Тяга поездов: Учебное пособие. Часть 1, страница 2

В технической кибернетике (далее—кибернетике) изучают управ­ляемые движения. Дело в том, что для практической деятельности человека представляет интерес не всякое, а только целенаправленное движение. Любая организованная система всегда имеет цель, для достижения которой она создана. В таком случае категория цели движения имеет силу закона, и ее надо учитывать в расчетах управляемого движения.

В понятие цели входит стремление к достижению определен­ного конечного состояния системы или результата, которого на­до достигнуть. Например, машинист преследует цель — привести поезд из пункта А в пункт Б в заданное расписанием время. Под­бором управляющих сил соответственно характеристикам подвижно­го состава и условиям движения он обеспечивает достижение сто­ящей перед ним цели.

Стремление к достижению цели порождает необходимость уп­равления движением. В общем случае управлением называют подбор воздействий на систему, обеспечивающий такой переход ее из одного состояния в другое, при котором достигается поставлен­ная цель [22]. Обязательным условием такого подбора является учет воздействий внешней среды и состояний системы, допустимых по устойчивости и надежности работы. На рис. 1.1 показана струк­турная схема преобразования управляющих воздействий и, которы­ми могут быть сила тяги локомотива иЛи тормозная сила поезда, параметры состояния системы (скорость, ускорение, пройденный путь и т.д.) при внешних возмущающих воздействиях z (сопротивлении движению поезда). Движение системы заключается в том, что под влиянием входных воздействий и (t) и z (г) происходят с течением времени t изменения выходных координат системы х (t).

Если система состоит из многих взаимодействующих элементов, процессы работы которых подчинены закономерностям различной физической природы, то, в отличие от классической механики, должны быть расширены понятия системы и ее движения. В кибернетике под системой принято понимать совокупность взаимо­связанных элементов, взаимодействующих во времени как единое

целое. Большими (слож­ными) называют системы, со­стоящие из многих взаимосвязан­ных элементов, имеющих большой объем циркулирующей информа­ции, испытывающие воздействие внешней среды, случайных фак­торов и управляющих воздей­ствий людей. Под д в и ж е-н и е м системы в широком смысле понимают изменение со­стояния системы: пространствен-

ного перемещения, изменения тепловых, токовых, расходных и дру­гих параметров, представляющих интерес для исследования поведе­ния системы. Изменение переменных состояния в текущем време­ни называют поведением системы.

В этом случае расширяется понятие фазовых координат поез­да, под которыми надо понимать набор в каждый момент времени параметров состояния различной физической природы, существен­ных для предсказания движения. Такими параметрами обычно явля­ются: скорость и координаты поезда на тяговом участке, токи наг­рузок тяговых двигателей, напряжение тягового генератора, темпера­тура нагрева обмоток электромашин, частота вращения дизеля, расход топлива, показатели устойчивости сцепления колес с рельсами.

Поведение поезда как управляемой системы определяется: целью управления и технологией перевозочного процесса; внешними воз­действиями; тяговыми и тормозными свойствами подвижного состава, нормативными по ПТР; управляющими воздействиями со стороны машиниста или системы автоведения поезда.

Расчет и исследование поведения сложных систем стали возмож­ными благодаря целевой постановке задачи о движении, системному подходу к ее решению, дальнейшему развитию методов моделирования, натурному эксперименту и использованию современных методов прикладной математики.

В теории управляемого движения решаются две фундаменталь­ные задачи — об управляемости и о наблюдаемости. Решение за­дачи об управляемости сводится к определению управля­ющих сил, которые могут перевести систему из известного начального в конечное — заданное состояние с учетом ресурсов системы и уста­новленных ограничений. Решение задачи о наблюдаемости сводится к определению фазовых координат состояния системы по тем координатам, которые доступны наблюдению на каждом шаге интегрирования дифференциального уравнения движения. Предска­зание движения и параметров состояния, в том числе ограничитель­ных, представляет собой задачу о наблюдаемости [21,22]. Метод наблюдаемости широко используется в теории тяги поездов.

В теории тяги поездов решаются две фундаментальные задачи: 1) найти массу поезда, которую локомотив известной серии способен перевезти на участке заданного профиля пути при соблюдении норма­тивных параметров тяги и скорости движения; 2) для поезда заданной массы найти управляемое движение на заданном тяговом участке, которое обеспечило бы достижение поставленной цели при соблю­дении нормативных и ограничительных условий. Моделирование является общим методологическим приемом исследований и решения задач классической механики, кибернетики и теории тяги поездов, что определяет преемственную связь между ними. Их различия определяются физической природой явлений и процессов, назначе­нием систем, целью их исследования, наличием начальной и текущей

7

информации, ограничительными условиями, математической фор­мализацией и необходимой точностью прогнозирования.

В классической механике рассматривают простое механичес­кое движение; фазовые координаты определяются скоростью и по­ложением системы в каждый момент времени—следовательно, система двухпараметрическая; математическая модель движения такой сис­темы представляет собой дифференциальное уравнение движения материальной точки; силы заданы, не зависят от времени и не яв­ляются управляемыми, движение — естественное; на систему дейст­вуют только контактно-механические связи, определяющие число степеней свободы; поведение системы подчинено закону сохранения энергии, и теоремам классической механики.

В теории управляемого движения и теории тяги поездов рас­сматривается движение в широком смысле; фазовые координаты состояния системы в каждый момент времени определяются многими параметрами; движение — управляемое; описание поведения системы производят несколькими математическими моделями.