CC BY
15
АВТОМАТИКА, ТЕЛЕМЕХАН1КА, ЗВ'ЯЗОК УДК 519.876.5:681.586
Бабаев М.М., д.т.н. (УкрДАЗТ) Прилипко А.А., астрант (УкрДАЗТ)
МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ КОЛ1ЙНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА
1НДУКЦ1ЙНОГО ТИПУ
Вступ. Важливу роль у надшност та ефективностi роботи систем зашзнично! автоматики та телемеханiки (ЗАТ) вдаграють первиннi пристро! контролю - первинш датчики, якi застосовуються в багатьох системах управлшня рухом поlздiв на залiзничному транспортi [1, 2]. Одним з таких пристро1в е точковий колiйний датчик пiдрахунку осей (ТКД).
Постановка проблеми. Серед ТКД найбшьшого поширення набули датчики шдукцшного типу, в яких використовуються генераторш первиннi перетворювачi, побудованi на принцип електромагнггно! шдукци [3-5, 15, 16]. У таких ТКД шформацшний сигнал формуеться при взаемоди колеса 3i змiнним магнiтним полем, що зв'язуе шдуктивш передавач та приймач чутливого елемента датчика [2]. Серед датчиюв шдукцшного типу видшяються трансформаторнi диференщальш ТКД, якi мають пiдвищену чутливють i захист вiд завад [5]. Тому у робот i розглядаеться актуальна задача !х удосконалення та оптимiзацil.
Анал1з останнш до^джень i публЫацш. В останнiх публiкацiях стосовно ТКД [1-9] розглядаються конструкци та порiвняння датчикiв, викладенi описи !х застосування. При цьому при описаннi конкретних ТКД [2, 5, 7] зов^м не висвiтлювалися !х недолжи. При порiвняннi датчикiв [3] хоча i були деякi згадки про !х недолiки, але це вiдносилося далеко не до всiх ТКД, що розглядалися, i питання стосовно !х усунення практично не пiднiмалося. В роботi [6] висвiтлюеться питання впливу експлуатацшних факторiв на роботу ТКД, але недостатньо розкрите питання вдосконалення датчиюв стосовно цих впливiв. В статтi [8] представлений огляд Германського рейкового датчика RSR 122, який добре захищений вщ
високих електромагштних завад, але практично не розкритi його техшчш данi, як саме реалiзований цей захист, якi недолiки мае цей датчик. При розглядi застосування закордонного ТКД та його описанш [4] зов^м нiчого не сказано про його недолши, лише тшьки позитивнi моменти, але при цьому очевидно, що кожен ТКД мае сво! недолiки i тому зараз продовжуеться робота по удосконаленню юнуючих датчикiв [3]. При розгляданнi застосування датчиюв в системах ЗАТ [9] вказаш перспективи у цiй галуз^ але зовсiм не згаданi техшчш проблеми з ТКД при !х роботi.
Формування мети (постановка завдання). Завданням роботи е створити та реалiзувати математичну модель чутливого елемента ТКД шдукцшного типу з метою удосконалення та оптимiзащl його параметрiв, а також дослiдження впливу зовшшшх факторiв на датчик.
Виклад основного матерiалу. Розглянемо узагальнену структуру ТКД шдукцшного типу [16].
Рисунок 1 - Узагальнена структура ТКД шдукцшного типу 1 - зовшшнш вплив на чутливий елемент ТКД (колесо); 2 - перша приймальна котушка шдуктивностц 3 - перша живильна котушка шдуктивностц 4 - друга живильна котушка шдуктивностц 5 - друга приймальна котушка шдуктивностц 6 - генератор; 7 - диференщальний
шдсилювач.
Принцип роботи датчика, що дослщжуеться (рисунок 1), наступний.
Генератор 6 живить котушки шдуктивност 3 та 4. У свою чергу останш створюють змiнне магнiтне поле. Це поле наводить ЕРС на приймальних котушках iндуктивностi 2 та 5. За вщсутност колеса ЕРС на обох приймальних котушках однаков^ оскшьки останнi iдентичнi за будовою. За рахунок того, що приймальш котушки увiмкненi зустрiчно, !х вихщш напруги протилежнi за фазою.
