Iв, А
|
СФ, В/(км/ч)
|
150
|
4,0
|
200
|
6,8
|
250
|
8,8
|
300
|
10,2
|
350
|
11,5
|
400
|
12,6
|
500
|
14,4
|
600
|
15,7
|
700
|
16,9
|
800
|
17,8
|
900
|
18,5
|
1000
|
19,0
|
1100
|
19,4
|
Регулятор
На электровозах 2ЭС5К для
регулирования тока якорей в режиме тяги применяется ПИ-регулятор, который имеет
передаточную функцию:
Wрег(р)=Kр+1/(Tи·р),
где Tи - постоянная времени интегрирования, с,
Kр - коэффициент усиления
регулятора.
На электровозах 2ЭС5К эти параметры
принимают равными: Tи=0.11 с, Kр=0.55.
Обратная связь
В САУ электровозов 2ЭС5К применены
датчики тока «LЕМ». Выходные цепи датчиков тока снабжены сглаживающими фильтрами
для защиты МПСУ от импульсных помех. Поэтому изменение выходных сигналов
датчиков тока характеризуются дифференциальным уравнением апериодического звена
1-го порядка с постоянной времени Тдт выходного сглаживающего
фильтра и коэффициентом усиления Кдт. Эти величины принимаются
равными Тдт=0.02 с, Kдт=1.
Выходной сигнал датчика тока периодически
многократно (q раз) считывается, преобразуется аналого-цифровым преобразователем
АЦП в цифровые величины и масштабируется с масштабом mдт=0.1, устанавливающим кратность цифровых сигналов датчиков тока и
действительных величин тока якорей ТЭД Iдт=Kдт·mдт·Iа. В начале каждого (v+1) - го периода управления
блок-программа МПСУ выполняет числовую обработку цифровых сигналов датчика
тока, вычисляя среднее за v-й период значение:
.
Средняя величина сигнала датчика
тока используется в МПСУ для вычисления сигнала рассогласования =(Iуст-) в
следуюшем, (v+1) - м периоде цикла управления.
1.4 Разработка модели
СУЭП в среде Matlab
Выпрямительно-инверторный
преобразователь
Схема компьютерной модели ВИП
показана на рисунке 1.6. Блок ВИП составлен из 8-ми модулей «Тhyristor» Т1 - Т8, шунтированных
снабберными RС-цепями.
Напряжение от выводов тяговой
обмотки трансформатора подводится к тиристорным плечам ВИП через входы «Соnn1» - «Соnn4». Выходное напряжение
ВИП подводится к тяговому двигателю через выводы «Соnn5», «Соnn6».
Отпирание тиристорных модулей
осуществляется посредством подачи единичных импульсных сигналов, формируемых
управляющим элементом. Импульсы управления подаются на управляющие электроды
тиристоров по каналу «In1». Коммутация тиристоров компьютерной модели естественная, без
обратных токов.
Рисунок 1.6 - Схема компьютерной модели
ВИП
Исполнительное
устройство (двигатель)
Модель двигателя в тяговом режиме в
среде Matlab изображена на рисунке 1.7.
Рисунок 1.7 - Компьютерная модель
ТЭД
Напряжение питания тяговых
электродвигателей Ud подводится через входы «+», «-» от блока ВИП.
Ниже перечислены функциональные
модули, посредством которых производят суммирование и преобразование сигналов
компьютерной модели ТЭД.
Модуль «Iа» формирует
сигнал тока якоря.
Модуль «FCEM» позволяет связать
электрические элементы пакета Power Systems Blockset со структурными или функциональными схемами элементов библиотек Simulink Library.
Модуль «Lookup Table» воспроизводит
характеристику намагничивания ТЭД.
Обозначения на рисунке 1.7:
Rf, - сопротивление обмоток возбуждения, Ом,
Rа, - сопротивление
обмоток якоря, Ом,
Lf, - индуктивность обмоток возбуждения, Ом,
Lа, - индуктивность
обмоток якоря, Гн,
СvF - магнитный поток, Вб/(км/ч),
w - скорость движения, км/ч,
E - эдс индуцируемая в обмотке возбуждения изменяющимся магнитным
потоком, В.
Регулятор
Общая модель регулятора с обратной
связью в Matlab представлена на рисунке 1.8. ПИ-регулятор реализован в блоке «Subsystem1», датчики тока - в
блоках «DT1» и «DT2». На вход датчиков поступают токи якорей двигателей «Ia1» и «Ia2». Модуль «MinMax» выбирает из выходных
сигналов датчиков тока наибольший в текущий момент времени и этот сигнал вместе
с масштабированным сигналом задания «I3» поступает на вход блока «Subsystem1», на выходе которого
формируются сигналы номера зоны «N» и угла регулирования «ugol».
Рисунок 1.8 - Компьютерная модель
регулятора с обратной связью
Блок «Subsystem1» изображен на рисунке
1.9.
