Luận án Nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu năng lượng đoàn tàu trên tuyến đường sắt Việt Nam - Nguyễn Văn Hải

LỜI CAM ĐOAN . i

LỜI CẢM ƠN.ii

MỤC LỤC.iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU.vi

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .ix

MỞ ĐẦU . 1

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU NĂNG

LƢỢNG TRONG GIAO THÔNG ĐƢỜNG SẮT . 4

1.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chi phí năng lƣợng trong vận tải đƣờng

sắt . 4

1.2. Một số hƣớng nghiên cứu nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lƣợng chạy

tàu . 8

1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến giảm chi phí

năng lƣợng chạy tàu. 10

1.3.1. Các nghiên cứu trong nước . 11

1.3.2. Các nghiên cứu trên thế giới . 12

1.4. Những vấn đề còn tồn tại và đề xuất giải pháp mục tiêu của luận án .

. 19

1.5. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu. 20

1.6. Kết luận Chƣơng 1 . 20

CHƢƠNG II: PHÂN TÍCH, XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI

ƢU CHUYỂN ĐỘNG ĐOÀN TÀU . 21

2.1. Xây dựng bài toán điều khiển tối ƣu chuyển động đoàn tàu . 21

2.1.1. Tiêu chuẩn tối ưu . 21

2.1.2. Đối tượng điều khiển. 23

2.1.3 Cơ sở lý thuyết giải bài toán điều khiển tối ưu . 25iv

2.1.4. Xây dựng bài toán điều khiển tối ưu đoàn tàu . 28

2.2. Điều khiển tối ƣu nhiên liệu của đầu máy ứng dụng nguyên tắc cực đại .

. 29

2.2.1. Biến đổi phương trình chuyển động. 29

2.2.2. Áp dụng nguyên tắc cực đại. 31

2.2.3. Chế độ tối ưu điều khiển . 32

2.2.4. Cấu trúc của đặc tính tối ưu . 34

2.2.5. Tính toán hàm p(s). . 37

2.3. Đề xuất bài toán có nhiều đoàn tàu trên tuyến . 39

2.3.1. Xây dựng bài toán . 39

2.3.2. Mô hình toán học đoàn tàu. 41

2.3.3. Giải bài toán điều khiển tối ưu. 42

2.3.4. Xét các trường hợp đặc biệt khi có độ dốc tại điểm S1. 43

2.3.5. Mở rộng với trường hợp đoàn tàu đi qua nhiều ga trung gian với thời

gian cố định cho trước. 47

2.4. Đề xuất bài toán điều khiển tối ƣu đoàn tàu có xét đến ảnh hƣởng

của chiều dài đoàn tàu. . 49

2.4.1. Xây dựng bài toán . 49

2.4.2.Xác định giá trị lực cản phụ có tính đến ảnh hưởng của chiều dài đoàn

tàu . 50

2.4.3. Xác định các điểm chuyển điều khiển tối ưu. 52

2.5. Kết luận Chƣơng 2. 57

CHƢƠNG III: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU,

MÔ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM THUẬT TOÁN TRÊN HỆ THỐNG

