Phương pháp điều chỉnh tối ưu bộ truyền động điện đầu máy diesel theo mục tiêu tiết kiệm năng lượng TS.. Nội dung bμi báo trình bμy phương pháp xây dựng mô hình vμ khảo sát bμi toán tìm
Trang 1Phương pháp điều chỉnh tối ưu
bộ truyền động điện đầu máy diesel
theo mục tiêu tiết kiệm năng lượng
TS đỗ việt dũng
Bộ môn Đầu máy – Toa xe Khoa Cơ khí - Trường Đại học GTVT
Tóm tắt: Nghiên cứu giải quyết vấn đề điều khiển, điều chỉnh bộ truyền động điện theo
quy luật biến đổi nμo để đảm bảo chi phí năng lượng tối thiểu trong điều kiện vận dụng cụ thể lμ hướng nghiên cứu cần thiết trong khai thác đầu máy diesel truyền động điện Nội dung bμi báo trình bμy phương pháp xây dựng mô hình vμ khảo sát bμi toán tìm luật điều khiển tối ưu bộ truyền động điện theo hμm mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu trong quá trình vận dụng đầu máy diesel
Summary: The research provides a solution for controlling and, adjusting electric driven
systems applying a certain method to reduce the energy needed under practical conditions of the application, that is a necessary research trend in operating electric - driven diesel locomotives The paper presents a method of developing a model and investigating the problem of finding the optimal controlling method, aimed at reducing fuel used in diesel locomotives
i Hệ thống truyền động điện đầu
máy diesel vμ mô hình phương pháp
điều khiển, điều chỉnh tối ưu
1.1 Mô hình hệ thống điều chỉnh tự
động truyền
động điện đầu
máy diesel
Hệ thống
truyền động điện
(TĐĐ) đầu máy
diesel một chiều
và hỗn hợp
thường được mô
hình hoá đơn
giản thành hai
phần tử là phần
động lực và phần điều khiển, điều chỉnh [1],
[2] Với cấu trúc như vậy, trên đầu máy có hai
loại TĐĐ với bộ điều chỉnh độc lập và điều chỉnh liên hợp (hình 1), trong đó cấu trúc điều chỉnh liên hợp thường được ứng dụng trên các
đầu máy diesel hiện đại (D12E, D13E, D19E…)
n
n
X
U , I
X
- h
K
R
n FĐ
ĐT
FH
T 1
n Đ
I Đ
ΣW
Trong đó: Đi - động cơ diesel; Cu - cơ cấu
điều chỉnh thanh răng nhiên liệu; K - tay máy;
M F
- ZY
n ĐI
Đ I
nđ
h
i
F
Đ
β 1
Z1
β 2
Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống truyền động điện với cấu trúc ĐCTĐ liên hợp
Trang 2CHĐ - cơ cấu kéo thanh răng nhiên liệu;
OĐ - cơ cấu ổn định tốc độ quay động cơ;
ĐT - bộ điều tốc li tâm động cơ; CT - cơ cấu
điều chỉnh tải MFĐK; CHF - cơ cấu chấp
hành; R - phần tử biến đổi (điều chỉnh) dòng
kích từ; FF - máy phát điện phụ; KĐ - các
thiết bị khuyếch đại; KT - máy kích từ; F - máy
phát điện kéo; FH - phần tử phản hồi; CĐ - bộ
chuyển đổi tốc độ tự động; T1, T2 - các cảm
ứng tốc độ quay trục và đầu máy
Đối với MFĐK một chiều và xoay chiều
đồng bộ trên đầu máy diesel, các đường đặc tính ngoài tự nhiên (đặc tính biểu diễn quan hệ U
Trong bộ điều chỉnh liên hợp, các tác
động điều khiển, điều chỉnh được thực hiện
đồng thời tới các phần tử trong hệ thống TĐĐ
và động cơ diesel ứng với mỗi vị trí tay máy K
(một tín hiệu điều khiển) sẽ tương ứng với một
mức công suất của động cơ diesel và một giá
trị công suất tải được giới hạn cho máy phát
điện kéo (MFĐK) cấp cho các động cơ điện
