WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Радионов Иван Алексеевич

СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (вычислительная техника и информатика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог 2012

Работа выполнена на кафедре синергетики и процессов управления Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ).

Научный руководитель – доктор технических наук, доцент Веселов Геннадий Евгеньевич

Официальные оппоненты: Заковоротный Вилор Лаврентьевич Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, Донской государственный технический университет, заведующий кафедрой автоматизации производственных процессов Першин Иван Митрофанович доктор технических наук, профессор, Пятигорский государственный гуманитарно - технологический университет, заведующий кафедрой управления и информатики в технических системах Ведущая организация – Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится 27 сентября 2012 г. в 14 час. 20 мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.208.22 в ТТИ ЮФУ по адресу:

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке ЮФУ.

Автореферат разослан августа 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Целых А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современное развитие техники и технологии предполагает создание сложных многомерных нелинейных систем, регулирование координат которых представляется непростой задачей. Сложность здесь заключается не только в самом управлении подобными системами, но и связана она с все возрастающими требованиями к их регулированию. Другими словами, подобными системами нужно не просто управлять, учитывая их нелинейности, многомерность и перекрестные связи, но и управлять качественно, обеспечивая асимптотическую устойчивость во всей области координат и инвариантность к внешним возмущающим воздействиям. Но при этом, рассматриваемые системы должны быть энергоэффективны, обеспечивая в процессе своего функционирования минимизацию потерь энергии или расхода вещества.

Одним из ключевых направлений на сегодняшний день, содержащих объекты и задачи описанного класса, – транспортные, и в частности, тяговые электромеханические системы (ЭМС). Не секрет, что наиболее перспективным классом электроприводов, применяемым в данной сфере, является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗР). Это связано с тем обстоятельством, что он обладает рядом преимуществ в сравнении другими ЭМС, среди которых: небольшие габариты и масса, высокая удельная мощность и КПД, простая конструкция и, как следствие, низкая стоимость изготовления и обслуживания.

Не смотря на значительные достижения современной теории управления, в настоящее время в подавляющем большинстве случаев, в указанных выше системах применяются регуляторы, в основе которых заложена линеаризация математических моделей рассматриваемых объектов, сепарирование каналов управления. Это, естественно, в свою очередь негативно сказывается на способности синтезированных систем отвечать, предъявляемым к ним, требованиям.

Значительные результаты в решении данной проблемы достигнуты в рамках научной школы Р.Т. Шрейнера с применением методов экстремального управления. Данный подход позволил решить рассматриваемую задачу лишь отчасти, что связано с упрощением математических моделей двигателя и критериев качества при нахождении управляющих воздействий. Как следствие, практическое применение критерия минимума электромагнитных потерь привода, предложенного в рамках данного подхода, ограничено незначительным диапазоном изменения момента и скорости.

В работах В.И. Уткина, В.А. Уткина, С.А. Красновой развит подход с применением скользящих режимов в задачах управления. Способ регулирования с использованием скольжения обладает высокой надежностью и предполагает вынуждающее управление, при котором процесс заставляют протекать по определенной динамической траектории, задаваемой разработчиком, что может быть, в некоторой степени, неестественным для системы. И как следствие, недостаточная гладкость регулирующего воздействия может быть источником колебаний в реальных скользящих режимах, которые в свою очередь приводят к нагрузкам в системе.

В рамках данной работы рассматривается проблема управления тяговым электродвигателем локомотива, которая представляет собой задачу более сложную, чем синтез регулятора электропривода автомобиля, например. Это связано с особенностями сцепления колес с полотном рельса и необходимостью предотвращения эффектов боксования. В работах П.Г. Колпахчьяна указывается на том, что применяемые в современном железнодорожном транспорте системы автоматического управления тяговыми двигателями (ТД) заняты формированием момента тяги, при этом значение указанной величины выбирается машинистом на основе визуальной оценки качества сцепления рельсового полотна. Отдельная подсистема отслеживает ускорение вращения колесных пар (КП) и в нужный момент сбрасывает момент тяги, чем удается избежать боксования КП.