Рисунок 1.9 - Компьютерная модель
ПИ-регулятора
На вход «I3» подается масштабированный сигнал
уставки тока. На вход «In1» подается средний за v-й период управления сигнал датчика тока якоря. Сумматор на входе
регулятора вычисляет сигнал рассогласования =(Iуст-).
На выходе регулятора расположен
квантователь нулевого порядка «Zero Order Hold». Коэффициент усиления регулятора Кр задается модулем
«Gain1»,
постоянная времени интегрирования Tи задается модулем «Gain11». Сумматор «Sum» производит
суммирование сигналов пропорционального и интегрального (дифференциального)
каналов регулятора, это приводит к возникновению выходной переменной регулятора
Ср.
Модуль «Saturation» формирует интервал
фазового угла, пропорциональный разности (С0 - Ср), и
задает ограничение максимального фазового угла регулирования ВИП на уровне 165
эл. град.
Модули «FCN», «FCN1», «FCN2» и «Gain7» формируют номер зоны
«N» и
угол «ugol» из выходной переменной регулятора Ср.
Обратная связь
Схема датчика тока в Matlab изображена на рисунке
1.10.
Рисунок 1.10 - Компьютерная модель
датчика тока
Формирование выходных сигналов
компьютерной модели датчика тока производится модулем «Transfer Fсn1» посредством умножения сигнала
тока ТЭД Ia, подаваемого на вход «In1», на передаточную функцию апериодического звена 1-го порядка с
постоянной времени Тдт выходного сглаживающего фильтра,
коэффициентом усиления датчика тока Kдт и масштабным множителем
mдт.
Блок компьютерной модели датчика
тока производит цифровую обработку сигналов датчика тока, аналогично
производимой в МПСУ, для формирования среднего за период управления значения.
Цифровая обработка сигналов производится посредством 100-кратного квантования
сигналов модуля «Transfer Fсn1» модулем «Zero-Order Hold» каждый v-й период управления, равный 0.01 с, и суммирования квантованных
сигналов модулем «Buffer».
Все значения, полученные на каждый
период управления, формируются в вектор размерностью {1*100}, после чего вычисляется среднее значение элементов
вектора посредством модуля «Меаn».
Модуль «Convert 2-D to 1-D» преобразует векторную величину
модуля «Меаn» в одномерный цифровой сигнал:
.
Далее полученные значения среднего
за период управления сигнала датчика тока ТЭД передаются в регулятор РТЯ.
Управляющий элемент
Управляющим элементом в электровозе
является БУВИП, который служит для формирования импульсов отпирания тиристоров
и их распределения по плечам ВИП в зависимости от управляющего напряжения,
режима работы (тягового или инверторного) и зоны выпрямления.
Функциональная схема УЭ в приведена
на рисунке 1.11.
ГСИ - генератор синхроимпульсов; ГИН
- генератор изменяющегося напряжения; УФУ - устройство фазового управления; УРИ
- устройство распределения импульсов.
Рисунок 1.11 - Функциональная схема
управляющего элемента
Принцип работы УЭ проиллюстрирован
на рисунке 1.12. В качестве примера на этом рисунке показаны управляющие
сигналы для первой зоны работы ВИП в выпрямительном режиме.
ГСИ получает на вход сигнал,
пропорциональный напряжению контактной сети Uкс, и в соответствии с кривой этого напряжения каждый полупериод
генерирует импульс синхронизации uси. Этот импульс поступает на ГИН, который выдает на УФУ пилообразное
напряжение uиз, изменяющееся от
максимального значения до нуля по линейному закону. Независимо от того,
достигло ли напряжение uиз нуля или нет, каждым
синхроимпульсом ГИН перезапускается, т.е. напряжение uиз в момент поступления
импульса uси устанавливается в максимум. Этим реализуется синхронизация работы
УЭ с питающей сетью. УФУ выполняет сравнение напряжения uиз с управляющим напряжением uупр и при их равенстве выдает на УРИ импульс для отпирания тиристоров
uαp (рисунок 1.12). УРИ
распределяет полученные импульсы по плечам ВИП в зависимости от зоны
выпрямления и текущего полупериода (обозначение импульсов на рисунках 1.11 и
1.12 приведено в соответствии со схемой ВИП на рисунке 1.6).
Рисунок 1.12 - Графики,
иллюстрирующие принцип работы УЭ
Полный алгоритм управления ВИП для
четырех зон тяги и рекуперации приведен на рисунке 1.13.
Условные обозначения импульсов:
- регулируемый по
фазе (αр);
- нерегулируемый,
забержанный по фазе (α03).
Рисунок 1.13 - Алгоритм управления
ВИП
Блок-схемы, реализующие данный
алгоритм в пакете Simulink, приведены на рис. 1.14 -
1.16.
