Моделирование системы управления тягой и торможением магистрального грузового тепловоза в программных комплексах Matlab и "Универсальный механизм"

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Моделирование системы управления тягой и торможением магистрального грузового тепловоза в программных комплексах Matlab и «Универсальный механизм»

Г.А. Федяева

Изложена методика и представлены результаты моделирования системы управления тягой и торможением магистрального грузового локомотива с учетом процессов в электрической и механической подсистемах на основе совмещения программных комплексов Matlab/Simulink и «Универсальный механизм» с использованием интерфейса CoSimulation.

Ключевые слова: моделирование динамики, электромеханические системы, программные комплексы, магистральный грузовой тепловоз, управление тягой и торможением, Matlab, UM.

моделирование тяга программный интерфейс

Современные тяговые электроприводы (ТЭП) локомотивов являются сложными электромеханотронными системами, создание и развитие которых требует совершенствования методологии их исследования. В настоящее время существуют специализированные программные комплексы (ПК) для исследования полупроводниковых систем электропривода (MatLab, OrCad и др.) и динамики сложных механических систем (MSC.ADAMS, SimPack, «Универсальный механизм» (UM) и др.). Совместный анализ электромеханических процессов проводится, как правило, на упрощенных моделях [1; 2]. Вместе с тем отработку алгоритмов управления сложными механическими системами целесообразно вести на моделях, максимально приближенных к реальному объекту. В данной статье рассматривается методика, разработанная в Брянском государственном техническом университете, позволяющая совместить модели электрической части, разработанные средствами MatLab/Simulink, с моделями ПК UM [3; 4].

Для моделирования электромеханотронных систем комплекс UM дополнен двумя специальными интерфейсами (инструментами), MatLab Import и CoSimulation [4], позволяющими совмещать модели электрической части, созданные в MatLab/Simulink, и модели механической части, разработанные в UM. Названные интерфейсы реализуют два различных подхода к совмещению моделей: инструмент MatLab Import импортирует в UM модель электрической части, созданную в MatLab/Simulink, и сам процесс моделирования динамики управляемого движения происходит в UM; инструмент CoSimulation экспортирует из UM в MatLab/Simulink модель механической части, которая включается в модель электрической подсистемы в виде стандартного блока S-функции, и с точки зрения пользователя весь процесс моделирования происходит в MatLab/Simulink. Второй подход снимает ряд ограничений, имеющихся в интерфейсе MatLab Import (в частности, можно использовать модели полупроводниковых преобразователей из пакета силовой электроники MatLab/Simulink и дискретные блоки).

Именно этот подход применен при разработке комплексной электромеханической модели магистрального грузового шестиосного тепловоза с новой системой управления тягой и торможением на пределе по сцеплению колес с рельсами (рис. 1). Прототипом модели является тепловоз 2ТЭ25А «Витязь» с асинхронными тяговыми двигателями (АТД). Модель механической части тепловоза в UM включает 107 степеней свободы и построена по методу подсистем (колесно-моторный блок, тележка, экипаж, путь и т.д.). Каждому телу в подсистеме (а также связям между телами) соответствует свой графический образ, которому обычно придают вид, аналогичный реальному. Поэтому модели отдельных подсистем и всей механической системы в UM отражают все элементы и связи фактической расчетной схемы и одновременно имеют вид, максимально приближенный к реальному объекту.

Рис. 1. Создание электромеханической модели ТЭП локомотива на основе совмещения MatLab/Simulink и UM с помощью интерфейса CoSimulation

Кроме того, для всех моделей рельсовых транспортных средств в UM предусмотрено определение дополнительных параметров. Для этого имеются следующие средства: дополнительный модуль расчёта сил тяги, реализуемых в контакте «колесо-рельс» (сил крипа), и параметров путевой структуры (неровности рельсов и макрогеометрия колеи); процедуры генерирования случайных неровностей по заданным спектральным плотностям, а также периодических и единичных неровностей любого типа; визуальная среда для задания профилей колёс и рельсов, профиля пути, потенциальных коэффициентов сцепления на соответствующих участках пути, способа моделирования кривой сцепления при расчете режимов буксования и юза.

