ОПТИМІЗАЦІЯ ПРОЦЕСІВ КЕРУВАННЯ ДИЗЕЛЬ-ПОЇЗДОМ

Краткое описание

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

ОПТИМІЗАЦІЯ ПРОЦЕСІВ КЕРУВАННЯ ДИЗЕЛЬ-ПОЇЗДОМ

Спеціальність 05.13.03 - системи та процеси керування

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків-2013





 

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.................................................. 4

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................... 5

РАЗДЕЛ 1 МЕТОДЫ СИНТЕЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА....................................... 12

1.1 Дизель-поезд как объект автоматического  управления....................... 12

1.2 Способы управления электроприводом переменного тока................... 21

1.3 Методы синтеза систем автоматического управления ......................... 27

1.4 Выводы по разделу................................................................................. 43

РАЗДЕЛ 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА АКОР ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С n–НЕЛИНЕЙНО ВХОДЯЩИМИ УПРАВЛЯЮЩИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ........................................................................................................................

2.1 Математическая постановка задачи оптимизации динамических процессов с помощью метода АКОР........................................................... 44

2.2 Адаптация метода АКОР для объектов, в модели которых входят произведения трех управлений или функций от них................................... 48

2.3 Адаптация метода АКОР для объектов, в модели которых входят произведения произвольного числа управлений или функций от них....... 56

2.4 Связь основных теорем диссертационной работы с существующими обобщениями метода АКОР......................................................................... 60

2.5 Вычислительные проблемы синтеза оптимальных регуляторов методом АКОР и пути их преодоления....................................................... 63

2.6 Результаты и выводы по разделу........................................................... 71

РАЗДЕЛ 3  СИНТЕЗ  РЕГУЛЯТОРОВ  С  ПОМОЩЬЮ  МЕТОДА  АКОР  ДЛЯ ДИЗЕЛЬ-ПОЕЗДА  С ТЯГОВЫМ АСИНХРОННЫМ  ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ................................................................................ 73

3.1 Синтез регуляторов методом АКОР для дизель-поезда в случае работы преобразователя частоты с использованием ШИМ..................................... 73

3.2 Синтез регуляторов методом АКОР для дизель-поезда в случае работы преобразователя по амплитудно-частотному алгоритму........................... 84

3.3 Синтез регуляторов методом АКОР для дизель-поезда для случая векторного управления ТАД ..................................................................... 101

3.4 Результаты и выводы по разделу......................................................... 109

РАЗДЕЛ 4  ИССЛЕДОВАНИЕ СИНТЕЗИРОВАННЫХ РЕГУЛЯТОРОВ НА УТОЧНЕННОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ДИЗЕЛЬ-ПОЕЗДА...................................................................................................................... 111

4.1 Создание уточненной модели электропередачи дизель-поезда ......... 111

4.1.1 Моделирование блоков СГ-В и СУВ................................................. 112

4.1.2 Моделирование блока АИН ПЧ........................................................ 122

4.1.3 Проверка адекватности уточненной модели..................................... 128

4.2 Исследование регуляторов, синтезированных по методу АКОР, на уточненной модели..................................................................................... 133

4.3 Моделирование электропривода дизель-поезда с учетом векторного управления................................................................................................... 139

4.4 Исследование системы векторного управления ТАД с использованием методов нечеткой логики............................................................................ 155

4.5 Результаты и выводы по разделу......................................................... 163