THỰC . 58

3.1. Xây dựng thuật toán điều khiển tối ƣu đoàn tàu trên tuyến. . 58

3.1.1. Đặt vấn đề. 58

3.1.2 Thuật toán điều khiển tối ưu đoàn tàu trên tuyến . 59v

3.2. Ứng dụng thuật toán di truyền chuẩn hóa các hệ số trong biểu thức

tính lực cản chính của đoàn tàu cụ thể. 68

3.2.1 Khái niệm về lực cản cơ bản của đoàn tàu. 68

3.2.2. Các khái niệm cơ bản của giải thuật di truyền. 69

3.2.3. Cơ chế thực hiện của giải thuật di truyền . 72

3.2.4. Áp dụng giải thuật tìm bộ hệ số trong biểu thức tính lực cản chính của

đoàn tàu cụ thể. 75

3.3. Mô phỏng kiểm nghiệm thực tế thuật toán điều khiển tối ƣu cho các

đoạn đƣờng cụ thể. 81

3.3.1. Thu thập dữ liệu đầu vào cho bài toán. 81

3.3.2. Mô phỏng kiểm nghiệm thực tế . 85

3.3.3. Giao diện mô phỏng. 90

3.4. Kết luận Chƣơng 3 . 91

KẾT LUẬN . 92

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN

QUAN ĐẾN LUẬN ÁN . 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 94

PHỤ LỤC I . 103

PHỤ LỤC II. 105

PHỤ LỤC III . 113

pdf125 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 346 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu năng lượng đoàn tàu trên tuyến đường sắt Việt Nam - Nguyễn Văn Hải, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
t ra kết luận là việc hãm chỉ xảy ra tại thời điểm cuối của khu đoạn hoặc phía trước có điểm hạn chế tốc độ. 2.2.4. Cấu trúc của đặc tính tối ưu Cấu trúc của đặc tính tối ưu được xác định khi xem xét sự chuyển đổi từ chế độ tối ưu này sang chế độ tối ưu khác. Nó phụ thuộc vào các điều kiện biên (2.8), mặt cắt của đường sắt và độ dài của khu đoạn. Đối với khu gian phẳng không có độ dốc khi vận tốc ban đầu Vd < Vc đặc tuyến tối ưu bao gồm tối đa là 4 chế độ LK → C → QT → TM như hình 2.1a; với những khu đoạn ngắn chế độ C có thể được loại bỏ như hình 2.1b và khi đó các chế độ tối ưu sẽ là LK → QT → TM. Trong trường hợp vc> 0 (ví dụ như vc là tốc độ giới hạn qua ga) vì có thể loại bỏ chế độ TM như hình 2.1c, khi đó các chế độ tối ưu là LK → C → QT. Cuối cùng trong trường hợp vận tốc đầu vd >vc đường đặc tính tối ưu được thể hiện ở hình 2.1d và các chế độ điều khiển tối ưu là QT → C → QT → TM. 35 Hình 2.1a. Đặc tính tối ưu của khu gian phẳng Hình 2.1b. Đặc tính tối ưu của khu đoạn ngắn 36 Hình 2.1c. Đặc tính tối ưu của khu đoạn có hạn chế tốc độ Hình 2.1d. Đặc tính tối ưu trong trường hợp Vd>Vc Trong trường hợp đoàn tàu đi qua đoạn đường có độ dốc lên hoặc xuống sẽ xuất hiện các trường hợp sau: - Tốc độ của đoàn tàu vẫn giảm thậm chí khi lực kéo đoàn tàu đạt giá trị max. - Tốc độ của đoàn tàu vẫn tăng thậm chí khi lực kéo đoàn tàu bằng không, tàu chạy theo quán tính (chạy đà). 37 Khi này cấu trúc đường đặc tính chuyển động như sau: Hình 2.2a. Đặc tính tốc độ khi đoạn đường có độ dốc xuống Hình 2.2b. Đặc tính tốc độ khi đoạn đường có độ dốc lên 2.2.5. Tính toán hàm p(s). Việc tính toán hàm p(s) giúp cho việc xác định thời điểm chuyển từ chế độ tối ưu này sang chế độ tối ưu khác. Ta tích phân đồng thời phương trình vi phân chuyển động đoàn tàu (2.33) và hàm ψ1 phương trình (2.35) sau đó sử dụng phương trình (2.41). Xem xét trong một đoạn đường [a,b] với chế độ điều khiển là kéo và chạy đà. Trên mỗi đoạn có mặt cắt không đổi ta có biểu thức H = const, so sánh giá trị khác tại điểm đầu và cuối của đoạn đường [a,b] 38 Ta có: Hn-1 = Hn (2.46)    2 1 1 0 1 2 0( ) . ( ) ( ) ( )n n n n n n n nv g p v v g p v          Do đoạn đường khảo sát có độ dốc không