На сегодняшний день в нашей стране нет систем управления асинхронными тяговыми двигателями (АТД), решающих перечисленные задачи комплексно: обеспечивая поддержание заданной скорости движения состава, предотвращая боксование КП, обеспечивая минимизацию потерь энергии двигателя, а также устойчивость синтезированных систем к внешним возмущающим воздействиям.

Таким образом, тема диссертации – синергетическое управление асинхронным тяговым электроприводом транспортных систем является актуальной.

Целью работы является разработка синергетического метода синтеза нелинейных алгоритмов управления АТД подвижного состава, включающих стабилизацию скорости вращения КП, защиту об боксования и обеспечивающих минимизацию потерь энергии электропривода.

Направление исследований. В соответствии с поставленной целью в работе решены следующие основные задачи:

• Сформирована нелинейная математическая модель АТД, учитывающая динамику АДКЗР, а также взаимодействия в подсистеме тяговый привод - колесная пара - путь ;

• Разработана новая структура адаптивной системы управления и наблюдения координат нелинейных ЭМС на базе АЭП;

• Предложен прикладной метод синергетического синтеза общих законов векторного управления АЭП;

• Разработаны алгоритмы синергетического синтеза наблюдателей неизмеряемых координат АЭП;

• С использованием синергетической теории управления разработан прикладной метод синтеза законов энергосберегающего управления АТД, выполняющих заданную технологическую задачу – поддержание требуемой скорости вращения КП и обеспечивающих минимизацию потери энергии в системе;

• С использованием синергетического подхода предложены методы синтеза регулятора тяги в системе тяговый привод - колесная пара путь, обеспечивающего стабилизацию угловой скорости вращения КП и поддержание проскальзывание КП относительно полотна рельса в заданном диапазоне, что позволяет исключить эффект боксования.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы современной нелинейной динамики, синергетической теории управления, методы формализации моделей механики, положения теории дифференциальных уравнений и методы математического моделирования динамических систем. Исследования динамических свойств синтезированных систем управления осуществлялись в пакете прикладных программ MatLab, синтез регуляторов осуществлялся в пакете Maple.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований и компьютерного моделирования синтезированных систем.

Научная новизна. В работе получены и выносятся на защиту основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

• Прикладной метод синергетического синтеза стратегий управления ЭМС на базе АЭП (стр. 7-9);

• Процедура синтеза адаптивной системы управления и наблюдения координат нелинейных ЭМС на базе АЭП (стр. 9-10);

• Методика синергетического синтеза алгоритмов энергосберегающего управления АТД локомотива (стр. 10-14);

• Процедура синергетического синтеза стратегий формирования тяги в системе тяговый привод - колесная пара - путь (стр. 14-17).

Практическая ценность работы. Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, могут быть применены для разработки системы управления АТД локомотива и других транспортных средств, комплексно решающей технологические задачи, задачу устойчивости объекта регулирования, проблему боксования.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертации научные и прикладные результаты нашли применение в ОАО ВНИКТИ при совершенствовании алгоритмов перспективных систем управления тяговыми электроприводами магистральных тепловозов типа 2ТЭ25А ВИТЯЗЬ, а также в учебном процессе кафедры синергетики и процессов управления факультета информационной безопасности ТТИ ЮФУ.

Апробация работы. Научные и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления (КРЭС-2010), г. Таганрог; 6-й научной конференции Управление и информационные технологии (УИТ-2010);

Международной научной конференции Системный синтез и прикладная синергетика (ССПС–2011), г. Пятигорск; научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (ЮНЦ РАН, 2011); 4th Chaotic Modeling and Simulation International Conference in Agios Nikolaos, Crete, Greece, May 31-June 3, 2011 (CHAOS 2011); Международной молодежной научной конференции XXXVII Гагаринские чтения, 2011;

Всероссийской научной школы для молодежи Итоги и перспективы развития Российско-Германского сотрудничества в области мехатроники, 2011;

Всероссийской НТК с международным участием: Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении (КомТех-2012) г. Таганрог; 5th Chaotic Modeling and Simulation International Conference Athens, Greece, June 12-15 (CHAOS 2012); X Международная Четаевская конференция Аналитическая механика, устойчивость и управление, Казань, 12-16 июня 2012 г.