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................... 165

ПРИЛОЖЕНИЕ А....................................................................................... 168

ПРИЛОЖЕНИЕ Б....................................................................................... 181

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................... 188

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АД - асинхронный двигатель

АИН - автономный инвертор напряжения

АКОР - аналитическое конструирование регуляторов по критерию обобщенной работы

В – выпрямитель

КМ - контроллер машиниста

ПИД-регулятор - пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор

ПЧ - преобразователь частоты

САУ - система автоматического управления

СГ – синхронный генератор

СУВ – система управления возбуждением

ТАД – тяговый асинхронный двигатель

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

ВВЕДЕНИЕ

Согласно Государственной комплексной программе «Обновление железнодорожного подвижного состава Украины на 2008 – 2020 годы», которая одобрена постановлением Кабинета Министров Украины № 1155-р от 27 августа 2008 г. и «Концепции Государственной целевой программы внедрения на железнодорожных путях скоростного движения пассажирских поездов на 2005 – 2015 г.», которая одобрена постановлением Кабинета Министров Украины № 979-р от 31 декабря 2004 г., минимизация затрат энергии на железнодорожном транспорте является первоочередной задачей. Применение методов оптимального управления, а также современной элементной базы при модернизации систем управления, которые позволяют в реальных условиях эксплуатации подвижного состава и изменения текущей дорожной обстановки обеспечивать такие законы управления, при которых соблюдается график движения при минимальном расходе топлива, является актуальной задачей.

Актуальность темы. Энергетические затраты на перевозку грузов и пассажиров железнодорожным транспортом, который выполняет большую часть перевозок во внутреннем и международном сообщении Украины, являются основными при формировании себестоимости перевозок, поэтому перспективной является модернизация тягового подвижного состава на основе применения современных методов оптимального управления, которые позволяют минимизировать энергозатраты. Модернизация систем управления, позволяющих в реальных условиях эксплуатации подвижного состава и изменения текущей дорожной обстановки обеспечивать такие законы управления, при которых соблюдается график движения при минимальной затрате топлива, является актуальной задачей.

Задача синтеза оптимальных регуляторов является довольно перспективной, особенно для систем управления сложными техническими объектами, к которым относится электропередача дизель-поезда с тяговыми асинхронными двигателями. Для проведения качественного и количественного анализа синтезированных регуляторов необходимо иметь достоверную математическую модель объекта в целом, а также ее отдельных компонент. Поэтому разработка методов синтеза, адаптации и модификации методов управления, которые позволяют получать выигрыш при оптимизации тяговых, динамических и энергетических характеристик подвижного состава, создание рациональных математических моделей на основе современных компьютерных технологий, как для синтеза оптимальных систем управления, так и для проведения экспериментальных исследований, является актуальной научно-практической задачей, которая определила направление исследования диссертационной работы.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена на кафедре вычислительной техники и программирования
НТУ «ХПИ» согласно госбюджетным научно-исследовательским работам МОНмолодежиспорта Украины «Разработка теории и методов искусственного интеллекта для моделирования и оптимизации динамических объектов» (ГР № 0104U003016) и «Развитие теоретических основ нейронных сетей адаптивной резонансной теории для оптимизации сложных процессов» (ГР № 0107U000598), где соискатель был исполнителем отдельных этапов.

Цель и задачи исследования. Целью работы является синтез оптимальных систем управления дизель-поездом на основе метода аналитического конструирования регуляторов по критерию обобщенной работы с учетом минимизации затрат топлива при эксплуатации объекта управления в динамических режимах.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

-      выполнить анализ современных систем автоматического управления тяговым подвижным составом для усовершенствования системы управления дизель-поездом с тяговым асинхронным приводом;

-      модифицировать метод аналитического конструирования регуляторов по критерию обобщенной работы (АКОР) для случая нелинейного вхождения трех управляющих воздействий в систему уравнений, описывающих объект;

-      предложить рациональные численные методы для решения задач синтеза управлений с помощью метода АКОР;

-      осуществить синтез регуляторов для дизель-поезда с тяговым асинхронным приводом с помощью метода АКОР;

-      разработать систему управления дизель-поездом на основе метода АКОР и векторного управления асинхронным приводом;

-      разработать обобщенные математические модели функционирования отдельных компонент, которые входят в общую структуру электромеханической системы объекта управления, на основе которых создать уточненную модель системы автоматического управления дизель-поездом;

-      провести экспериментальные исследования синтезированной системы на обобщенной математической модели работы дизель-поезда и реальном объекте.

Объект исследования – процессы управления объектами с несколькими нелинейно входящими управляющими воздействиями.

Предмет исследования – оптимизация процессов управления дизель-поездом с тяговым асинхронным приводом на основе метода аналитического конструирования регуляторов по критерию обобщенной работы.

Методы исследования. Для уточнения структуры регуляторов и создания уточненной математической модели использовались методы эволюционного моделирования, теория нейронных сетей и нечеткой логики.

          Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

          впервые:

-      разработан метод синтеза регуляторов по критерию обобщенной работы для объектов, в математические модели функционирования которых управления входят в виде произведения трех управлений или функций от них, что позволило в общей постановке осуществить синтез  регуляторов для тягового привода дизель-поезда;

-      предложена комбинированная система управления движением дизель-поезда, включающая в себя регулятор, синтезированный по методу АКОР, который определяет необходимый момент для перемещения объекта управления из исходной точки в конечную, а также подсистему векторного управления, которая на основе вычисления величин, не поддающихся прямому измерению, позволяет более точно отрабатывать необходимый момент и, соответственно, экономить топливо;

  получили дальнейшее развитие:

-      метод АКОР синтеза оптимальных регуляторов для объектов, в математические модели функционирования которых нелинейно входят n управлений;

-      математическая модель электропередачи дизель-поезда ДЭЛ-02, которая в отличие от известных моделей позволяет исследовать режимы функционирования электропередачи с использованием ШИМ, векторного управления ТАД и осуществлять поиск оптимальных параметров регуляторов;

-      численный метод определения коэффициентов в методе АКОР на основе использования генетического алгоритма и выполнения декомпозиции исходной математической модели и синтеза регуляторов для каждой части отдельно, а также преобразование исходной математической модели в другую систему координат, что уменьшило трудоемкость синтеза системы управления и упростило ее;

-      система векторного управления на основе использования методов нечеткой логики, позволяющая уменьшить величину перерегулирования системы управления и, как следствие, получить меньший расход топлива.

Практическое значение полученных результатов для модернизации тягового состава на железнодорожном транспорте Украины:

-      синтезированы регуляторы, обеспечивающие функционирование электропередачи дизель-поезда с минимизацией энергетических затрат. При этом уменьшение величины энергетических затрат по сравнению с существующими системами составляет не менее 5%;

-      реализована на ПЭВМ обобщенная математическая модель электропередачи дизель-поезда с тяговыми асинхронными двигателями и синтезированной системой управления, которая оптимизирует топливно-энергетические затраты, а также позволяет на стадии проектирования регуляторов заменить экспериментальные исследования численным моделированием.  

Результаты работы использованы:

-       ГП завод «Электротяжмаш» (г. Харьков) при разработке системы управления дизель-поездом с электроприводом переменного тока;

– ОАО Украинский научно-исследовательский институт силовой электроники «Преобразователь» (г. Запорожье) при внедрении системы управления дизель-поездом;

– в учебном процессе НТУ «ХПИ» на кафедре вычислительной техники и программирования при преподавании учебных дисциплин: «Системный анализ и компьютерное моделирование» и «Бортовые системы управления», а также в курсовых и дипломных роботах студентов направления 6.050102 «Компьютерная инженерия».

Личный вклад соискателя. Все основные результаты диссертационной работы, которые выносятся на защиту, получены соискателем самостоятельно, среди них: модификация метода АКОР для объектов, математические модели которых описываются системами нелинейных дифференциальных уравнений с n нелинейно входящими управлениями; использование генетического алгоритма для поиска коэффициентов, входящих в выражения для определения оптимальных управлений по методу АКОР;  декомпозиция исходной математической модели по временному параметру;  комбинированная система управления, которая включает регуляторы, синтезированные по методу АКОР, а также подсистему векторного управления ТАД; обобщенная модель функционирования электропередачи дизеля-поезда.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международных научно-практических конференциях «Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье» (Харьков, 2004, 2006 – 2012); 4 – 12 Международных научно-технических конференциях «Проблемы информатики и моделирование» (Харьков, 2004 – 2012); 3-й Международной научно-технической конференции «Информационная техника и электромеханика» (Луганск, 2005); 11-м международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ столетии» (Харьков, 2007); 23 Международной научно-практической конференции «Перспективные компьютерные, управляющие и телекоммуникационные системы для железнодорожного транспорта Украины» (Алушта, 2010); Международной научно-технической конференции «Системный анализ и информационные технологии» (Киев, 2011); Международной молодежной конференции «Прикладная математика, управление и информатика» (Белгород, Россия, 2012).

