Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Горелик Владимир Юдаевич. Теория и методы анализа нестационарных транспортных систем управления : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.13.06 : Москва, 2003 214 c. РГБ ОД, 71:04-5/166-8

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

1.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 13

  1. Общие положения 13

  2. Разработка математической модели управления на участке 19

  3. Устойчивость управления движением поездов на участке 24

  4. Чувствительность системы управления к изменению 29 параметров, определяющих движение на участке

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА УСТОЙЧИВОСТИ 34
ПЕРИОДИЧЕСКИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СИСТЕМ

  1. Краткий исторический обзор 34

  2. Разработка метода анализа устойчивости периодически 40 нестационарной системы.

  3. Разработка обобщенной методики определения корней 50 характеристического уравнения нестационарной системы

  4. Приведение уравнения системы к каноническому виду 56

  5. Определение реакции системы 66

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕАКЦИИ 70
ПЕРИОДИЧЕСКИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СИСТЕМ НА

ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

  1. Основы метода вычисления импульсной переходной 70 функции g(t,T)

  2. Оценка точности вычисления 75

  3. Анализ вида импульсной переходной функции во временной 79 области (случай простых полюсов)

3.3.1 . Комплексные корни 79

3.3.2. Действительные корни 81

3.3.3. Кратные корни 81

3.4. Разработка метода определения переходной функции Л(/,г) 82

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА ДИСКРЕТНЫХ 95
ПЕРИОДИЧЕСКИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СИСТЕМ

4.1 Разработка метода анализа систем 2-го порядка 95
4.2. Разработка общего метода анализа 105

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ ПО

НА УЧАСТКЕ

  1. Общие положения 110

  2. Разработка модели для определения устойчивости управления 121

  3. Методика определения устойчивости и чувствительности 132 графика движения поездов

  4. Расчет информационной загрузки диспетчера по управлению 142 движением поездов

6.. РАСЧЕТЫ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ 150

УСТРОЙСТВ
q 6.1 Расчет устойчивости параметрического преобразователя 150

частоты

  1. . Построение областей устойчивости 160

  2. Расчет параметрического преобразователя частоты 167 общего вида

6.4. Приведение систем линейных дифференциальных уравнений с 174
периодическими коэффициентами к каноническому виду

Q ЗАКЛЮЧЕНИЕ 180

ЛИТЕРАТУРА 183

ПРИЛОЖЕНИЕ 210

І '

Введение к работе:

Работа посвящена вопросам развития теории и создания методов расчета транспортных нестационарных систем управления.

Актуальность этой проблемы определятся тем, что реализация программы информатизации и развития систем телекоммуникации на железнодорожном транспорте России вызвала интенсификацию комплексной автоматизации интегрированного управления технологическими процессами железнодорожного транспорта. Диспетчерское управление движением поездов на участке - один из основных элементов системы управления железнодорожным транспортом. Процесс управления зависит от множества факторов (параметров пути, локомотива, состава; метеоусловий и т.п.), а также и от графика движения поездов, который должен быть реализован. В структуре управления движением поездов диспетчерское управление является важным технологическим процессом, который с одной стороны имеет дело непосредственно с движущимся составом, а с другой, является источником информации для управляющих систем более высокого порядка. С этой точки зрения разработка теоретических основ и методов математического моделирования, позволяющих решать задачи устойчивости движения поездов в соответствии с нормативным графиком, и чувствительности к изменениям параметров поезда и участка движения, является важной проблемой управления процессом перевозок.

Транспортные системы диспетчерского управления являются сложными человеко-машинными системами, для описания которых используются многочисленные математические модели. Значительный вклад в разработку моделей для решения задач автоматизации и управления технологическими процессами на транспорте внесли российские ученые В.М.Абрамов, Л.А.Баранов, И.В.Беляков, А.М.Брылеев, Б.А.Буянов, Г.В.Горелов, П.С.Грунтов, Г.В.Дружинин, С.В.Дувалян, Е.В.Ерофеев,

Б.А.Завьялов, П.А.Козлов, Ю.А.Кравцов, Д.Ю.Левин, В.МЛисенков, Н.Ф.Пенкин, В.В.Сапожников, В л.В.Сапожников, А.А.Смехов, Е.М.Тишкин, Д.В.Шалягин В.И.Шелухин и многие другие.

