На правах рукописи

ЕЛИСЕЕВ ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОВОЗОМ ПОСРЕДСТВОМ ОПЕРАТИВНОГО УТОЧНЕНИЯ

СИЛ ТЯГИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ

Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 2013 г.

2

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта»

(ОАО «ВНИИЖТ»).

Научный руководитель – Жебрак Леонид Михайлович, кандидат технических наук, генеральный директор ООО «Смартвиз»

Официальные оппоненты – Сидоренко Валентина Геннадьевна, доктор технических наук, профессор кафедры «Управление и информатика в технических системах» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московского государственного университета путей сообщения» (МИИТ) Евстафьев Андрей Михайлович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электрическая тяга» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петербургского государственного университета путей сообщения»

Ведущая организация – Открытое акционерное общество «Научноисследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» ( ОАО «ВНИКТИ» )

Защита диссертации состоится «27» ноября 2013 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 218.002.01 при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта»

(ОАО «ВНИИЖТ») по адресу: 107996, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, 10, зал Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «25» октября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета института, а также по e-mail: [email protected], факс. 8(495)602-80-20, 8(495)687-64-56.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент Д.В. Ермоленко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из ключевых направлений модернизации экономики современного государства, в том числе и РФ, является энергоэффективность. ОАО «РЖД» приняла и реализует энергетическую стратегию энергосбережения в перевозочном процессе, одним из направлений которой, является обновление локомотивного парка более эффективным тяговым подвижным составом (ТПС), оборудованным микропроцессорными системами управления локомотивом (МСУЛ).

Применение МСУЛ позволяет улучшить технические характеристики и потребительские свойства ТПС, в частности, экономичность. Кроме того, появляется возможность формулировать задачи, решение которых требует обработки больших объемов измерительной информации непосредственно на борту ТПС.

Переход на современные информационные технологии позволяет разработчикам создавать системы автоматического управления (САУ) ТПС, в том числе и системы автоведения, которые позволяют посредством автоматизации процесса управления ТПС повысить его энергоэффективность.

Повышение энергетической эффективности процесса управления ТПС и его автоматизация на железнодорожном транспорте – сложная и многогранная проблема. В разное время ее решению посвящены результаты работ видных ученых: В.М. Бабича, Л.А. Баранова, Ю.В. Бушненко, Я.М. Головичера, Е.В. Ерофеева, Я.Б. Кудрявцева, А.М. Костромина, А.Л. Лисицина, Л.А. Мугинштейна, В.А. Нехаева, Б.Д. Никифорова, А.В. Плакса, В.Е. Розенфельда, А.Н. Савоськина, Г.В. Фаминского, В.П. Феоктистова, И.А. Ябко и др.

Однако в отношении энергосбережения эффективность работы систем автоведения еще не достигла потенциально возможного уровня. Опыт эксплуатации Московской железной дорогой парка ТПС, оборудованного системой автоведения, показал, что высококвалифицированные машинисты превосходят эту систему по энергоэффективности. Это связано с тем, что опытный машинист «чувствует» поезд и на основе этого ощущения управляет им. В современных системах автоведения, при построении законов управления, используются среднестатистические характеристики тягового оборудования. Эффективность, в том числе и энергетическая эффективность, процесса управления в значительной степени зависит от точности знания параметров, характеризующих состояние ТПС как объекта управления (ОУ). Неточное знание параметров ОУ, в частности, сил тяги и электрического торможения, снижает энергоэффективность процесса управления ТПС и систем автоведения.

Проявление силы тяги или электрического торможения обуславливается характеристиками тягового оборудования, которые меняются случайным образом в ходе эксплуатации ТПС и отличаются от номинальных характеристик, полученных при выпуске ТПС с завода.

Расхождение характеристик колесно-моторных блоков приводит к ухудшению тягово-энергетических показателей, характеризующих работу ТПС.

Исследования в области теории тяги, направленные на уточнение и стабилизацию характеристик, выполнены известными учеными И.П. Исаевым, Д.К.

Миновым, В.А. Раковым, Н.И. Ливенцевым, Д.Р. Какабадзе и др.

В 2010 г на совместном заседании секции локомотивного хозяйства и топливно-энергетической секции Научно-технического совета ОАО «РЖД» были определены пути повышение энергоэффективности ТПС, одним из которых является совершенствование систем автоведения посредством оперативного уточнения на борту локомотива основного сопротивления движению, тяговых и тормозных характеристик, являющихся фактическими характеристиками ТПС.

