Дипломная работа: Розробка, дослідження системи керування на основі нейронної мережі

Висновки

Перелік використовуваної літератури

ВСТУП

Одним зі стратегічних напрямків державної політики України в області розвитку сучасних видів транспорту є наступне:

- забезпечення задоволення потреб населення України у міських перевезеннях, у перевезеннях на дальні відстані та приміському сполученні;

- залучення до виготовлення сучасних видів рухомого складу вітчизняних виробників, у тому числі науково-технічного та виробничого потенціалу нашої країни;

- створення конкурентно-спроможного рухомого складу, що забезпечить зменшення імпортної залежності України від поставок рухомого складу з країн СНД та Західної Європи. На це вказують ряд Постанов Кабінету міністрів України, розроблено ряд Державних програм, проведена ланка нарад та постанов на рівні керівників підприємств, що займаються створенням сучасних видів рухомого складу. Зокрема, Державною програмою «Розвиток рельсового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту та міського господарства», що введена у дію Постановою Кабінету Міністрів України №769 від 2 червня 1998р., передбачено на основі використання потужного науково-технічного та виробничого потенціалу України виготовлення сучасних конкурентно-спроможних магістральних вантажних та пасажирських локомотивів, дизель- та електропотягів.

Створення сучасного конкурентно-спроможного рухомого складу немислиме без створення електропередачі з тяговими електроприводами змінного струму та систем керування, що забезпечують функціонування тягових одиниць рухомого складу та його складових компонент оптимальним чином. Електрична передача є однією з важливіших частин дизель-потягу, від подальшого вдосконалення якої в багатьом залежить економічність його функціонування. Застосування безколекторних машин(у даному випадку трифазних асинхронних двигунів) пов’язані в першу чергу з підвищенням потужності тягового рухомого складу. З ростом потужності колекторних електродвигунів та генераторів при їхніх обмежених габаритах знижується надійність роботи колекторно-щіточного вузла, підвищуються експлуатаційні витрати, збільшується трудомісткість роботи по їхньому ремонту та обслуговуванню. Порівняльних аналіз електропередач для тягових одиниць рухомого складу показав, що при однаковій потужності тягового агрегату, частоті крутіння ротора двигуна та ряді інших параметрів, електрична передача з тяговими асинхронними двигунами має кращі техніко-економічно показники порівняно з електропередачею з двигунами постійного струму. Визначальну роль у творенні електропередач з електроприводом змінного струму належить системам керування та в тому числі синтезу законів керування з використанням сучасних методів та засобів, до яких відносяться методи оптимізації, синтезу та дослідження складних технічних систем, до яких можна віднести також енергетичну систему даних об’єктів.

Для рішення подібного роду задач зазвичай використовується математичне моделювання, сучасні методи теорії автоматичного керування та оптимізації, прогресивні інформаційні технології, технічні засоби реалізації на базі мікропроцесорної техніки компонент систем автоматичного регулювання.

Проблемам математичного моделювання та оптимізації за допомогою засобів обчислювальної техніки об’єктів рухомого складу, зокрема дизель-потягів, присвячено значне число публікації як у країнах дальнього зарубіжжя, так і в СНД та Україні. Але ряд питань, що стосуються синтезу систем керування для складних об’єктів, до яких відноситься електропривод дизель-потягу з асинхронними тяговими двигунами, потребує подальної розробки та досліджень. Особливо це стосується питань, що пов’язані з розробкою раціональних математичних моделей та методів оптимізації, орієнтованих на застосування засобів обчислювальної техніки та прикладного програмного забезпечення. До того ж, наряду з традиційними методами моделювання та оптимізації, які не завжди володіють необхідною гнучкістю при рішенні конкретних практичних задач з їхніми різноманітними обмеженнями, доцільно використовувати нові перспективні методи та технології на основі штучних нейронних мереж.

