CC BY
2
15. Syrcos G.P., Sannuti P. Singular perturbation modelling of continuous and discrete physical systems / International Journal of Control. 1983. V. 37. No. 5. P. 1007 - 1022.
16. Naidu D.S. Analysis of non-dimensional forms of singular perturbation structures for hypersonic vehicles / Acta Astronautica. 2010. Vol. 66. P. 577 - 586.
17. Chow J.H., Kokotovic P.V. A decomposition of near-optimum regulators for systems with slow and fast modes / IEEE Transactions on Automatic Control. 1976. Vol. AC-21. P. 701 - 705.
18. Обыкновенные дифференциальные уравнения: учеб. пособие для студ. вузов / С.А. Агафонов, Т.В. Муратова. М.: Издательский центр «Академия». 2008. 240 с.
Державин Отто Михайлович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «МЭИ»,
Сидорова Елена Юрьевна, старший преподаватель, [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «МЭИ»
METHODOLOGY FOR DECOMPOSITION OF MULTI-TIMESCALE DYNAMIC SYSTEM MODELS
O.M. Derzhavin, E.Yu. Sidorova
The problem of structural decomposition of models of multi-timescale linear dynamic .systems is considered. A methodology for solving the problem for a general model represented by a system of ordinary differential equations in the Cauchy normal form is proposed. It involves the division of the general decomposition procedure into two stages: at the first stage, the question of whether the model under study belongs to the class of multi-timescale models is solved, at the second stage, the methodology of decomposition of the original model is implemented. The algorithm for its implementation is given.
Key words: multi-timescale system, dynamic model, structural decomposition, simplified model.
Derzhavin Otto Mikhaylovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Moscow, National Research University «Moscow Power Engineering Institute»,
Sidorova Elena Yurievna, senior lecturer, [email protected], Russia, Moscow, National Research University «Moscow Power Engineering Institute»
УДК 656.259.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-9-10
АВТОМАТИЗАЦИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИН ЗОН ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ШУНТИРОВАНИЯ
ТОНАЛЬНЫХ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ
М.Э. Скоробогатов, В.А. Целищев
В среде БтЫТеек на имитационной схеме было проведено моделирование фрагмента тональной рельсовой цепи для определения зоны дополнительного шунтирования. Параметром, по которому оценивалась указанная длина выступал уровень напряжения на входе путевого приёмника. нормативное значение этого напряжения должно лежать в пределах от 0,4 до 1,1 В. По результатам моделирования был построен график для разных длин зоны дополнительного шунтирования по удалению, по которому было определено сопротивление рельсов и рассчитана её длина. Для валидации полученных результатов на основе метода контурных токов был проведён расчёт входного напряжения на путевом приёмнике по эквивалентной схеме замещения фрагмента рельсовой цепи. Отклонение рассчитанных значений от результатов моделирования составило менее 5%.
Ключевые слова: тональная рельсовая цепь, имитационное моделирование, зона дополнительного шунтирования, схема замещения, метод контурных токов.
Введение. Одним из устройств обеспечения условий безопасности движения поездов на отечественных железных дорогах является рельсовая цепь (РЦ), которая состоит из рельсовой линии, а также аппаратуры, подключаемой к питающему и релейному концу [1, 2]. РЦ выполняет роль стационарного датчика и реализует функции контроля состояния рельсовой линии и используется как телемеханический канал передачи данных [3]. С ростом скорости движения поездов и их веса РЦ эксплуатируются во всё более сложных условиях [4-9]. Для снижения электромагнитного влияния помех на работу РЦ были внедрены рельсовые цепи тональной частоты (ТРЦ), которые используют амплитудно-модулированный (АМ) сигнал в качестве сигнального тока, в связи с чем в конструкции ТРЦ отсутствуют изолирующие стыки. Их исключение приводит к появлению зон дополнительного шунтирования как перед точкой ввода АМ-сигнала, так и за ней, а длина указанной зоны влияет на место установки проходного светофора [10].
Зона дополнительного шунтирования - это зона железнодорожного пути, где колеса поезда занимают две рельсовые цепи одновременно (рис. 1).