Таким образом, определение сил тяги и электрического торможения электровоза в процессе движения является актуальной научной задачей для железнодорожного транспорта. Ее решение позволит повысить энергоэффективность процесса управления локомотивом.

Целью диссертационной работы является повышение энергоэффективности процесса управления электровозом.

Для достижения поставленной цели необходимо в процессе движения поезда уточнять силу тяги или электрического торможения электровоза.

Научная новизна работы.

Предложенная автором методика отличается от ранее известных методик определения сил тяги или электрического торможения электровоза тем, что для повышения точности и скорости сходимости определения фактической силы тяги или электрического торможения впервые предложено использовать результаты накапливаемых измерений электрических и динамических параметров в процессе движения электровоза, а также уточняемую априорную информацию об оцениваемых параметрах магнитной характеристики тягового двигателя.

Подтверждено, что применение разработанных: методики оперативного определения сил тяги и электрического торможения электровоза и стохастической модели его сил тяги и электрического торможения дает возможность экономить электроэнергию на тягу поездов.

На защиту выносятся следующие результаты:

• стохастическая модель сил тяги и электрического торможения электровоза (СМСТЭ), отличающаяся тем, что фактическая сила тяги или электрического торможения функционально зависит от результатов измерений динамических и электрических параметров, содержащих погрешности, а также параметров, характеризующих ее проявление, случайным образом изменяющихся во времени;

• методика оперативного определения сил тяги или электрического торможения электровоза в процессе движения поезда на основе измерительной информации МСУЛ без использования дополнительных аппаратных средств.

Методы исследования. При выполнении исследований использованы аппараты теории электрической тяги, автоматического управления, теории вероятностей, математической статистики, идентификации, оценивания, а также средства математического моделирования движения поезда.

Объектом исследования являются силы тяги и электрического торможения электровоза постоянного тока с независимым возбуждением коллекторных тяговых электродвигателей и цифровой системой управления.

Предметом исследования являются способы определения фактической силы тяги или электрического торможения в процессе движения электровоза.

Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью и обоснованностью применения апробированного математического аппарата и удовлетворительной сходимостью результатов имитационного моделирования с экспериментальными данными эксплуатации электровозов серии 2ЭС6 на Свердловской и Западно-Сибирской ж.д.

Практическая значимость результатов исследования состоит в том, что использование СМСТЭ и методики оперативного определения силы тяги и электрического торможения электровоза в процессе движения позволило снизить энергетические затраты на тягу поездов до 9%, что подтверждено результатами математического моделирования.

Реализация результатов работы. Результаты работы будут использованы при совершенствовании подсистемы автоведения МПСУиД электровоза 2ЭС6, что письменно подтверждено разработчиком МПСУиД 2ЭС6 ООО "Научнопроизводственным объединением САУТ" (ООО "НПО САУТ").

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались:

1. на научных конференциях молодых ученых и аспирантов ОАО «ВНИИЖТ» в 2010 и 2011 гг.;

2. на конкурсах диссертационных работ ОАО «ВНИИЖТ» в 2009 и 2010 гг.;

3. на научно-практической конференции «Неделя науки–2010 «Наука МИИТатранспорту», Москва, МИИТ, 2010 г.;

4. на III-й Традиционной всероссийской молодежной летней школе «Управление, информация и оптимизация» (п. Ярополец, 2011);

5. на научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 95-летию ОАО "ВНИИЖТ" (г. Щербинка, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе в 3-х рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 138 страницах, в том числе 85 страниц основного текста, 19 рисунков, 21 таблица и страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложена структура работы и приведены результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы основные тенденции развития САУ ТПС в России и за рубежом. Приведены результаты анализа способов определения силы тяги электровоза постоянного тока, поставлена задача научного исследования и обоснован выбор метода ее решения.

Результаты анализа способов определения силы тяги электровоза показали,   что отклонение характеристик тяговых электродвигателей (ТЭД) от действительного значения влияет на точность в определении силы тяги ТПС.

При проведении тяговых расчетов используются номинальные характеристики ТЭД электровоза, полученные в ходе заводских испытаний и не уточняемые в период эксплуатации. Рассчитанное таким образом значение силы тяги или электрического торможения для конкретного электровоза является усредненным, отличающимся от фактического значения на некоторую величину, которая обусловлена степенью несоответствия фактических характеристик ТЭД номинальным. Кроме того, в расчетах используются результаты наблюдений, ограниченные точностью измерителей, что в совокупности влияет на погрешность в определении силы тяги электровоза.  С целью уменьшить разброс характеристик тяговых двигателей электровозов относительно среднего, их предлагали стабилизировать (Д.К.