На рис. 1.14 приведена полная блок-схема УЭ. В эту схему как составные
части входят блоки, реализующие алгоритм управления ВИП на каждой из четырех
зон. Каждый из блоков раскрыт на рисунках 1.15 - 1.16.
В конечном итоге, работа этой схемы
обеспечивает алгоритм рисунке 1.13 в соответствии с принципом управления,
изложенным выше (рисунки 1.11 и 1.12).
Рисунок 1.14 - Модель управляющего
элемента в среде Matlab
Рисунок 1.15 - Модель блоков «x1» и «x3»
Рисунок 1.16 - Модель блока «x2»
1.5 Исследование
статических, динамических и энергетических характеристик
Для анализа системы с аналоговым
принципом регулирования в режиме тяги будем использовать упрощенную модель
электропривода. Система электроснабжения и тяговый трансформатор здесь
осуществлены тремя источниками синусоидальной э. д. с. с действующими
напряжениями равными действующим напряжениям соответствующих вторичных обмоток
тягового трансформатора. Модель изображена на рисунке 1.17.
Ниже приводятся названия блоков
рисунка 1.17, соответствующих элементам, приведенным на функциональной схеме
электровоза (рисунок 1.2).
ВИП реализована в блоке Subsystem.
ТЭД реализованы в блоках «dpt1» - «dpt2».
Управляющий элемент - блок «Subsystem2».
Регулятор с обратной связью
реализованы блоком «regulator».
Задающий элемент - блок «Iзад».
Сглаживающий реактор реализован
блоком «Rsr Lsr».
Рисунок 1.17 - Упрощенная модель
силовых цепей и САУ
Переходные процессы для тока двигателей
и напряжения на выходе ВИП при подаче единичного скачка сигнала задания
изображены на рисунках 1.18 и 1.19 соответственно. Сигнал задания принимался
равным Iуст=600 А, а скорость v= 51.7 км/ч. Как видно из рисунков
значения установившихся величин соответствуют номинальным.
Устойчивость системы, оценка
динамических и энергетических характеристик производилась с помощью показателей
качества переходного процесса среднего значения тока рисунка 1.18. К таким
показателям относят следующие:
) Установившаяся ошибка САР:
где - функция ошибки (или рассогласования).
Данный показатель качества относится
к установившемуся режиму работы САР, все последующие показатели - к
переходному.
В данной системе ошибки не
наблюдалось.
) Время регулирования tp.
Это время, по истечении которого переходная функция системы h(t) остается в
пределах установленного допуска :
где - установившееся значение переходной функции.
- средний ток; 2 - мгновенный ток
Рисунок 1.18 - Переходный процесс
тока ТЭД упрощенной модели
- действующее напряжение; 2 -
мгновенное напряжение
Рисунок 1.19 - Переходный процесс выходного
напряжения ВИП упрощенной модели
Снижение времени регулирования
повышает быстродействие системы.
Если принимать =0.05, то время регулирования составит tр=0.28 с
) Перерегулирование , характеризующее степень выбросов переходной функции за величину
установившегося значения :
где - максимальное значение переходной функции.
Перерегулирование не желательно; по
возможности оно должно быть минимальным, поскольку его увеличение снижает
запасы устойчивости.
В данном случае
Для того, чтобы вышеуказанную модель
можно было использовать для дальнейших исследований, нужно проверить ее на
адекватность, т.е. идентичность исследуемой модели реальной. Для проверки на
адекватность была использована вспомогательная полная модель. В модели
использовались система энергоснабжения электровоза и тяговый трансформатор.
Ввиду того, что двигатели в реальном электровозе не идеальные, в них задавались
разные скорости. Эта модель приведена на рисунке 1.20.
В модели на рисунке 1.20 блок «Transformer» реализует модель
трансформатора, блок «20km» - контактную сеть, блок «rtp Ltp» - тяговую подстанцию.
Переходные процессы для тока
двигателей и напряжения на ВИП при подаче единичного скачка сигнала задания
изображены на рисунках 1.21 и 1.22 соответственно. При этом сигнал задания
принимался равным Iуст=600 А, а скорость v= 51.7 км/ч. Как видно из рисунков
установившееся напряжение на выходе ВИП соответствует номинальному, ток
двигателя имеет статическую ошибку вследствие неидеальности реальной модели
электровоза.
Рисунок 1.20 - Модель силовых цепей
и САУ для проверки на адекватность
- средний ток; 2 - мгновенный ток
Рисунок 1.21 - Переходный процесс
тока ТЭД модели для проверки на адекватность
- действующее напряжение; 2 -
мгновенное напряжение
Рисунок 1.22 - Переходный процесс
выходного напряжения ВИП модели для проверки на адекватность
Оценка адекватности производилась в
соответствии с [7] по следующим показателям:
) Сопоставляем амплитудное значение
выходного напряжения компьютерной модели ВИП на 4-й зоне при максимальных углах
регулирования с расчетным напряжением, вычисленным по формуле, В:
,
.
