Синтез энергоэффективных алгоритмов управления движением электропоезда в условиях преодоления неоднородностей профиля пути

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез энергоэффективных алгоритмов управления движением электропоезда в условиях преодоления неоднородностей профиля пути

Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Шевченко В.А.

Повышение энергоэффективности железной дороги является актуальной задачей в настоящее время, что связано с развитием теоретической и технической базы, позволяющей внедрять в процесс управления движением электроподвижного состава новые алгоритмы и методы. В работе [1] рассмотрены различные вариации профиля пути, предложены модели экономичного движения электропоезда и сделан вывод о энергоэффективности таких моделей на численном примере. Проведем моделирование движения электропоезда по этим моделям на примере одного из профилей и определим энергетический эффект от использования планирования движения такого типа.

Согласно [2] при прохождении криволинейных планов для снижения энергопотребления необходимо изменять мгновенную скорость, поддерживая среднюю скорость постоянной. На рис. 1 представлен рассматриваемый профиль пути.

Рисунок 1 - Профиль пути 1

В соответствии с [2] необходимо разогнать поезд до подъема до скорости, достаточной для преодоления вершины пути и разгона до скорости под действием потенциальной энергией при движении на участке S2-S3. Если выполнено , то необходимо понизить скорость поезда для того, чтобы скорость в точке S3 была приближена к V0.

Из [2] мы знаем следующие выражения:

Таким образом, для достижения большей энергоэффективности при прохождении электропоездом профиля пути 1, он должен начать торможение на расстоянии Sy с ускорением б. Для построения системы управления, обеспечивающей такой закон управления, необходимо синтезировать регулятор. Для описания движения поезда воспользуемся упрощённой моделью электропоезда, описывающей механическую часть. Данная модель может быть представлена в виде дифференциальных уравнений [3,7, 10]:

где m - масса локомотива, i_z - передаточное число, x - положение локомотива, - характеристика сцепления, g - ускорение свободного падения, - коэффициент трения качения, M_двj - момент, развиваемый двигателем, R_k - радиус колес, - угол уклона профиля.

Для синтеза регулятора, управляющего моментом тягового электродвигателя, воспользуемся методом структурного синтеза [4,5,9]. Для выполнения цели управления введем в рассмотрение ошибку регулирования:

где v_т - требуемая скорость локомотива. Эта скорость формируется из начальной скорости, поддерживаемой на вертикальном участке профиля, и учитывает ускорение б, при приближении к криволинейному участку.

В соответствии с [6,8] введем в рассмотрение следующее уравнение, обеспечивающее асимптотическую устойчивость заданного состояния:

где a - константа, определяющая время переходного процесса.

Скорость локомотива выразим как:

Воспользовавшись моделью и выражениями получим уравнение для регулятора: электропоезд тяговой энергоэффективность

Применим следующие параметры профиля: S1=2000 м, S2=3000 м, S3=4000 м, h1=3 м, h2=6 м, h3=0, номинальная скорость v0=20 м/с, промоделируем движение электропоезда вдоль рассматриваемого профиля. Рассмотрим два случая движения и сравним их. В первом случае электропоезд движется с постоянной скорость на протяжении всего пути (рис.2), во втором, он движется, используя представленную выше модель (рис.3).

Рис. 2 - движение с постоянной скоростью: a) график изменение скорости от времени v_лок(t) b) график изменения работы тягового электродвиготеля от времени P(t)

Рис. 3 - движение с переменной скоростью: a) график изменение скорости от времени v_лок(t) b) график изменения работы тягового электродвиготеля от времени P(t)

По представленным графикам видно, что использование предлагаемой модели позволяет экономить энергоресуры. Так же по графикам можно определить, что в представленном случае экономия составляет 7,08 %. Предполагается, что при использовании уточненной модели выигрыш может достигать 50%.

Литература

1. В.Х. Пшихопов, М.Ю. Медведев, А.Р. Гайдук, А.А. Зарифьян В.А. Шевченко, В.Е. Беляев. Энергосберегающее управление поездами с электрической тягой на базе комплексных математических моделей. Третья международная научно-практическая конференция «Интеллектуальные системы на транспорте». 3 - 5 апреля 2013 г., г. Санкт-Петербург, Россия. - С.136-144.

2. В.Х. Пшихопов, М.Ю. Медведев, А.Р. Гайдук, В.А. Шевченко. Энергосберегающее управление электропоездом в условиях неоднородности профиля пути // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2013. - № 3(140). - С.255-260.

3. Пшихопов В.Х., Гайдук А.Р., Медведев М.Ю., Беляев В.Е., Полуянович Н.К., Волощенко Ю.П. Энергосберегающее управление тяговыми приводами электроподвижного состава // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2013. - № 2(139). - С. 192 - 200.

4. Л.М. Бойчук Синтез координирующих систем автоматического управления. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С.96-100.

5. М.Ю. Медведев Алгоритмы адаптивного управления исполнительными приводами. // Мехатроника, автоматизация и управление. 2006, № 6. С. 17 - 22.

6. Medvedev M.Y., Pshikhopov V.Kh., Robust control of nonlinear dynamic systems // Proc. of 2010 IEEE Latin-American Conference on Communications. September 14 - 17, 2010, Bogota, Colombia. ISBN: 978-1-4244-7172-0. - p.72-77.

7. P. Cucala Garcia, A. Fernandes Cardador. European Railway Review, 2010, № 4, p. 46 - 50; WIT Transactions on The Built Environment, 2010, № 114. - р. 549 - 560.

8. В.Х. Пшихопов, М.Ю. Медведев Алгоритмическое обеспечение робастных асимптотических наблюдателей производных [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2011, №2. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2011/431 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

9. Н.А. Целигоров, Е.Н. Целигорова, Г.В. Мафура Математические модели неопределённостей систем управления и методы, используемые для их исследования [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1340 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

10. Бахвалов Ю.А., Зарифьян А.А., Кашников В.Н., Колпахчьян П.Г., Плохов Е.М., Янов В.П., Моделирование электромеханической системы электровоза с асинхронным тяговым приводом. М.: Транспорт. - 2001. - С.133-137.

Размещено на Allbest.ru