Опыт эксплуатации отечественных грузовых магистральных тепловозов 2ТЭ25А «Витязь» показывает их высокие тяговые качества, но вместе с тем свидетельствует о пробуксовке колесных пар при разгоне и имеющихся поломках в тяговой передаче, вызванных значительными динамическими нагрузками. Это обусловливает актуальность исследований в области совершенствования систем управления (СУ) тяговым электроприводом, направленных на снижение динамических усилий в тяговой передаче средствами управления АТД. С использованием представленной математической модели выполнен расчет динамических процессов в механической подсистеме ТЭП тепловоза 2ТЭ25А при срыве сцепления и свободном развитии буксования (рис. 2).

а) б)

Рис. 2. Результаты моделирования динамических процессов в механической части ТЭП тепловоза 2ТЭ25А при срыве сцепления и свободном развитии буксования (потенциальный коэффициент сцепления 0 = 0,42): а ? линейные скорости колес 1 - 6-й осей и локомотива;

б ? крутящие моменты на осях 1 - 6-й колесных пар

У современных грузовых локомотивов с АТД, развивающих высокие тяговые усилия и осуществляющих разгон на пределе по сцеплению колес с рельсами, повышаются вибрации в тяговой передаче, которые усиливают износ и могут привести к поломкам. Это подтверждается моделированием, иллюстрирующим развитие фрикционных автоколебаний и увеличение динамических нагрузок в элементах тяговой передачи второй оси локомотива (рис. 2).

Для снижения динамических нагрузок в передаче и улучшения тяговых свойств разработаны функциональная схема и алгоритмы работы СУ ТЭП локомотива с индивидуальным регулированием АТД на пределе по сцеплению колес с рельсами и подавлением фрикционных автоколебаний в тяговом тракте. Причем анализировались два алгоритма, позволяющие осуществлять реализацию предельных тяговых усилий: экстремальное регулирование (самонастройка на максимум кривой сцепления) и релейное регулирование проскальзывания колес. В каждом из них предусмотрен контроль виброускорений корпуса АТД [5].

В качестве примера на рис. 3 приведена функциональная схема ТЭП с экстремальным регулированием. Общие принципы построения систем управления ТЭП, применяемые на зарубежных локомотивах [6], это привязка задания на ускорение ротора асинхронного тягового двигателя, приведенное к ободу колеса (далее ускорение ротора), к ускорению локомотива и поиск системой управления максимального значения силы тяги (момента АТД) с использованием блока логики поиска экстремума. Недостатком систем экстремального регулирования [6], в которых при заданном отклонении Ммах момента двигателя от максимума в ту или иную сторону скачком изменяется задание на ускорение ротора АТД, является то, что требуемую величину отклонения Ммах весьма сложно правильно определить, а при превышении этой величиной некоторого порогового значения возможно возникновение фрикционных автоколебаний и повышенных вибраций в тяговой передаче.

Рис. 3. Функциональная схема системы управления ТЭП грузового локомотива с экстремальным регулированием тяги и торможения

Поэтому СУ [6] предлагается модифицировать, дополнив их устройством обнаружения буксования по уровню колебаний в заданных частотных диапазонах (далее устройство контроля колебаний) [2, 5]. При этом выбор между двумя заданиями (а1 и а0) на ускорение ротора АТД, одно из которых больше ускорения локомотива на определенную величину, а другое меньше, осуществляется по сигналам двух блоков ? блока логики поиска экстремума и устройства контроля колебаний ? при помощи специальной таблицы переключений (рис. 3), значения параметров в которой приводятся при возрастании и убывании задания на момент М (при возрастании стрелка перед М указывает вверх, при убывании - вниз).

Чтобы удержаться вблизи максимума характеристики сцепления, регулирование момента тягового двигателя должно быть высокодинамичным. Этому требованию удовлетворяют: 1) система векторного управления АТД; 2) система прямого управления моментом (Direct Torque Control ? DTC). Разработана модель электрической части ТЭП в основной библиотеке MatLab/Simulinc на основе уравнений АТД, представленного двухфазной обобщенной машиной, математического описания системы DTC с использованием пропорционального (П) и пропорционально-интегрального (ПИ) регуляторов скорости ротора [7].

Для проверки адекватности модели электрической подсистемы ТЭП проведено сравнение результатов моделирования динамических процессов в электроприводе с DTC с осциллограммами экспериментальных исследований [1], выполненных на лабораторной установке. Установка оборудована преобразователем частоты ACS850 фирмы «ABB» c DTC, программным обеспечением для компьютерного отображения результатов, асинхронным электродвигателем АО42-4 с электромагнитным тормозом, электроизмерительными приборами. Эксперимент проводился путем дозированного увеличения и уменьшения момента сопротивления на валу двигателя в замкнутой системе регулирования с П- регулятором скорости. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных по фиксируемым параметрам ? моменту и угловой скорости ротора ? составляет 8 %.

