Báo cáo khoa học: "Phương pháp điều chỉnh tối -u bộ truyền động điện đầu máy diesel theo mục tiêu tiết kiệm năng lượng" potx

Phơng pháp điều chỉnh tối u
bộ truyền động điện đầu máy diesel
theo mục tiêu tiết kiệm năng lợng


TS. đỗ việt dũng
Bộ môn Đầu máy Toa xe
Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT

Tóm tắt: Nghiên cứu giải quyết vấn đề điều khiển, điều chỉnh bộ truyền động điện theo
quy luật biến đổi no để đảm bảo chi phí năng lợng tối thiểu trong điều kiện vận dụng cụ thể l
hớng nghiên cứu cần thiết trong khai thác đầu máy diesel truyền động điện. Nội dung bi báo
trình by phơng pháp xây dựng mô hình v khảo sát bi toán tìm luật điều khiển tối u bộ
truyền động điện theo hm 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 v mô hình phơng pháp
điều khiển, điều chỉnh tối u
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
thờng đợc mô
hình hoá đơn
giản thành hai
phần tử là phần
động lực và phần điều khiển, điều chỉnh [1],
[2]. Với cấu trúc nh 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 thờng đợc ứng dụng trên các
đầu máy diesel hiện đại (D12E, D13E,
D19E).
n
n
X
CU
CHĐ
OĐ
CT
CHF
FF
KĐ
KT
F
Đ

U , I
X

-h

Z
X
K
R
n
FĐ

Đ
T
FH
T2
CĐ
T
1
n
Đ
I
Đ

W
Trong đó: Đ
i
- động cơ diesel; Cu - cơ cấu
điều chỉnh thanh răng nhiên liệu; K - tay máy;
M
F
-Z
Y

n
Đ
I
Đ
I

nđ

h
i
F
Đ


1
Z
1

2
Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống truyền động điện với cấu trúc ĐCTĐ liên hợp

CHĐ - 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 đờng 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 đợc 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 tơng ứng với một
mức công suất của động cơ diesel và một giá
trị công suất tải đợc 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 trờng 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 trờng 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 W và một giá trị xác định của biến
điều khiển K, hệ có một trạng thái cân bằng
tơng ứng với trạng thái cân bằng giữa sức
kéo và sức cản chuyển động của đoàn tàu.
Khi các điều kiện K, W thay đổi, hệ sẽ tự
động điều chỉnh để đa toàn bộ hệ thống TĐĐ
sang trạng thái cân bằng mới.
Ftn
= f(I
Ftn
) là các đờng đặc tính cứng, không
thoả mãn yêu cầu tận dụng công suất cho
động cơ sơ cấp (tức P
Ftn
U
Ftn
.I
Ftn
). Vì vậy khi
tải mặt đờng thay đổi, dòng điện kéo I
F
thay
đổi, nếu không có sự thay đổi đặc tính thì sẽ
không tận dụng đợc công suất động cơ
diesel. Vì vậy, để tận dụng hết công suất của
tổ máy, đặc tính ngoài của MFĐK đợc điều
chỉnh cỡng bức theo quan hệ là đờng
hypecbol (hay có P

F
= U
F
.I
F
= const). Việc điều
chỉnh này do hệ thống điều chỉnh tự động
công suất (ĐCTĐ) đảm nhiệm thông qua việc
điều chỉnh từ trờng chính trong MFĐK theo
các dạng quy luật cần đợc 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 trờng, 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 hớng ảnh hởng
xấu đến độ tin cậy, độ bền cách điện của các
thiết bị này, cũng nh tuổi thọ của đầu máy.
Xuất phát từ những phân tích và nhận
định trên, ta thấy việc nghiên cứu xác định
đợc quy luật biến thiên từ trờng của MFĐK,
ĐCĐK theo tải của nó và theo tốc độ đầu máy
một cách tối u 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 trờng hợp thiết
kế mới đầu máy là việc làm cần thiết.