Метою роботи магістра є розробка нелінійних математичних моделей систем електропередачі дизель-потягу з асинхронними тяговими двигунами, засобів їхньої реалізації з використанням сучасних засобів обчислювальної техніки та прикладного програмного забезпечення, уточнення структури та параметрів САР окремих енергетичних систем об’єкта керування згідно заданого критерію якості з використанням сучасних технологій на основі методів нечіткої логіки та нейромереж, дослідження об’єкта керування.

1. АНАЛІЗ МЕТОДІВ РОЗРОБКИ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДОМ ДИЗЕЛЬ-ПОТЯГУ

1.1 Дизель-потяг з тяговим електроприводом змінного струму як об’єкт керування

У нашому випадку об’єктом керування є дизель-потяг з тяговим асинхронним електроприводом. Згідно [1], асинхронний тяговий електропривод локомотива є складною динамічною системою. Первинним джерелом живлення слугує дизель-генераторна установка. Далі у схему входять: випрямлювач (В); проміжна ланка постійного струму(ПЛПС); автономний інвертор напруги(АІН); тягові асинхронні двигуни(ТАД), крутячі моменти яких передаються механічній передачі(МП) та навантаженню(Н) (локомотиву та потягу) через контакт колесо-рельс; сигнали керування для генератору та інвертору формуються під контролем мікропроцесорної системи керування(СК), що обробляє сигнали з датчиків.

Енергетична система дизель-потяга може біти віднесена до класу багатозв’язкових нелінійних об’ктів керування. Для таких об’єктів керування відсутні єдині підходи синтезу регуляторів, що забезпечують необхідні показники якості підтримання вихідних змінних у широкому діапазоні зміни обурюючих впливів та умов експлуатації.

Визначним фактором при керуванні технологічними процесами в об’єктах з асинхронними електроприводами є регулювання швидкості їхніх двигунів. З позиції теорії електричних машин та електропривода основними та найбільш економічним засобом регулювання швидкості асинхронного двигуна є частотне керування. Можливість керування швидкістю локомотива шляхом зміни частоти крутіння короткозамкнених асинхронних двигунів була доведена одразу після їхнього винаходження [2,8]. Реалізувати цю можливість вдалося лише з появою силових напівпровідникових пристроїв – спочатку тиристорів, а пізніше – транзисторів IGBT [3,11], що складають основу перетворювачів частоти. Перетворювачі частоти з мікропроцесорною системою керування мають велику кількість функцій, що вільно програмуються та автоматично виконуються. Для даного об’єкта особливий інтерес представляють та можуть бути використані:

- частотні пуск та останов двигуна з оптимальним за часом розгоном та гальмуванням;

- повне керування моментом у всьому діапазоні частот;

- векторне керування двигуном (при розімкнутій системі керування);

-ПІД-регулювання керованого технологічного параметру (при замкненій системі з датчиком цього параметру).

Дійсного часу у всьому світі в асинхронному електроприводі широко реалізується частотний спосіб керування, який сьогодні розглядається не лише з точки зору економії вжитої енергії, але й з точки зору вдосконалення систем керування.

Таким чином, питанням автоматизації процесів керування в об’єктах залізничного транспорту, зокрема за допомогою асинхронних електроприводів та їхніх систем керування, приділяється значна увага як в Україні, так і в країнах ближнього та дальнього зарубіжжя. При цьому розглядаються питання дослідження різноманітних засобів покращення якості технологічного процесу шляхом вдосконалення самих пристроїв керування, а також допоміжних пристроїв (вимірювальних датчиків, перетворювачів сигналів та ін.), створення систем керування, що забезпечують функціонування об’єкта згідно заданому критерію якості, регулювання швидкості об’єкта шляхом зміни частоти та діючої напруги живлення тягових асинхронних двигунів з використанням як відомих законів керування, так і синтезованих на основі сучасної теорії автоматичного керування, реалізації пристроїв керування з використанням засобів мікропроцесорної техніки.