Минов, И.П. Исаев и др.).

Методы и способы стабилизации характеристик электровозов, которые в основном связаны с мероприятиями конструктивно-технологического характера при изготовлении, ремонте и эксплуатации, требуют для поддержания полученного эффекта материальные затраты. При этом они не обеспечивают стабильность характеристик на протяжении эксплуатации ТПС.

Для того, чтобы эффективно управлять ТПС, необходимо точно знать силу тяги или электрического торможения. Очевидно, что человек не обладает такими знаниями и осуществляет управление, полагаясь на свой опыт. Использование цифровых систем управления на ТПС позволяет более быстро и точно, чем человек, рассчитывать и реализовывать требуемую по условию энергоэффективности силу тяги на основе характеристик электровоза, используя информационный ресурс, содержащийся на его борту.

Однако энергоэффективность САУ и систем автоведения еще не достигла уровня лучших машинистов. Это связано, в основном, с тем, что система рассчитывает фактическую силу электровоза на основе номинальных характеристик ТПС, отличающихся от фактических для конкретного электровоза.

Основной тенденцией в развитии систем автоматического управления является их адаптация к фактическим характеристикам ТПС и условиям движения, что позволяет повысить их эффективность. Например, учеными МИИТа (Л.А Баранов, А.Н. Савоськин, О.Е. Пудовиков) была разработана адаптивная система автоматического управления скоростью движения грузового электровоза. Специалистами ОАО "ВНИИЖТ", МИИТа и Университета Южной Австралии (Фил Ховлетт) в разное время предложены алгоритмы определения фактического сопротивления движению различного типа ТПС, применение которых в системах автоведения позволяет адаптировать их к реальным условиям эксплуатации. Кроме того, сформулировано (Жебрак Л.М.) новое направление повышения энергоэффективности САУ, в том числе и систем автоведения, а также изложены основы метода определения фактических характеристик ТПС, учет которых, при построении законов управления ТПС, позволит адаптировать САУ к реальным условиям эксплуатации.

Для того, чтобы повысить энергоэффективность процесса управления, необходимо "…оперировать в каждом звене системы управления, безусловно, нужной информацией" (Е.С Вентцель). Такой информацией при решении задач энергооптимального управления должна быть и фактическая сила тяги или электрического торможения конкретного электровоза в реальных условиях эксплуатации.

Это позволит перейти от расчетов Fк для обобщенно-усредненного электроф воза к определению Fк конкретного электровоза в процессе движения в текущий момент времени, усилить глубину обратной связи в контуре управления силой тяги или электрического торможения, повысить энергоэффективность процесса управления электровозом и адаптировать алгоритмы САУ к реальным условиям эксплуатации.

Проявление сил тяги и электрического торможения электровоза обуславливается магнитной характеристикой тягового электропривода. Если эту характеристику аппроксимировать в виде некоторой функции и в процессе движения оценивать коэффициенты полученной аналитической зависимости с учетом погрешностей, веса измерений и статистической информации об искомых коэффициентах, то окаф зывается возможным определять фактическую силу тяги Fк и электрического торф можения Вк электровоза. По своей природе силы тяги и электрического торможения развиваемые электровозом одинаковы, поэтому в тексте диссертации для удобф ства используется единое обозначение Fк как для силы тяги, так и силы электрического торможения.

Математически задача исследования сформулирована в работе следующим образом:

где X topt – оптимальная оценка вектора состояния; в работе принято, что его координаты характеризуют изменение магнитного потока; D( X t ) – дисперсия ошибок оцениваемых параметров; Ytи – вектор результатов измерений динамических и электрических параметров, используемых при оценке вектора Xt ; y – погрешность измерений.

Для ее решения использованы методы теории идентификации и оценивания, которые апробированы и широко используются в различных отраслях науки, техники и сферах производства. Суть выбранных методов заключается в следующем:

на основе результатов измерений динамических и электрических параметров и априорной информации о векторе состояния Xt, определяются отклонения между измеренными и расчетными по модели величинами. Полученные отклонения используются для уточнения оценок вектора X t, характеризующего изменение Fкф электровоза. Оценки вектора Xt определяются при условии минимума их дисперсии. Рассчитанные таким образом оценки являются оптимальными в указанном смысле. Далее на основе X topt по (1) определяется Fкф. Существует множество алгоритмов определения X t, отличающихся характером привлекаемой априорной информации. В работе использован байесовский алгоритм оценивания, который позволяет учитывать, в отличие от небайесовских, случайный характер не только искомых оценок Xt, но и ошибок измерений y.

