и оптимизация автоматических систем. М. Энергоатомиздат. 1987г.

44. Солодников В.В. Теория автоматического регулирования. М. Машиностроение 1969г.

45. Бутковский А.Г. Фазовые портреты управляемых динамических систем. М. Наука 1971 г.

46. Андреев Ю.Н. Дифференциально геометрические методы в теории управления. Автоматика и телемеханика 1982 №10.

47. Габасов Р. Качественная теория оптимальных процессов. М. Наука. 1971г.

48. Красовский А. А. Фазовые пространства и статистическая теория динамических систем. М. 1974г.

49. Кротов В.Ф. Методы и задачи оптимального управления. М. 1973г.

50. Панасюк А.И. Уравнение областей достижимости и ихприменение в задачах оптимального управления. Автоматика и телемеханика. 1982г. №2

51. Черноусько Ф.Л. Оценивание фазового состояния динамических систем. М. Наука. 1988г.

52. Чхиквадзе И.Ю. Исследование фазовых портретов билинейных систем. Автоматика и телемеханика 1989г. №2

53. Фельбаум А.А. О синтезе оптимальных систем с помощью фазового пространства. Автоматика и телемеханика. 1955г. №2

54. Флюгге-Лотц. Метод фазовой плоскости в теории релейных систем. Физматгиз. 1959г.

55. Базилевский Ф.Ю., Бабков Ю.В. Совершенствование алгоритмов регулирования систем тепловозной автоматики. «Неделя науки 2001», сборник тезисов, ПГУПС, СПб, 2001.

56. Базилевский Ф.Ю. «Совершенствование алгоритмов автоматического управления подвижного состава». Материалы международного симпозиума «Eltrans'2001», ПГУПС, С.Пб, 2001