Сигнали вiд приймальних котушок надходять на диференщальний пiдсилювач 7, де вщбуваеться !х порiвняння. За вiдсутностi колеса на виходi блока 7 сигнал близький до нуля.
Коли колесо (блок 1) проходить над високочастотним модулятором (блоки 2-5), то змшюеться взаемозв'язок вщповщних приймальних котушок шдуктивност з живильними, що сприяе рiзницi мiж амплiтудами вихщних сигналiв (напруг) з приймальних котушок. При цьому при знаходженш колеса мiж першими приймальною i живильною котушками шдуктивност збiльшуеться амплiтуда вихщно! напруги з першо!
приймально! котушки (ик1), а вiдповiдно при знаходженнi колеса мiж другими живильною i приймальною котушками iндуктивностi -збiльшуеться амплiтуда вихщно! напруги з друго! приймально! котушки
(ик2). У результатi, при проходженш колеса над високочастотним модулятором на виходi диференцiального пiдсилювача виникае сигнал (сума вихщних напруг з приймальних котушок), що вказуе про прохщ колеса через контрольовану ТКД зону.
При цьому взаемозв'язок мiж живильною i приймальною котушками шдуктивност^ мiж якими знаходиться колесо, збшьшуеться за рахунок впливу феромагнгтно! маси цього колеса на магнгтний потш, що зв'язуе данi котушки. Вщбуваеться збшьшення магнiтного потоку за рахунок зменшення повпряного зазору мiж даними котушками шдуктивност^
ЕРС на виходi приймальних котушок з урахуванням вщсутносп колеса визначаеться таким чином [11, 12, 14]:
де кзв - коефщент зв'язку приймально! та живильно! котушок iндуктивностi за вiдсутностi колеса;
WЖ - кiлькiсть виткiв живильно! котушки iндуктивностi; WПР - юлькють виткiв приймально! котушки iндуктивностi;
(1)
Кжь - коефщент зв'язку мiж iндуктивнiстю живильно1 котушки LЖ i кiлькiстю 11 витюв WЖ;
kL - коефщент зв'язку мiж iндуктивнiстю приймально1 котушки L i кiлькiстю 11 виткiв Wпр;
1г - струм, що живить живильну котушку iндуктивностi.
На величину кзв впливають [13] рейка, корпус ТКД, завади вщ тягових струмiв та iн. Цi чинники ддать у рiвнiй мiрi на обидвi приймальнi котушки iндуктивностi за рахунок 1х однаково! будови i розташування щодо цих чинникiв. Тому цей коефщент однаковий як для першо! приймальнi котушки, так i для друго!.
Коефщент зв'язку мiж iндуктивнiстю котушки iндуктивностi i юлькютю 11 виткiв залежiть вiд конструкци котушки, 11 фiзичних розмiрiв та шших показникiв. Так, наприклад, коефщент для випадку з котушкою прямокутного перетину обчислюеться за формулою [14]:
К = ^°(Ь + с) ж
Ы^с 1п(с + Ть^) 1п(Ь + 4^+с2) + 2л/Ь 2 + с
2 2 2 +с
а + г Ь + с " Ь + с " Ь + с
1 ^ „ „ „а + г - + 0,447--
2 Ь + с
(2)
де а - висота котушки iндуктивностi; Ь - ширина; с - довжина; г - товщина витюв.
Для унiверсальностi моделi ВЧМ даний коефщент виноситься як вхiдний параметр у модель, тому що до рiзних за будовою котушок шдуктивност для обчислення даного коефiцiента наявш рiзнi формули.
У разi вщсутност колеса в контрольованiй зонi, ЕРС на виходi диференцiального пiдсилювача високочастотного модулятора буде близькою до нуля згщно з формулою
Ер = Ех+ Е2, (3)
де Ер - ЕРС на виходi диференщального пiдсилювача.
Тут ЕРС Е1 та Е2 мають протилежнi фази. Завдяки цьому при !х
складаннi одна ЕРС вiднiмаеться вiд шшо!.
