Совершенствование системы автоматического управления скоростью движения грузового электровоза с плавным регулированием силы тяги Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

56

Современные технологии - транспорту

УДК 629.423.2:629.4.053.3

О. Е. Пудовиков

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ ГРУЗОВОГО ЭЛЕКТРОВОЗА С ПЛАВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СИЛЫ ТЯГИ

Величина продольных сил, действующих в поезде при движении по перегону, определяется темпом изменения сил тяги и электрического торможения, их наибольшей величиной, режимами пневматического торможения, а также профилем пути, на котором находится поезд. Предлагается новая структура адаптивной системы автоматического управления скоростью движения, позволяющая существенно снизить величины продольных динамических сил, возникающих в поезде в режимах тяги и электрического торможения.

система автоматического управления скоростью, продольные колебания в поезде, регулятор скорости.

Введение

Система автоматического управления (САУ) скоростью движения грузового локомотива может быть использована в составе системы автоведения поезда как внутренний контур, реализующий значение скорости, заданное внешним контуром регулирования времени хода, либо как самостоятельное устройство поездной автоматики для исполнения величины скорости, заданной машинистом.

1 Требования, предъявляемые к системам автоматического управления скоростью. Постановка задачи

Задачей, возлагаемой на систему автоматического управления скоростью, является обеспечение следующих режимов работы [1], [2]: разгон или торможение до величины заданной скорости; поддержание её на постоянном уровне при непрерывно изменяющемся сопротивлении движению поезда;

плавное уменьшение до нуля силы тяги (или торможения) при переходе на выбег.

САУ должна удовлетворять ряду требований. В первую очередь она обязана быть устойчивой. Помимо этого, должны выполняться требования к качеству процесса управления скоростью движения. Кроме традиционных показателей качества (время регулирования, перерегулирование, величина установившейся ошибки и др.), при исследовании неустановивше-

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

57

гося движения грузового поезда принимают во внимание также специфические для него дополнительные критерии. Эти критерии позволяют учесть особенности протекания переходных процессов в поезде - сложной многомассовой механической системы, элементы которой (вагоны и локомотивы) взаимодействуют друг с другом посредством нелинейных и нелинеаризуемых связей, представляющих собой автосцепки и поглощающие аппараты. К этим специфическим критериям относятся: величина наибольшей продольной динамической силы, действующей в поезде, и сумма накопленных усталостных повреждений в деталях автосцепок вагонов и локомотивов [3].

2 Анализ существующих систем автоматического управления скоростью грузовых электровозов

К настоящему времени разработан ряд устройств, выполняющих функции внутреннего контура регулирования [2], [4] применительно к грузовым локомотивам. Данные системы обладают, однако, некоторыми недостатками, заключающимися в том, что они не в полной мере учитывают особенности протекания динамических процессов в объекте управления (поезде) и, кроме этого, способствуют развитию синхронного буксования всех колёсных пар локомотива, ухудшая процесс реализации силы тяги.

В качестве примера рассмотрим процессы, протекающие в САУ скоростью, аналогичной системе, применяемой на электровозах ВЛ85, ВЛ65 и 2ЭС5К [4]. Для этого было выполнено исследование движения однородного грузового поезда массой 6049 тонн, состоящего из 69 вагонов массой 85 тонн и восьмиосного электровоза массой 184 тонны. Рассмотрены процессы, возникающие при трогании предварительно сжатого поезда с места и разгоне (рис. 1), а также при повторном включении тяги после выбега для выполнения стабилизации скорости (рис. 2). При расчётах использована многомассовая дискретная модель поезда [5]. На рисунках приведены следующие зависимости: скорости движения локомотива v (t) и последнего

вагона v69 (t), силы тяги локомотива FK (t) и сил, возникающих в серединах первой, второй и последней третей поезда, соответственно SI (t), Sn (t) и Sln (t).

Как видно из рис. 1, в, в процессе трогания с места амплитуда высокочастотных колебаний величины продольной силы, вызванных поочерёдным приведением в движение вагонов поезда, достигает 1200 кН, что в 1,7

раз больше, чем величина силы тяги FK (t), реализуемой локомотивом

(рис. 1, б).

