Диссертация (1025283), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Данная система функционирует на основеопережающего энергооптимального расчета закона движения и передачемашинистурекомендацийомоментесменырежимауправлениясиспользованием текущего расписания и оставшегося запаса времени. Крометого, имеется возможность применять данную систему совместно с системойформирования расписания движения поездов, которая энергоэффективнокорректирует время хода по перегонам между конечными пунктами.16Аналогичные системы были разработаны и для высокоскоростныхпоездов ICE (ESF-EbuLa в рамках проекта EnergieSparen [4]) железных дорогНидерландов (Economy Meter).Использование представленных систем в рамках общеевропейскойпрограммы «Railenergy» [5] является перспективным направлением для методовповышения энергоэффективности в транспортных системах.Исходя из этого, можно сделать вывод, что создание системы управленияскоростью электробуса в процессе движения по маршруту на основерассчитанного заранее энергоэффективного закона управления представляетвозможную для реализации актуальную задачу, особенно при наличиивыделенных полос для движения городского транспорта.
Разработка методаопределения оптимального энергоэффективного управления электробусомявляется основной задачей диссертации.Обзор и анализ методов определения оптимального управленияВ общем случае процесс движения электробуса между остановками безвынужденного изменения скорости из-за встречающихся на пути препятствий(пешеходы, ограничение скорости, дорожные знаки, другие участникидвижения, регулируемые и нерегулируемые перекрестки) состоит из четырехэтапов:• разгон и/или поддержание скорости в случае необходимости – плавноеувеличение скорости движения до заданного значения при ограничениях нафазовые координаты и управление;• выбег – движение без подведения мощности к колесам;• рекуперативноеторможение–торможениеэлектромашиной,работающей в генераторном режиме, для зарядки накопителя электрическойэнергии;17• торможениерабочейтормознойсистемой–торможениемеханическими тормозами для остановки в заданном месте.На этапах разгона и поддержания скорости движения энергия,накопленная в бортовых источниках электроэнергии, расходуется на достижениеили поддержание электробусом расчетной скорости.
Преобразование энергиипри этом происходит следующим образом. Электрическая энергия (Рис. 1.3),накопленная в батареях (накопителе энергии), за вычетом потерь впреобразователе (тяговом инверторе), расходуется на вращение ротораэлектромашины, преобразуясь в механическую с КПД, зависящим от частотывращения вала электромашины и величины воспринимаемой нагрузки. Далеемеханическаяэнергиявращенияротораэлектромашиныпосредствомтрансмиссии и движителя преобразуется в кинетическую энергию движенияэлектробуса. В трансмиссии энергия расходуется на преодоление силы трения вузлах и подшипниках, а также на перемешивание трансмиссионного маслазаднего моста. В движителе энергия расходуется при скольжении в пятнеконтакта, а также на преодоление сопротивления качению.На этапе выбега энергия, оставшаяся в бортовых источникахэлектроэнергии, не расходуется и не восполняется, снижение скоростипроисходит за счет сопротивления движению.При торможении электробуса часть энергии, за вычетом потерь, можетбыть возвращена в накопитель.
При этом преобразование энергии происходит вобратной последовательности (Рис. 1.3). Кинетическая энергия движенияэлектробуса посредством движителя и трансмиссии расходуется на вращениеротора электродвигателя, кроме того, часть механической энергии может бытьпереведена в тепловую и рассеяна в атмосферу на рабочих тормозныхмеханизмах. Затем механическая энергия вращения ротора преобразуется спотерями в электрическую посредством электромашины, работающей в режимерекуперации энергии. Далее электрическая энергия, за вычетом потерь впреобразователе, накапливается в батарее.
Следовательно, одним из путей18уменьшения затрат и снижения безвозвратных потерь энергии являетсяминимизация использование рабочей тормозной системы.Потери энергии в преобразователе и трансмиссии необходимо учитывать,используя КПД узлов электробуса.а)б)Рис. 1.3. Преобразование энергии при движении электробуса: а) – разрядкинакопителя (разгон); б) – зарядки накопителя (для рассматриваемыхслучаев торможения)Задачу энергоэффективного закона управления колесного автономногогородского электротранспорта между остановками на городском маршрутеследует сформулировать как задачу оптимизации: определить закон измененияскорости от пройденного пути () на маршруте при движении из точкимаршрута с фазовыми координатами , = 0 в точку маршрута , = 0 завремя = − при минимизации потребляемой энергии на движение,определяемой целевой функцией: = − + ⇒ మ(1.1)భгде – мощность разрядки накопителя, развиваемая при разгоне; – мощность зарядки накопителя при рекуперативном торможении; – мощность, затраченная при использовании рабочей тормозной системы.19Представленная задача поиска оптимального управления наиболее полноизучена в области железнодорожного транспорта.
Особенно известны работыученых Баранова Л.A., Головичер Я.М, Ерофеева Е.В., Максимова В.М.,Моисеева A.A., Урдина В.И., Монахова О.И., Мугинштейна Л.A., СидоренкоВ.Г., Ябко И.А., Васильевой М.А., Петрова Ю.П., Костромина А.М. и других.Исследование динамики движения колесных машин наиболее полноотражено в работах ученых Чудакова Е. А., Певзнера Я.М., Антонова Д.А.,Литвинова А. С., Фаробина Я. Е., Котиева Г. О., Дика А.
Б., Смирнова Г. А.,Попова С. Д., Ларина В. В., Горелова В.А., Чернышева Н.В. и других, а также втрудах научных школ: МГТУ им. Н.Э. Баумана, НГТУ им. Р.Е. Алексеева,МАДИ, МАМИ, ФГУП ГНЦ «НАМИ», Академии БТВ, 21 НИИИ МО РФ идругих.Наиболее известные математические методы, позволяющие решатьпоставленную задачу, подразделяются на:• аналитические:o классическое вариационное исчисление [6, 7, 8];o принцип максимума Понтрягина [9, 10, 11, 12];o принцип максимума в формулировке А.А.