Публикации: Основное содержание диссертации отображено в 23 научных публикациях, из них 12 – в профессиональных научных изданиях Украины, 11 – в работах и материалах конференций.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научно-практическая задача оптимизации процессов управления отечественным дизель-поездом с тяговым асинхронным приводом на основе синтеза регуляторов методом аналитического конструирования по критерию обобщенной работы. Получены следующие основные результаты:

1. На основе проведенного анализа современных систем автоматического управления (САУ) тяговым подвижным составом и существующих математических моделей функционирования САУ выявлены недостатки САУ дизель-поезда. Установлено, что наиболее приемлемым методом для построения оптимальной системы управления дизель-поездом является метод аналитического конструирования регуляторов по критерию обобщенной работы. Однако для его успешного применения необходимо наличие нелинейных математических моделей энергетической системы с учетом ограничений, которые накладываются на допустимые диапазоны изменения переменных состояния и управлений, а также адаптация данного метода для объектов, в математические модели которых управления входят нелинейно.

2. Предложена модификация метода синтеза оптимальных регуляторов по критерию обобщенной работы для случая нелинейного вхождения трех или в общем случае n управлений в виде их произведения, или произведения управлений и функций от управлений, или произведения функций от управлений, которая расширила область применения метода АКОР и позволила осуществить синтез регуляторов для дизель-поезда с тяговым асинхронным приводом.

3. Поскольку для определения параметров регулятора необходимо выполнять чрезмерные вычислительные затраты, то предложено несколько общих рациональных численных методов решений задач управления с помощью метода АКОР:

– использование математических моделей во вращающейся системе координат позволило уменьшить объем вычислений по сравнению с математическими моделями в недвижимой системе координат на два – три порядка;

– выполнение декомпозиции исходной математической модели объекта на несколько подмоделей, что позволяет сократить число коэффициентов,  входящих в соотношение для определения управлений, а, следовательно, и уменьшить трудоемкость синтеза системы управления;

– использование генетического алгоритма для поиска параметров регуляторов, что сократило время поиска приемлемых параметров в десятки раз.

4. На основе аналитического конструирования синтезированы оптимальные регуляторы для дизель-поезда с учетом специфики работы преобразователя частоты. Применение синтезированных регуляторов в структуре реальной системы управления дизель-поездом позволило получить экономию топлива в среднем на уровне 5%.

5. Разработана комбинированная двухуровневая система управления движением дизель-поезда:

– верхний уровень – регулятор, синтезированный по методу АКОР,  определяющий необходимый момент для перемещения объекта управления из исходной точки в конечную;

– нижний уровень – подсистема векторного управления, в которой вместо стандартного ПИ-регулятора скорости предложено использовать нечеткий контроллер.

Такая система позволяет уменьшить величину перерегулирования скорости дизель-поезда и более точно отрабатывать необходимый момент и соответственно экономить топливо.

6. Создана обобщенная математическая модель процессов электропередачи дизель-поезда ДЕЛ-02, которая в отличие от известных моделей позволяет исследовать режимы функционирования электропередачи с использованием ШИМ, векторного управления ТАД и осуществлять поиск оптимальных параметров регуляторов, а именно:

– предложено вместо моделирования блоков синхронного генератора (СГ) и выпрямителя (В) использовать математическую модель, которая описывает совместную работу этих блоков. Для этого использованы нагрузочные характеристики блока СГ-В, реализованные в виде нейронной сети для повышения точности моделирования этих блоков;

– разработана математическая модель работы блока автономного инвертора напряжения преобразователя частоты, который реализует для управления амплитудой напряжения питания ТАД широтно-импульсную модуляцию, что позволило проводить исследования с учетом специфики рассматриваемого объекта, и как следствие получить адекватные процессы в электропередаче при исследовании объекта управления до скоростей 35 км/ч и выше.

7. Проведенные экспериментальные исследования синтезированных регуляторов по методу АКОР как на уровне математического моделирования так и на реальном объекте подтвердили достоверность предложенных решений по оптимизации процессов управления движением дизель-поезда.

8. Синтезированные регуляторы внедрены на ДП завод «Электротяжмаш» (г. Харьков), ОАО Украинский научно-исследовательский институт силовой электроники «Преобразователь» (г. Запорожье). Результаты работы использованы в учебном процессе на кафедре вычислительной техники и программирования НТУ «ХПИ».