Различают зоны дополнительного шунтирования по приближению /шп и зоны дополнительного шунтирования по удалению /шу.
Зона дополнительного шунтирования по приближению /шп соответствует такому положению поезда, когда напряжение на входе приемника снижается до значения, соответствующего его порогу отпускания. Зона дополнительного шунтирования по удалению /шу соответствует положению поезда, когда напряжение на входе приемника достигает значения порога срабатывания. На практике это означает, что занятие и освобождение поездом РЦ цепи фиксируется на некотором расстоянии от точек подключения путевых трансформаторов питаюшдх и приемных концов.
Точки подключения аппаратуры к рельсам определяют физическую длину рельсовой цепи. Реальная длина РЦ больше физической на длину зон дополнительного шунтирования, то есть рассчитанная разработчиками реальная длина РЦ увеличивается на величину зоны дополнительного шунтирования по приближению и зону дополнительного шунтирования по удалению. В результате смежные РЦ перекрывают друг друга. Не допустимо, чтобы зона дополнительного шунтирования (по приближению и удалению) была равна нулю. Нестабильность параметров сигнала РЦ во времени, и множество других внешних факторов могут привести к потере контроля за состоянием РЦ
[11-15].
Длина зоны дополнительного шунтирования зависит от частоты АМ-сигнала, сопротивления изоляции, сопротивления рельсовой линии, напряжения источника питания (генератора сигнального тока).
В связи с техническими ограничениями и необходимостью соблюдения требований безопасности движения поездов проведение исследований ТРЦ на объектах железнодорожного транспорта затруднительно, поэтому для проведения измерений применяются методы имитационного моделирования [16-19].
Данная статья направлена на разработку программно-аппаратных средств для автоматизации определения зон дополнительного шунтирования ТРЦ.
Имитационная модель. Для возможности оценки длины зоны дополнительного шунтирования по удалению в среде Sim[nTech [20] была разработана имитационная модель фрагмента рельсовой линии (рис. 2)
Рис. 2. Имитационная модель фрагмента рельсовой линии
Имитационная модель включает в себя следующие элементы:
- Rin - сопротивление поездного шунта (0,06 Ом);
- Rh - сопротивление изоляции (0,5 Ом);
- R11 и R12 - сопротивление рельсовых нитей зоны дополнительного шунтирования (изменяется от 0 до
2,5 Ом);
- R21 и R22 - сопротивление 500 м рельсовых нитей;
- U - источник АМ-сигнала;
- QF - автоматический выключатель многократного действия АВМ- (0,0222 Ом);
- R3 - защитный резистор (0,4 Ом);
- ПТ - путевой трансформатор (характеристики соответствуют трансформатору ПОБС-2А);
- FV - разрядник РВНШ-250 (1 МОм);
- Rk - резистор, учитывающий сопротивление кабельной линии (200Ом);
- ПП - путевой приёмник ПП1 8/8 (Zim = 160 Ом);
- PV1 - идеальный вольтметр;
- Гр - элемент для регистрации напряжения на путевом приёмнике.
Значения напряжения источника АМ-сигнала и сопротивление рельсовых нитей определялись в соответствии с ТРЦ-ЭТ50 (АЛС 25, 75)-С-96. В ходе имитационного моделирования проводилось плавное изменение сопротивлений Rll и Rl2, что соответствовало движению подвижной единицы (поездного шунта).
При имитационном моделировании оценка длина зоны дополнительного шунтирования осуществлялась по уровню АМ-сигнала на входе путевого приёмника: в том случае, когда его уровень меньше номинального (0,4 В), то путевое реле будет находиться без тока и будет фиксироваться занятость ТРЦ. Результаты моделирования для несущих частот ТРЦ третьего поколения представлены на рис. 3.