Одной из таких моделей является описание системы управления движением поездов на участке с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений. В этом случае могут ставиться задачи по определению периодических режимов, их устойчивости, чувствительности и др. Эти задачи приводят к необходимости решения нелинейных дифференциальных уравнений и связанных с ними уравнений с изменяющимися во времени коэффициентами. Разработка моделей такого рода и создание методов их анализа позволяют повысить качество управления движением поездов.

Современные методы анализа систем управления используют все более сложные математические модели, в связи с тем, что задача доведения расчетов до численного результата, существенно упростилась с появлением эффективных интегрированных математических пакетов (MathCAD, Maple V, Mathematica и другие). Это позволяет специалисту моделировать происходящие процессы, не оглядываясь на сложности математического характера. Тем более актуальным становится выбор адекватной модели системы управления движением поездов на участке, позволяющей анализировать и учитывать наиболее существенные стороны реальных процессов управления.

На практике широко распространены нестационарные самонастраивающиеся системы, системы управления с программой и системы автоматического регулирования с модуляцией, которые описываются дифференциальными уравнениями с изменяющимися во времени коэффициентами. К аналогичным уравнениям приводит исследование многих нестационарных транспортных систем управления. Среди них управление движением ракеты, масса которой уменьшается с расходом топлива, вибрационных гироскопов; колебания валов несимметричного сечения, валов с переменным

і '

моментом инерции, поперечные колебания стержней, сжатых осевыми, периодически изменяющимися силами; колебания подвижного состава железных дорог, что приобретает особое значение в настоящее время в связи с увеличением скоростей движения поездов.

Отклонения от номинального, рассчитанного режима движения приводят к появлению нестационарности при описании транспортных систем управления. Это также связано с необходимостью анализа дифференциальных уравнений с изменяющимися во времени коэффициентами.

Линейные нестационарные системы занимают, с точки зрения сложности анализа, промежуточное положение между линейными системами с постоянными параметрами и нелинейными системами.

Для анализа линейных систем с постоянными параметрами существует большое количество инженерных методов расчета, широко применяющихся на практике. Среди них наиболее универсальными являются преобразования Лапласа и Фурье.

Нелинейные системы требуют для своего анализа выбора индивидуального метода, обоснования возможности его применения. Эта задача в большей мере искусство, которое требует от инженера весьма высокой математической подготовки. Чаще всего исследователь выбирает численный метод с известными ограниченными возможностями.

С точки зрения расчета, линейные нестационарные системы, с одной стороны обладают всеми преимуществами линейных, но с другой стороны общие методы их анализа достаточно сложны для применения в инженерной практике.

Разработке моделей диспетчерского управления посвящено большое количество отечественных и зарубежных работ, которые решали важные вопросы автоведения, телеуправления и телесигнализации, надежности и безопасности, эргономичности и т.п. Однако учет нестационарности

управления и устойчивого выполнения периодически реализуемого ядра графика движения поездов на участке не проводился.

Аналитический аппарат для анализа подобных систем подбирался, как правило, для конкретных частных случаев, что не позволяло использовать результаты в инженерной практике для широкого круга систем. Поэтому разработка инженерных методов анализа нестационарных транспортных систем является важной проблемой транспортных систем управления.

Целью настоящей работы и является разработка практически приемлемых методов анализа нестационарньїх систем, определения их устойчивости и расчета переходных режимов, применительно к задачам автоматизации и управления технологическими процессами железнодорожного транспорта, разработка адекватной модели системы управления движением поездов на участке, позволяющей анализировать и учитывать существенные стороны реальных процессов управления, и развитие методов, предназначенных для анализа такой модели управления, которая в общем случае является нестационарной. Разработка на базе этих методов общих подходов к решению актуальных задач для транспортных систем управления и других систем, описываемых дифференциальными или разностными уравнениями с нестационарными коэффициентами.