thay đổi nên ta có gn = const ở dạng : 2( ) . ( ) ( )f mv u f v v   ; vn, pn là giá trị hàm v(s) và p(s). Tại điểm cuối của đoạn khảo sát, gn là độ dốc trên đoạn thứ n. Sử dụng quan hệ này ta dùng để xác định giá trị tại điểm bắt đầu của khu đoạn tính toán, nếu biết giá trị ban đầu p0 = p(a) và v0 = v(a). Rõ ràng khi tích phân biểu thức (2.33) ta tìm được tốc độ v1 tại điểm cuối của đoạn khảo sát từ giá trị biết trước v0, p0 theo phương trình (2.41) tìm được p1, thủ tục này được lặp lại với các đoạn có độ dốc tiếp theo. Ta xét với chế độ chạy đà, mà trước đó tàu đang ở chế độ ổn định tốc độ C. Giả sử tại tọa độ a bắt đầu chế độ chạy đà, tích phân phương trình chuyển động đoàn tàu ta xác định được các giá trị v1, v2 do p(a) = 1 nhờ quan hệ (2.41) ta dễ dàng xác định được giá trị p(b). Nếu p(b) = 1 thì đặc tuyến điều khiển tối ưu trong trường hợp ngược lại ta phải thay đổi tọa độ của điểm a cho đến khi tại điểm cuối p(b) = 1. Khi chuyển sang chế độ kéo và chạy đà trong trường hợp chung được xác định như sau: Giả sử trong khu đoạn [a,b] có một đoạn đường có độ dốc khác nhau, tức là có thể mô tả hệ thống bằng một phương trình (2.46). Khi này v(b) = v(l), p(b) = p(l). Loại trừ các biến trung gian p1, p2, pl– 1 ta nhận được quan hệ giữa các đại lượng p0 và pl với các giá trị đã biết v0, v1,vl[17]. 1 2 0 0 1 2 0 0 11 12 1 2 1 2 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( , ) . . 0 ( ) ( ) ( ) l nl n n n n l l l l nn ln n n n l l v g v v v g p p p p v g v g v g                           (2.47) 39 Như vậy quá trình xây dựng đặc tính tối ưu được thực hiện qua việc tìm tọa độ chuyển sang chế độ kéo hoặc quán tính, khi đã biết trước các giá trị p0, pl đảm bảo thực hiện đẳng thức (2.47). Quan hệ này được gọi là điều kiện tối ưu của đặc tính chuyển động trong các khu đoạn kéo và chạy đà. 2.3. Đề xuất bài toán có nhiều đoàn tàu trên tuyến 2.3.1. Xây dựng bài toán Trong thực tế trên một tuyến đường sắt có nhiều đoàn tàu chạy trên tuyến, trên thế giới với tuyến đường đôi các đoàn tàu sẽ chạy kế tiếp và không có xung đột ngược chiều giữa hai đoàn tàu (xung đột chỉ xảy ra trong quá trình một tuyến phải duy tu, bảo trì hoặc sửa chữa). Tại Việt Nam, hiện nay sử dụng đường đơn, tại một khu gian chỉ có một đoàn tàu duy nhất trên tuyến. Để xây dựng lịch trình phù hợp cho từng đoàn tàu người ta xây dựng biểu đồ chạy tàu cho tuyến. Trong đó quy định thời gian đi và đến của các đoàn tàu qua một ga nhất định. Hình dưới thể hiện một biểu đồ chạy tàu đường sắt đường dài điển hình ở Việt nam. Hình 2.3. Biểu đồ chạy tàu cho đoạn trên tuyến 40 Trong đó tàu  và  chạy theo hướng tàu ga A đến ga E, tàu  chạy theo hướng từ ga E về ga A. Các khoảng thời gian T1 đến T13 là các khoảng thời gian chạy tàu được quy định trước để tránh các xung đột của các đoàn tàu. Lưu ý thời gian từ T2 đến T4 là khoảng thời gian tàu số  dừng tại ga C để tránh tàu số  đi đến vào thời điểm T3, tương tự khoảng thời gian T6 đến T10 là thời gian tàu số  dừng tại ga B để tránh tàu số  đi qua vào thời gian T7. Với bài toán điều khiển tối ưu cho một đoàn tàu xem xét ở trên, ta cần biết các dữ liệu: thời gian bắt đầu chạy từ ga xuất phát (td), thời gian đoàn tàu dừng tại ga cuối hành trình (tc), tốc độ ban đầu vđ=v(td),tốc độ tại ga cuối vc = v(tc), đoạn đường đoàn tàu chạy qua từ sd đến sc. Với ví dụ trên ta xét đoàn tàu số 1: sd tại ga A, sc tại ga D, vd=0, vc=0, td=T1, tc=T8. Tuy nhiên trong trường hợp này cần