СИСТЕМА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭКИПАЖНОЙ ЧАСТЬЮ ЛОКОМОТИВА

На современном этапе технического прогресса наиболее массовым средством перемещения вдоль земной поверхности остается колесо (на ЖД транспорте это колесные пары). Колесо имеет постоянный радиус и при перемещении по рельсам передает на корпус тележки толчки от всех неровностей рельсовой колеи. Решением этих проблем занимаются путейцы, однако, не смотря на колоссальную работу в этой области, избавление от вертикальных колебаний колесной пары локомотивов до сих пор не произошло [1, с. 319].

Классическими методами борьбы с вертикальными колебаниями локомотивов заключаются в следующем:

- выправление рельсового полотна до «зеркального состояния», что бы колесо катилось по нему, не подвергаясь ни малейшему вертикальному отклонению.

- установка на тележку локомотивов системы гашения колебаний, состоящей из упругой (пружина) и демпфирующей (амортизатор) частей; использование аналогичных средств амортизации между рамой тележки и кабиной машиниста, между кабиной и сидением машиниста, между сидением и непосредственно с самим человеком.

Условия комфорта, а также правила безопасности движения требуют, от нас регулировать вертикальные колебания через управление подвеской. Однако, данные требования могут быть противоречивыми: комфортное самочувствие пассажиров можно достичь при использовании мягкой подвески, но мягкая подвеска снижает устойчивость и управляемость локомотива. Неуправляемые подвески рассчитываются в зависимости от рода службы подвижной единицы (пассажирский или грузовой); средний и предельный вес; режимы эксплуатации и т.д. Таким образом, плавно подходим к другому способу исключения вертикальных колебаний.

Основополагающим решением, связанным с управлением подвеской определялись простой концепцией – использовать несколько режимов подвески и вводить их механически по мере необходимости. Включение/выключение режимов подвески во время движения ложилось бы на плечи машиниста поезда, отвлекая его от поездной работы. Поэтому использовать данный метод невозможно [1, с. 321]

Следующим витком инженерной мысли является следующий этап: использование подвески с приборами, допускающими регулирование жесткости в зависимости от внешних условий (чем больше нагрузка, тем жестче делается подвеска). Примерами являются амортизаторы, которые могут генерировать импульсы силы, применяющие наружную систему высокого давления; амортизаторы переменной вязкости, использующие магнитореологическую жидкость MRF, которая управляется электромагнитным полем.

Использование амортизаторов само по себе не принесет большой пользы без корректного управления ими, без управления и программ принятия решения бортовым компьютером. В настоящее время это достигается следующим образом: разрабатывается математическая модель движения экипажной части локомотива, а затем вычисляется закон управления. Даже на современном этапе развития вычислительной техники математическая модель подрессоренной тележки становится, как правило, невероятно сложной при стремлении учесть все реалии объекта. В зависимости от различных внешних причин, характеристики подвески и ее модели могут сильно изменяться; заранее учесть эти изменения очень трудно, а иногда практически невозможно. Например: различная загрузка вагона-метро в зависимости от пиковых часов пассажиропотока. Таким образом формируется идея использования адаптивного автоматического управления (ААУ) [2, c 23].

Метод ААУ применим в том случае, при наличии:

• управляемого актюатора (исполнительного элемента);
• датчики, отслеживающие в режиме реального времени состояние ОУ (объекта управления)
• результатов и целей, достижение которых необходимо в процессе управления.

В реальности, необходимо разработать систему автономного искусственного интеллекта (АИИ), способная адаптироваться к текущим свойствам локомотива и его экипажной части. Иными словами, это будет помощник машиниста, квалифицирующийся на управлении подвеской.

Оборудуем кузовную ступень рессорного подвешивания локомотива исполнительным элементом (актюатором), который будет способен оказывать воздействие на вертикальное ускорение h’’(t) кузова локомотива. Действующие вертикальные перемещения кузова можно измерять при помощи акселерометра.

Рисунок 1. Схематичное изображение ступеней рессорного подвешивания локомотива

(1 – буксовая ступень РП; 2 – кузовная ступень РП; 3 – кузов локомотива)

В идеальном случае, траектория кузова локомотива y(t) должна быть прямая горизонтальная линия. Но так, как существуют неровности пути, стыки рельсов, дефекты бандажей колесных пар по кругу катания (ползуны в пределах допуска; неравномерный износ по кругу катания) этого достичь невозможно. Следует вывод, что желаемая траектория движения будет находится в определенном поле допуска высот над поверхностью рельсового полотна. Бортовая система АИИ должна самостоятельно распознавать положение кузова в данный момент времени и определять его нахождение в допустимом коридоре.

Исполнительное устройство (актюатор) будет осуществлять управляющее воздействие, целью которого как раз и будет являться по возможности привести траекторию перемещения кузова локомотива к прямой горизонтальной линии [2, c. 17]. Если выполнить систему, которая сама рассчитывать величину управляющего воздействие, то ее быстродействие и надежность будут минимальными. Вариантом решения можно рассмотреть следующее действие: на математической модели определить зависимость между величиной управляющего воздействия и перемещением. Полученные результаты внести в базу данных системы ААУ. Таким образом задачей системы будет сравнить перемещение фактическое с перемещением, находящемся в БД, и в зависимости от этого определить величину воздействия.

Рисунок 2. Схема адаптивного автоматического управления ААУ на экипажной части локомотива

(1 – рама локомотива (надрессорное строение); 2 - актюатор (исполнительный элемент); 3 – гидравлический гаситель колебаний; 4 – колесная пара; 5 – буксовая ступень рессорного подвешивания; 6 – рама тележки локомотива; h – высота неровности; h’’ – вертикальное ускорение колесной пары; Fдин – динамическая сила инерции, возникающая при вертикальных колебаниях надрессорного строения; Fдин кп - динамическая сила инерции действующая от колесной пары на рельс).

Список литературы:

1. Жданов А.А. Автономный искусственный интеллект [Электронный ресурс] / А. А. Жданов. – 3-е изд. (эл.). – М.: БИНОМ. Лабаротия знаний, 2012.-359 с. : ил. – (Адаптивные и интеллектуальные системы).
2. Автоматические системы управления электроподвижным составом: учебник: в 3 ч. / Л.А. Баранов, А.Н. Савоськин, О.Е. Пудовиков и др.; под ред. Л.А. Баранова и А.Н. Савоськина. – М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте»; 2013. 4.1: Теория автоматического управления. – 400 с.