ишт, в
Верхняя граница напряження на входе ПП
/ -ШУ 7ЯО га Г= 780 Гц ______ -
"7 / --- Г = 420 Гц РЦ с кобол на РЦ шнята ______/ Нижняя граница напряжения на входе ПП
Ь, м
0 20 40 60 80 ¡ 00 120 140
Рис. 3. Результаты имитационного моделирования
Как видно из рис. 3 уровень АМ-сигнала (график представлен сплошной линией) увеличивается по мере удаления поездного шунта от точки подключения релейной аппаратуры РЦ, что согласуется с классической теорией электротехники. С помощью вспомогательной линии (показана пунктирной линией) графическим способом определена граница, при которой уровень АМ-сигнала на входе путевого приёмника соответствует номинальному. Результаты моделирования для двух несущих частот 420 и 780 Гц представлены в таблице.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что имитационная модель, указанная на рис. 2 позволяет оценить длину зоны дополнительного шунтирования по удалению в зависимости от заданных параметров ТРЦ.
Валидация модели. Валидация имитационной модели проводилась путём теоретического расчёта напряжения на входе путевого приёмника при определённых при моделировании параметрах зоны дополнительного шунтирования. Для этого была составлена схема замещения фрагмента РЦ, представленная на рис. 4. Параметры элементов схемы замещения соответствуют параметрам имитационной модели, а сопротивления Z11 и Z12 соответствуют определённой при имитационном моделировании длине зоны дополнительного шунтирования.
211 ZTЗ /. ! от / ;!ПТ
Рис. 4. Эквивалентная схема замещения фрагмента рельсовой цепи
Для представленной на рис. 4 эквивалентной схемы замещения фрагмента РЦ по методу контурных токов составлена система уравнений (1):
(2и +^12 +2ш +2ц) '/ц —Zи ' ¡22 = 0 ^и + 222) ' ¡22 _С^21 +^2г)' ^33 =Е
■ + +ггз +г1пт +^21 +^2г)'^33 ' ¡44 = ~Е ,
'¡33 + +^2пт + ^44 = 0
' ¡44 + +^пп +2гк)'/55 =0
При решении системы уравнений (1) были определены значения контурных токов, после чего было рассчитано напряжение на входе путевого приёмника. Результаты расчёта представлены в таблице.
Сравнение результатов моделирования и результатов расчёта
№ Параметр 420 Гц 780 Гц
^ Ом L, м и, В ^ Ом L, м и, В
1 Результаты моделирования 0,063 12,85 0,4 0,051 6,45 0,4
2 Результаты расчёта 0,398 0,393
3 Отклонение, % 0,5 1,75
Таким образом, разница уровней напряжения на входе путевого приёмника, полученного при имитационной моделировании и теоретическом расчёте составила менее 5% для всех несущих частот ТРЦ3, что говорит о их высокой корреляции и достоверности разработанной имитационной модели определения длины зон дополнительного шунтирования тональных рельсовых цепей.
Заключение. В настоящей статье предложен способ определения зон дополнительного шунтирования для бесстыковых рельсовых цепей. С помощью представленного способа в среде SimInTech было проведено имитационное моделирование. Результаты моделирования составили 12,85 м и 6,45 м для несущих частот 420 Гц и 780 Гц соответственно.
Для валидации полученных значений зоны дополнительного шунтирования был проведён теоритический расчёт уровня входного напряжения на путевом приёмнике при значениях параметров эквивалентной схемы замещения рельсовой цепи, определённых при моделировании. Отклонения результатов моделирования от результатов расчёта составили менее 5%.
Предложенный способ и имитационная модель могут быть использованы для контрольно-поверочных испытаний мест установки проходных светофоров и определения эффективной длины бесстыковых рельсовых цепей.
Список литературы
1.Брылеев А.М., Шишляков А.В., Кравцов Ю.А. Устройство и работа рельсовых цепей. М.: Транспорт,
1966. 264 с.
2.Ходкевич А.Г. Эволюция рельсовых цепей от реле до искусственного интеллекта / А. Г. Ходкевич, М. М. Соколов // Автоматика, связь, информатика. 2022. № 12. С. 6-8. DOI 10.34649/AT.2022.12.12.001. EDN BHHGJA.
3.Рельсовые цепи магистральных железных дорог : справочник / В. С. Аркатов [и др.] ; под ред. В. С. Ар-катова. Москва: ООО Миссия-М, 2006. EDN QNTYWP.
4.Черезов Г.А. Комплекс диагностирования устройств тональных рельсовых цепей / Г. А. Черезов, С. С. Кокорин // Вестник транспорта Поволжья. 2020. № 5(83). С. 61-65. EDN YESEIA.