Таким образом, задача научного исследования заключается в разработке способа, позволяющего уточнять силу тяги или электрического торможения электровоза на основе накапливаемых результатов измерений и априорных данных о параметрах, характеризующих изменение Fк.

Во второй главе разработана стохастическая модель силы тяги Fк электровоза. В отличае от других известных моделей она устанавливает функциональную связь фактической силы Fк электровоза с результатами характеризующими изменение магнитного потока и, как следствие, Fк.

При построении СМСТЭ в работе были использованы известные из теории электрической тяги уравнения движения и электрического равновесия, которые в совокупности определили структуру модели.

Расчетное значение силы электровоза в режимах тяги и электрического торможения СМСТЭ в соответствии со схемой соединения коллекторных ТЭД определялось через силу одиночного электродвигателя. В связи с тем, что образование Fк обусловлено магнитной характеристикой двигателя и зависит от КПД ТЭД, выражение, позволяющее определять ее фактическое значение (Н) представлено в виде где Ф X t, I в, – аналитическая функция магнитного потока, зависящая от тока возбуждения I в и X t ; д, п – КПД двигателя и зубчатой передачи; I я – измеренное значение тока якоря ТЭД А; гдеC – конструктивная постоянная тяговой электрической машины (безразмерная величина); nТЭД – число ТЭД.

Аналитическая зависимость магнитного потока в работе представлена в виде известной функции магнитного потока, найденые методом наименьших квадратов (МНК). Коэффициенты p1 и p2 образуют вектор Х, который в теории управления называют вектором состояния системы; I в – измеренный ток обмотки возбуждения, А.

ги без учета потерь, Н; – скорость движения электровоза, км/ч; Pзатр – затраченная мощность, Вт, в работе представлена в ином виде:

В этой форме записи коэффициенты a и c безразмерные, а коэффициенты b и d имеют размерность 1/Н.

параметрической идентификации. При ее решении использованы динамические и электрические измеряемые параметры электровоза. Их совокупность Iя I в U к.с., где xп - измеренное значение координаты местоположения электровоза, м; и - измеренное значение скорости движения электровоза, м/с ; U к.с. – измеренное напряжение контактной сети, В; Т – означает транспонирование.

Для идентификации параметров модели были составлены уравнения измерения и состояния. Уравнение состояния в матричной форме записывалось как: Xt |t = A t X t |t 1, где X t|t – апостериорная оценка вектора состояния; X t |t 1 – априорная оценка вектора состояния; A t – матрица, характеризующая изменение вектора состояния системы X t|t во времени. Матрица A t является единичной, т.к. элементы вектора X t|t не меняются в зависимости от времени, т.е. X t |t = X t |t 1. Индекс t | t 1 означает, что статистическая оценка вектора X t |t 1 строится для момента времени t с использованием информации, доступной на шаге t–1.

Измеряемые с известной точностью динамические и электрические параметры связаны с переменными вектора X t нелинейным уравнением измерения:

где st ( Xt ) – нелинейная вектор-функция st ( Xt ) = st1( Xt ),..., st m ( Xt ) ~t – вектор ошибок измерений. Элементами вектор-функции st (Xt ) являются расчетные значения скорости движения электровоза, тока якоря ТЭД, напряжения контактной сети, координаты местоположения электровоза и тока обмотки возбуждения ТЭД. Указанные параметры находились следующим образом. Для определер ния координаты местоположения электровоза xп известное уравнение движения представлено в работе с использованием разностной схемы где iи – измеренное значение скорости (км/ч) движения электровоза на текущем шаге расчета; M – масса поезда, т; W – общее сопротивление движению, кН; B – тормозная сила, кН; = 1 – переводной коэффициент, зависящий от единиц измерений, принятых в расчетах; – коэффициент, учитывающий инерцию вращающихся масс.

Расчетное значение скорости движения электровоза определяется из известного уравнения электрического равновесия Uд – напряжение на зажимах ТЭД, В; r - сопротивление (Ом) якоргде ной цепи тяговых электродвигателей.

зависимостью Для определения тока возбуждения в работе использована экспоненциальная функция Расчетное напряжение контактной сети на токоприемнике определяется также из известного уравнения электрического равновесия где p – коэффициент, зависящий от схемы соединения ТЭД в силовой цепи.