Амплитудное значение
выходного напряжения компьютерной модели ВИП равно 1600 В и соответствует
расчетному напряжению.
) Сопоставляем среднее
значение тока якоря ТЭД Ia
с заданной уставкой Iуст.
Среднее значение тока якоря Ia=555
А соответствует заданной уставке Iуст=600
A.
) Сопоставляем
абсолютную пульсацию ia
тока якоря ТЭД на 4-й зоне регулирования при полном возбуждении и минимальных
углах регулирования с
расчетной величиной.
Из рисунка 1.21 следует,
что абсолютная пульсация равна, А:
ia=200.
Расчетную величину
пульсации тока ТЭД надо вычислить по следующей формуле:
,
где -
суммарная индуктивность цепи якоря, Гн,
,
где Lср=0.005 - индуктивность сглаживающего реактора, Гн,
Lкс=0.016 - индуктивность контактной
сети, Гн,
,
.
Разницу
экспериментальной и расчетной величины абсолютной пульсации можно объяснить
падением напряжения в контактной сети, сопротивлением обмоток трансформатора,
различием скоростей двигателей.
) Сопоставим расчетные
углы коммутации буферного контура (формула (1)) и
нерегулируемого контура (формула
(2)) с величинами, полученными при моделировании на 4-й зоне регулирования при
полном возбуждении и минимальных углах регулирования .
Расчетные углы
коммутации, град:
, .
Углы коммутации при
моделировании, град:
, .
Показатели качества для
действующего значения тока переходного процесса, изображенного на рисунке 1.21:
) Установившееся
значение ошибки А.
) Время регулирования
составило tр=0.19 с при =0.05.
) Перерегулирование
составило .
Экспериментальные
данные, снятые с полной модели соответствуют расчетным. Это значит, что
разработанная модель адекватна. Были сняты или рассчитаны показатели качества,
они оказались приемлемыми.
1.6 Разработка
функциональной схемы нечеткой СУЭП тяговым электроприводом
При переходе от аналогового принципа
системного регулирования на нечеткий предлагается заменить модель
ПИ-регулятора, а также часть системы управления ВИП, отвечающей за формирование
угла и номера зоны, на регулятор на основе нечеткой логики.
Функционально модель нечеткого
регулятора представляет собой звено одним или несколькими входами и выходами. В
программной среде Matlab это звено реализуется в виде функционального блока Fuzzy Logic Controller из пакета прикладных
программ Fuzzy Logic Toolbox, в который входят следующие основные программы, позволяющие
работать в режиме графического интерфейса:
редактор нечеткой системы вывода Fuzzy Interence System Editor вместе со
вспомогательными программами - редактором функций принадлежности (Membership Function Editor), редактором правил (Rule Editor), просмотрщиком правил
(Rule Viewer) и просмотрщиком поверхности отклика (Surface Viewer);
редактор гибридных систем (ANFIS Editor);
программа нахождения центров
кластеров (программа Clustering - кластеризация).
На практике для реализации
алгоритмов нечеткой логики используются следующие возможные способы:
а) реализация нечетких алгоритмов с
помощью соответствующего программного обеспечения (ПО);
б) разработка специальных «нечетких»
компьютеров, предназначенных для обработки данных, информации и знаний с
помощью команд естественного языка и правил вывода, похожих на те, которые
использует человек;
в) аналоговая или аналого-цифровая
реализация на базе больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.
1.7 Разработка и выбор
нечеткого регулятора
В ходе работы было исследовано
влияние на энергетические характеристики замены аналогового регулятора на
регуляторы различных типов с помощью упрощенной экспериментальной модели,
изображенной на рисунке 1.17:
. Регулятор с входом по
рассогласованию и двумя выходами - по номеру зоны и углу управления.
. Регулятор с одним входом - по
рассогласованию и таким же выходом как и у аналогового регулятора.
. Регулятор с двумя входами - по
рассогласованию и производной рассогласования - и таким же выходом как и у
аналогового регулятора.
. Регулятор с двумя входами - по
рассогласованию и интегралу рассогласования - и таким же выходом как и у
аналогового регулятора.
. Регулятор с двумя входами - по
рассогласованию и интегралу рассогласования - и двумя выходами - по номеру зоны
и углу управления.
При выборе нечеткого регулятора коэффиценты
усиления пропорционального и интегрального каналов регулятора брались
следующими: Tи=1.6 с; Kp=0.3, во всех остальных
исследованиях эти постоянные, как и раньше, будут приниматься равными: Tи=0.11
с, Kр=0.55.
Ток задания принимался равным Iзад=600 А, скорость v=51.7 км/ч.