kéo (ĐCĐK) tạo ra sức kéo cho đầu máy Hệ
thống điều chỉnh đặc tính ngoài cho MFĐK
(một và xoay chiều đồng bộ ba pha) có nhiệm
vụ dựa vào các tín hiệu dòng điện, điện áp,
mức công suất đặt của động cơ diesel để điều
chỉnh dòng điện kích từ (hay từ trường chính)
cho MFĐK để biến đặc tính ngoài và các đặc
tính bộ phận của chúng từ đặc tính cứng thành
đặc tính có dạng hypecbol trong vùng làm
việc chính (các phần tử FF, KĐ, KT…) phù
hợp với yêu cầu tận dụng công suất của động
cơ diesel Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ
và mô men quay của ĐCĐK (loại một chiều)
thông qua việc thay đổi cách nối ghép giữa
các ĐCĐK hoặc giảm yếu từ trường chính của
chúng theo cấp, hoạt động dựa trên sự so
sánh các tín hiệu về tốc độ quay của ĐCĐK,
mô men tải và dòng điện kéo ứng với mỗi giá
trị sức cản ΣW và một giá trị xác định của biến
điều khiển K, hệ có một trạng thái cân bằng
tương ứng với trạng thái cân bằng giữa sức
kéo và sức cản chuyển động của đoàn tàu
Khi các điều kiện K, ΣW thay đổi, hệ sẽ tự
động điều chỉnh để đưa toàn bộ hệ thống TĐĐ
sang trạng thái cân bằng mới
Ftn = f(IFtn) là các đường đặc tính cứng, không thoả mãn yêu cầu tận dụng công suất cho
động cơ sơ cấp (tức PFtn ≠ UFtn.IFtn) Vì vậy khi tải mặt đường thay đổi, dòng điện kéo IF thay
đổi, nếu không có sự thay đổi đặc tính thì sẽ không tận dụng được công suất động cơ diesel Vì vậy, để tận dụng hết công suất của
tổ máy, đặc tính ngoài của MFĐK được điều chỉnh cưỡng bức theo quan hệ là đường hypecbol (hay có PF = UF.IF = const) Việc điều chỉnh này do hệ thống điều chỉnh tự động công suất (ĐCTĐ) đảm nhiệm thông qua việc
điều chỉnh từ trường chính trong MFĐK theo các dạng quy luật cần được xác định phụ thuộc vào kết cấu cụ thể của bộ TĐĐ và phù hợp với các tín hiệu phản hồi từ dòng điện phụ tải
Với ĐCĐK, ta cũng nhận thấy, khi giảm yếu từ trường, có sự đột biến về dòng điện trong mạch điện kéo sẽ sinh ra các xung điện
áp, dòng điện rất lớn trong các thiết bị động lực của hệ TĐĐ, các quá trình quá độ cũng diễn ra phức tạp theo chiều hướng ảnh hưởng xấu đến độ tin cậy, độ bền cách điện của các thiết bị này, cũng như tuổi thọ của đầu máy Xuất phát từ những phân tích và nhận
định trên, ta thấy việc nghiên cứu xác định
được quy luật biến thiên từ trường của MFĐK,
ĐCĐK theo tải của nó và theo tốc độ đầu máy một cách tối ưu theo một hàm mục tiêu nào
đó làm cơ sở cho việc tính toán kiểm nghiệm các đầu máy với các bộ ĐCTĐ hiện có hoặc
để ứng dụng tính toán trong trường hợp thiết
kế mới đầu máy là việc làm cần thiết
1.2 Các phương trình cơ bản của MFĐK và ĐCĐK [1], [2]
a Các đại lượng có liên quan đến hệ thống TĐĐ: bao gồm các yếu tố
- Sức cản cơ bản đơn vị:
Trang 3ω0’ = k1 + k2V (1)
ω0’’ = k3 + k4V (2)
Với: k1, k2, k3, k4 - các hệ số ứng với các
loại đầu máy và toa xe cụ thể
V - tốc độ đoàn tàu (km/h)
- Sức cản phụ đường dốc, đường cong
được xác định theo các công thức tính thông
dụng
- Trọng lượng đoàn tàu Q
- Các cơ cấu dẫn động của đầu máy (tỷ
số truyền hộp giảm tốc trục, đường kính bánh
xe đầu máy…)
b Các phương trình cơ bản của MFĐK