Якщо колесо знаходиться в контрольованiй ТКД зонi, то воно впливае на коефщенти зв'язку кзв мiж приймальними та передавальними котушками шдуктивност вiдповiдно (пiдвищуючи один з них), а також на коефщенти зв'язку кшькост виткiв та iндуктивностi (Акжц, Акжь 2, Акь1
та Акь2) всiх чотирьох котушок шдуктивност (залежно вiд
мiсцезнаходження колеса).
У раз^ коли над контрольованою зоною ТКД знаходиться колесо, згщно з формулою (1) ЕРС на першш приймальнш котушцi визначаеться таким чином:
ЁХк = }( (кв + МзЛ)ЖжЖпрУ1 (кжь +Акжп)(к1 +Мп) • 1г, (4)
де Акзв1 - змша коефiцiента зв'язку мiж першими приймальною i
живильною котушками шдуктивност за наявностi колеса;
Акжь1 - змша коефщента залежностi мiж шдуктивнютю першо! живильно! котушки LЖ та юлькютю И виткiв WЖ за наявност колеса;
Акь1 - змша коефщента залежностi мiж iндуктивнiстю першо!
приймально! котушки LПр i юлькютю И виткiв WПр за наявност колеса.
При цьому коефiцiенти змши (Акзв1, Акь1 та Акжь1) вiдмiннi вiд нуля лише у тому випадку, коли колесо знаходиться в зош контролю перших приймально! i живильно! котушок шдуктивност^ Аналогiчно випадку з першою приймальною котушкою вихщна ЕРС на другш приймальнiй котушцi iндуктивностi визначаеться таким чином:
Е2к = }о (кзв + Акзв2 ЖжЖпр д/СкЖЬ+АкЖЬ^Ж+АкЪ^) • , (5)
де Акзв 2 - змша коефщента зв'язку мiж другими приймальною i живильною котушками iндуктивностi шд дiею колеса, що фiксуеться;
Акь2 - змiна коефiцiента залежност мiж iндуктивнiстю друго! приймально! котушки Lпр та кiлькiстю И витюв Wпр пiд дiею колеса, що фшсуеться;
Акжь2 - змiна коефщента залежностi мiж iндуктивнiстю друго! живильно! котушки LЖ та кiлькiстю И витюв WЖ за наявностi колеса.
При цьому коефщенти змши (Дкзе 2, Дк12 та ДкЖ12) вщмшш вiд нуля лише у тому випадку, коли колесо знаходиться в зош контролю других приймально1 та живильно1 котушок iндуктивностi.
За допомогою вiдповiдного математичного моделювання (формули 1-4) отримали модель ВЧМ у пакет Simu1ink [10] (рисунок 2).
Рисунок 2 - Реалiзована в пакет Simu1ink модель ВЧМ ТКД
У цш моделi вхiдними параметрами е:
- ^1, Ig2 - змшний струм у живильнiй котушцi шдуктивност (Ig1 мае фазу протилежну ^2);
- Kzd1 та Kzd2 - змша коефiцiента зв'язку мiж приймальними i живильними котушками iндуктивностi тд дiею колеса, що фiксуеться. Даш параметри мають значення константи рiвне 0 для випадку вiдсутностi колеса;
- Wg - кiлькiсть обмоток у жившьнш котушцi;
- KgL - коефщент зв'язку мiж iндуктивнiстю живильно! котушки LЖ та кiлькiстю И виткiв WЖ;
- KL - коефщент зв'язку мiж iндуктивнiстю приймально! котушки L i кiлькiстю 11 виткiв Wnp;
- Kz - коефщент зв'язку приймально! i живильно! котушки iндуктивностi за вiдсутностi колеса;
- Wpr - кiлькiсть витюв приймально! котушки iндуктивностi;
- Wheel - змша коефщента зв'язку мiж приймальними (Ksdl та Ksd2) та живильними котушками iндуктивностi пiд дiею колеса, що фшсуеться;
- Kzd - максимальна змiна коефщента зв'язку мiж приймальними та живильними котушками шдуктивност пiд час проходження колеса через зону чутливост датчика;
- ZoneOfTKD - зона чутливостi ТКД;
- Speed - швидкють проходження колеса через зону ди ТКД;
- DU - диференщальний тдсилювач.