xem xét đến sự ảnh hưởng của các đoàn tàu khác đến đoàn tàu , ở đây là yếu tố thời gian T3 đoàn tàu cần phải đến ga C. Như vậy bài toán điều khiển tối ưu trở thành bài toán xác định các tác động điều khiển (uf và ub) để điều khiển đoàn tàu chạy từ ga A đến ga D với các điều kiện đầu vđ = v(td) và vc = v(tc) với khoảng thời gian chạy tàu cho trước T = tc - td = T8 - T1, thỏa mãn điều kiện khi đi qua ga C tại thời điểm T3. Đồng thời chi phí năng lượng của đoàn tàu là nhỏ nhất Hình 2.4. Đặc tuyến chuyển động đoàn tàu 41 Ta có: 1T là khoảng thời gian tàu  chạy từ ga A đến ga C 1 3 1 2T T T và T    là khoảng thời gian tàu chạy từ ga C đến ga D 2 8 3T T T   Lưu ý là vận tốc của đoàn tàu khi đi qua ga C không biết trước. 2.3.2. Mô hình toán học đoàn tàu Theo (2.33) ta có phương trình chuyển động đoàn tàu: ( ) ( ) ( ) ( )f m b mu f v u b v v g sdv ds v     Các điều kiện biên: vd = v(sd), vc = v(sc) Thời gian chạy tàu từ ga A đến ga C: 1 3 1 aT T T T    (2.48) Thời gian chạy từ tàu C đến ga D: 2 8 3 bT T T T    (2.49) Các điều kiện giới hạn:0 ≤ uf ≤ 1 , 0 ≤ ub ≤ 1 , v(s) ≤Vmax(s) (2.50) Để đảm bảo chỉ tiêu chất lượng gồm các yếu tố tiết kiệm năng lượng chạy tàu và thời gian chạy tàu 1T và 2T là đưa vào phiếm hàm tiêu chuẩn tối ưu 2 hệ số nhân Lagrange λ1 và λ2: 1 1 2 2     c d S S F A ds T T   1 1 1 2( )     c c d d s ss f m s s s A u f v ds ds ds v v   Biển đổi, ta có: 1 1 1 2( ) ( )                  c d ss f m f m s s A u f v ds u f v ds v v   (2.51) Trong đóλ1và λ2 là các hệ số không xác định Lagrange để đảm bảo thời gian chạy tàu Ta và Tb Đặt 1 1 2 1    khi s S khi s S    (2.52) 42 Lúc này ta có phiếm hàm ( )         c d s f m s A u f v ds v  (2.53) 2.3.3. Giải bài toán điều khiển tối ưu. Tương tự như đối với trường hợp một đoàn tàu độc lập ta có hàm HamiltonH như sau: 0 [ ( )]( 1) ( ) [ ( ) ( )]            f m b mH u f p p u b v p v g s p v    (2.54) và hàm p(s) như sau: ' ' ' 2 1 ( )(1 ) ( ) ( )           f m b m dp u f v p u b v p v p ds v v   (2.55) Trong đó  được xác định bởi công thức (2.52) Trong trường hợp này, hàm p(s) không trơn liên tục mà nhảy bậc từ điểm p- sang p + tại điểm S1 (xem hình 2.5) cho có giá trị λ thay đổi nhảy bậc từ λ1 sang λ2 Để thỏa mãn giá trị cực đại của hàm Hamilton có 5 chế độ điều khiển: a) Khi p<0 chế độ hãm lớn nhất (TM) b) Khi p=0 chế độ hãm duy trì tốc độ (CT) c) Khi p (0;1) chế độ chạy đà (QT) d) Khi p=1 chế độ ổn tốc (C) e) Khi p>1 chế độ lực kéo lớn nhất (LK) Với phương trình (2.52), xét trường hợp ổn tốc khi p=1 nên dp 0 ds  , có 2 giá trị vận tốc ở chế độ ổn định tốc độ (Von1 và Von2) phụ thuộc vào vị trí hiện tại của đoàn tàu: 2 ' 1 1 1 1 2 ' 2 2 2 1 ( ) ( )     on on on on V V khi s S V V khi s S     (2.56) Lúc này dạng của đường đặc tính chuyển động đoàn tàu thể hiện ở hình 2.5: 43 Hình 2.5a. Trường hợp Von1< Von2 Hình 2.5b. Trường hợp Von1> Von2 Như vậy với giải pháp lựa chọn 2 giá trị λ1 và λ2, các giá trị điều khiển (lực kéo và lực hãm) và đường đặc tuyến chạy tàu v(s) tương ứng luôn thỏa mãn điều kiện của giá trị H của hàm Hamilton đạt max, có nghĩa là ta đã xác định được các chế độ điều khiển phù hợp (tối ưu) cho bài toán đặt ra. 2.3.4. Xét các trường hợp đặc biệt khi có độ dốc tại điểm S1 Trong hình 2.5 chưa xem xét đến trường hợp có các đoạn độ dốc khi đoàn tàu chạy trong khu đoạn, các hình dưới đây có tính đến trường hợp có độ dốc lên và xuống tại lân cận điểm S1 44 2.3.4.1. Trường hợp có độ dốc lên Hình 