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

58

Современные технологии - транспорту

Рис. 1. Результаты моделирования движения поезда с восьмиосным электровозом, оборудованным типовой САУ. Режим трогания с места: а - скорость движения локомотива v1 (t) и последнего вагона v69(t);б - сила тяги локомотива F ()

и сила S1-2 (t) , действующая в соединении между локомотивом и первым вагоном; в - силы, действующие в серединах первой Sj (t), второй Sjj (t) и последней S III(t)

третей поезда

Рис. 2. Результаты моделирования движения поезда с типовой САУ. Режим повторного включения тяги для стабилизации скорости: а - скорость движения поезда v(t); б - сила тяги локомотива Рк (t) и сила S1-2 (t) , действующая в соединении между локомотивом и первым вагоном; в - силы, действующие в серединах первой Sj (t), второй S jj (t) и последней S jjj (t) третей поезда

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

59

После трогания поезда с места вдоль него возникают низкочастотные колебания, вызванные распространением вдоль поезда волны растяже-ния/сжатия. Величина продольной силы при этом не превышает силу тяги. Сумма накопленных усталостных повреждений а в деталях автосцепок вагонов за время рассмотренного переходного процесса составила

а = 2,92-10-6.

Во втором рассмотренном режиме движения (рис. 2) в момент выключения режима выбега при t = 825 c происходит резкое увеличение силы тяги, вызывающее рывок в поезде, сопровождаемый высокочастотными

колебаниями величин продольных сил S1-2 (t) - Sm (t) с амплитудой,

достигающей 1230 кН, что больше максимально допустимого значения в 1

МН (рис. 2, б, в). Величина ai в этом режиме составила ai = 1,02 • 10-6.

Как видно из представленных результатов, при работе в режиме автоматического управления рассмотренная САУ скоростью не обеспечивает выполнения требований, предъявляемых к таким системам, из-за несоблюдения ограничения на величину максимальных продольных динамических сил, действующих в поезде. Кроме этого, характер протекания переходных процессов в поезде способствует ускоренному накоплению усталостных повреждений в деталях автосцепок. Все эти факторы способствуют увеличению вероятности возникновения внезапных или постепенных отказов, проявляющихся в виде разрушения автосцепок и, следовательно, разрыва поезда.

3 Усовершенствованная система автоматического управления скоростью

Одним из способов, позволяющих повысить качество управления скоростью движения, является выбор рационального алгоритма управления, реализуемого САУ. На рис. 3 приведена функциональная схема САУ скоростью грузового электровоза, рассмотренная в [7] и дополненная, по сравнению с [7], контуром адаптации, позволяющим осуществлять настройку параметров системы в зависимости от массы поезда. Данная САУ учитывает, помимо прочего, особенности принятой на современном отечественном подвижном составе реализации тракта измерения скорости на базе частотно-импульсного модулятора [1].

Разработанная САУ изменяет свою внутреннюю структуру в зависимости от скорости движения поезда Тф. При скоростях, меньших Тпор, когда сигнал на выходе измерительного устройства ИУт содержит значительную погрешность [1], система работает как разомкнутая система задания силы тяги, без обратной связи по скорости; при скоростях движения

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

60

Современные технологии - транспорту

больших, чем v, включается обратная связь по скорости, регулятор скорости работает при Уф > 'пор •

Рис. 3. Функциональная схема системы автоматического управления

скоростью движения

Значение v определяется принятыми особенностями реализации

тракта измерения скорости и конструкцией подвижного состава: временем измерения, числом импульсов, вырабатываемых за один оборот колеса локомотива, диаметром бандажа колёсной пары [1].

Рассмотрим более подробно предлагаемую структуру (см. рис. 3). Она содержит следующие элементы: задающее устройство скорости ЗУv контроллера машиниста (рукоятка «Скорость»), при помощи которого машинист вводит в систему управления заданное значение скорости движения v^ при управлении в ручном режиме; вышестоящую систему автоведения

АВ, которая вводит в систему величину заданной скорости v^. В этом

случае САУ скорости работает в качестве внутреннего, подчинённого контура регулирования системы автоведения, внешним контуром которой является регулятор времени хода [1]. Также в состав системы входят устройство выбора минимального сигнала «ИЛИ-min 1», определяющее значение заданной скорости v как минимальное из двух входящих сигналов; задатчика параметров поезда ЗУП, посредством которого системе управления передаётся информация о составе поезда - его массе m и количестве вагонов N •

В схеме содержится два задатчика интенсивности - ЗИ1 и ЗИ2. Задатчик интенсивности ЗИ1 формирует кривую заданной силы тяги или тор-

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

61

можения ^зад 2( Взад 2), реализация которой обеспечит выполнение ограничения на величины продольных динамических сил, действующих в поезде; задатчик интенсивности ЗИ2 обеспечивает формирование кривой заданной скорости Узи, позволяющей выполнить ограничение на величину

продольных динамических сил, действующих в составе поезда при переходных режимах движения.