1.2. Các phơng trình cơ bản của
MFĐK và ĐCĐK [1], [2]
a. Các đại lợng có liên quan đến hệ
thống TĐĐ: bao gồm các yếu tố
- Sức cản cơ bản đơn vị:


0

= k
1
+ k
2
V (1)

0

= k
3
+ k
4
V (2)
Với: k
1
, k
2
, k
3
, k
4

- các hệ số ứng với các
loại đầu máy và toa xe cụ thể
V - tốc độ đoàn tàu (km/h)
- Sức cản phụ đờng dốc, đờng cong
đợc xác định theo các công thức tính thông
dụng.
- Trọng lợng đoàn tàu Q
- Các cơ cấu dẫn động của đầu máy (tỷ
số truyền hộp giảm tốc trục, đờng kính bánh
xe đầu máy).
b. Các phơng trình cơ bản của MFĐK
Từ phơng trình cân bằng điện áp của
MFĐK:
U
F
= E
F
- I
F
R
Ư
(3)
Với: E
F
, U
F
, I
F
- sức điện động, điện áp (V)
và dòng điện (A) của MFĐK

R

- tổng trở phần ứng MFĐK ().
Nhân 2 vế của phơng trình này với I
F
, ta
đợc:
U
F
.I
F
= E
F
.I
F
- I
F
2
. R
Ư
(4)
Mà U
F
.I
F
= P
F
= m.P
Đ
=U

Đ
I
Đ
(5)
P
F
, P
Đ
- công suất của MFĐK và ĐCĐK
(m: số ĐCĐK của đầu máy)
và E
F
= K
F
.
F
.n
F
(6)
Với: K
F
- hệ số kết cấu;
F
- Từ trờng
chính của MFĐK (Wb).
n
F
- tốc độ quay MFĐK bằng tốc độ
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, U
Đ
và I
Đ
là điện áp và dòng điện của các
ĐCĐK, từ các phơng trình (4), (5), (6) ta có:
m.P
Đ
= (a.I
Đ
). E
F
- (a.I
Đ
)
2
. R
Ư
(7)
Sức điện động tơng đối của MFĐK là:
e
f
=
FdmFdme
FFe
Fdm
F
n K
n K

E
E


=

=
ddm
d
Fdm
F
n
n
.


=
dF
n.

(8)
Phơng trình cân bằng công suất ở dạng
tơng đối:
m. p
Đ
= a.i
D
.

F

.
*
d
n

- i
D
2
.a
2
. (9)
*
F
r
Phơng trình đặc tính từ trờng theo dòng
điện kéo ở dạng tơng đối:

*
dD
*
F
2
D
2
D
F
ni.a
r.i.ap.m +
=

(10)
c. Các phơng trình cơ bản của ĐCĐK
một chiều kích từ nối tiếp
- Phơng trình động lực học của ĐCĐK
dạng tơng đối:
C
'
CDD
d
d
.i +=+

=

(11)
- Phơng trình cân bằng điện áp với các
đại lợng tơng đối:
u
D
=
D
+ i
D
r
D
(12)
Trong (12) giá trị r
D
là điện trở tơng đối
đợc xác định bằng quan hệ:

dm
dm
ị
U
I.R
r

=
(13)
Nếu xét thêm quan hệ (5) thì phơng
trình (12) có dạng:
P
Đ
= i
D

Đ
. + i
D
2
r
D
(14)
- Phơng trình xác định quãng đờng
chuyển động của đoàn tầu trong khoảng thời
gian từ 0 đến T: s =

T
o

k
d (15)
Phơng trình xác định gia tốc chuyển

động đoàn tầu:
a =

T
o
'
k
d (16)
- Phơng trình xác định nhiệt lợng toả ra
trong phần ứng MFĐK, ĐCĐK:
q = d (17)

T
o
2
i
Tập hợp các phơng trình biểu diễn các
mối quan hệ cơ bản giữa các đại lợng tơng
đối biểu thị trạng thái làm việc của bộ TĐĐ
nh ta vừa xem xét sẽ là các cơ sở quan trọng
để xây dựng bài toán điều khiển tối u MFĐK
và ĐCĐK.

