CC BY
11
АВТОМАТИКА, ТЕЛЕМЕХАН1КА, ЗВ'ЯЗОК
УДК 681.32
Демченко Ф.О., асистент Панченко С.В., к.т.н., проректор (УкрДАЗТ)
МЕТОДИ КЕРУВАННЯ ОБ'СКТАМИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТРАНСПОРТНО1 Д1ЯЛЬНОСТ1 НА ЗАЛ1ЗНИЧНОМУ ТРАНСПОРТ1
(ОГЛЯД)
ЧАСТИНА 1. КЕРУВАННЯ ВИКОНАВЧИМИ ПРИСТРОЯМИ
Вступ. Виконавчi пристро! являються основним елементом об'еклв забезпечення транспортно! дiяльностi. Тому побудова ефективних контурiв керування ними е актуальною задачею.
Постановка задачи З метою побудови ушфшованих контурiв керування рiзними виконавчими пристроями доцшьно розглянути областi !х використання на рiзних об'ектах транспортно! дiяльностi та встановити загальнi характеристики.
Виконавчi пристрог об'eктiв забезпечення транспортной дiяльностi та гх призначення. У тепершнш час для забезпечення транспортно! дiяльностi на залiзницях широко використовуються рiзнi стацiонарнi та рухомi агрегати (рисунок 1):
- компресорш станци, що генерують пневматичну енергiею для функщонування сповiльнювачiв сортувальних станцiй;
- рухомi одиницi (локомотиви, дизель-по!зди, електропо!зди залiзниць та метрополiтенiв, самохiднi агрегати й т.д.);
- шдйомно-транспортне обладнання, у тому чи^ рiзнi манiпулятори, що забезпечують виконання вантажно-розвантажувальних робiт та складування, наприклад, контейнерiв;
- стршочт приводи систем залiзнично! автоматики;
- перспективш роботизованi комплекси й т.п.
Контури керування виконавчими пристроями об?ект1в забезпечення транспортноУ
д1яльност1
Виконавч1 пристроУ рухомих обтект1в
Регулятори виконавчих пристроУв об'отв забезпечення транспортноУ д1яльност1
Виконавч1 пристроУ стащонарних об'ект1в
Виконавч1 пристроУ зал1зничноУ автоматики
Виконавч1 пристроУ
вантажно-розвантажувального обладнання
Рисунок 1 - Контури керування виконавчими органами об'ект1в забезпечення транспортно!
д1яльносп
Невщ'емною частиною таких агрега^в е електромеханiчнi перетворювачi й виконавчi пристро! рiзно! потужностi. У бшьшосл об,ектiв забезпечення транспортно! дiяльностi, як виконавчi пристро! використовуються електричш машини постiйного та змiнного струму.
Перераховаш об'екти вимагають для свого функщонування реалiзащ! рiзних контурiв керування, у тому чи^ пiдсистем зашзнично! автоматики.
Створення сучасних контурiв керування виконавчими пристроями транспортних засобiв та ОЗТД повинне базуватися на використанш новггшх досягнень теорi! керування, силово! електронiки, механiки, мiкроелектронiки й комп'ютерно! технiки.
При роботi контуру керування електрична енерпя, що надходить iз мережi, перетворюеться електродвигуном у мехашчну енергiю, яка передаеться виконавчим пристроям ОЗТД i витрачаеться на виконання технолопчного процесу. У всiх ланках каналу керування частина енерги губиться. Необхщно скорочувати витрати енергi! при !! перетвореннi й передачi.
Особливостi побудови контурiв керування ^нуючих виконавчих пристрогв. Узагальнена структура контуру керування об'ектом забезпечення транспортно! дiяльностi показана на рисунку 2.
У цш структурi можна видiлити: шформацшний канал, що мiстить датчики та спостерiгачi (2, 8); пiдсистему регулювання (1, 3, 4, 5) i виконавчий пристрш (6, 7). У бшьшосл випадкiв регулятори контурiв керування будуються з використанням пiдлегло! структури. У сукупност^ перерахованi пристро! утворять об'екти забезпечення транспортно! дiяльностi.
Синтез контурiв керування для ОЗТД здшснюеться в бiльшостi випадкiв на основi лiнiйних законiв керування з використанням штегральних критерi!в якостi [28]. Застосування традицшних iнтегральних критерi!в не дозволяе одержати прос^ для реалiзацi! алгоритми керування, вимагае складних обчислень i не забезпечуе бажано! якостi керування. 1нтегральш критерi! володiють рядом ютотних недолiкiв. По-перше, !х застосовують, якщо е апрiорна iнформацiя про вхщш впливи. По-друге, використання критерiю навггь при керуваннi об'ектами невисокого порядку може привести до слабо загасаючих перехщних процеЫв.