Публикации. Всего соискателем по теме диссертации опубликовано печатных работ, из них 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 156 наименований, и приложений. Содержание диссертации изложено на 159 страницах и содержит 128 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, кратко изложены теоретические и практические результаты работы, представлена их научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются основные различия в типах ЭМС.

Обозначены преимущества использования АЭП при построении управляемых ЭМС. Рассмотрено математическое описание АДКЗР. Отмечено, что рассматриваемый объект представляет собой сложную нелинейную систему, математическая модель которой обладает высоким порядком. Указывается на тот факт, что при построении системы управления ЭМС на базе АЭП важно производить учет этих особенностей.

Отмечено, что не смотря на обилие подходов к управлению указанным объектом, все они строятся по принципу компенсации нелинейности модели и сепарирования каналов управления. В связи с этим, рассмотренные методы не способны отвечать высоким требованиям, предъявляемым к современным ЭМС с точки зрения точности и разнообразия решаемых задач.

Также указывается на то, что, сложность управления АТД состоит в невозможности измерения ряда переменных его математической модели.

В первую очередь возникает необходимость оценки мгновенного значения модуля вектора потокосцепления ротора, что связано с отсутствием в большинстве двигателей датчиков Холла.

Для решения задачи управления ЭМС на базе АЭП предложено использовать методы и принципы СТУ. Применение данного подхода дает возможность синтезировать регулятор управления с учетом полной нелинейной модели реальной системы, включая внешние возмущающие воздействия.

При этом синтезированная система обладает свойствами параметрической робастности и асимптотической устойчивости.

Во второй главе рассмотрена проблема синергетического синтеза непрерывных регуляторов электромеханических преобразователей на базе ЭМС переменного тока. Математическая модель АЭП, используемая для процедуры синтеза регулятора выглядит следующим образом:

rrkridisx isx krr usx sy = - + prisy + + + ;

dt Ts r TrL L s s disy isy rrkrisyisx krrpr usy (1) = - - prisx - - + ;

dt Ts r L L s s dr r dr = rrkrisx - ; J = pmkrrisy - Mc, dt Tr dt где usx, usy – проекции напряжения статора на оси x и y вращающейся системы координат; isx, isy – проекции тока статора на оси координат; rx, ry – проекции потокосцепления ротора на оси координат; Lm – взаимная индуктивность между статором и ротором; Ls, Lr – полные индуктивности Lm обмоток статора и ротора; kr = – коэффициент электромагнитной свяLr зи ротора; L = Ls -Lmkr, rs = rs +rrkr – преобразованные индуктивность s Lr L s и сопротивление статора; Tr =, Ts = – постоянные времени ротора rr rs и статора.

В соответствии с синергетическим подходом, рассматриваемую систему расширяют уравнениями, учитывающими воздействие на объект внешних возмущающих воздействий dz1 dz= 1(r - r0); = 2(r - r0), (2) dt dt где z1, z2 – оценка внешних возмущений; 1, 2 – положительные скаляры;

1 = r - r0 и 1 = r - r0 – технологические инварианты. Далее, для представленной системы синергетического синтеза введены пары макропеременных 1 = isx - 1; 2 = isy - 2, 3 = 11(r + 1z1) + 12(r + 2z2); (3) 4 = 21(r + 1z1) + 22(r + 2z2).