Для подтверждения адекватности модели проверялась гипотеза о близости среднего значения полученных результатов по уравнению модели (2) и среднего значения результатов наблюдений (в качестве наблюдений использовались паспортные характеристики грузового электровоза 2ЭС6 согласно ТУ) с помощью критерия Стьюдента.

Для оценки соответствия аппроксимирующих функций реальным данным использовался критерий по минимуму суммы квадратов отклонений согласно МНК.

При анализе СМСТЭ осуществлялась проверка на ее устойчивость относительно начальных данных. В работе показано, что решение, полученное с использованием СМСТЭ, устойчиво по Ляпунову, если малому изменению параметров вектора состояния X t ( p1 и p2 ) соответствует малое изменение Fк.

Третья глава посвящена разработке методики определения фактической силы электровоза в режимах тяги и электрического торможения.

Основные положения методики состоят в следующем:

- подготовка предварительных данных для определения фактической силы тяги или электрического торможения электровоза – X 0 (первоначальный выбор координат вектора состояния), P0 (определение ковариационной матрицы ошибок вектора состоянии), R (построение ковариационной матрицы ошибок измеряемых параметров);

- при заданной погрешности измерений и априорной неопределенности вектора состояния X t, определение потенциально-достижимой точности оценок вектоф ра X t и, как следствие, Fк ;

- проверка наблюдаемости оцениваемых параметров. Данная процедура выполняется как перед построением алгоритма оценивания вектора X t, так и при его реализации в процессе уточнения Fк для исключения дополнительных вычислений в случае отсутствия практической наблюдаемости X t ;

- проверка допустимости линеаризации уравнений наблюдений для определения - выбор алгоритма оценивания вектора состояния. Аналитически установлено, что реализация итерационной процедуры обработки измерений внутри рекуррентного байесовского алгоритма оценивания вектора X t позволяет снизить влияния ошибок линеаризации и повысить сходимость оценок. Поэтому в работе предложено использовать байесовский итерационный алгоритм оценивания;

- оценка Fк и точности ее определения.

На рис. 1 приведена разработанная структурная схема алгоритма оперативного уточнения силы тяги и электрического торможения электровоза, отражающая последовательность реализуемых процедур методики.

Рис.1. Структурная схема алгоритма оперативного уточнения силы тяги/электрического торможения электровоза Схема состоит из двух частей. Первая часть - разработка алгоритма оценивания Fкф. Она включает в себя предварительную подготовку (блок 1) и анализ данных (блок 2-4) на возможное их использование для уточнения Fкф.

Анализ состоит из проверки наблюдаемости системы на основе измерительной информации (блок 2) и оценки потенциально достижимой точности определения Fкф (блок 3). Кроме того, для использования линейного алгоритма оценивания вектора состояния анализируется допустимость линеаризации уравнений (2) – (6) относительно Xt. Данная процедура позволяет установить область значений наблюдаемых параметров, при которых погрешность линеаризации модели измерений будет максимальной и оценить степень влияния полученных погрешностей линеаризации на определение Fкф (см. блок 4). В блоке 5 в соответствии с критерием (1) выбирается алгоритм оценивания Xt. Основными критериями при выборе алгоритма оценивания в работе были приняты скорость сходимости искомых оценок Xt и точность определения Fкф.

электровоза в процессе движения. Процесс уточнения Fк осуществляется, если работает СУ электровоза, находящегося в режиме тяги или электрического торможения (блок 6 и 7). Переход в режим "выбег" прерывает алгоритм оценивания. Дальнейшее уточнение Fк возобновляется после повторного сбора силовой схемы на основе информации об Xt, полученной до момента ее разбора. Рекуррентная обработка накапливаемой информации позволяет повысить точность определения силы Fкф.

Процедура определения Fкф осуществляется следующим образом: для заданной дискретности измерений формируется вектор измерений Yt (блок 8), далее на основе уравнений (2)-(6) определяются расчетные значения измеряемых параметров Ytр и строится прогноз в оценках вектора состояния (блок 9). В блоке 10 рассчитывается ошибка обновления, апостериорная точность искомых оценок и весовая матрица K, учитывающая априорную информацию об искомых оценках Xt, вес и погрешность измерений y. Далее результаты расчета используются для коррекции априорной оценки вектора состояния Xt (блок 11). В блоке 12 на основе Xt определяется харакетристика точности Fкф (дисперсия силы тяги D( Fкф )), полученное значение Fкф передается для дальнейшего его использования в систему управления (блок 13). После получения очередных измерений процедура оперативного уточнения Fкф повторяется.