2.6a: Phương án điều khiển khi Von2> Von1 Hình 2.6b: Phương án điều khiển khi Von2< Von1 Với trường hợp thứ nhất Von2> Von1, tại điểm S1 chế độ điều khiển tiếp theo là lực kéo lớn nhất để đạt chế độ Von2. Lúc này có sự nhảy bậc dương của giá trị p từ p- sang p+, điều kiện tối ưu được kiểm tra bởi công thức.               3 1 3 20 0 1 2 1 1 1 2 1 2 12 1 1                 n j jn n n n l j n n n n n nj j v gv v v g p v g v gv g      (2.57) Do pl> 1 nên: 45               3 1 3 20 0 1 2 1 1 1 2 1 2 12 1 1                 n j jn n n n j n n n n n nj j v gv v v g v g v gv g      (2.58) Hay :                 0 1 0 1 2 2 0 1 2 1 0 1 2 1 2 2 1 1       on on on v v v v v v v g v                               0 3 0 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2      on v v v v g v v g v v v g v v g            (2.59) Với trường hợp Von2< Von1, tại điểm S1 chế độ điều khiển tiếp theo là chế độ chạy đà (QT) để giảm xuống tốc độ Von2. Lúc này có sự nhảy bậc âm của gái trị lùi p- sang p+, điều kiện tối ưu được kiểm tra bởi công thức:                   2 10 1 0 1 2 2 0 1 0 1 2 1 2 2 1 2 1 2 12 2 2 2 2 20 3 0 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 ( )( ) 1 ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )            on on on on vv v v v v v g v v vv g v gv v v v v g v v g                 (2.60) 2.3.4.2. Trường hợp có độ dốc xuống Hình 2.7a. Phương án điều khiển khi Von2> Von1 46 Hình 2.7b. Phương án điều khiển khi Von2< Von1 Với trường hợp thứ nhất Von2> Von1, tại điểm S1 chế độ điều khiển tiếp theo là lực kéo lớn nhất để đạt chế độ Von2. Lúc này có sự nhảy bậc dương của giá trị p từ p- sang p+, điều kiện tối ưu được kiểm tra bởi công thức.               3 1 3 20 0 1 2 1 1 1 2 1 2 12 1 1                 n j jn n n n l j n n n n n nj j v gv v v g p v g v gv g      Do pl> 1 nên:               3 1 3 20 0 1 2 1 1 1 2 1 2 12 1 1                 n j jn n n n j n n n n n nj j v gv v v g v g v gv g      Hay                 0 1 0 1 2 2 0 1 2 1 0 1 2 1 2 2 1 1       on on on v v v v v v v g v                               0 3 0 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 . . on v v v v g v v g v v v g v v g                  Với trường hợp Von2<Von1, tại điểm S1 chế độ điều khiển tiếp theo là chế độ chạy đà (QT) để giảm xuống tốc độ Von2. Lúc này có sự nhảy bậc âm của gái trị lùi p- sang p+, điều kiện tối ưu được kiểm tra bởi công thức: 47                   2 10 1 0 1 2 2 0 1 0 1 2 1 2 2 1 2 1 2 12 2 2 2 2 20 3 0 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 ( )( ) 1 ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )            on on on on vv v v v v v g v v vv g v gv v v v v g v v g                 2.3.5. Mở rộng với trường hợp đoàn tàu đi qua nhiều ga trung gian với thời gian cố định cho trước Hình 2.8. Đoạn tuyến chuyển động của đoàn tàu qua nhiều ga Để đảm bảo thời gian chạy tàu qua từng ga, ta đưa vào phiếm hàm chỉ tiêu chất lượng có hệ số nhân Lagrange  tương ứng: 1 1 2 1 2 1 1                k k k k k c khi s S khi S s S khi S s S khi S s S      (2.61)   s         c d s f m s A u f v d v  (2.62) Để kiểm tra các đường đặc đính có tối ưu hay không ta sử dụng hàm  0, lp p tương ứng với từng đoạn xem xét. Với hệ thống đường sắt đường đôi như ở các tuyến đường sắt trên thế giới sử dụng hệ thống đóng đường tự động cố định, các đoàn tàu được gửi cùng hướng kế tiếp nhau theo nguyên tắc điều khiển gồm cách 1 khu gian đóng đường. 