Từ phương trình cân bằng điện áp của
MFĐK:
UF = EF - IFΣRƯ (3)
Với: EF, UF, IF - sức điện động, điện áp (V)
và dòng điện (A) của MFĐK
ΣRư - tổng trở phần ứng MFĐK (Ω)
Nhân 2 vế của phương trình này với IF, ta
được:
UF.IF = EF.IF - IF.ΣRƯ (4)
Mà UF.IF = PF = m.PĐ =UĐIĐ (5)
(m: số ĐCĐK của đầu máy)
Với: KF - hệ số kết cấu; ΦF - Từ trường
chính của MFĐK (Wb)
quay của động cơ diesel
Nếu có a nhóm ĐCĐK đấu song song với
MFĐK và trong mỗi nhánh có b ĐCĐK nối nối
tiếp, UĐ và IĐ là điện áp và dòng điện của các
ĐCĐK, từ các phương trình (4), (5), (6) ta có:
m.PĐ = (a.IĐ) EF - (a.IĐ)2.ΣRƯ (7)
Sức điện động tương đối của MFĐK là:
ef =
Fdm Fdm e
F F e Fdm
F
n K
n K E
E
Φ
Φ
=
=
ddm d Fdm
F
n
n Φ
Φ
= φF.nd (8)
Phương trình cân bằng công suất ở dạng tương đối:
m pĐ = a.iD ΦF.n*d- iD2.a2.rF* (9) Phương trình đặc tính từ trường theo dòng
điện kéo ở dạng tương đối:
* d D
* F 2 D 2 D F
n i
a
r i
a p
=
(10)
c Các phương trình cơ bản của ĐCĐK một chiều kích từ nối tiếp
- Phương trình động lực học của ĐCĐK dạng tương đối:
C ' C D
D
d
d
i Φ = γ +μ =γ +μ
- Phương trình cân bằng điện áp với các
đại lượng tương đối:
uD = φDγ + iD rD (12) Trong (12) giá trị rD là điện trở tương đối
được xác định bằng quan hệ:
dm
dm ị
U
I
R
r = ∑ (13)
Nếu xét thêm quan hệ (5) thì phương trình (12) có dạng:
PĐ = iD φĐ.γ + iD2rD (14)
- Phương trình xác định quãng đường chuyển động của đoàn tầu trong khoảng thời
gian từ 0 đến T: s = ∫T γ
o
kdτ (15)
Phương trình xác định gia tốc chuyển
Trang 4động đoàn tầu:
a = ∫T γ o
'
- Phương trình xác định nhiệt lượng toả ra
trong phần ứng MFĐK, ĐCĐK:
q = ∫T dτ (17)
o
2
i
Tập hợp các phương trình biểu diễn các
mối quan hệ cơ bản giữa các đại lượng tương
đối biểu thị trạng thái làm việc của bộ TĐĐ
như ta vừa xem xét sẽ là các cơ sở quan trọng
để xây dựng bài toán điều khiển tối ưu MFĐK
và ĐCĐK
ii Hμm mục tiêu của bμi toán điều
khiển tối ưu cho hệ thống TĐĐ
2.1 Cơ sở lý thuyết xác định hàm mục
tiêu
Với các máy điện, đặc biệt là máy điện
kéo trên đầu máy có các điều yêu cầu đảm
bảo độ bền, độ tin cậy của máy
học thông thường:
γ ≤ γo (18)
Với γ là tốc độ góc tương đối của rô to và
γo do nhà chế tạo quy định
điện một chiều:
i ≤ imax, i ≤ i (γ) và φ ≥ φmin (19)
Với i là dòng điện kéo tương đối, i (γ) là
điều kiện phụ thuộc tốc độ quay và φ là từ
trường chính tương đối trong máy điện kéo khi
giảm yếu từ trường
máy điện:
q = ∫i dτ q
T
0
rôto trong thời gian T
Với máy điện của bộ TĐĐ đầu máy, các mục tiêu khi điều khiển tối ưu cần phải đạt
được là cần phải điều khiển bộ TĐĐ như thế nào để có hiệu quả nhất nhưng vẫn phải đảm bảo các điều kiện về độ tin cậy, độ bền (18), (19), (20) Do đó ta có thể có ba hướng nghiên cứu theo các chỉ tiêu tối ưu khác nhau:
- Tối ưu theo quãng đường thực hiện lớn nhất
- Tối ưu theo tối thiểu tổn thất đồng rôto
- Tối ưu theo thời gian ngắn nhất
Từ mục đích nghiên cứu điều khiển tối ưu MFĐK trong hệ thống TĐĐ theo mục tiêu tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận dụng, ở hướng nghiên cứu thứ nhất, trong cùng một
điều kiện vận dụng nếu đoàn tàu thực hiện