5.Антонов А.А. Влияние тягового тока на бесстыковые рельсовые цепи / А. А. Антонов, П. Е. Мащенко, А. С. Шаповалова // Мир транспорта. 2010. Т. 8, № 1(29). С. 46-51. EDN LMCKPT.
6.Добрынин Е.В. Оценка влияния неоднородности тяговой сети на работу системы контроля параметров движения электроподвижных составов / Е. В. Добрынин, К. В. Богданова, Е. М. Плохов // Транспорт Урала. 2023. № 2(77). С. 108-112. DOI 10.20291/1815-9400-2023-2-108-112. EDN SADKIE.
7.Пультяков А.В. Повышение эффективности эксплуатации рельсовых цепей / А. В. Пультяков, В. П. Мартыновский, А. Ф. Наталин // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. 2014. Т. 1. С. 327-331. EDN SJKYWB.
8.Чабан П.Н. Методы обеспечения электромагнитной совместимости рельсовых цепей с обратной тяговой сетью переменного тока // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2012. № 2(33). С. 176180. EDN RWLXMT.
9.Бушуев С.В. Особенности измерений сигналов тональных рельсовых цепей / С. В. Бушуев, А. Н. Попов, К. В. Гундырев // Вестник транспорта Поволжья. 2014. № 5(47). С. 94-97. EDN THLABL.
10. Воронин В.А. Техническое обслуживание тональных рельсовых цепей / В. А. Воронин, В. А. Коляда, Б. Г. Цукерман. Москва: Федеральное государственное бюджетное учреждение дополнительного профессионального образования "Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте", 2007. 93 с. EDN RYRPEH.
11. Обеспечение шунтовой чувствительности электрических рельсовых цепей с помощью устройства для очистки поверхности катания ходовых рельсов / А. В. Пультяков, М. Э. Скоробогатов, В. П. Мартыновский, А. Ф. Наталин // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. 2018. Т. 1. С. 335-338. EDN XSHYHJ.
12. Черезов Г.А. Имитация неисправностей в путевом приемнике тональной рельсовой цепи / Г. А. Черезов, В. Б. Леушин, В. И. Линьков // Наука и техника транспорта. 2016. № 1. С. 100-103. EDN VSDJGH.
13. Швалов Д.В. Способы контроля выполнения шунтового эффекта рельсовых цепей // Автоматика на транспорте. 2023. Т. 9, № 3. С. 229-238. DOI 10.20295/2412-9186-2023-9-03-229-238. EDN WNOMXL.
14. Бестемьянов П.Ф. Оценка уровня сигналов в рельсовых линиях на основе энергетического спектра и дискретного преобразования Хартли / П. Ф. Бестемьянов, А. Е. Ваньшин, М. В. Катков // Электротехника. 2018. № 9. С. 2-7. EDN UVQBMY.
15. Солдатов А.А. Совершенствование алгоритма диагностики предотказного состояния рельсовых цепей // Автоматика, связь, информатика. 2022. № 9. С. 12-15. DOI 10.34649/AT.2022.9.9.002. EDN UAIOLX.
16. Марков Д.С. Формализованная схема процесса имитационного моделирования рельсовой линии / Д. С. Марков, М. Б. Соколов, В. Б. Соколов // Автоматика на транспорте. 2020. Т. 6, № 2. С. 204-221. DOI 10.20295/2412-9186-2020-6-2-204-221. EDN HQMYTH.
17. Менакер К.В. Имитационная модель участка в пределах одной рельсовой цепи / К. В. Менакер, Е. М. Бушуев // Автоматика, связь, информатика. 2018. № 2. С. 10-13. EDN YMVSIE.
18. Целищев В.А. Процессное моделирование рельсовой цепи // Информационные технологии и математическое моделирование в управлении сложными системами. 2021. № 2(10). С. 25-32. DOI 10.26731/2658-3704.2021.2(10).25-32. EDN BKHJYL.
19. Растегаев С.Н. Автоматизация формирования схем замещения для расчета ТРЦ / С. Н. Растегаев, Н. Ю. Воробей // Автоматика, связь, информатика. 2011. № 4. С. 12-13. EDN NWHAGL.