К решению дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами приводят исследования как абсолютной, так и периодической устойчивости нелинейных систем. В работе Е.С. Пятницкого [АиТ, №6, 1968] отмечалось: "Если бы существовали простые методы исследования

обычной устойчивости линейных систем с периодическими коэффициен-

тами, то в силу этих работ в такой же мере была бы решена и, казалось бы, более сложная задача об абсолютной устойчивости нелинейной системы". Заметим так же, что Н.Винер в своей книге [32] сказал: "... можно представить, что отправляясь от линейного неоднородного уравнения (с периоди-

ческими коэффициентам) и понемногу снимая ограничения, мы можем прийти к решению весьма общей нелинейной задачи".

Основные направления исследований можно сформулировать следующим образом:

  1. Разработка математической модели системы диспетчерского управления движением поездов на участке в виде самонастраивающейся нестационарной системы автоматического управления с программой и решение на базе этой модели задачи определения устойчивости графика движения.

  1. Разработка метода расчета периодически нестационарных систем управления транспортными процессами, включая исследование устойчивости и определение реакции системы на внешние воздействия общего вида.

  2. Разработка метода расчета нестационарных систем управления с не периодически изменяющимися параметрами, представленными разложением в ряд экспонент с вещественными показателями.

  3. Разработка метода расчета дискретных периодически нестационарных систем управления, описываемых разностными уравнениями с параметрами, изменяющимися во времени.

Научная новизна результатов, полученных в работе, состоит в следующем:

предложена модель системы диспетчерского управления движением поездов на участке, использующая дифференциальные уравнения, ограничения на взаимное расположение поездов на участке и периодическую реализацию ядра нормативного графика движения поездов;

разработана методика определения устойчивости выполнения нормативного графика движения поездов на участке при «малых» отклонениях от него;

развит метод анализа устойчивости и реакции периодически нестационарных систем управления на базе преобразования Лапласа;

разработан метод анализа дискретных периодически нестационарных систем управления;

разработана методика получения характеристического уравнения, используемого для расчета устойчивости нестационарных систем, в каноническом виде независимо от характеристик системы;

разработана методика расчета импульсной переходной характеристики нестационарной системы управления аналогового и дискретного типа.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

Разработан метод моделирования диспетчерского управления движением поездов на участке, позволивший определить устойчивость и информационные параметры управления.

Разработаны методы анализа устойчивости и реакции нестационарных систем управления, позволяющие в рамках единой теории исследовать как аналоговые, так и дискретные системы.

Разработана методика определения точности расчетов нестационарных систем различного вида при замене бесконечных рядов и определителей конечными.

Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, определяется корректностью, исходных математических положений, обоснованностью принятых допущений, применением традиционного математического аппарата преобразования Лапласа и теории устойчивости Ляпунова; сопоставлением полученных резуль-

татов с известными исследованиями, соответствием результатов, полученных теоретически, имеющимся на практике.

Реализация результатов исследований. Разработанные методы использовались:

  1. При расчете устойчивости работы элементов отображения информации мнемосхемы коллективного пользования. (Работы по созданию Автоматизированного Диспетчерского Центра Управления МПС, 1985-1987 гг.)

  2. При расчете параметров участка диспетчерского управления. (Проект высокоскоростной магистрали «Центр - Юг», 1990г.).

  3. При анализе работы диспетчеров участка Лиски - Мичуринск (Работа по договору о сотрудничестве с Юго-Восточной железной дорогой, 1997 — 1999 гг.)

  4. При расчете динамических погрешностей вихретокового толщиномера с автоматической подстройкой нуля (Отзыв научно-исследовательского института технологии и организации производства двигателей. 1992г.)

  5. При расчете зоны устойчивой работы параметрического делителя частоты (Авторское свидетельство об изобретении №255371,

кл. 21а4, 6/02, 1969г.).