Регулятор с входом по
рассогласованию и двумя выходами - по номеру зоны и углу управления
Произведем расчет системы заменив
аналоговый регулятор и часть системы, отвечающей за формирование угла и номера
зоны, на нечеткий регулятор с одним входом и двумя выходами с выводом типа
sygeno, т.к. регуляторы с данным типом вывода легко настроить на необходимый
переходный процесс. Регулятор типа sugeno с двумя выводами создать невозможно
[8], поэтому возьмем два нечетких регулятора, каждый с одним выходом. Схема с
двумя нечеткими регуляторами изображена на рисунке 1.23. Подадим на систему
постоянный сигнал, снимем данные и настроим регулятор по этим данным (см.
рисунки 1.24, 1.25). На рисунке 1.26 изображены переходные процессы в системе с
нечетким регулятором при подаче ступенчатого сигнала задания тока.
Рисунок 1.23 - Модель регулятора с
входом по рассогласованию и двумя выходами - по номеру зоны и углу управления
Рисунок 1.24 - Данные для настройки
нечеткого регулятора с входом по рассогласованию и двумя выходами - по номеру
зоны и углу управления
Рисунок 1.25 - Графический интерфейс
редактора ANFIS, с помощью которого производилась настройка нечеткого регулятора
с входом по рассогласованию и двумя выходами - по номеру зоны и углу управления
Рисунок 1.26 - Переходные процессы в
системе с нечетким регулятором с входом по рассогласованию и двумя выходами -
по номеру зоны и углу управления при подаче ступенчатого сигнала задания тока
Как следует из рисунка 1.26
аналоговый регулятор не вызвал никаких переходных процессов в системе (сигнал
рассогласования равен сигналу задания, т.е. ток двигателей равен нулю).
Регулятор с одним входом
- по рассогласованию и таким же выходом как и у аналогового регулятора
Заменим аналоговый регулятор на
нечеткий с типом вывода данных sugeno, не прибегая к корректировке управляющего элемента, т.е. на
регулятор с одним входом и одним выходом. В качестве исходных данных возьмем
входные и выходные параметры аналогового регулятора, полученные при подаче на
вход его скачкообразного сигнала задания.
Регулятор с двумя
входами - по рассогласованию и производной рассогласования - и таким же
выходом, как и у аналогового регулятора
Произведем настройку регулятора с
двумя входами - по рассогласованию и производной от рассогласования - и таким
же выходом как и у аналогового регулятора. В качестве данных для настройки
используем сигналы рассогласования, производной от рассогласования и сигнал с
выхода аналогового регулятора, полученные при подаче на вход системы
скачкообразного сигнала задания. Данная выборка не подходит для настройки
нечеткого регулятора.
Регулятор с двумя
входами - по рассогласованию и интегралу рассогласования - и таким же выходом
как и у аналогового регулятора
Произведем настройку регулятора с
двумя входами - по рассогласованию и интегралу от рассогласования - и таким же
выходом как и у аналогового регулятора. В качестве данных для настройки
используем сигналы рассогласования, интеграла от рассогласования и сигнал с
выхода аналогового регулятора, полученные при подаче на вход системы
скачкообразного сигнала задания.
Качество переходных процессов
исследуемого нечеткого регулятора удовлетворительно, причем переходные процессы
измеряемых величин нечеткого регулятора идентичны соответствующим переходным
процессам аналогового регулятора.
Регулятор с двумя
входами - по рассогласованию и интегралу рассогласования - и двумя выходами -
по номеру зоны и углу управления
Регулятор с двумя входами - по
рассогласованию и интегралу рассогласования - и двумя выходами - по номеру зоны
и углу управления. Схема нечеткого регулятора в Matlab - на рисунке 1.36. Для
настройки регулятора будем использовать данные рассогласования, интеграла от
рассогласования, номер зоны и угол, полученные при подаче на вход системы с
аналоговым регулятором скачкообразного сигнала задания.
Подача на вход регулятора с двумя
входами и двумя выходами привела к неудовлетворительному переходному процессу,
так как рассогласование тока в результате переходных процессов устанавливается
равным заданному значению тока, а ток двигателей равным нулю.
Как следует из исследования различных
типов регуляторов единственным регулятором, выдающим стабильные энергетические
характеристики, является регулятор с двумя входами - по рассогласованию и
производной рассогласования - и таким же выходом как и у аналогового
регулятора, изображенный на рисунке 1.32. Далее будем исследовать
энергетические характеристики данного регулятора в различных режимах.
1.8 Исследование
нечеткой модели
В качестве данных для настройки
нечеткого регулятора будем использовать переходные процессы полученные при
настройке аналогового регулятора со следующими значениями скорости и сигнала
задания: Iз - 800 А при v = 50 км/ч, а
также Iз - 500 А при v = 50 км/ч.
Коэффиценты усиления пропорционального и интегрального каналов регулятора
брались следующими: Ti=0.11 с; Kp=0.55.