По-трете, синтез закону керування, що мiнiмiзуе iнтегральнi критери, вимагае значних обчислювальних витрат [28-30].
Для контурiв пiдлеглого регулювання переважно використовуеться модульний критерiй i критерш симетричного оптимуму. Обидва методи засноваш на виборi велико! постiйно! часу об'екта, що компенсуеться.
W ©>
= =
я
X
%
в ©
в s
и
a
p
F
to ©
= HH
W
H
Ы
о о <1
IP
Пристрш програмного завдання
Програма роботи
3 Ведуч! регулятори керування об'ектом
Об'екти забезпечення транспортно! д1яльност1
Контур керування виконавчим пристросм
CQref
Mref
Pref
COr
0
Датчики або cnocTepira4i для
поб1чних обчислювань електричних та мехашчних параметр1в
Регулятори контуру керування електродвигуном
u(t)
Перетворювач
М сь М Ь, М с> jt :t ;f L а> L b, L о
I a> I b> (Dfr
-N -i/
6
Електро /n
двигун
Виконавчий пристрш
Виконавчий орган
Датчики
Рисунок 2 - Узагальнена структура контуру керування об'ектом забезпечення
транспортно1 д1яльнос^: о)'Г9 и'а, и'ъу и'С) i'a, V0 Мс - величини, що характеризуют роботу електродвигуна; СOr9 COref* IЬ-> Мгф Pref~ > i i icj>iKoiiai i i величини.
-
н
О
►
н я
ч»
н
и
и
и
и
£ я
нн
*
> ч»
w
я
ч»
а
w
О «
Слщ зазначити, що в реальних умовах функцiонування контурiв керування випадковi фактори, наприклад змша характеристик датчикiв, параметрiв об'екпв керування, можуть привести до втрати стшкост системи, синтезовано! за критерiями мшмуму iнтеграла помилки, модульного критерiю та критерш симетричного оптимуму.
У зв'язку з цим для оптимiзащl параметрiв контурiв доцiльно застосувати критерiй максимального ступеня стшкост [29,30]. Використання цього критерш дозволяе одержати порiвняно прост iнженернi спiввiдношення для вибору параметрiв настроювання регуляторiв i забезпечити високу яюсть процесiв керування. При цьому параметри регуляторiв однозначно зв,язанi простими алгебра!чними вираженнями з параметрами об'екта. Критерш максимального ступеня стшкост позбавлений недолтв iнтегрального критерiю та завщомо забезпечуе найбiльшу стiйкiсть.
Реалiзацiя керування виконавчими пристроями [3, 4, 5] мютить у собi виконання наступних функцш:
- установка необхщно! швидкост в межах заданого дiапазону;
- стабшзащя встановленого значення швидкостi;
- компенсащя збурюючих впливiв, наприклад, змши навантаження на валу двигуна;
- регулювання моменту, що розвиваеться виконавчим мехашзмом у режимi двигуна та гальмовому режимах, а також режимах прискорення (уповшьнення);
- формування необхщного характеру змши швидкост у часi i з заданою точнiстю.
Залежно вiд технолопчних вимог контури керування повиннi здшснювати регулювання по одному з головних контрольованих параметрiв: моменту, швидкостi або положенню виконавчого пристрою (це не означае, що при цьому не регулюються iншi параметри; наприклад, швидюсть i т.п. ).
Для об'екпв забезпечення дiяльностi залiзничного транспорту виконавчi пристро! можна класифiкувати по типу використовуваних електродвигушв (рисунок 3).
Сучасний етап розвитку контурiв керування виконавчими пристроями ОЗТД [5, 10] характеризуеться значним розширенням област застосування регульованих електродвигушв змшного струму (ранiше використовувалися в основному електродвигуни постiйного струму, що володшть найкращими регульованими властивостями та у той же час мають вiдомi конструктивнi недолiки).
Виконавч! пристро!' 3 двигунами постшного струму
Виконавч1 пристро'1 об'ектш забезпечення транспортно! д1яльност1
Виконавч! пристро!' з асинхронними двигунами
Виконавч1 пристроУ з сиихрониими двигунами
Рисунок 3 - Класифжащя виконавчих пристрогв по типу
двигуна
У тепершнш час найпоширешша структура керування виконавчими пристроями ОЗТД мютить у соб1 двигун змшного струму, перетворювач частоти з ланкою постшного струму та швертором з широтно-1мпульсною модулящею (Ш1М).