За допомогою отримано! моделi ВЧМ ТКД можливо промоделювати iдеальну роботу об'екта дослiдження без впливу зовшшшх факторiв. При тестуваннi моделi приймалися такi вхiднi значення:
f = 41000 Гц; 1г = 0,08sin(41000t) А; 1г = 0,08sin(41000t+rc) А; WЖ = 150 виткiв; W^ = 800 виткiв; kL = 2,45217-10-5; k^ = 1,1-10-4; кзв = 0,3; Акзв1 = (0..0,1); Акзв2= (0..0,1); довжина зони ди датчика - 0,2 м;
швидкють проходження колеса - 120 км/год.
Коефщент Акзв1 зростае з 0,02 с моделювання i до 0,0215 с, потм
вiн спадае до 0,023 с. Пюля приймае значення 0. Коефщент Акзв 2 зростае,
починаючи з 0,023 с моделювання i до 0,0245 с, потм вiн спадае до 0,026 с. Пюля цього набувае значення 0.
Тут струм 1г для обох котушок шдуктивност прийнятий з
однаковою частотою i амплiтудою, але з протилежною фазою (що живить струм для друго! приймально! котушки зрушений на л).
При тестуваннi побудовано! моделi без ди колеса одержимо такий результат (рисунки 3-4).
Рисунок 3 - Напруга на виходi з першо! приймально! котушки iндуктивностi (а) (блок К1) i друго! приймально! котушки шдуктивност (б)
(блок К2)
-13
Рисунок 4 - Напруга на виходi з диференщального пiдсилювача (блок
DU)
При тестуванш побудовано! моделi з дiею колеса одержимо такi результати (рисунки 5-7).
и. Е}
0.020 0,021 0,022 0,023 0,024 0,025 0,026
Рисунок 5 - Напруга на виходi з першо! приймально! котушки шдуктивносп (блок К1).
и. Е}
0,020 0,021 0,022 0,023 0.024 0.025 0,026
Рисунок 6 - Напруга на виходi з друго! приймально! котушки iндуктивностi (блок К2)
4
4
0,020 0.021 0.022 0,023 0,024 0,025 0,026
Рисунок 7. Напруга на виходi з диференщального тдсилювача (блок
DU)
Згiдно з одержаними графiками вихщний сигнал системи мае такi значення:
- за вщсутност колеса напруга на виходi з диференцiального тдсилювача наближена до нуля (максимальна амплгтуда 1-10-13 В);
- при впливi феромагнгтно! маси колеса значення напруги на виходi диференцiального пiдсилювача - максимум 3 В.
Навщна напруга на приймальнш котушцi при цьому мае амплгтуду 0,65 В.
З наведених графтв виходить, що побудована модель вщповщае модельованому високочастотному модулятору ТКД.
Висновки. Одержана модель ВЧМ ТКД шдукцшного типу дае змогу моделювати i дослiджувати роботу рейкового датчика. Зокрема отримана модель дозволяе:
- дослщжувати поведiнку ВЧМ ТКД при рiзних вхiдних параметрах та впливу на нього зовшшшх факторiв;
- оптимiзувати параметри ВЧМ ТКД, а саме: юлькють виткiв котушок iндуктивностi у ВЧМ, конструкцш, тип та розмiри цих котушок, довжину ТКД та шше;
- отримати кiлькiсну оцшку динамiки фiзичних процесiв, якi вщбуваються в ТКД.
Таким чином, за допомогою отримано! моделi можливе удосконалення датчика iндукцiйного типу i оптимiзацiя його парам етрiв.
Також можливо аналопчно моделювати роботу чутливих елементiв шших типiв ТКД, що дозволяе !х удосконалити.
Список лтератури
1. Бухгольц В.П., Красовский Г.А., Штанке А.Э. Путевые датчики контроля подвижного состава на рельсовом транспорте. - М.: Транспорт, 1976. - 96 с.
2. Счетчики осей в системах железнодорожной автоматики и телемеханики: учеб. пособие / А.Г. Кириленко, А.В. Груша. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2003. - 75 с.