Для оценки энергетической
эффективности различных регуляторов в различных режимах брались показатели
качества кривых выходного напряжения регуляторов. Значения токов и скоростей в
этих режимах принимались следующими: Iз = 200 А; 500 А; 800 А;
1000 А; v = 10 км/ч; 30 км/ч; 50 км/ч; 80 км/ч; 100 км/ч. Исключение составили
комбинации Iз = 1000 А при v = 80 км/ч и v = 100 км/ч, Iз - 800 А при v = 100 км/ч и v = 80 км/ч, а
также Iз - 500 А при v = 100 км/ч и v = 80 км/ч, поскольку при заданных скоростях соответствующий заданный ток не
может быть достигнут в силу значительной величины э. д. с. якорей ТЭД. В
таблице 1.5 приведены показатели качества аналогового регулятора и нечеткого,
настроенного по выборке Iз = 500 А при v = 50 км/ч. В
таблице 1.6 приведены показатели качества аналогового регулятора и нечеткого,
настроенного по выборке Iз = 800 А при v = 50 км/ч.
Случаи колебательного процесса, а также процессов, в результате которых
возникала статическая ошибка, отмечены в таблице.
В приложении А на рисунках А.1 - А.6
в качестве примера приведены характеристики управления, переключения зон и
рассогласования тока при упомянутых выше скоростях и токе задания равном Iз=800 А для аналогового и нечеткого регулятора, настроенного по
выборке Iз = 800 А; v = 50 км/ч.
Таблица 1.5 - Сравнение качества
переходных процессов аналогового и нечеткого регулятора настроенного по выборке
Iз = 500 А; v = 50 км/ч
Аналоговый
|
Нечеткий Iз
= 500 А; v = 50 км/ч
|
Iз,
А
|
v,
м/с
|
tp,
с
|
σ,
%
|
N
|
Iз,
А
|
v,
м/с
|
tp,
с
|
σ,
%
|
N
|
200
|
10
|
колебательный
|
200
|
10
|
0.79
|
8.1
|
6
|
200
|
30
|
0.15
|
0
|
1
|
200
|
30
|
0.16
|
0
|
1
|
200
|
50
|
0.42
|
0
|
1
|
200
|
50
|
0.42
|
0
|
1
|
200
|
80
|
0.42
|
0
|
0
|
200
|
80
|
0.43
|
0
|
0
|
200
|
100
|
0.69
|
0
|
2
|
200
|
100
|
0.64
|
0
|
1
|
500
|
10
|
колебательный
|
500
|
10
|
0.09
|
0
|
0
|
500
|
30
|
0.35
|
2.86
|
3
|
500
|
30
|
0.26
|
0.92
|
2
|
500
|
50
|
0.22
|
0
|
0
|
500
|
50
|
0.22
|
0
|
0
|
800
|
10
|
колебательный
|
800
|
10
|
статическая ошибка
|
800
|
30
|
колебательный
|
800
|
30
|
колебательный
|
800
|
50
|
0.71
|
0.88
|
8
|
800
|
50
|
статическая ошибка
|
1000
|
10
|
колебательный
|
1000
|
10
|
статическая ошибка
|
1000
|
30
|
колебательный
|
1000
|
30
|
0.26
|
0
|
1
|
1000
|
50
|
колебательный
|
1000
|
50
|
статическая ошибка
|
Таблица 1.6 - Сравнение качества
переходных процессов аналогового и нечеткого регулятора настроенного по выборке
Iз = 800 А; v = 50 км/ч
Аналоговый
|
Нечеткий Iз
= 800 А; v = 50 км/ч
|
Iз,
А
|
v,
м/с
|
tp,
с
|
σ,
%
|
N
|
Iз,
А
|
v,
м/с
|
tp,
с
|
σ,
%
|
N
|
200
|
10
|
колебательный
|
200
|
10
|
0.56
|
14.4
|
5
|
200
|
30
|
0.15
|
0
|
1
|
200
|
30
|
0.13
|
11.85
|
1
|
200
|
50
|
0.42
|
0
|
1
|
200
|
50
|
0.44
|
0
|
2
|
200
|
80
|
0.42
|
0
|
0
|
200
|
80
|
0.46
|
0
|
1
|
200
|
100
|
0.69
|
0
|
2
|
200
|
100
|
0.67
|
0
|
1
|
500
|
10
|
колебательный
|
500
|
10
|
колебательный
|
500
|
30
|
0.35
|
2.86
|
3
|
500
|
30
|
0.32
|
0.76
|
3
|
500
|
50
|
0.22
|
0
|
0
|
500
|
50
|
0.22
|
0
|
0
|
800
|
10
|
колебательный
|
800
|
10
|
800
|
30
|
колебательный
|
800
|
30
|
колебательный
|
800
|
50
|
0.71
|
0.88
|
8
|
800
|
50
|
0.71
|
0.88
|
8
|
1000
|
10
|
колебательный
|
1000
|
10
|
статическая ошибка
|
1000
|
30
|
колебательный
|
1000
|
30
|
колебательный
|
1000
|
50
|
колебательный
|
1000
|
50
|
статическая ошибка
|
Произведем исследование влияния
рассогласования скорости, которое может быть вызвано, например, условиями
эксплуатации электровоза, на энергетические характеристики. Для этого в схеме
на рисунке 1.17 на каждый двигатель будем подавать разные скорости, а именно: 9
и 11 км/ч; 29 и 31 км/ч; 49 и 51 км/ч. Далее произведем снятие энергетических характеристик в
системе с аналоговым, а также с нечетким регулятором, настроенным по выборке Iз = 800 А; v = 50 км/ч, и занесение в таблицу 1.7
показателей качества при указанных рассогласованиях скоростей и различных токах
задания, таких же, как и в предыдущем исследовании.