У перетворювачах з ланкою постшного струму змшна вихщна напруга формуеться автономним швертором з напруги постшного струму. Перетворювач1 частоти з ланкою постшного струму шдроздшяються на перетворювач! з автономним швертором струму та автономним швертором напруги. У цей час широко використовуються перетворювач! з автономним швертором напруги.
Останшм часом для керування виконавчими пристроями ОЗТД починають широко застосовуватися (в автомобшях, компресорах ) ! проектуватися (для тепловоз!в) контури керування приводом виконавчих пристро!в !з синхронними двигунами, у тому числ! й !з збудженням вщ постшних магнтв [ 12-17] ! ш.
Прикладами таких об'ект!в забезпечення транспортно! д!яльност! е:
1. Компресорш станци локомотивных I вагонних депо, сортувальних г1рок \ т.д. У контур! керування (рисунок 4) як виконавчий пристрш показаний компресор, що забезпечуе необхщний тиск повпря або газу в магютрал! споживач!в (прков! спов!льнювач!, пневмоочищення стр!лок, агрегати газотранспортних систем та т.!.).
Компресор | Виконавчий
Настройки контур1в керування
Рисунок 4 - Контур керування компресором заизничних станцш
2. Колена пара локомотива ГБ64 [21-24]. У комплекс пристро!в локомотива БВ64, застосована послiдовна схема пбридно! безпосередньо! електромехашчно! передачi (рисунок 5).
При послщовнш структурi виконавчий пристрш одержуе живлення за рахунок перетворення змшного струму отриманого вщ дизель-генераторно! установки з використанням керованого випрямляча.
Рисунок 5 - Контур керування виконавчими пристроями локомотива БВ64: 1 - колюна пара; 2 - кожух двигуна; 3 - ротор з постшними магштами; 4 -статор з обмотками; 5 - елементи кршлення двигуна до рами вiзка; 6 -
несучий диск; 7 - муфта
У цш структурi характерна наявнiсть безпосередньо! передачi мiж двигуном i колiсною парою, тобто ротор двигуна, перебувае на ос колюно! пари. При такому керуванш СД забезпечуе пiдвищений обертаючий момент за рахунок вщсутност редуктора.
3. Колена пара локомотива ВЛ80В [25-27]. Виконавчий пристрш побудований за класичною структурою електродвигун-редуктор-колесо. Як живлення використовуеться напруга вщ контактно! мережь У контурi керування виконавчим пристроем для реашзаци пiдсилювача потужностi використовуеться швертор (рисунок 6).
Настройки KOHTypÍB керування
Перетворення живлення вщ контактно!" мереж1
Рисунок 6 - Контур керування виконавчим пристроем локомотива ВЛ80В
Тут як виконавчий пристрш використовуеться з'еднання редуктор-колюна пара.
4. Пбридний npueid автомобшв Toyota Prius i Estima [18], Lexus cepiü LSh, GSh i RXh [19]. Структура пбридного приводу (рисунок 7) побудована за принципом послщовно-паралельних пбридних систем.
У випадку пбридних автомобшв Lexus сери RXh, як мають привщ на вс колеса, заднш привщ реалiзуеться за структурою послiдовного пбридного приводу (рис. 8).
Також як при реашзаци переднього приводу, виконавчим пристроем для СД е редуктор, що передае мехашчний момент на колеса, тобто момент навантаження забезпечуеться редуктором, з'еднаним з колюьми.
Рисунок 7 - Контури керування виконавчими пристроями автомобшв фiрм Toyota i Lexus
Бортова мережа
Рисунок 8 - Контури керування виконавчими пристроями заднього приводу автомобшв фiрм Toyota i Lexus
5. Пбридний npueid бойово1' машини RST-V AHED (рисунок 9) [20] ф1рми General Dynamics Land Systems (GDLS).
Модульна система охолодження
Модифжована версiя серiйного гражданського дизельного двигуна
Гiбридний електричний привод
Елементи силово1 електронiки
Акумуляторна батарея Li-ION
Модуль привода колеса з вмонтованою у маточину колеса електродвигуна
Зовтшнш пневматична пiдвiска високого тиску
Пбридна система колiсного/гусеничного повороту
Рисунок 9 - Блок-схема бойово! машини RST-V AHED
Цей привщ е представником послщовного пбридного приводу (рисунок 10.). В структур! двигун безпосередньо реашзуе передачу електромагштного моменту на колесо. Фактично до ротора СД кршиться колесо i момент навантаження реашзуеться колесом.