Устройство сравнения УС вычисляет рассогласование Av между за*

данным vM и фактическим Vф (измеренным измерительным устройством

ИУг) значениями скорости движения. Регулятор скорости предназначен для формирования управляющего воздействия ^зад i (Взад i), равного величине заданной силы тяги (торможения) и направленного на ликвидацию рассогласования Av.

Устройство ограничения УО вводит в систему ограничения на силу тяги и силу электрического торможения FK пр (v ) или Вк пр (v ) локомотива.

Устройство ограничения позволяет использовать предлагаемую САУ скоростью на любом типе тягового подвижного состава (грузовых и пассажирских электровозах, тепловозах, мотор-вагонном подвижном составе), при этом основным требованием к нему становится наличие системы плавного регулирования силы тяги или электрического торможения.

Ключевое устройство КУ обеспечивает переключение путей прохождения сигналов между функциональными блоками САУ в зависимости от

соотношения между фактическим Vф и пороговым ^ор = 4 км/ч значениями скорости. Соотношение между величинами скоростей вычисляется при помощи логического устройства ЛУ. В том случае, если величина фактической скорости больше пороговой, на выходе ЛУ содержится сигнал «да» и переключатель ключевого устройства КУ находится в верхнем (как на рис. 3) положении, при этом на вход элемента «ИЛИ-min 2» поступает

_I I

сигнал (Взяд), равный сигналу с выхода регулятора скорости РС, и

ос1Д -^ДД

система работает как замкнутая система стабилизации скорости движения.

Если величина фактической скорости меньше порогового значения v = 4 км/ч и на выходе логического устройства содержится «нет», то

переключатель ключевого устройства находится в нижнем (по рисунку) положению и на вход элемента «ИЛИ-min 2» поступает сигнал F (В ),

ос1Д -ЗДД

равный сигналу с выхода задатчика интенсивности ЗИ1, при этом система

функционирует как разомкнутая система регулирования силы тяги. На вы________________________________________________н м

ходе элемента «ИЛИ-min 2» содержится сигнал F (В ), равный мини-

оаД -ЗДД

_I I

мальному из двух сигналов: Аяд (Взяд), поступающему с выхода ключево-

оиД -ЗДД

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

62

Современные технологии - транспорту

го устройства, и FOTp (Вогр), поступающему с выхода устройства ограничения силы тяги.

Исполнительное устройство ИсУ - тяговый электропривод (в режимах тяги и торможения), а также пневматический тормоз (в режиме торможе-

_н н

ния) - преобразуют величины Fa (Взад) в силу тяги или торможения Вэл и Впн, которые воздействуют на поезд.

Величина заданного ускорения аз, реализуемого в процессе разгона поезда, определяется с использованием предельных тяговых характеристик локомотива, заложенных в устройство ограничения, а также информации о весе поезда, поступающей от задатчика параметров поезда.

Задатчики интенсивности ЗИ1 и ЗИ2 выполняют двухступенчатый

режим увеличения сил тяги и торможения, реализуемых тяговым электро___________ I

приводом. Первая ступень обеспечивает разгон с ускорением а , соответ-

з

ствующим части ра величины заданного ускорения аз. Во время второй

ступени происходит плавное увеличение ускорения до максимального уровня. Выбор величины ра осуществляется в зависимости от массы поезда m адаптером А. Использование двухступенчатого способа увеличения сил тяги и торможения обеспечивает предварительное растяжение сжатого поезда в режиме тяги (или сжатие растянутого при торможении), позволяя значительно снизить величины продольных динамических сил, действующих в переходных режимах движения, по сравнению с одноступенчатым способом.

В основу задатчиков интенсивности ЗИ1 и ЗИ2 положено устройство, реализующее переходную функцию апериодического звена второго порядка. При этом работа ЗИ1, функционирующего только при трогании поезда с места и в начале разгона, описывается следующими уравнениями:

F,( t ) = Ра ■ F

T - T

exp

f

V

t - T2 f tЛ

— + 2—exp —

t У A 1 V T 2 У

(1)

F'( t - t„ ) = (1 - Pa )• F

f

T -T

F 14

exp

t -t

тр

T

V

T

T -T

F F

exp

f t-t -

тр

V

T

4 У

F, 2 (t ) = F'(t) + K(t - tтp ) •

Здесь T, T2, T3 и T4 - постоянные времени звена; pa - доля максимального ускорения, реализуемая во время выполнения первой ступени; F - максимальное значение силы тяги при пуске; t - ожидаемое время трогания поезда с места, соответствующее времени задержки между при-

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

63

менением первой и второй ступеней ускорения; F3 (t) - значение силы тяги, соответствующее первой ступени разгона; F, (t) - значение силы тяги,

соответствующее второй ступени разгона; F3£W 2 (t) - заданное значение

силы тяги (на выходе задатчика интенсивности ЗИ1).