В приложении А на рисунках А.7 -
А.12 в качестве примера приведены характеристики управления, переключения зон и
рассогласования тока при отмеченных рассогласованиях скоростей и токе задания
равном Iз=500 А для аналогового и
нечеткого регулятора, настроенного по выборке Iз = 800 А; v = 50 км/ч.
Таблица 1.7 - Сравнительный анализ
характеристик при рассогласовании скоростей для аналогового и нечеткого
регулятора, настроенного по выборке Iз=800 А; v=50 м/с.
Ток уставки и скорость
|
Аналоговый
|
Нечеткий
|
I3,
А
|
v,
м/с
|
tp,
с
|
σ,
%
|
N
|
tp,
с
|
σ,
%
|
N
|
200
|
9; 11
|
колебательный
|
колебательный
|
500
|
9; 11
|
колебательный
|
колебательный
|
800
|
9; 11
|
1
|
5.63
|
7
|
статическая ошибка
|
1000
|
9; 11
|
1
|
12
|
7
|
статическая ошибка
|
200
|
29; 31
|
0.15
|
0
|
1
|
0.12
|
2.5
|
1
|
500
|
29; 31
|
1
|
1.2
|
10
|
0.5
|
1
|
4
|
800
|
29; 31
|
колебательный
|
колебательный
|
1000
|
29; 31
|
колебательный
|
колебательный
|
200
|
49; 51
|
0.6
|
0.75
|
4
|
0.6
|
1
|
3
|
500
|
49; 51
|
0.3
|
0
|
1
|
0.25
|
0
|
0
|
800
|
49; 51
|
колебательный
|
колебательный
|
1000
|
49; 51
|
0.3
|
1.2
|
2
|
статическая ошибка
|
.9 Сравнительный анализ
динамических, статических, энергетических характеристик ранее описанных систем
Из анализа данных таблиц 1.5 и 1.6
следует, что улучшение качества переходных процессов при данных настройках
нечеткого регулятора не наблюдалось. Кроме того, в ряде случаев в нечетких
регуляторах возникала статическая ошибка. Даже если эту статическую ошибку исключить
различными схемно-техническими решениями (например, применением ограничителей),
то разброс параметров показателей качества у нечеткого регулятора останется
таким же значительным, как и у аналогового.
Исходя из результатов исследования,
приведенных в таблицах 1.5 и 1.6, можно сделать следующий вывод: каким образом
бы мы ни настраивали нечеткий регулятор в данном режиме, в других режимах он не
будет выдавать лучшие результаты по сравнению с аналоговым.
В ходе исследования влияния
рассогласования скоростей на энергетические характеристики электровоза,
результаты которого приведены в таблице 1.7, выяснилось, что энергетические
характеристики нечеткой системы, так же, как и в предыдущем случае, оказались
неприемлемыми, так как при некоторых токах задания возникала статическая
ошибка.
2. Экономическая часть
.1 Рентабельность
проекта
Целью данного дипломного
проектирования с экономической точки зрения является снижение затрат на
эксплуатацию электровоза за счет снижения потребления энергии. Однако не стоит
забывать о том, что эта экономия должна быть оправдана расходами на
модернизацию.
В таблице 2.1 приведена смета затрат
на приобретение и монтаж нового электрооборудования с учетом страховых взносов
в социальные внебюджетные фонды.
Таблица 2.1 - Смета затрат
Наименование величины
|
Значение
|
Сметная стоимость за единицу электрооборудования, руб.
|
100
|
Количество заменяемых деталей в одном электровозе, шт.
|
8
|
Общая сметная стоимость, руб.
|
800
|
Монтажные работы (40% от общей сметной стоимости), руб.
|
320
|
Страховые взносы в социальные внебюджетные фонды (30% от затрат
на монтаж), руб.
|
96
|
Суммарная стоимость, руб.
|
1216
|
Затраты энергии
электроприводов за год,
Ц= PΣ
· Tч · Цквт;
где PΣ=6560
- мощность электроприводов электровоза, кВт;
Tч=7200
- количество рабочих часов в году, ч;
Цквт=3 -
стоимость одного киловатта энергии, руб.;
Ц=6560·7200·3=141.7·106.