Бортова мережа
Виконавчий пристрой
Пневматична шдвкка
Рисунок 10 - Структура послщовного гiбридного приводу
фiрми GDLS
Висновки. Виконаний огляд показуе, що використання виконавчих пристро1в на основi синхронних двигунiв i3 збудженням вiд постiйних магнiтiв е перспективним напрямком удосконалення об'екпв забезпечення транспортно! дiяльностi. У другiй частит статт будуть розглянутi методи побудови ушфшованих контурiв керування виконавчими пристроями.
Список лтератури
1. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 616 с.
2. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0:Учебное пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.
3. Онищенко Г.Б. Электрический привод: Учебник для вузов. — М.: РАСХН, 2003. —320 с.
4. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Ученик для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 544 с.
5. Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов/М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. - М: Издательский центр «Академия», 2004. - 576 с.
6. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат, 1982. - 392с.
7. рачев Г.И. Теория электропривода: Учебное пособие к курсовому проектированию для студентов заочного обучения спец. 180400. 2-е издание, дополненное. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2002. - 137 с.
8. Чиликин М.Г., Сандлеров А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. - М.: Энергоиздат, 1981. - 576 с.
9. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. - М.: Энергоиздат, 1981. - 560 с.
10. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием учебник для студ. высш. учеб. заведений / Г. Г. Соколовский. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 272 с.
11. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. - М.: Энергоиздат, 2001. - 576 с., ил.
12. Wallmark O. On Control of Permanent - Magnet Synchronous Motors in Hybrid -Electric Vehicle Application. Chalmers University of technology Geteborg Sweden, 2004.
13. Rcefenstahl U. Electrishe Antreibstechnic - Magdeburg: Otto-von - Gcericke -Universitat Magdeburg, 2000. - 400s.
14. Mihailovic Z. Modeling and control design of VSI-FED PMSM drive systems with active load. Virginia Polytechnic Institute, 1998. - 145p.
15. Levi E., Jones M., Vukosavic S.N.. A Series-Connected Two-Motor Six-Phase Drive with Induction and Permanent Magnet Machines /IEEE Transactions on Energy Conversion. - 1998. - Vol.21, №1
16. Прямое управление моментом и током двигателей переменного тока /Перельмутер В.М. - Х.: Основа, 2004 - 210с.
17. Д.В. Корельский, Е.М. Потапенко, Е.В. Васильева. Обзор современных методов управления синхронными двигателями с постоянными магнитами / Радюелектрошка 1нформатика Управлшня. - 2001. - №2 - С155-159.
18. Toyota Hybrid System. Toyota Press Information, 1997. - 16c.
19. Lexus Hybrid Drive. Lexus Knowledge Center Information, 2001. - 18 c.
20. Elektrische Kraftübertragung-Technologie und praktische. Anwendung Soldat und Technik, - 2003 - Mai. С. 22-27.
21. T. Koch // Eisenbahningenieur. - 2002. - № 8. - P. 59 - 65.
22. O. Körner // Elektrische Bahnen. - 2004. - № 11. - P. 463 - 473.
23. Непосредственный привод тяговый привод // Железные дороги мира. - 2005. - № 9. - С. 27- 31.
24. Сравнение концепций механической части трехфазного тягового привода //Железные дороги мира. - 2005. - № 9. - С. 32-40.
25. Вентильные двигатели и их применение на электроподвижном составе / Б. Н. Тихменев, Н. Н. Горин, В. А. Кучумов, В. А. Сенаторов. - М.: Транспорт, 1976. 280 с.
26. С. Н. Прокофьев, С.В. Волконовский. Усовершенствование системы управления вентильным тяговым приводом // Вестник ВНИИЖТ. 2003. - №1.
27. Раков В.А. Локомотивы и мотор-вагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза. - М.: Транспорт, - 1979. - 213 с.
28. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т.1. Линейные системы. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 288с.
29. Шубладзе А.М. Синтез оптимальных линейных регуляторов // Автоматика и телемеханика. - 1984. - №12. - С. 22-33.
30. Загарий Г.И., Шубладзе А.М. Синтез систем управления на основе критерия максимальной степени устойчивости. - М.: Энергоатомиздат, - 1988.
УДК 656.25:656.2.08:656.256
Чепцов М.Н., к.т.н., доцент (ДонИЖТ2
АНАЛИЗ НОРМАТИВНО-ПРАВОВОЙ БАЗЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ
Постановка проблемы в общем виде. Технический термин «управление», как правило, применяется для определения процесса