Работа задатчика ЗИ2 определяется следующей системой уравнений:

Х(t) = Pa • a

1

T - T

15 16

exp

t

T

V 75 J

T

T - T

15 16

exp

p

v-T6 J

- t ) = (1 - Pa )' a

T

1 T

T -T

15 16

exp

f t -Q

V- T5 J

T6

T5 -T6

exp

f t——

V- T6 J

/1 (р) = /(0+fl(t -1 )

(2)

или

/2з (t ) = a

T - T

15 16

( t / T6 ( t /

exp — 6—exp —

V T 5 J T - T 15 16 V T6 J

V,, =Jf (t)dt, n =1, 2.

Здесь функция fl( t) соответствует первой ступени увеличения ускорения, 41 -t ) - второй ступени увеличения ускорения; f (t) -

уменьшению ускорения; T5 и T6 - постоянные времени звена.

При переходе на выбег из режимов тяги или торможения величина сигнала на выходе сглаживающего устройства определяется следующими

законами /3 (t) и f (t) соответственно для тяги и торможения:

или

f3,(t)

А (t)

a

a

T - T

15 16

Ts

T5 - T

exp

t / T6 ( t /

— 6—exp —

V T 5 J i 1 V T6 J

u 1,15a

exp

t / T6 ( t /

— 6—exp —

V T 5 J i 1 Е2Г V T 5 J

3+ 1,15a ; (4)

’зи = J fn (t) dt> n = 3,4

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

64

Современные технологии - транспорту

Время задержки между применением ступеней увеличения ускорения (см. формулы (1) и (2)) определяется на основании известного уравнения, описывающего равноускоренное движение тела.

В качестве регулятора скорости принят стандартный пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор, который работает в соответствии со следующим выражением:

1 л

Цд 1 = крег+ у }^>dt , (6)

рег

где крег и Трег - коэффициент усиления и постоянная времени ПИ регулятора.

Значения постоянных времени T и T2 в выражении (1) определяются как доля ожидаемого времени трогания поезда t тр следующим образом:

71= 0,2451 , T2 = 0,255 t . (7)

Как было показано в [8], параметры контура регулирования скорости pa, T3, T4, T5, T6, крег и Трег должны быть функционально связаны с массой поезда. Для задания этих зависимостей и вычисления соответствующих значений коэффициентов регуляторов в предлагаемой САУ используется адаптер А, реализующий аналитические выражения, описывающие взаимосвязь между массой поезда и параметрами контура регулирования скорости, найденные в результате решения задачи параметрического синтеза контура регулирования скорости грузового поезда [8].

4 Исследование синтезированной системы управления методом цифрового моделирования

Проверка работоспособности предлагаемой структуры контура регулирования скорости выполнена на основе моделирования движения однородного (состоящего из вагонов одинаковой массы) грузового поезда весом 6050 тонн, состоящего из 69 гружёных вагонов по 85 тонн каждый, и восьмиосного электровоза. Как и ранее, рассмотрены два режима движения поезда:

1 - трогание с места и начало разгона;

2 - включение тяги после выбега для стабилизации скорости движения.

Данные, полученные в результате расчётов в этих случаях, в достаточной мере характерны и для остальных режимов движения.

На рис. 4 представлены графики, характеризующие изменение величин скорости локомотива v1 (t) и последнего вагона поезда v69 (t)

(рис. 4, а), силы тяги локомотива FK (t) и силы, действующей в сечении

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

65

между локомотивом и первым вагоном S1-2 (t) (рис. 4, б); сил, действующих в серединах первой SI (t), второй SII (t) и последней третей поезда

Siii (t) (рис. 4, в)-

Рис. 4. Результаты моделирования движения поезда с восьмиосным электровозом, оборудованным предлагаемой САУ. Режим трогания с места: а - скорость движения поезда v(t); б - сила тяги локомотива FK (t) и сила S1-2 (t) , действующая в соединении между локомотивом и первым вагоном; в - силы, действующие в серединах первой S i (t), второй S и (t) и последней S щ (t) третей поезда

Как видно, амплитуда высокочастотных колебаний величин продольных сил, наблюдаемых на этих графиках S1-2 (t) - SIII (t) (рис. 4, б, в), вызванных последовательным троганием с места вагонов поезда, так же как на графике изменения силы F1-2, не превышает 400 кН, что значительно меньше максимально допустимого значения. После завершения трогания и начала разгона вдоль поезда начинает распространяться волна рас-тяжения/сжатия. Необходимо отметить, что характер изменения сил в поезде является достаточно благоприятным, так как колебания, вызванные процессом трогания с места, являются быстро затухающими.