Предположим, что в
результате проектирования нам удалось сэкономить за год 103 кВт·ч·руб.,
то есть получить экономию энергии Э=103 кВт·ч·руб.
Тогда рентабельность
затрат:
где З=1216 руб. -
суммарная стоимость затрат (таблица 2.1);
Срок окупаемости, лет:
Исходя из приведенных
выше формул можно сделать вывод, что проект перехода от аналогового принципа
регулирования электровоза на нечеткий имеет высокую рентабельность, так как
расходы энергии электровоза за один год на несколько порядков превосходят
расходы на модернизацию оборудования, и даже небольшая часть сэкономленной за
год энергии быстро оправдает капиталовложения. К сожалению, случай,
рассмотренный в данном дипломном проекте, относится к числу тех, когда переход
от аналогового принципа регулирования на нечеткий является технологически
нецелесообразным.
Заключение
В данном курсовом
проекте была исследована возможность минимизации энергетических потерь в
тяговом электроприводе электровоза 2ЭС5К за счет перехода от аналогового принципа
системного регулирования на нечеткий. Для этого была построена модель тягового
электропривода, исследованы ее энергетические характеристики. На основе
аналоговой была построена нечеткая модель, был произведен сравнительный анализ
энергетических характеристик. В результате данного анализа выяснилось, что
нечеткая система не позволяет достичь желаемых результатов.
Поскольку в работе не удалось
получить регулятор с желаемыми энергетическими характеристиками, то был
произведен анализ электропривода только в тяговом режиме, режим рекуперативного
торможения не рассматривался.
Список использованных
источников
1 Алексеев, А.С. Система автоматического регулирования тока
коллекторных тяговых двигателей электровоза: дис. канд. тех. наук: 05.09.03:
защищена 12.02.08: утв. 24.06.08 / Алексей Сергеевич Алексеев. - Москва., 2009.
- 302 с.
Рапопорт, О.Л. Особенности режимов работы вспомогательных
электрических машин электровозов серий ВЛ85 и 2ЭС5К / О.Л. Рапопорт, Н.Н.
Харлов, М.В. Волков // Локомотив. - 2006. - Вып. 11. - С. 21-22.
Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К): в 8 т.: руководство по
эксплуатации: разработчик и изготовитель НЭВЗ. - Новочеркасск, 2004. - 8 т.
Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными
тяговыми двигателями / под ред. А.М. Солодунова. - Рига: Знание, 1991. - 351 с.
Бирюков, И.В. Механическая часть тягового подвижного состава:
учебник для вузов ж. д. тр-та / под ред. И.В. Бирюкова. - М.: Транспорт, 1992.
- 440 с.
Якушев, А.Я. Исследование системы автоматического управления тяговыми
электродвигателями электровоза переменного тока: учебное пособие. / А.Я. Якушев
- СПб: ПГУПС, 2010. - 39 с.
Якушев, А.Я. Исследование системы автоматического управления
тяговыми электродвигателями электровоза переменного тока. Часть 2.: учебное пособие.
/ А.Я. Якушев, И.П. Викулов. - СПб: ПГУПС, 2010. - 45 с.
Дьяконов, В.П. Математические пакеты расширения MATLAB:
Специальный справочник / В.П. Дьяконов, В.В. Круглов. - СПб.: Питер, 2001. -
480 с.
Герман-Галкин, С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых
систем в MatLab 6.0: учебное пособие / С.Г. Герман-Галкин. - СПб.: Корона принт,
2001. - 320 с.
Калинин, В.К. Электровозы и электропоезда / В.К. Калинин. - М.:
Транспорт, 1991. - 480 с.
Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизельпоездам
/ Под ред. А.И. Тищенко. - М.: Транспорт, 1976. - 432 с.
Деев, В.В. Тяга поездов / В.В. Деев, Г.А. Ильин, Г.С. Афонин. -
М.: Транспорт, 1987. - 264 с.
Киспяков, В.А. Электрические железные дороги. / под ред. А.В.
Плакса и В.Н. Пупынина. - М.: Транспорт, 1993. - 280 с.
Тихменев, Б.Н. Электровозы переменного тока с тиристорными
преобразователями / Б.Н. Тихменев, В.А. Кучумов. - М.:Транспорт, 1988. - 311 с.
Тихменев, Б.Н. Подвижной состав эликтрифицированных железных дорог
/ Б.Н. Тихменев, Л.М. Трахман. - М.:Транспорт, 1980. - 471 с.