1.2. Аналіз методів та критеріїв якості, що використовуються для розробки систем керування об’єктами залізничного транспорту.

При розробці систем керування можна виділити два етапи. Перший – пов’язаний з вибором або синтезом структури системи керування, виходячи з можливостей отримання достовірної інформації про використовувані вихідні величини, що поступають з вимірювальних датчиків, збурюючих впливів та характеристик керуючих дій на об’єкт керування. Другий етап пов’язаний з визначенням параметрів елементів системи керування.

Структурний синтез САК базується, як правило, на відомих аналогах , а також на теоретичних розробках І.О. Вишнеградського, А. Стодоли, Д.К. Максвелла, О.М. Ляпунова, Л.С. Понтрягіна, О.М. Лєтова, А.І. Лур’є, Р. Бєллмана, Р.Е. Калмана, М.А. Айзермана, О.А. Фельдбаума, О.О. Красовського, М.М. Красовського та інших, хто заклали основи теорії автоматичного регулювання та сучасної теорії автоматичного керування та обґрунтували основні принципи побудови систем регулювання [4-6].

Таким чином, проблеми, які з’являються у конструктора при розробці визначеної системи керування(СК) – це проблема вибору методу синтезу, для визначення структури СК та критерію, згідно якого буде оцінюватися якість процесів, що протікають в об’єкті керування.

Оцінювання якості системи можна здійснити, використовуючи загальні фундаментальні теоретичні положення або поодинокі критерії, що характерні для даного об’єкта.

Методи аналізу якості перехідних процесів згідно [4, 6, 7] можна розділити на дві основні групи: перша – прямі методи оцінювання якості по кривій перехідного процесу; друга – опосередковані методи. Прямі методи потребують рішення системи диференційних рівнянь, опосередковані – не потребують.

Основними показниками якості процесу керування, що застосовуються в інженерних розрахунках, є: час регулювання, перерегулювання та коливальність перехідного процесу. При застосуванні кореневих методів – показниками якості є ступінь стійкості та ступінь хиткості системи [4,6,7].

Практичний інтерес при синтезі систем керування представляють інтегральні оцінки якості перехідного процесу [6,7]. Вони мають метою надати загальну оцінку швидкості затухання та величини відхилення величини, що регулюється, у сукупності, без визначення того та іншого окремо. Метод інтегральних оцінок дозволяє отримати в результаті розрахунку окремих інтегралів від деякої функції керованої змінної сумарну помилку за час перехідного процесу. Недоліком інтегральної оцінки є те, що вона годиться лише для монотонних процесів, коли не змінюється знак змінної, що досліджується. Тому більш доцільно використовувати квадратичну інтегральну оцінку. Загальним недоліком інтегральних оцінювань є те, що тут нічим не обмежується Форма кривої перехідного процесу, оскільки різні по формі перехідні процеси можуть мати одне й те саме чисельне значення інтегрального критерію якості.

З урахуванням конструктивного виконання силової частини елементів системи керування електропередачі, зокрема тиристорного перетворювача частоти, елементи якого розраховані на визначену величину комутуючого струму, з розглянутих методів оцінки якості, з метою проведення параметричного синтезу СК електропередачі дизель-потягу, найбільш доцільно використовувати показники якості процесу керування: час регулювання, перерегулювання та коливальність перехідного процесу.

У дійсний час існує ряд критеріїв, що використовуються при синтезі оптимальних законів керування асинхронним електроприводом. Усім їм властивий один недолік: у якості параметра оптимізації виступає один з енергетичних або техніко-економічних показників. Однак вони можуть бути ефективно використані у випадку параметричної оптимізації, коли відома структура системи керування, а задача стоїть у визначенні коефіцієнтів компонент системи, якщо врахувати, що сьогодні існують спеціалізовані пакети прикладних програм, в основі яких лежить процедура випадкового або градієнтного пошуку.