Разработанные модели электрической и механической подсистем ТЭП объединены в общую электромеханическую модель (рис. 1), реализующую управление электроприводом локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами и подавление фрикционных автоколебаний в соответствии с функциональной схемой СУ (рис. 3). На основе численных экспериментов исследовано функционирование СУ, реализующей максимальные тяговые усилия при применении для регулирования АТД системы прямого управления моментом.

В качестве примера на рис. 4 представлены результаты моделирования работы системы экстремального регулирования при удовлетворительных погодных условиях и низком демпфировании в механической передаче с учетом случайного разброса потенциального коэффициента сцепления 0. В данном случае 0 ступенчато изменяется в диапазоне 20 % от 0=0,2 с разбросом по нормальному закону через каждые 5 - 10 м пути.

Рис. 6. 26. Результаты моделирования разгона шестиосного локомотива с составом 1100 Т при учете случайного изменения условий сцепления:

а)

Рис. 4. Результаты моделирования разгона шестиосного локомотива с составом весом 1100 т с учетом случайного изменения условий сцепления

В целом результаты исследований показывают, что при удовлетворительных и хороших условиях сцепления (0 = 0,19...0,35 и выше) и достаточной крутизне падающего участка характеристики сцепления при движении на пределе по сцеплению колес с рельсами наблюдается развитие фрикционных автоколебаний, причем наиболее характерными являются колебания с узлом на оси колесной пары (рис. 2). При свободном развитии колебаний динамические нагрузки в отдельных элементах ТЭП (в частности, в оси колесной пары) могут в 3 раза превышать нагрузки номинального режима. В предлагаемой системе управления при возрастании автоколебаний происходит срабатывание устройства, анализирующего уровень вертикальных виброускорений корпуса АТД, и переключение задания на ускорение с а1 на а0 (рис. 3), что вызывает снижение тяговых (или тормозных) усилий АТД и подавление фрикционных автоколебаний.

Использование в СУ для изменения задания на ускорение ротора сигнала устройства контроля колебаний совместно с сигналом отклонения от максимума силы тяги позволяет подавить развитие колебаний и снизить динамические нагрузки в тяговой передаче от фрикционных автоколебаний при реализации предельных тяговых усилий до уровня, не превышающего 15 % усилий номинального режима даже в наиболее неблагоприятном случае, при низком демпфировании в тяговой передаче.

Список литературы

Матюшков, С.Ю. Система автоматизированного управления тяговым электроприводом с асинхронными двигателями/С.Ю. Матюшков, Д.В. Кочевинов, Г.В. Роговцев, Г.А. Федяева// Вестн. БГТУ.- 2012. - № 1.- С. 108-114.

Павленко, А.П. Прогнозирование развития фрикционных автоколебаний в произвольных конструкциях тяговых приводов при буксовании/ А.П. Павленко, Н.В. Клипаков// Вестн. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. Ч. 1. - Луганск: Изд-во ВНУ, 2005. - № 8.- С. 66-70.

Федяева, Г.А. Оценка динамических нагрузок тягового привода на электромеханических моделях перспективных тепловозов/ Г.А. Федяева, Д.Ю. Погорелов// Тяжелое машиностроение.- 2007.- № 10.- C. 30-35.

Universalmechanism.com. - Официальный сайт Лаборатории вычислительной механики БГТУ.

Способ управления тяговым электроприводом локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами: пат. РФ на изобретение RU 2446063/ Федяева Г.А., Федяев Н.А., Матюшков С.Ю., Роговцев Г.В. //Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам. Изобретения. Полезные модели. - Опубл. 27.03.12, Бюл. № 9.

Бушер, М. Регулирование проскальзывания колес на электровозах с асинхронным тяговым приводом/М. Бушер [и др.]// Железные дороги мира. - 1994.- № 4.- С. 30-45.

Федяева, Г.А. Моделирование асинхронного тягового привода тепловоза с системой прямого управления моментом/ Г.А. Федяева// Мир транспорта. - 2006.- № 4.- С. 10-15.

Размещено на Allbest.ru