48 Hình 2.9. Hai đoàn tàu chạy cùng hướng trên tuyến Thời gian chạy tàu của đoàn tàu B tại các phân khu đóng đường tương ứng sẽ phụ thuộc vào tốc độ của đoàn tàu A. Như vậy thời gian đoàn tàu B đi qua các cột hiệu của phân khu kế tiếp không cố định mà cũng phụ thuộc vào đoàn tàu A. Xét bài toán điều khiển tối ưu đoàn tàu B, lúc này ta có.       1 1 2 1 2 1 khi khi khi            k k c t s S t S s S t S s S     (2.63) Lúc này căn cứ vào biểu đồ chạy tàu và đường đặc tính chạy tàu cụ thể của đoàn tàu A có thể xác định các giá trị 1, 2, ., k+1. Từ đó có thể xây dựng các chế độ điều khiển tối ưu phù hợp với đoàn tàu B. Trong trường hợp sử dụng hệ thống đóng đường tự động di động, trên tuyến đường sắt không còn hệ thống đèn tín hiệu tại các phân khu đóng đường cố định. Lúc này, các điểm S1 và S2 cũng không cố định mà phụ thuộc vào vị trí hiện tại của đoàn tàu A. Cũng tương tự như trên căn cứ vào biển đồ chạy tàu và đường đặc tính chạy tàu của đoàn tàu A có thể dự đoán trước, ta xác định được các giá trị S1(t), S2(t). và các giá trị 1(t). k+1(t) tương ứng. Trên cơ sở đó xác định được các chế độ điều khiển và đường đặc tính tối ưu của đoàn tàu B. Như vậy, phương pháp đề xuất có thể giải quyết được bài toán có tính đến sự ảnh hưởng của các đoàn tàu khác trên tuyến gồm các đoàn tàu tránh nhau tại các ga trong hành trình, đoàn tàu phía trước trong hệ thống chạy đường cố định và di động. 49 2.4. Đề xuất bài toán điều khiển tối ƣu đoàn tàu có xét đến ảnh hƣởng của chiều dài đoàn tàu. 2.4.1. Xây dựng bài toán Qua khảo sát thực tế một số tuyến đường sắt ở Việt nam như tuyến Hà Nội – Lào Cai; tuyến thống nhất đoạn Vinh – Nha Trang có các đoạn độ dốc ngắn liên tiếp có chiều dài nhỏ hơn chiều dài của đoàn tàu. Trong các phần trước ta coi cả đoàn tàu là một điểm nằm ở trọng tâm (chất điểm), khi đoàn tàu di chuyển điểm trọng tâm này nằm trong một đoạn có độ dốc cố định. Xem xét hàm Hamilton H trong một đoạn độ dốc ta có:  0 1 0 0 1 1, , , , ,  f bH v u u s      (2.64) Đạo hàm của hàm H: ' ' ' ' 0 0 0 0 1 1 1 1 dH ds            (2.65) Do 0 0 d ds   nên ' 0 0  0 0 d ds   do  0  f mu f v v   không phụ thuộc vào s Vậy 1 1 1 1  dH d d ds ds ds     (2.66) 0 1 1 0 1 1 1 . .          dH d ds v v ds                1 . .f m b mu f v u b v v g s v        Nên: ' 0 1 1 0 1 1 . . ( )           dH g s ds v v v       (2.67) 50 Như vậy, giá trị của H đối với biến s không phải là giá trị không đổi mà phụ thuộc vào sự thay đổi của giá trị độ dốc g(s). Trong một đoạn độ dốc nếu xét đoàn tàu là một điểm, ta có g’(s) = 0 và giá trị H sẽ không thay đổi trong đoạn này. Tuy nhiên nếu xét đoàn tàu theo dạng phân bố theo chiều dài thì điều kiện này không được thoả mãn và cần xét lại các điều kiện để hàm Hamilton đạt giá trị Max. 2.4.2. Xác định giá trị lực cản phụ có tính đến ảnh hưởng của chiều dài đoàn tàu Ví dụ một đoạn đường có các độ dốc sau: Chiều dài đoàn tàu L = 500m g1 = g4= g6= 0 g2= 2,5‰ g3 = 6‰ g5 = -4.5‰ Hình 2.10. Vị trí của đoàn tàu trên 1 đoạn có nhiều độ dốc Với giả thiết trọng lượng của đoàn tàu được phân bố đều theo dọc đoàn tàu. Coi vị trí đoàn tàu là điểm trọng tâm (điểm giữa đoàn tàu).   