được quãng đường lớn nhất, và nếu gắn với các điều kiện sử dụng công suất và năng lượng của bộ TĐĐ trên đầu máy và các điều kiện (18), (19), (20) ta thấy thoả mãn được mục đích đề ra
2.2 Hàm mục tiêu của điều khiển bộ TĐĐ theo quan điểm chi phí năng lượng nhỏ nhất [2]
Từ các biến đổi đại số, ta có quãng
đường chạy của đầu máy được tính bằng:
Sk =
i 2
D 6 ,
T
0
D dt (21)
Trong khoảng thời gian dt, đầu máy làm việc ở vị trí tay máy z, khi đó chi phí nhiên liệu
được xác định từ phương trình:
B = ∫T (22) 0
z.dt B
Với Bz là lượng chi phí nhiên liệu trung
Trang 5bình ứng với vị trí tay máy
với mỗi vị trí tay máy và tích phân (22) là
lượng nhiên liệu nạp cho động cơ diezel để
phát huy công suất PZ cấp cho bộ TĐĐ Vì vậy
nếu trong khoảng thời gian T mà ĐCĐK được
điều khiển sao cho (21) có giá trị cực đại thì
hàm mục tiêu có dạng:
b =
ω
M
S
B
k
=
dt i 2
D 6 ,
3
M
dt B
D T
0 k
T
0
ω
∫
∫ ω
⇒ min (23)
Từ (23) ta thấy, muốn đạt cực tiểu của
hàm mục tiêu, giá trị tích phân (24) trong đó
phải đạt cực đại
φD = ∫ω dt ⇒ max (24)
T
0 D
với điều kiện Qo ≥ ∫T R
0
2 D
I Σ dt
Từ đó bài toán đặt ra là cần phải khảo sát
hàm mục tiêu (23) hay nói cách khác là khảo
sát hàm (24) để hàm này đạt cực đại
Chuyển sang các hàm của đại lượng
tương đối, hàm mục tiêu và điều kiện hạn chế
của ĐCĐK (24) có dạng:
ϕD=∫γ.dt ⇒ max (25)
T
0
với điều kiện qo ≥ ∫T dτ
0
2 D
i
III Thuật toán khảo sát hμm mục
tiêu của bμi toán điều khiển tối ưu
cho hệ thống TĐĐ đầu máy diesel
Hàm mục tiêu (25) của quá trình điều
khiển tối ưu bộ TĐĐ cần đạt được, trong đó
các thông số đặc trưng của bộ TĐĐ (dòng, áp, công suất, tốc độ, từ trường chính… của bộ TĐĐ), các điều kiện hạn chế và phương trình cơ bản đã nêu có quan hệ chặt chẽ với nhau
Từ đó cần tìm ra các mối quan hệ của các thông số để hàm (23) đạt được giá trị cực tiểu, hay nói cách khác là để hàm (25) đạt giá trị cực đại trong điều kiện vận dụng cụ thể Các mối quan hệ tìm được chính là luật điều khiển các tham số đó một cách tối ưu nhất để đảm bảo thoả mãn hàm mục tiêu đã đề ra Thuật toán khảo sát hàm mục tiêu [2], [3], [4]:
Để khảo sát tìm cực trị của một hàm số dưới dấu tích phân (25) với điều kiện của một tích phân khác, ta có thể áp dụng định lý ơle
và khảo sát cực trị ta sử dụng định lý Lagendar Hàm F có dạng tổng quát:
F = H + λ0L + λ1(x)φ1+ +λ2(x)φ2+ + λm(x) φm (26) Khi đó áp dụng định lý ơle, hàm F có
D
i λφ1 (27)
phương trình động lực học của ĐCĐK với các
đại lượng tương đối (11), ta có hàm φ1:
1
φ = γ'+μc- iD ΦD= 0 Hàm F sẽ có dạng:
F = γ - λ0 2
D
i - λ(γ' + μc- iDΦD) (28)
Và hệ phương trình vi phân (hệ phương trình ơ le) có dạng:
0 i
F d
d i
F
' D D
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂ τ
ư
∂
∂
d
d F
'⎟⎟=
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛ γ
∂
∂ τ
ư γ
∂
∂
Hay đạo hàm riêng (28) theo (29) ta có
hệ phương trình vi phân như sau:
(29)
Trang 62 λ0iD - λφD - λiD
D
D
i
d
dφ
= 0 (1)
τ
λ
d
d
- λ
γ
μ d
c d
+ 1 = 0 (2)
Điều kiện cần để hàm dưới dấu tích phân
(hàm chức năng) (25) đạt cực trị là các tham
số λ, φD, iD, γ, phải có mối quan hệ thoả
mãn (30) Để hàm (25) đạt giá trị cực đại theo
