Синергетическое управление асинхронным тяговым электроприводом транспортных систем

Актуальность проблемы. Современное развитие техники и технологии предполагает создание сложных многомерных нелинейных систем, регулирование координат которых представляется не простой 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. Колпах-чьяна 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.

Цели работы и основные задачи исследования. 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. 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 неиз-меряемых 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, синергетиче-ской 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 Ма^аЬ. Синтез регуляторов осуществлялся в пакете Мар1е.

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

4.4. Основные результаты и выводы по главе.

• Рассмотрена проблема формирования тяги в системе «тяговый приводколесная пара — путь». Рассмотрены основные подходы к решению проблемы боксования КП локомотива. Значительное количество исследований, проведенных в данной области, до сих пор не дали решения проблемы автоматического регулирования скорости движения состава с предотвращением чрезмерного проскальзывания КП.

• Предложены методы синергетического синтеза, позволяющие решить проблему «боксования». Произведен синтез регуляторов, один из которых поддерживает требуемую угловую скорость вращения КП, а другой обеспечивает контроль над уровнем скольжения. Переключение между регуляторами позволяет выполнить технологические задачи, обеспечив стабилизацию скорости состава и исключение эффекта «боксования» КП. Это в свою очередь гарантирует «нормальный» режим функционирования системы «тяговый привод — колесная пара — путь» и обеспечивает минимизацию износа бандажей КП и рельсового полотна.

• Предложен метод синергетического синтеза регулятора тяги в системе «тяговый привод — колесная пара — путь», обеспечивающий стабилизацию скорости вращения КП и ограничивающий скольжение КП. 'Приведенные результаты моделирования системы управления, включающей в себя ограничение на скольжение КП, свидетельствуют о выполнении технологической задачи в режиме «трогания с места» состава.

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 настоящей 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 робаст-ностьюпредложена 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 нимпредложена 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 % энергииразработана 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.