1 1 1       k i i i k i i g s l g L L l (2.68) 51 Trong đó các giá trị li phụ thuộc vào vị trí hiện tại của đoàn tàu trên tuyến. So sánh giữa hai trường hợp coi đoàn tàu là một chất điểm và đoàn tàu phân bố theo chiều dài ở hình dưới. Hình 2.11a. Lực cản phụ khi coi đoàn tàu là một chất điểm Hình 2.11b. Lực cản phụ khi đoàn tàu phân bố đều trên đoạn chiếm dụng 52 Trên hình 2.11b ta thấy giá trị lực cản phụ thay đổi liên tục không có nhảy bậc như hình 2.11a, toạ độ của đoạn có giá trị dương và âm bị thay đổi. Việc này dẫn đến cần thay đổi các điểm chuyển chế độ điều khiển trước các đoạn độ dốc dương và âm so với trường hợp coi đoàn tàu là một chất điểm. 2.4.3. Xác định các điểm chuyển điều khiển tối ưu Do giá trị g(s) thay đổi liên tục khi đoàn tàu chạy trên tuyến nên điều kiện tối ưu xác định ở phần trước (2.47) không sử dụng được. Trong mục này đưa ra giải pháp tìm điểm chuyển tối ưu khi xét đến chiều dài của đoàn tàu phân bố ở những đoạn độ dốc khác nhau. Xem xét hàm Hamilton:         1 1               f m b mH u f v p u b v p v g s p v    (2.69) 2.4.3.1. Trường hợp đoàn tàu tiến gần đến đoạn có độ dốc lên Hình 2.12. Điều khiển lực kéo lớn nhất tại điểm có độ dốc lên 53 Để hàm H (2.69) đạt max ở chế độ lực kéo nhất nhất uf = 1, giá trị p cần>1 và tại điểm chuyển chế độ từ ổn tốc sang LK, từ LK sang ổn tốc, giá trị p cần bằng 1. Để xác định giá trị p(s), sử dụng công thức sau:     ' 2 1 1 ' s          m dp f v p v p d v v   (2.70)     ' ax 2 1 1 2 s          m dp F v p b cv p d v P Q v    (2.71) Sử dụng phương pháp Eurler để giải phương trình vi phân trên.       ' ax 2 .1 1 2            mF vp p b cv p s v P Q v    (2.72)       ' ax 1 2 . 1 2            m k k k k k k k k F vs p p p b cv p v P Q v    (2.73) Tương ứng với từng bước tích phân s khi giải phương trình vi phân chuyển động đoàn tàu.      2ax s mF vdv a bv cv g s d v P Q            (2.74)      ax 21            m k k k k k k F vs v v a bv cv g s v P Q  (2.75)      ' ax 1 axax ax 1 m k m km m k k k F v F vF F v v v v        (2.76) Như vậy hàm  ' axm kF v được xác định căn cứ vào đường đặc tính sức kéo của đầu máy. Phương pháp xác định điểm chuyển chế độ từ ổn tốc sang lực kéo lớn nhất như sau: - Bước 1: Lựa chọn điểm chuyển chế độ cách điểm bắt đầu có độ dốc lên khoảng cách S0. Lúc này ta có v0 = Von và p0 = 1. - Bước 2: Chọn bước tích phân s đủ nhỏ, ví dụ s = 1m. Giải phương 54 trình (2.75) xác định giá trị vận tốc v(s), tại điểm cuối có vl = Von - Bước 3: Tương ứng với từng bước tích phân s, giải phương trình (2.73) xác định giá trị p(s) tương ứng. Tại điểm cuối (khi có v= Von), tìm được giá trị p= pl . - Bước 4: So sánh giá trị plvới 1, nếu pl> 1 lặp lại bước 1 với việc giảm giá trị s0 (tiến điểm chuyển tối ưu về phía trước). Trong trường hợp pl< 1 sẽ tăng S1 (lùi điểm chuyển tối ưu về phía sau), quá trình lặp lại cho đến khi đạt pl1 hay 1lp   (đủ nhỏ). 2.4.3.2. Trường hợp đoàn tàu tiến đến đoạn có độ dốc xuống Hình 2.13. Điều khiển chế độ chạy đà tại điểm có độ dốc xuống Hàm Hamilton có dạng: 0 -[ (v) + g(s)]H p v            (2.77) Để đảm bảo hàm H đạt max ta có p[0,1] và uf = 0, ub= 0 và hàm H có dạng như công thức (2.77). Tương tự như ở phần trên tại điểm chuyển chế độ 55 C sang QT và từ QT sang C giá trị của p cần bằng 1, còn trong đoạn sử dụng chế độ QT giá trị của p nằm trong khoảng từ [0,1]. Trong chế độ chạy đà QT hàm p được xác định như sau: , 2 1 [ ( ) ]  dp v p ds v v   2 1 [ ( 2 ) ] dp b cv ds v v     (2.78) Sử dụng phương pháp Eurler giải phương trình vi phân trên: 1 2 + [ ( 2 ) ]k k k k k p p p b cv v v       (2.79) Tương tự như trên xác định được giá trị pl tại điểm cuối của chế độ chạy đà QT, nếu 1lp   (đủ nhỏ) thì điểm lựa chọn chuyển chế độ từ Csang QT là tối ưu, nếu pl > 1 cần dịch chuyển điểm s0 về phía sau, còn nếu pl < 1 cần dịch chuyển đểm S0 về phía trước. 