После чего, решены совместно уравнения (3) с функциональными уравdi нениями Ti + i = 0, Ti > 0, i = 1..4, в силу модели (1), (2) и найдены dt уравнения для базового и внутреннего законов управления АДКЗР.

rrkriisx krr d1 sy usx = L - prisy - - + - (isx - 1) ;

s Ts r TrL dt Ts (4) isy rrkrisyisx krrpr d2 usy = L + prisx + + + - (isy - 2) ;

s T r L dt Ts s r + 22 (r - r0) + K4 r + 11 (r - r0) dt + 1 = ;

Tr rrkr +K2r + (1 + K22) 2 (r - r0) dt (5) 2J 11 (r - r0) + K3 r - 22 (r - r0) dt + 2 =.

+K1r + (1 + K11) 1 (r - r0) dt mpkrr Таким образом, синтезирован закон управления АДКЗР, обеспечивающий стабилизацию частоты вращения вала и потокосцепления ротора привода. Структурная схема регулятора приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема синергетического векторного регулятора АЭП Приведем результаты моделирования синтезированной системы в сравнении с подчиненным векторным регулятором. При моделировании использовались параметры привода АД 917.

Рис. 2. Изменение r Рис. 3. Изменение r (подчиненный (синергетический регулятор) регулятор) С использованием синергетического подхода решена задача оценки неизмеряемых координат АЭП, в частности – составляющих вектора потокосцепления ротора. Что позволяет осуществить переход от естественных координат двигателя к системе координат, ориентированной по направлению Рис. 4. Изменение r Рис. 5. Изменение r (подчиненный (синергетический регулятор) регулятор) вектора потокосцепления ротора, в которой и производились вычисления управляющих воздействий.

Выражения для наблюдателя составляющих вектора потокосцепления ротора имеют вид TrLpris s r = - - z1;

kr dz1 1 TrLpris 2 s = - + p2rTr z1 + - rrkrisdt Tr kr TrLpr 1 s - is + us ;

kr Ts L s (6) TrLpris s r = - z2;

kr dz2 1 TrLpris 2 s = - + p2rTr z2 - - rrkris+ dt Tr kr TrLpr 1 s + us - is.

kr L Ts s Приведем результаты работы наблюдателя, сравнив его с применяемым на практике традиционным методом.

Рис. 6. Эталонное и наблюдаемое Рис. 7. Эталонное и наблюдаемое значение r (синергетический (сглаженное) значение r наблюдатель) (синергетический наблюдатель) Погрешность вычисления значения модуля вектора потокосцепления ротора синергетическим наблюдателем составляет 1,92%, в то время как, с использованием традиционного метода – 5,42%. Применение данного подхода позволяет строить регулятор ЭМС на базе АЭП в конструкции которых не предусмотрены датчики Холла для измерения магнитного потока машины.

Рис. 8. Эталонное и оцениваемое Рис. 9. Эталонное и оцениваемое значение r значение r Рис. 10. Структурная схема системы регулирования АЭП По аналогии с системой двухканального регулирования Трансвектор, предложена структура системы управления АЭП (рис. 10), включающая блок оценки мгновенного значения модуля и угла вектора потокосцепления ротора привода.

В третьей главе рассмотрена система тяговый привод - колесная пара - путь. Выбрано ее математическое представление, достаточное для описания основных взаимодействий в системе и построения регулятора АТД.

Рис. 11. Расчетная схема модели опорно-осевого тягового двигателя с опорно-осевым редуктором Схематичное представление системы тяговый привод - колесная пара - путь отображено на рис. 11.

Математическая модель записывается в виде dr dк dXк = r; = к; = Vк;

dt dt dt dк Mc Jк = - - bm (кK - r) - cm (кK - r) ;

dt K (7) dVк Mc mк = - bxVк - cxXк;

dt RкK dr Jr = MТ - bm (r - кK) - cm (r - кK).

dt Здесь xк – продольные перемещения КП; V – скорость поступательного движения состава; r, к – углы поворота ротора и КП, соответственно;

bx, cx – коэффициент демпфирования и жесткость продольной связи КП с тележкой; bm, cm – характеризуют степень демпфирования и жесткость связи КП с АЭП; Jr, Jк –моменты инерции ротора и КП соответственно;

Mт – момент тяги привода; (t) – нагрузка от КП на путь.