фактическое значение силы тяги или электрического торможения электровоза в процессе движения, что обеспечивает переход от расчетов силы тяги или электрического торможения для обобщенно-усредненного электровоза к определению фактической силы Fкф конкретного электровоза. Представленная в работе методика отличается тем, что сила тяги (электрического торможения) уточняется на основе измерительной информации от системы управления без использования дополнительных аппаратных средств.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию полученных в работе результатов с целью проверки адекватности разработанной СМСТЭ, эффективности и работоспособности методики оперативного уточнения силы тяги и электрического торможения электровоза. Приводится также сравнительный анализ работы алгоритмов оценивания в зависимости от заданной точности измерителей и априорной информации, и практически подтверждена эффективность использования итерационного алгоритма оценивания.

При этом были использованы данные результаты математического моделирования, и опытные данные из эксплуатации грузовых электровозов серии 2ЭС6 на Свердловской и Западно-Сибирской ж.д. России.

Экспериментальное исследование осуществлялось для тягового режима работы электровоза, а погрешность результатов измерений скорости движения электровоза, тока якоря и обмотки возбуждения ТЭД и напряжения контактной сети принималась на уровне: ±0,5 км/ч ; ±4А; ±20 В соответственно.

Для того чтобы определить, какая предельная точность оценивания компонентов вектора состояния, а следовательно и силы тяги может быть достигнута, в работе предложено определять потенциально достижимую точность расчета силы тяги электровоза (ПТ( Fкф )), выраженную через среднеквадратическое отклонение (СКО) силы тяги ( Fкф ).

Анализ потенциальной точности целесообразно проводить до этапа реализации алгоритма оценивания и процедуры определения Fкф на борту электровоза, т.к. его результаты позволяют сделать вывод о принципиальной возможности уточнения силы тяги для заданной статистической априорной информации и используемой измерительной аппаратуры. В работе установлено, что потенциальная точность в определении силы тяги (ПТ( Fкф )), несущественно зависит от соединения ТЭД, например, для последовательного (Ссоединения) ТЭД значение ПТ( Fкф ) = 2,01 кН, для последовательнопараллельного (СП-соединения) ПТ( Fкф ) = 2,21 кН, а для параллельного (Псоединения) ТЭД ПТ( Fкф ) = 2,23 кН.

Для определения СКО силы тяги или электрического торможения электровоза ( Fкф ) использовалось разложения в ряд Тейлора функции Fкф по току якоря и возбуждения обмоток ТЭД и коэффициентам вектора состояния Xt ограничиваясь линейными членами:

Величина ( Fкф ) определялась для продолжительного и часового режимов работы электровоза при номинальном напряжении контактной сети и номинальном диаметре бандажей 1,25 м. Из зависимостей рис. 2 следует, что точность в определении силы тяги существенно увеличивается по сравнению с априорной при использовании 7 итераций итерационного алгоритма оценивания.

Рис. 2. Зависимость изменения ( Fк ) для расширенного алгоритма оценивания (1) и для итерационного алгоритма оценивания (2) от количества измерений m (измерения производились с частотой 1 раз в сек.) При увеличении числа измерений свыше 1000 зависимости (1) и (2) на рис.2 расположены практически параллельно. С момента начала уточнения силы тяги точность в ее определении увеличилась в 4 раза, а в конечном итоге значение ( Fк ) составила меньше 2,2 кН. Ступенчатое изменение СКО силы тяги и оцениваемых коэффициентов (см. рис. 2 (фрагменты А)) обусловлено существенным изменением измерительной информации, используемой для уточнения силы тяги электровоза. Согласно данным поездки в период времени между 9 и 13 мин. работы алгоритма (фрагменты А) произошло увеличение силы тяги с 27% до 51% в течение 2 мин., при этом значение тока якоря ТЭД изменилось с 240 А до 456 А.

Результаты сравнительного анализа работы алгоритмов оценивания (см. рис. 2) подтверждают, что для уточнения силы тяги или электрического торможения электровоза в процессе движения выбранный итерационный алгоритм более эффективен, чем расширенный, так как он позволяет снизить влияние погрешностей линеаризации модели измерений и повысить скорость сходимости оценок вектора состояния. Удовлетворительная сходимость оценок позволяет судить об адекватности представленных в работе новых научных результатов, а именно: СМСТЭ (см. глава 1) и методики (см. глава 3).