2.4.3.3. Trường hợp đoàn tàu chạy đà (QT) trước khi vào ga Hình 2.14. Điều khiển chế độ chạy đà trước khi hãm 56 Với chế độ này p đoàn tàu ở chế độ chạy đà. Tốc độ đoàn tàu giảm từ Von đến Vh từ vị trí So đến S1. Các bước thực hiện tìm điểm So và S1 như sau: -Bước 1: Từ điểm Sc xây dựng đường đặc tính hãm TM bằng cách giải phương trình vi phân chuyển động đoàn tàu:  max ( ) ( )T dv B v v g s ds v P Q           (2.80) Hay      ax1           Tm k k k k k k B vs v v v g s v P Q        ax1          Tm k k k k k k B vs v v v g s v P Q   (2.81) Với vk = Vc Như vậy xác định được các giá trị vận tốc khi hãm theo hướng ngược với hướng chuyển động của đoàn tàu. - Bước 2: Lựa chọn điểm S1 xác định được giá trị Vh tương ứng trên đường đặc tính hãm ở bước 1. - Bước 3: Từ điểm S1 xây dựng đường đặc tính chạy đà theo hướng ngược với chuyển động của đoàn tàu, bằng cách giải phương trình:    1      k k k k k s v v v g s v   (2.82) Xác định được điểm S0tại đó Vk-1 = Von - Bước 4: Đồng thời với việc tìm giá trị vận tốc ở bước 3, xác định giá trị pk-1 khi biết pk ban đầu bằng 0 (tại điểm S1)  1 22          k k k k k s p p b cv v v   (2.83) Tại điểm S0 nếu 1 1kp    (đủ nhỏ) thì điểm lựa chọn S1là tối ưu. Trong trường hợp pk-1>1 cần dịch chuyển điểm S0 sang trái (về phía sau so với chuyển động đoàn tàu). 57 Còn trong trường hợp pk-1<1 cần dịch chuyển điểm S0 sang phải (về phía trước so với chuyển động đoàn tàu). Như vậy trong mục này đã đưa ra phương pháp xác định các giá trị lực cản phụ có tính đến chiều dài của đoàn tàu và vị trí hiện tại của đoàn tàu trên tuyến. Đồng thời xây dựng các thuật toán xác định được vị trí của điểm chuyển chế độ tối ưu khi gặp các đoạn có độ dốc lên và xuống. 2.4.3.4. Trường hợp tổng quát Như mục 2.4.1 phân tích, với đoàn tàu đi qua các đoạn có độ dốc phức tạp không coi như là một chất điểm dẫn đến giá trị của lực cản phụ là đại lượng biến thiên liên tục do đó không thể dùng công thức (2.47) để kiểm tra điểm chuyển chế độ tối ưu. Trong trường hợp này tác giá để xuất phương pháp xác định điểm chuyển chế độ tối ưu bằng cách giải đồng thời phương trình vi phân chuyển động đoàn tàu v(s) và phương trình vi phân p(s). Căn cứ vào giá trị của p(s) tại các điểm tốc độ v(s) đạt tốc độ Von (thời điểm chuyển chế độ) sẽ quyết định dịch điểm chuyển về phía trái hay phía phải của điểm chuyển ban đầu S0. 2.5. Kết luận Chƣơng 2 Trong chương này, tác giả phân tích việc áp dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin để giải bài toán điều khiển tối ưu một đoàn tàu trên tuyến để làm cơ sở giải quyết 02 vấn đề mới đề ra, đó là: Thứ nhất: Đề xuất phương pháp giải quyết được bài toán điều khiển tối ưu đoàn tàu có tính đến sự ảnh hưởng của các đoàn tàu khác trên tuyến gồm các đoàn tàu tránh nhau tại các ga trong hành trình, đoàn tàu phía trước trong hệ thống chạy đường cố định và di động. Thứ hai: Đề xuất phương pháp điều khiển tối ưu đoàn tàu khi xét đến yếu tố ảnh hưởng của chiều dài đoàn tàu đến lực cản phụ. Trong trường hợp này việc xác định vị trí của điểm chuyển chế độ tối ưu trên cơ sở tính toán đồng thời 2 phương trình vi phân v(s) và p(s).Đồng thời tác giả trình bày thuật toán xác định điểm chuyển cho một số khu đoạn điển hình có độ dốc lên và độ dốc

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_giai_phap_dieu_khien_toi_uu_nang_luong_do.pdf
Tài liệu liên quan