Далее рассмотрены подходы к энергосбережению в ЭМС на базе АЭП.

Выбраны инварианты, обеспечивающие минимизацию потерь энергии за счет оптимального задания величины магнитного потока машины, зависящего от текущей скорости вращения ротора электропривода и значения нагрузки на валу. В работах Колесникова А.А. и Попова А.Н. обозначены следующие энергетические инварианты АЭП;

• в качестве оптимизируемой переменной выбран модуль вектора потокосцепления ротора k1 0,0,r = Mc ; (8) k2 + k3r • в качестве оптимизируемых переменных выбраны проекции тока статора на оси вращающейся синхронно с полем ротора системы координат (x, y) 1 k1 0,0,isx = Mc ; (9) Lm k2 + k3r 2Lr 0,5 k1 -0,isy = Mc, (10) pmLm k2 + k3r 2 rsL2 + rrLmrs Pстp r m где k1 = ; k2 = ; k3 = ; Pст, r0 – значения p2mL2 2L2 (2f1)rm m потерь в стали и потокосцепления ротора в номинальном режиме работы двигателя; Mc – момент нагрузки на валу привода; – коэффициент, зависящий от марки стали магнитопровода; f1 – частота питающей сети.

Использование инвариантов (8), (9), (10), предложенных для реализации алгоритмов энергосберегающего управления, подразумевает наличие текущей информации о переменных Mc и r. Угловую скорость вала электропривода не составляет труда измерить, в то время, как для оценки момента сопротивления предложено использование процедуры наблюдателя.

Выражение синергетического наблюдателя для оценки момента сопротивления в контакте колесо-рельс имеют вид dz = l1z + l1mкRкVкK + l1RкK (bxVк + cxXк) ;

dt (11) Mc = -l1mкRкVкK - z.

Представим результаты компьютерного моделирования наблюдателя.

Рис. 12. Эталонное и наблюдаемое Рис. 13. Эталонное и наблюдаемое значение момента сопротивления значение момента сопротивления Рис. 14. Эталонное и наблюдаемое Рис. 15. Эталонное и наблюдаемое значение момента сопротивления значение момента сопротивления Предложен синтез энергосберегающего регулятора АТД с использованием метода интегральной адаптации на инвариантных многообразиях, который предполагает ввод интеграторов для подавления внешних возмущений, действующих на систему и гарантирует выполнение технологической задачи даже в случае несовпадения реальных и расчетных параметров механической и электромеханической частей тягового АЭП.

Синтез энергосберегающего регулятора АТД осуществляется для системы дифференциальных уравнений (1), (7), в которую включены уравнения интеграторов 0, dz1 Mc k1 0, = 1 r - ;

dt K k2 + k3r (12) dz= 2(к - к0).

dt В соответствии с синергетическим подходом, введены следующие инвариантные многообразия 1 = isx - 1; 2 = isy - 2;, 3 = r + 1z1; 4 = r - 3; (13) 5 = к + 2z2.

Выражения для внутренних управлений имеют вид 0, k1 0,25 r Mc Lr z1 - 11 - K k2 + k3r - 1 = ;

rrLm 1 rr - 3 + r T3 Lr bm (r - кK) + cm (r - кK) + (14) 2L d3 2 = ;

mpLmr +Jr - 4 dt T z + bmкK + cm (кK - r) - K 3 =, bm -Jк 22 (к - :0) + 1 5 T 0, Mc k1 0, где z1 = 1 r - dt; z2 = 2 (к - к0)dt.

K k2 + k3r Представим результаты компьютерного моделирования синтезированной системы энергосберегающего управления АТД.