Точность результатов, полученных с использованием итерационного алгоритма, зависит от точности результатов измерений и априорной информации о статистических параметрах оцениваемого вектора. Увеличение погрешности измерений приводит к снижению скорости сходимости и точности алгоритма оценивания силы тяги.

Результаты исследований показали, что на точность определения силы тяги наибольшее влияние оказывают погрешности измерения тока якоря и тока возбуждения. Увеличение в 2 раза погрешностей измерений, например, тока якоря и возбуждения, снижает точность почти также в 2 раза в определении Fк для продолжительного и часового режимов работы электровоза для всех соединений ТЭД. Использование более точной, а следовательно высокой по стоимости измерительной аппаратуры, позволило бы повысить точность в определении силы тяги, однако точности штатных измерителей электровоза 2ЭС оказалось достаточно для того, чтобы определять Fк в процессе движения со значением ( Fкф ) = 2 кН. В связи с тем, что отклонение фактической силы тяги от ее номинального значения может достигать 10%, а это, примерно, 50 кН от максимальной силы тяги электровоза 2ЭС6, развиваемой по условиям сцепления, то применив разработанную методику оперативного определения силы тяги (электрического торможения) для указанного электровоза, отклонение, как показывают результаты, может быть снижено до 1%, что в абсолютных величинах составляет порядка 2 кН.

методики) на стенде математического моделирования были «проведены» три группы поездок с различными весами составов грузового поезда. Моделирование первой группы поездок проводилась по номинальной характеристике магнитного потока. Результаты этой группы поездок являются эталоном в смысле расхода электроэнергии, относительно которого происходило сравнение двух других групп поездок. Особенность второй группы поездок состояла в том, что при моделировании поездок сила тяги искусственно отклонялась от фактического значения на 5% и 10%. Принятые изменения оказали влияние на режимы ведения поезда и энергоэффективность управления. Например, для массы поезда 2000 т отклонение силы тяги на 5% привело к увеличению расхода, относительно первой группы на 3,9%, а для массы поезда 4500 т – на 3,96%.

Отклонение силы тяги от расчетной на 10% привело к увеличению расхода электроэнергии на 9,2% и 7,9% для 2000 т и 4500 т соответственно. Таким образом, чем большее отличие фактической силы тяги от ее расчетного значения учитывалось при моделировании, тем больше составлял расход электроэнергии на тягу поездов для конкретной поездки.

осуществлялось с использованием разработанной методики и СМСТЭ.

электрического торможения электровоза со значением ( Fкф ) = 2 кН, которое достигается посредством применения методики, позволило снизить расход электроэнергии и избежать лишних подключений тяги. Относительно данных первой эталонной группы поездок при определении силы тяги со значением ( Fкф ) = 2кН расход электроэнергии увеличивался в среднем лишь на 0,5-1,5%.

Таким образом, чем точнее известна фактическая сила тяги, тем меньше расход электроэнергии за поездку. Полученные результаты подтверждают, что применение СМСТЭ и разработанной на ее основе методики уточнения силы тяги, позволяет уменьшить расход электроэнергии на тягу поездов, приблизительно на столько, на сколько отличается фактическая сила тяги от номинальной. В связи с тем, что отклонение силы тяги от ее фактического значения может составлять до 10%, то, как показали результаты моделирования, расход электроэнергии на тягу поездов может быть снижен, примерно до 9%.

Проверка адекватности СМСТЭ и методики в работе осуществлялась с использованием тяговых и тормозных характеристик электровоза 2ЭС6.

Результаты уточнения характеристик электровоза 2ЭС6 с использованием авторской методики представлены на рис. 3.

Рис. 3. Характеристики электровоза 2ЭС6, полученные по методике и СМСТЭ (1, зеленый цвет) и паспортные из ТУ (2, синий цвет). (F – сила тяги, а В – сила электрического торможения электровоза) Из рис. 3 следует, что наибольшие отличия между паспортными характеристиками электровоза 2ЭС6 и характеристиками, полученными с использованием СМСТЭ и методики, наблюдаются при токе возбуждения до 300 А. Здесь влияние погрешности тока возбуждения на погрешность магнитного потока значительно выше, чем при остальных значениях Iв, поэтому, например, в некоторых точках относительная погрешность определения силы тяги для СПсоединения ТЭД составляет 24кН (точка Б рис. 3) при скорости движения км/ч и силе тяги 179 кН, а для С-соединения ТЭД – 21кН при скорости движения 22 км/ч и силе тяги 142 кН (точка А рис. 3). Результаты измерений электрических и динамических параметров, при которых наблюдаются значительные погрешности в определении силы тяги в соответствие с разработанным итерационным алгоритмом вносят меньший вклад в оценку силы тяги электровоза. Для П-соединения ТЭД наибольшее отличие составляет 26 кН при силе электрического торможения 342 кН и скорости движения 69 км/ч (точка В рис.