Милютина иА.Я. Дубовицкого [10, 13, 14];• численные методы:o дискретный вариант метода динамического программированияБеллмана [15, 16, 17, 18, 19, 20];o метод «киевский веник» [21, 22];o метод «блуждающей трубки» [23];o метод локальных вариаций [24, 25, 26];o метод «бегущей волны» [27];o метод случайного поиска [34, 35];• комплексное использование аналитических и численных методов [28,29, 30, 31];20• генетические алгоритмы [32, 33].Дискретный вариант метода динамического программирования былприменен в работах [15, 16, 17, 18, 19, 20]. Кроме того, в работе [22] былиспользован метод «киевский веник», основанный на методе динамическогопрограммирования, для увеличения скорости вычислений. Метод «киевскийвеник» опирается на сокращение множества потенциально возможных фазовыхтраекторий при последовательном «отметании» неоптимальных решений накаждом шаге вычислений.Для ускорения расчетов в работе [23] применялся метод «блуждающейтрубки».
Этот метод заключается в том, что на начальном этапе решениеопределяется на грубой сетке при помощи стандартного метода динамическогопрограммирования. Затем в окрестности полученного результата строитсявекторная трубка и поиск решения повторяется в ее пределах. Таким образом,данный алгоритм имеет характер метода «последовательных приближений».В работах [24, 25, 26] реализован метод локальных вариаций. Данныйметод также является многошаговым методом оптимизации, который используетидеи метода последовательных приближений. В рассматриваемых работахалгоритм представляет собой метод покоординатного спуска с фиксированнымшагом на фиксированной сетке вариантов в заданной ограничениями области.Рассмотренный метод упрощает задачу программирования по сравнению сметодом «блуждающей трубки», но оказывается чувствителен к локальнымэкстремумам.В работе [27] был применен метод «бегущей волны», которыйпредставляет собой обобщение метода локальных вариаций.
В методе задаетсяначальное приближение, которое последовательно уточняется любым методом,работающимсконечномернойаппроксимациейнепрерывнойзадачи.Недостатком этого метода также является чувствительность к локальнымэкстремумам.21В работах [34, 35] для определения оптимального управления былиспользован метод случайного поиска, который является безградиентнымметодом нелинейного программирования для минимизации функции многихпеременных. Данный метод очень чувствителен к начальному приближению, вокрестности которого происходит поиск решения, так как именно начальноеприближение определяет, к локальному или глобальному минимуму сойдетсяпроцесс поиска.Также дискретный вариант метода динамического программированияможет быть дополнен необходимым условием оптимальности. Это дополнениепозволяет значительно сократить число рассматриваемых вариантов в областипоиска, так как отбрасываются траектории, для которых необходимое условиеоптимальности не выполняется.
Данный подход применен в работах [28, 31].В работах [9, 10] определение энергоэффективной фазовой траекториипроводилось при помощи принципа максимума Понтрягина. При использованииданного метода поиск решения сводится к нелинейной краевой задаче, длярешениякоторойтребуетсяопределениенеизвестныхсопряженныхпеременных. Так как на пути следования существуют различные ограничения поскорости движения, а также переменное сопротивление движению, процедурасинтезаоптимальныхфазовыхтраекторийпоездаявляетсясложнымитерационным процессом.
Несмотря на сложность, в перечисленных работахбыла показана структура оптимальной траектории на участке маршрута, а такжедопустимые переключения режимов движения с учетом ограничений на фазовыекоординаты и управление.Генетическийалгоритмопределенияэнергоэффективнойфазовойтраектории применялся в работах [32, 33]. Основная идея генетическихалгоритмов состоит в том, что они имитируют в своей работе природныеспособы оптимизации: генетическое наследование и естественный отбор. Приэтом в упрощенном виде сохраняется биологическая терминология. Сутьмеханизма естественного отбора заключается в том, что в процессе эволюции22выживают и размножаются наиболее приспособленные особи.
Благодарямеханизму генетического наследования их потомки сохраняют основныекачества родителей и, подвергаясь случайным мутациям, приобретают рядновых свойств. Если новые свойства полезны, то они сохраняются инаследуются.Проведенныйанализсуществующихметодовопределенияэнергоэффективных фазовых траекторий показал, что для решения подобнойзадачи в области городского автомобильного электротранспорта необходимоучитывать следующие отличительные особенности работы электробуса намаршруте:Электробусоборудовансистемойрулевогоуправления,предназначенной для изменения траектории движения путем поворотауправляемых колес. При этом сопротивление и затраты энергии при движениипо криволинейной траектории возрастают.
В связи с этим математическаямодель динамики электробуса, используемая для поиска оптимальногоуправления, должна иметь возможность учета возрастания сопротивлениядвижению в повороте;При движении электробуса необходимо учитывать случайныефакторы, такие как светофоры или экстренное торможение для предотвращениядорожно-транспортного происшествия. В связи с этим должно бытьпредусмотрено экстренное вмешательство водителя в процесс управленияэлектробусом и реализована возможность быстро скорректировать маршрутотносительно текущего состояния электробуса;Электробусдвижетсяпомаршрутусогласноопределенномурасписанию, то есть при выборе оптимального закона движения необходимо,чтобы электробус преодолевал исследуемый участок пути за определенноевремя;На ускорение/замедление электробуса накладываются ограничения дляподдержания определенного уровня комфорта пассажиров. Кроме того, согласно23правилам дорожного движения, необходимо ограничить скорость движенияэлектробуса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