Рис. 16. Изменение Рис. 17. Изменение частоты потокосцепления ротора вращения ротора привода и частоты вращения КП Представленный синтез синергетического энергосберегающего регулятора АТД позволяет за счет задания оптимального значения потока обеспечить максимальное КПД двигателя во всем допустимом диапазоне изменения момента нагрузки. Следует отметить, что максимальный КПД АЭП при традиционном управлении достигается в случае равенства постоянных и переменных потерь двигателя. В случае использования синергетического регулятора указанное равенство выполняется при любом режиме работы АТД.

Предложенные методы синергетического синтеза системы энергосберегающего управления АТД позволяют строить совершенно новый класс Рис. 18. Постоянные Pc и Рис. 19. Постоянные Pc и переменные Pv потери в системе с переменные Pv потери в системе с оптимальным потоком номинальным потоком Рис. 20. Зачение КПД АТД для Рис. 21. Зачение КПД АТД для регуляторов с номинальным и регуляторов с номинальным и оптимальным потоком при оптимальным потоком при изменении момента нагрузки изменении скорости вращения КП управляемых ЭМС, способных не только выполнять требуемую технологическую задачу и обеспечивать асимптотическую устойчивость по отношению к внешним возмущающим воздействиям, но и обладают свойством адаптации по отношению к указанным воздействиям, а также обеспечивают минимизацию потерь энергии и, как следствие, ресурсов.

В четвертой главе рассмотрена проблема формирования тяги в системе тяговый привод - колесная пара - путь, а также условия при которых возникает эффект боксования.

В современном представлении сила сцепления Fсц зависит как от угловой скорости КП к, так и от скорости скольжения колес относительно рельса Vск. Характеристика коэффициента сцепления представлена как безразмерная величина k, максимум которой k = 1 соответствует наилучшим условиям сцепления.

при 0 Vск < 0, 1;

k = 10Vск, k = 1 - 0, 25(Vск - 0, 1), при 0, 1 Vск < 2, 1; (15) k = 0, 5 - 0, 025(Vск - 2, 1), при 2, 1 Vск, где Vск = кRк - V.

Рис. 22. Завсимость безразмерной характеристики сцепления от скорости скольжения колеса Синтез регулятора тяги в системе тяговый привод - колесная пара путь осуществлен с использованием дифференциальных уравнений dz = (к0 - к);

dt dк dr dXк = к; = r; = Vк;

dt dt dt dк z Jк = - - bm (кK - r) - cm (кK - r) ;

dt K (16) dVк z mк = - bxVк - cxXк;

dt RкK dr Jr = MТ - bm (r - кK) - cm (r - кK) ;

dt dV mк = ((bm (r - кK) + cm (r - кK)) K - z)/Rк, dt которые представляют собой систему (7) c включенными уравнением наблюдателя z и уравнением, описывающим силы, действующие на КП.

Процедура построена в соответствием методом аналитического конструирования агрегированных регуляторов, макропеременные выбраны следующими 1 = r - 1;

(17) 2 = кRк - V - Vскth(z), где Vск – значение скорости скольжения, которую необходимо поддерживать.

Вторая макропеременная представляет собой условие стабилизации скорости вращения КП и ограничение ее скольжения.

Из совместного решения уравнений (17) и функционального уравнения с учетом модели синтеза (16) выражения закона управления имеют вид dMТ = Jr - 1 (r - 1) + bm (r - кK) + cm (r - кK) ;

dt 2 Rк - z - T2 JкK mкRк Rк K mкRкJк -cm (кK - r) + -, 1 = кK + 2 Jк mкRк bm (JкK - mкRк) Vск (к0 - к) ch (z)где z = (к0 - к)dt.

Синтезированный регулятор тяги в системе тяговый привод - колесная пара - путь обеспечивает поддержание заданного уровня скорости скольжения в режиме трогания с места состава. Приведем результаты моделирования синтезированной системы.