mục tiêu của bài toán, còn cần thoả mãn điều
kiện đủ Lagendar nữa
c
μ
Ta có:
2 ' 2 Y
F
∂
∂ = - 2 D 0
2 Φ
λ < 0 (31)
Do Φ2D > 0 (19) nên nếu λ0 > 0 thì (31)
luôn âm, hàm liên tục, sẽ luôn đạt cực đại khi
đã thoả mãn hệ (30) Giải được hệ phương
trình vi phân (30), kết hợp với các phương
trình cơ bản của hệ TĐĐ đã xét ở trên, ta sẽ
thu được các mối quan hệ cần xác định
iv Kết luận
Như vậy, bằng việc sử dụng định lý Ơle,
kết hợp với thiết lập được mối quan hệ giữa
các thông số của bộ TĐĐ với các điều kiện sử
dụng năng lượng trên đầu máy diesel, ta đã
xây dựng được hàm tối ưu theo mục tiêu tiết
kiệm năng lượng Giải hệ phương trình vi phân
(30) từ đó ta có thể tìm các hàm iD, λ, φD
thoả mãn các điều kiện đầu Các mối quan hệ
xác định được giữa các thông số này chính là
luật điều khiển tối ưu bộ TĐĐ theo mục tiêu
tiết kiệm nhiên liệu cần tìm Phương pháp giải
hệ và các kết quả tính toán luật điều khiển
cần được nghiên cứu theo các điều kiện và
thông số cụ thể cho từng kiểu loại đầu máy
diesel cụ thể
Tài liệu tham khảo
[1] Đỗ Việt Dũng, Lại Ngọc Đường, Trương Duy
Phúc (2001) Truyền động và điều khiển đầu máy
Trường Đại học Giao thông Vận tải
[2] Đỗ Việt Dũng (1998) Nghiên cứu điều khiển tối
ưu ĐCĐK trong bộ truyền động điện một chiều của
đầu máy diezel theo quan điểm tiết kiệm năng
lượng Trường Đại học Giao thông Vận tải
[3] Nguyễn Cao Nhạc (1996) Phương trình vi
phân Trường Đại học Giao thông Vận tải
(30)
[4] Jan Gronowicz (1987) Sterowanic poadów
tiền đề vμ triển vọng phát triển
(Tiếp theo trang 22)
án đã được chú ý từ đầu những năm 90, thể hiện trong các Luật, Nghị định của Chính phủ
về quản lý đầu tư và xây dựng, đấu thầu Nhưng những kiến thức, những lý luận thu
được mới chỉ dừng lại ở mức đúc rút kinh nghiệm, những hội thảo, khoá học tập huấn cán bộ hoặc một vài công trình nghiên cứu, sách tham khảo thiếu tính hệ thống và đồng
bộ Đã đến lúc chúng ta phải quan tâm đến vấn đề quản lý dự án như một hệ thống phương pháp luận độc lập và hoàn chỉnh về quản lý nói chung và quản lý xây dựng nói riêng Bộ môn "Dự án và quản lý dự án xây dựng giao thông" thuộc Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông Vận tải ra đời để
đáp ứng một phần nào đó đòi hỏi vô cùng cấp bách này trong lĩnh vực xây dựng các công trình giao thông
Tài liệu tham khảo
[1] GS VS I I Madur Quản lý dự án Nhà xuất
bản Ô - mê - ga, Mát-xcơ-va 2004 Bản tiếng Nga
[2] ThS Từ Quang Phương Giáo trình quản lý dự
án đầu tư NXB Giáo dục 2001
Globerson Quản lý dự án, kỹ thuật, công nghệ và
thực thi Biên dịch: ThS Nguyễn Hữu Vương
[4] Gherd Dikhtelm Quản lý dự án NXB
Biginex-Pressa Xankt Peteburg 2003 Bản tiếng Nga
[5] Fil Beghiuli Quản lý dự án NXB Grand
Mát-xcơ-va 2002 Bản tiếng Nga
[6] Viện quản lý dự án (PMI) Cẩm nang các kiến thức cơ bản về quản lý dự án
[7] VS TS Nguyễn Văn Đáng Quản lý dự án
(theo đề tài nghiên cứu khoa học RD 62/2000) NXB Thống kê, 2002
[8] VS TS Nguyễn Văn Đáng Quản lý dự án xây
Trang 7dựng (theo đề tài nghiên cứu khoa học RD 66/2001) NXB Thống kê, 2003
[9] Nguyễn Xuân Hải Quản lý dự án nhìn từ góc
độ Nhà nước, nhà đầu tư, nhà tư vấn, nhà thầu