3). Известно, что фактическая сила электрического торможения может отличаться более 10% от номинального ее значения. Однако, даже при таких результатах измерений скорости движения и тока возбуждения, авторская методика, позволила снизить погрешность в определении силы электрического торможения электровоза 2ЭС6 с возможной 10% до 7,6%.

Для проверки адекватности модели в работе использован критерий Стьюдента, согласно которому проверяется гипотеза о равенстве средних значений тяговых характеристик, полученных посредством методики и СМСТЭ (выборка N1), паспортным характеристикам электровоза 2ЭС6 по ТУ (выборка N2). Расчетные значения t-критерия Стьюдента для соответствующего соединения ТЭД (последовательного, последовательно-параллельного и параллельного) равны:

t р = 0,4235, t р = 0,5051 и t р = 0,6575. Полученные значения t р меньше следовательно гипотеза о равенстве средних значений N1 и N2 принимается, что подтверждает адекватность СМСТЭ и работоспособность методики.

1. В работе изложены и обоснованы научно-технические решения, имеющие существенное значение для экономии электроэнергии на тягу поездов.

2. Впервые решена актуальная научная задача определения фактической силы тяги или электрического торможения в процессе движения по информации об оцениваемых параметрах и результатам накапливаемых измерений.

3. Разработана стохастическая модель сил тяги и электрического торможения электровоза (СМСТЭ), в которой впервые отражена функциональная связь между фактической силой тяги или электрического торможения, параметрами, характеризующими ее изменение, и результатами измерений, ограниченных точностью измерительной аппаратуры электровоза.

4. Разработана методика оперативного уточнения силы тяги или электрического торможения электровоза, позволяющая перейти от определения этой силы по номинальной характеристике магнитного потока тягового электродвигателя для обобщенно-усредненного электровоза к определению силы тяги конкретного электровоза на основе уточняемой характеристики в процессе движения.

5. Итерационный алгоритм оценивания, разработанный и использованный в работе, позволил повысить скорость сходимости оценок параметров магнитного потока и точность определения силы тяги или электрического торможения электровоза.

6. Результаты практического применения методики и СМСТЭ для грузового электровоза постоянного тока серии 2ЭС6 показали, что погрешность определения силы тяги может быть снижена с 50 кН до 2 кН.

7. Точность штатной измерительной аппаратуры электровоза 2ЭС6 достаточна для практической реализации предложенной в работе методики определения фактической силы тяги или электрического торможения в процессе движения электровоза.

8. Применение полученных в работе результатов, а именно методики и СМСТЭ, позволяет сократить расход электроэнергии на тягу поездов до 9%.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ

В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ АВТОРА

Публикации в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК 1. Елисеев И.А. Метод оценки переменных с минимальной дисперсией. / Елисеев И.А., Жебрак Л.М., Худорожко М.В. // Мир транспорта. 2009. №1. С. 28-32.

2. Елисеев И.А. Стохастическая модель силы тяги локомотива. Вестник ВНИИЖТ. 2010. №4. С. 30 – 33.

3. Жебрак Л.М. Методика оперативного уточнения действующей силы тяги локомотива на поезд. /Жебрак Л.М., Елисеев И.А. // Вестник ВНИИЖТ. 2012. №4. С. 38 – 42.

4. Елисеев И.А. Постановка задачи оперативного уточнения действующей на поезд силы тяги в процессе движения. / Жебрак Л.М. Елисеев И.А. // Сборник статей учёных и аспирантов «Перспективные задачи развития железнодорожного транспорта». 2010. М.:Интекст. С. 35-39.

5. Елисеев И.А. Тенденции развития систем автоведения. Сборник научных трудов ОАО «ВНИИЖТ». «Совершенствование электрооборудования тягового подвижного состава». 2011. М.:Интекст. С. 38-45.

6. Елисеев И.А. Стохастическая модель силы тяги локомотива. Труды научно-практической конференции. Неделя науки – 2010 «Наука МИИТа–транспорту». М.:МИИТ, 2010., II-1-II-2.