3. Татиевский С.А. Технические характеристики датчиков счета осей // Автоматика, связь, информатика. - 2003. -№1. - С. 36-39.
4. Ульянов В.М., Дуднеченко А.М., Альтехаге К. Индуктивные датчики в системах железнодорожной автоматики // Автоматика, связь, информатика. - 2007. -№2. - С. 13-16.
5. Щиголев С.А., Шевцов В.А., Хохряков Г.В. и др. Путевой датчик ДПЭП системы УКП СО // Автоматика, связь, информатика. - 2001. - №3. - С. 9-11.
6. Гаврилюк В.И., Гончаров К.В., Влияние состояния колес подвижного состава на выходной сигнал путевого датчика // Залiзничний транспорт Украши. -2002. - №4. - С. 28-30.
7. Галкин О.В., Шабалин А.Н., Насонов Г.Ф. Многофункциональные датчики счета осей // Автоматика, связь, информатика. - 2004. - №11. - С. 6-8.
8. Lau P., Altehage K. Рельсовый датчик, устойчивый к воздействию вихретокового тормоза // Железные дороги мира. - 2002 - №12. - С. 60-63.
9. Кривда М. А. Технология счета осей. Применение в системах ЖАТ // Автоматика, связь, информатика. - 2007. - №8. - С. 10-11.
10. Черных И. В. SIMULINK: Среда создания инженерных приложений / под общ. Ред. В. Г. Потемкина. - М.: ДИАЛОГ. МИФИ, 2003. - 496 с.
11. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи.
- М.: Высш. школа, 1978. - 528 с.
12. Основы теории цепей: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. / Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В. и др. - М.: Энергия, 1975. - 752 с.
13. Самодуров В.И., Будников Ю.М. Исследование чувствительности высокочастотных датчиков контроля проследования колесных пар // Вопросы повышения надежности и эффективности систем железнодорожной автоматики и телемеханики / Межвузовский сборник научных трудов. - Свердловск: УЭМИИТ, 1985.
- Вып. - 75. - С. 113-120.
14. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга.
- 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. - 488 с.
15. А.с. 1682229 СССР, МКИ В 61 L 1/16 Путевой датчик / Ю.В. Соболев, В.М. Соколов, М.М. Бабаев, А.А. Прилипко, В.Н. Гриднев (СССР). - № 4607798/11; Заяв. 22.11.88; Опубл. 07.10.91, Бюл. № 37.
16. Пат. 2102267 РФ, МПК В 61 Н 7/12, В 60 Т 17/22, B 60 T 17/22. Путевой индуктивный датчик / М.М. Бабаев, О.Ф. Демченко, Л.А. Исаев, А.А. Прилипко, Ю.В. Соболев (Украина). - № 95113387/28; Заяв. 27,07,95; Опубл. 20.01.98, Бюл. № 2. - 5с.: 2 ил.
УДК 004.9:517.978.2
ГрищукР.В., к.т.н. (Житомирський вшськовий тститут M. С.П. Корольова Нащонального aeia^ürnzo умверситету)
ТЕОРЕТИЧН1 ОСНОВИ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В НАПАДУ НА 1НФОРМАЦ1Ю МЕТОДАМИ ТЕОР11 ДИФЕРЕНЦ1АЛЬНИХ
1ГОР
Аналiз проблемноЧ ситуаци та ЧЧ зв'язок iз важливими практичными завданнями. Глобалiзацiя шформацшних процесiв i телекомушкацшних мереж породжуе низку проблем системного характеру, зокрема штелектуально! власност, транзакцшних ведомостей, комп'ютерних вiрусiв, рiзноманiтного деструктивного впливу на об'екти обчислювально! техшки тощо, серед яких проблема захисту шформаци е ключовою [Помилка! Джерело посилання не знайдено.].
Особливо! актуальност проблема захисту шформаци набувае сьогодш. Висока складнють i одночасно вразливють у^х систем де обробляеться, збер^аеться i передаеться шформащя, е джерелом виникнення нових загроз з боку злочинних та терористичних структур,