Рис. 23. Изменение частоты Рис. 24. Изменение момента, вращения ротора привода и прикладываемого к КП, эталонное частоты вращения КП и наблюдаемое значение момента сопротивления Рис. 25. Переходный процесс Рис. 26. Безразмерная относительно скорости скольжения характеристика сцепления КП Результаты моделирования свидетельствуют о выполнении технологической задачи и обеспечении заданного уровня скольжения КП относительно полотна рельса. Начиная с времени моделирования 1 c, величина k равна единице, что соответствует наилучшему из потенциально возможного значений момента сцепления. Это подтверждается графиком на рис. – величина скорости скольжения не превышает требуемого для стабильной работы системы значения.

В главе высказаны базовые научные положения для решения важной проблемы боксования, которые требуют дальнейшего развития для конкретных транспортных систем.

В заключении к диссертации приведен перечень основных научных и прикладных результатов, полученных в работе в процессе создания синергетических методов энергосберегающего управления АТД транспортных систем. В приложении представлены акты внедрения материалов диссертационной работы, а также представлен синтез регуляторов в пакете Maple и листинг программы моделирования на языке MatLab.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе предложена прикладная теория и методы синергетического синтеза нелинейных алгоритмов управления АТД транспортных систем на примере подвижного состава. Применение данного метода позволяет осуществить синтез векторной системы управления АЭП с использованием наиболее полной математической модели АД. Следует отметить, что в связи с тем, что в основе синергетического подхода лежит принцип асимптотического перехода от одного инвариантного многообразия к другому с последовательным понижением размерности многообразия, полученная система обладает рядом преимуществ, в сравнении с традиционной. К ним относятся асимптотическая устойчивость относительно требуемого состояния равновесия, инвариантность по отношению к внешним неизмеряемым возмущениям, действующим на систему, а также параметрическая грубость переходных процессов.

Все вышеперечисленные достоинства примененного подхода позволяют строить системы регулирования, в которых задачи решаются комплексно с учетом естественных процессов, происходящих в рассматриваемом объекте.

Эффективность регулирования, помимо всего прочего, обеспечивается за счет адаптивности синтезированной системы к изменению ее параметров и координат, и действию внешних возмущений.

Основными результатами диссертационной работы являются:

• Предложена новая структура адаптивной системы управления и наблюдения координат нелинейных ЭМС на базе АЭП. Векторный регулятор построен с использованием синергетического подхода на основе расширенной математической модели АДКЗР, учитывающей динамику внешних неизмеряемых возмущающих воздействий. В сравнении с традиционными подходами к регулированию АЭП, синтезированная система обладает свойством асимптотической устойчивости в целом, а также инвариантностью к действию внешних возмущающих воздействий, и робастностью;

• Предложена новая структура системы наблюдения модуля и угла поворота вектора потокосцепления ротора, применение которой позволяет выполнять оценку наблюдаемых величин с погрешностью (1,92%) значительно меньшей чем в системах, построенных на использовании традиционных подходов (5,42%). Исходя из этого, можно судить о том, что разработанные методы синергетического синтеза позволяют строить системы управления ЭМС на базе АЭП, отвечающие современным требованиям, предъявляемым к ним;

• Предложена процедура синергетического синтеза алгоритмов энергосберегающего управления динамикой АТД локомотива, позволяющая за счет поддержания оптимального значения потокосцепления ротора обеспечить максимальный КПД двигателя во всем допустимом диапазоне изменения момента нагрузки и скорости движения локомотива. Особенность данного подхода, в отличие от методов оптимального управления, в которых осуществляется минимизация модуля регулирующей координаты, состоит в использовании при синтезе регулятора инварианта, обеспечивающего минимизацию потерь энергии в электроприводе за счет выбора значения вектора потокосцепления ротора в зависимости от текущего момента нагрузки на валу АЭП и частоты вращения вала двигателя. Предложенный регулятор, в сравнении с системами управления, поддерживающими номинальное значение потокосцепления ротора двигателя, позволяет экономить в зависимости от режима работы от 2-х до 7-ми % энергии;

• Разработана процедура синергетического синтеза алгоритмов формирования тяги в системе тяговый привод - колесная пара - путь.