ii. Hm mục tiêu của bi toán điều
khiển tối u 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.
- Các điều kiện để đảm bảo độ bền cơ
học thông thờng:

o
(18)
Với là tốc độ góc tơng đối của rô to và

o
do nhà chế tạo quy định.
- Các điều kiện về chuyển mạch của máy
điện một chiều:
i i
max
, i i () và
min
(19)
Với i là dòng điện kéo tơng đối, i () là
điều kiện phụ thuộc tốc độ quay và là từ
trờng chính tơng đối trong máy điện kéo khi
giảm yếu từ trờng.
- Điều kiện hạn chế độ phát nóng của
máy điện:
q = q


di

T
0
2

0
(20)
Với q
0
là nhiệt lợng giới hạn cho phép ở
rôto trong thời gian T.
Với máy điện của bộ TĐĐ đầu máy, các
mục tiêu khi điều khiển tối u cần phải đạt
đợc là cần phải điều khiển bộ TĐĐ nh thế
nào để có hiệu quả nhất nhng vẫn phải đảm
bảo các điều kiện về độ tin cậy, độ bền (18),
(19), (20). Do đó ta có thể có ba hớng nghiên
cứu theo các chỉ tiêu tối u khác nhau:
- Tối u theo quãng đờng thực hiện lớn
nhất.
- Tối u theo tối thiểu tổn thất đồng rôto.
- Tối u theo thời gian ngắn nhất.
Từ mục đích nghiên cứu điều khiển tối u
MFĐK trong hệ thống TĐĐ theo mục tiêu tiết
kiệm năng lợng trong quá trình vận dụng, ở
hớng nghiên cứu thứ nhất, trong cùng một
điều kiện vận dụng nếu đoàn tàu thực hiện
đợc quãng đờng lớn nhất, và nếu gắn với
các điều kiện sử dụng công suất và năng
lợng của bộ TĐĐ trên đầu máy và các điều
kiện (18), (19), (20) ta thấy thoả mãn đợc

mục đích đề ra.
2.2. Hàm mục tiêu của điều khiển bộ
TĐĐ theo quan điểm chi phí năng lợng
nhỏ nhất [2]
Từ các biến đổi đại số, ta có quãng
đờng chạy của đầu máy đợc tính bằng:
S
k
=
i2
D6,3
k


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
đợc xác định từ phơng trình:
B = (22)

T
0
z
dt.B
Với B
z

là lợng chi phí nhiên liệu trung

bình ứng với vị trí tay máy.
Với đầu máy diesel TĐĐ, B
Z
= const ứng
với mỗi vị trí tay máy và tích phân (22) là
lợng nhiên liệu nạp cho động cơ diezel để
phát huy công suất P
Z
cấp cho bộ TĐĐ. Vì vậy
nếu trong khoảng thời gian T mà ĐCĐK đợc
điều khiển sao cho (21) có giá trị cực đại thì
hàm mục tiêu có dạng:
b =

M.S
B
k

=
dt.
i2
D6,3
M
dt.B
D
T
0
k

T
0




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.
= .dt max (24)
D



T
0
D
với điều kiện Q
o
.R

T
0
2
D
I

. 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 lợng
tơng đối, hàm mục tiêu và điều kiện hạn chế
của ĐCĐK (24) có dạng:
= .dt max (25)
D



T
0
với điều kiện q
o
d .

T
0
2
D
i
III. Thuật toán khảo sát hm mục
tiêu của bi toán điều khiển tối u
cho hệ thống TĐĐ đầu máy diesel
Hàm mục tiêu (25) của quá trình điều
khiển tối u bộ TĐĐ cần đạt đợc, trong đó
các thông số đặc trng của bộ TĐĐ (dòng, áp,
công suất, tốc độ, từ trờng chính của bộ
TĐĐ), các điều kiện hạn chế và phơng 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 đợc 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 đợc chính là luật điều khiển
các tham số đó một cách tối u 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
dới 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 +
0