20. Среда динамического моделирования технических систем SimlnTech: Практикум по моделированию систем автоматического регулирования / Б. А. Карташов, Е. А. Шабаев, О. С. Козлов, А. М. Щекатуров. - Москва : Общество с ограниченной ответственностью "ДМК пресс. Электронные книги", 2017. 424 с. EDN ZDAUXB.
СкоробогатовМаксим Эдуардович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Иркутск, Иркутский государственный университет путей сообщения,
Целищев Владимир Александрович, доцент, [email protected], Россия, Иркутск, Иркутский государственный университет путей сообщения
AUTOMATION OF DETERMINATION OF ZONE LENGTHS ADDITIONAL SHUNTING OF TONAL TRACK CIRCUIT
M.E. Skorobogatov, V.A. Tselishchev
In the SimInTech environment, a fragment of a tone rail circuit was simulated using a simulation circuit to determine the area of additional shunting. The parameter by which the specified length was estimated was the voltage level at the input of the track receiver. the standard value of this voltage should be in the range from 0.4 to 1.5 V. Based on the modeling results, a graph was constructed for different lengths of the additional bypass zone along the distance, from which the rail resistance was determined and its length was calculated. To validate the results obtained, based on the loop current method, the input voltage at the track receiver was calculated using the equivalent equivalent circuit of a fragment of the track circuit. The deviation of the calculated values from the simulation results was less than 5%.
Key words: tone track circuit, simulation modeling, additional shunt zone, equivalent circuit, loop current method.
Skorobogatov Maxim Eduardovich, candidate of technical sciences, docent, Skor [email protected], Russia, Irkutsk, Irkutsk State Transport University,
Tselishchev Vladimir Aleksandrovich, docent, [email protected], Russia, Irkutsk, Irkutsk State Transport University
УДК 621.91:004.9
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-13-14
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЭФФЕКТИВНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ С УЧЕТОМ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ
А.В. Анцев, Е.С. Янов, Г.В. Шадский
С целью упрощения учета вариабельности процесса резания с использованием обобщенной стохастической модели отказов режущего инструмента предложена интеллектуальная система эффективной эксплуатации лезвийных режущих инструментов с учетом вариабельности процесса резания, состоящая из центрального сервера и удаленных устройств, которыми оснащается технологическое оборудование предприятия и задачей которых является сбор статистики о состоянии режущего инструмента с помощью всех доступных на данной единице технологического оборудования методов контроля и передачи их на центральный сервер. На центральном сервере устанавливается разработанный комплекс программного обеспечения, включающий в себя автоматизированную информационную систему Лезвие, разработанную на языках Python и Object Pascal с использованием фреймворка для построения графического интерфейса Qt6. АИС Лезвие позволяет априорно и апостериорно оценивать параметры обобщенной стохастической модели отказов режущего инструмента, оценивать параметры стойкостной зависимости с использованием обобщенной стохастической модели отказов режущего инструмента, а также проводить оценку периода стойкости режущего инструмента, рациональных режимов резания и экономически эффективного периода профилактики режущего инструмента. В статье рассмотрено устройство и работа АИС Лезвие. Разработанная АИС Лезвие может применяться при повышении эффективности производства любых машиностроительных производств.
Ключевые слова: обобщенная модель отказов, оценка параметров, износ, режущий инструмент, информационная поддержка.
Для снижения себестоимости отечественной продукции машиностроения и повышения на этой основе ее конкурентоспособности необходимо повышение эффективности всех процессов, выполняемых при ее производстве [1]. Одним из важнейших технологических процессов при производстве продукции машиностроения является обработка резанием. По экспертным оценкам, 15 % стоимости деталей узлов и машин, производимых в мире, приходится на операцию обработки резанием с использованием лезвийного режущего инструмента [2].
Эффективность процессов обработки резанием лезвийным режущим инструментом в значительной мере определяется назначаемыми на основе известных стойкостных зависимостей режущего инструмента режимами резания и периодичностью восстановления или замены режущего инструмента. Однако, несмотря на то, что процессы
13