Предложены методы синтеза, позволяющие при поддержании требуемой скорости вращения КП учитывать ее проскальзывание относительно полотна рельса и держать его в требуемом диапазоне, что позволяет избежать боксования. Это в свою очередь гарантирует нормальный режим функционирования системы тяговый привод - колесная пара - путь и обеспечивает минимизацию износа бандажей КП и рельсового полотна.

Полученные в диссертационной работе результаты позволяют приступить к непосредственной разработке систем управления ЭМС на базе АЭП, применяемых в качестве тяговых в современных транспортных системах.

Основные публикации по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Радионов И.А. Синергетический синтез векторной системы управления асинхронным электроприводом // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск Системный синтез и прикладная синергетика. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. – №6(119). – С. 246-254.

2. Радионов И.А. Применение синергетического подхода при формировании тяги в системе тяговый привод - колесная пара - путь // Известия ЮФУ.

Технические науки. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. – №4(129). – С. 182187.

3. Веселов Г.Е., Радионов И.А. Синергетическая система управления тяговым электроприводом// Известия ЮФУ. Технические науки. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. – №5(130). – С. 42-47.

4. Веселов Г.Е., Попов А.Н., Радионов И.А. Энергосберегающее управление асинхронным тяговым двигателем: синергетический подход// Мехатроника, Автоматизация, Управление. - М.: Изд-во Новые технологии, 2012. В печати.

Публикации в других изданиях 5. Радионов И.А. Синергетический векторный регулятор асинхронного электропривода// Материалы 6-й научной конференции Управление и информационные технологии (УИТ-2010). – СПб.: Концерн ЦНИИ Электроприбор, 2010. – С. 110-116.

6. Радионов И.А. Синергетический векторный регулятор асинхронного электропривода// Сборник трудов VII ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Ростовна-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2011. – С. 149.

7. Радионов И.А. Синергетический синтез нелинейных алгоритмов управления электромеханическими системами переменного тока// Сборник материалов X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления (КРЭС -2010). Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010.– Т.2. – С 117.

8. Радионов И.А. Синергетический синтез системы управления асинхронным тяговым приводом электровоза// Аналитическая механика, устойчивость и управление: Труды X Международной Четаевской конференции. Т. 3. Секция 3. Управление. Ч. II. Казань, 12 – 16 июня 2012 г. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2012. – С.263-272.

9. Radionov I.A. System of induction motor vector control: synergistics approach.

Book of Abstract of 4rd Chaotic Modeling and Simulation International Conference (CHAOS2011), Greece. – 2011. – Pp. 116.

10. Радионов И.А. Система векторного управления асинхронным электроприводом: синергетический синтез// Сборник Научных трудов Международной молодежной научной конференции в 8 томах XXXVII Гагаринские чтения. М.: Изд-во МАТИ (объем 2 стр.).

11. Радионов И.А. Синергетический синтез стратегий векторного адаптивного управления асинхронным приводом робототехнических систем// Сборник тезисов и статей Всероссийской научной школы для молодежи/ Юж.-Рос.

гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЛИК, 2011. – 104-107 с.

12. Радионов И.А. Система энергосберегающего управления асинхронным тяговым приводом// Сборник материалов XI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления (КРЭС -2012). Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012.

В печати.

13. Radionov I. Synergistic synthesis of induction motor vector control system Book of Abstract of 5th Chaotic Modeling and Simulation International Conference Athens, Greece, June 12-15 (CHAOS 2012). – 2012.

Личный вклад в работе [3] заключается в разработке прикладного метода синергетического синтеза системы управления АТД, в работе [4] – синтез энергосберегающего регулятора тягового АЭП и построение системы оценки момента сопротивления в контакте колесо-рельс.

Соискатель И.А. Радионов ЛР №020565 от 23.06.Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. п.л. – Тираж _ экз. Заказ № Издательство ТТИ ЮФУ ГСП 17 А, Таганрог, 28, Некрасовский,






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.