Основные положения и результаты диссертации доложены на Всесоюзной научно-технической конференции «Электроника и информатика в гибких автоматизированных производствах» (г. Пермь, ЦНИИТЭИприбо-ростроения, 1987 г.), на Всесоюзной конференции «Моделирование систем и процессов управления на транспорте» (г. Москва, АН СССР, 1991 г.), на

*

Всесоюзном совещании по проблемам создания дорожных автоматизированных диспетчерских центров управления (ДАДЦУ) (г. Москва, МПС СССР, 1991 г.), на V Всесоюзной конференции «Однородные вычислительные системы, структуры и среды» (пос. Софрино Московской обл., ВНТО-

РЭиС им. А.С.Попова, 1991 г.), на первой Международной научно- технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта (г. Москва, МИИТ. 1994 г.), на научно-методической конференции «Современные научные аспекты функционирования транспортного комплекса и развитие его кадрового потенциала» (г. Москва, РГОТУПС, 1995 г.), на семинаре «Теория дифференциальных уравнений кафедры «Высшая математика» РГОТУПС (г. Москва, 1995 г.), на II Международной научно- технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта (г. Москва, МИИТ. 1996 г.), на первой Международной научно-практической конференции «Информационные технологии на железнодорожном транспорте (Инфотранс 96) (г. Санкт-Петербург, ПТУ ПС, Октябрьская ж. д. 1996 г.), на четвертой Межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (г. Москва, РГОТУПС, 1999 г.).

В первой главе показано, что существенно нелинейная система диспетчерского управления движением поездов на участке, может быть для задач устойчивости и чувствительности сведена к нестационарной системе, которая описывается линейными дифференциальными уравнениями с периодически изменяющимися коэффициентами.

Во второй главе разрабатываются методы анализа устойчивости таких систем. Методы ориентированы на инженерное использование с оценками точности при приближенных расчетах.

В третьей главе разработаны методы получения реакции периодически нестационарных систем на входные воздействия. Методы определения переходной и импульсной переходной функции. Здесь так же основное внимание уделено оценкам точности вычислений.

В четвертой главе разработан метод анализа периодически нестационарных дискретных систем, описываемых разностными уравнениями.

Для анализа используется аппарат Z - преобразования. Полученные результаты позволяют существенно упростить проведение расчетов, по сравнению с существующими методами.

В пятой главе на основе результатов, полученных в предыдущих главах, исследуется устойчивость управления движением поездов на участке при малых отклонениях от нормативного графика. Разработанная для этой цели математическая модель, используется так же для определения информационной загрузки участкового диспетчера при управлении движением поездов на участке.

Шестая глава посвящена практическим расчетам конкретных параметрических систем, используемых в транспортных системах управления. Это параметрические преобразователи частоты и генераторы, электрические машины и некоторые другие устройства.

Подобные работы
Реш Екатерина Александровна
Компьютерные спектральные методы анализа нестационарных систем автоматического регулирования энергетических турбин
Руденко Максим Владимирович
Разработка метода анализа канальных модулей системы мониторинга технологических процессов
Шукайлов Михаил Иннокентьевич
Тензорный метод анализа эффективности информационных систем управления технологическими процессами ТЭЦ
Портнягин Алексей Леонидович
Совершенствование методов анализа процессов ремонтно-технического обслуживания скважинных систем нефтепромысла
Товмасян Артоша Вардгесович
Разработка формализованных методов анализа задач обработки данных и синтеза типовых модульных систем обработки данных
Сиротюк Олег Владимирович
Разработка моделей, методов и инструментальных средств анализа и синтеза оптимальных структур объектно-ориентированных баз данных в автоматизированных информационно-управляющих системах
Лесков Евгений Евгеньевич
Оптимизация и управление мембранными системами
Форсов Георгий Львович
Адаптивное управление качеством функционирования системы технического диагностирования гибридных объектов
Лихтер Анатолий Михайлович
Управление биофизическими процессами в системах лова рыбы
Мырзин Глеб Семенович
Автоматизация и управление процессом технического обслуживания системы технологических трубопроводов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net