Сумма накопленных усталостных повреждений составила в этом случае а2 = 4,85 • 10-7, что примерно в 40 раз меньше, чем при использовании типовой САУ скоростью.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

66

Современные технологии - транспорту

На рис. 5, 6 представлены результаты расчётов, выполненные для режима повторного включения тяги после выбега для стабилизации скорости. В данном режиме САУ скоростью работает как замкнутая система регулирования скорости движения поезда.

Рис. 5. Результаты моделирования движения поезда с восьмиосным электровозом, оборудованным предлагаемой САУ. Режим повторного включения тяги для стабилизации скорости: а - скорость движения поезда v(t); б - сила тяги локомотива FR (t) и сила S1-2 (t) , действующая в соединении между локомотивом и первым вагоном; в - силы, действующие в серединах первой S i (t), второй S л (t) и последней S щ (t) третей поезда

В начальный момент времени t = 600 с поезд двигался со скоростью 40 км/ч в режиме стабилизации скорости. В момент времени t = 620 с система переводится в режим выбега, для чего сила тяги уменьшается до нуля. При этом САУ скоростью не оказывает влияния на характер протекания переходных процессов в поезде. В момент времени t = 820 с при скорости движения локомотива v1 = 26 км/ч на вход САУ скоростью поступает

сигнал о выводе её из режима выбега, а также об уменьшении величины заданной скорости движения до 25 км/ч. Система возвращается в режим тяги (рис. 5, б), обеспечивая поддержание скорости движения на заданном уровне (рис. 5, а). Величины продольных динамических сил, действующих в поезде в этом режиме, также не превышают 350 кН на растяжение (рис. 6, кривая 1) и 70 кН на сжатие (рис. 6, кривая 2) несмотря на то, что непосредственно перед возвратом САУ в режим тяги поезд находился в сжатом состоянии, о чём свидетельствуют отрицательные величины сил SI-SIII.

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

67

Характер протекания переходных процессов в поезде, так же как в предыдущем случае, является достаточно благоприятным.

Рис. 6. Наибольшие продольные динамические силы, действующие в сечениях поезда. Режим повторного включения тяги для стабилизации скорости

Затем, в момент времени t = 1180 с, величина заданной скорости изменяется с 25 до 40 км/ч, что приводит к увеличению силы тяги F.к и, как

следствие, к увеличению скорости движения поезда. При достижении величиной фактической скорости заданного значения сила тяги уменьшается, обеспечивая поддержание скорости на требуемом уровне (рис. 5, а, б). При этом колебания в поезде отсутствуют из-за того, что перед началом переходного процесса поезд находился в растянутом состоянии, и величины продольных динамических сил не превышают максимально допустимого уровня.

Заключение

Выполненные расчёты показывают, что предлагаемая адаптивная САУ скоростью движения грузового локомотива обеспечивает существенно более высокие показатели качества регулирования скорости по сравнению с типовой САУ и удовлетворяет требованиям, предъявляемым к таким системам.

Библиографический список

1. Микропроцессорные системы автоведения электроподвижного состава / ред. Л. А. Баранов. - М. : Транспорт, 1990. - 272 с. - ISBN 5-277-00964-7.

2. Автоматизация электроподвижного состава : учебник для вузов ж.-д. трансп. / ред. А. Н. Савоськин. - М. : Транспорт, 1990. - 311 с. - ISBN 5-277-00947-7.

3. Критерии качества регулирования скорости поезда / Л. А. Баранов,

А. Н. Савоськин, О. Е. Пудовиков // Мир транспорта. - 2009. - № 4. - С. 50-56.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

68

Современные технологии - транспорту

4. Система автоматического управления электровоза ВЛ85 / Б. М. Наумов, А. Т. Скрипка // Сборник научных трудов ВЭлНИИ. - Т. 26. - Новочеркасск, 1985. -С. 9-21.

5. Динамика поезда (нестационарные продольные колебания) / Е. П. Блохин, Л. А. Манашкин. - М. : Транспорт, 1982. - 222 с.

6. Нормы для расчёта и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ; ВНИИЖТ, 1996 - 95 с.

7. Новая структура системы автоматического управления скоростью движения грузового электровоза / Л. А. Баранов, А. Н. Савоськин, О. Е. Пудовиков // Наука и техника транспорта. - 2009. - № 4. - С. 70-78.

8. Параметрический синтез системы автоматического управления скоростью движения грузового поезда / О. Е. Пудовиков // Транспорт: наука, техника, управление. -2010. - № 4. - С. 22-27.

Статья поступила в редакцию 08.06.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University