L + (x) +
1

1

+ (x) + + (x) (26)
2

2

m

m

Khi đó áp dụng định lý
ơle, hàm F có
dạng: F = - -
0

2
D
i
1


(27)
Trong đó hàm
1

là điều kiện đầu. Từ
phơng trình động lực học của ĐCĐK với các
đại lợng tơng đối (11), ta có hàm :
1

1

=
'
+
c

- i
D

= 0
D

Hàm F sẽ có dạng:
F = -
0

2
D
i -

(
'
+ - i
c

D
D
) (28)
Và hệ phơng trình vi phân (hệ phơng
trình
ơ le) có dạng:

0
i
F
.
d
d
i

F
'
D
D
=
















0
F
.
d
dF
'
=

Hay đạo hàm riêng (28) theo (29) ta có
hệ phơng trình vi phân nh sau:
(
29
)

2
0
i
D
-
D
- i
D
.
D
D

i.d
d
= 0 (1)



d
d
- .


d
cd
+ 1 = 0 (2)
Điều kiện cần để hàm dới dấu tích phân
(hàm chức năng) (25) đạt cực trị là các tham
số ,
D
, i
D
, , 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

Ta có:
2'
2
Y

F


= -
2
D
0
2


< 0 (31)
Do > 0 (19) nên nếu
2
D

0
> 0 thì (31)
luôn âm, hàm liên tục, sẽ luôn đạt cực đại khi
đã thoả mãn hệ (30). Giải đợc hệ phơng
trình vi phân (30), kết hợp với các phơng
trình cơ bản của hệ TĐĐ đã xét ở trên, ta sẽ
thu đợc các mối quan hệ cần xác định.
iv. Kết luận
Nh vậy, bằng việc sử dụng định lý Ơle,
kết hợp với thiết lập đợc mối quan hệ giữa
các thông số của bộ TĐĐ với các điều kiện sử
dụng năng lợng trên đầu máy diesel, ta đã
xây dựng đợc hàm tối u theo mục tiêu tiết
kiệm năng lợng. Giải hệ phơng trình vi phân
(30) từ đó ta có thể tìm các hàm i

D
, ,
D

thoả mãn các điều kiện đầu. Các mối quan hệ
xác định đợc giữa các thông số này chính là
luật điều khiển tối u bộ TĐĐ theo mục tiêu
tiết kiệm nhiên liệu cần tìm. Phơng pháp giải
hệ và các kết quả tính toán luật điều khiển
cần đợc 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 Đờng, Trơng Duy
Phúc (2001). Truyền động và điều khiển đầu máy.
Trờng Đại học Giao thông Vận tải.
[2]. Đỗ Việt Dũng (1998). Nghiên cứu điều khiển tối
u ĐCĐK trong bộ truyền động điện một chiều của
đầu máy diezel theo quan điểm tiết kiệm năng
lợng. Trờng Đại học Giao thông Vận tải.
[3]. Nguyễn Cao Nhạc (1996). Phơng trình vi
phân. Trờng Đại học Giao thông Vận tải.
(
30
)
[4]. Jan Gronowicz (1987). Sterowanic poadów
trakeyjnich. Polska

tiền đề v triển vọng
phát triển

(Tiếp theo trang 22)
ở
Việt nam chúng ta vấn đề quản lý dự
án đã đợc chú ý từ đầu những năm 90, thể
hiện trong các Luật, Nghị định của Chính phủ
về quản lý đầu t và xây dựng, đấu thầu
Nhng những kiến thức, những lý luận thu
đợc 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 nh một hệ thống
phơng 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,
Trờng 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 Phơng. Giáo trình quản lý dự
án đầu t. NXB Giáo dục 2001.
[3]. Avraham Stub; Jonathan F.; Shlomo
Globerson. Quản lý dự án, kỹ thuật, công nghệ và
thực thi. Biên dịch: ThS. Nguyễn Hữu Vơng.

[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

dựng (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 nớc, nhà đầu t, nhà t vấn, nhà thầu.
NXB Xây dựng. Hà nội, 2002