بخشی از مقاله
خلاصه
اهمیت سیستم ترمز بهمنظور کنترل وسایل نقلیه شخصی و عمومی بر کسی پوشیده نیست. این مقاله روی نگرشی برای سیستم ترمز خودکار قطار، با استفاده از روش هوش مصنوعی بهکار رفته در آن و بر اساس یکی از روشهای طراحی محاسبات نرم متمرکز شده است. هوشمندی برای سیستم ترمز بهوسیله یک کنترلکننده منطق فازی، فراهم گردیده است. کنترلگر منطق فازی با استفاده از تولباکس منطق فازی در سیمولینک نرم افزار متلب شبیهسازی شده است. کنترلگر منطق فازی شبیهسازی شده، از فاصله500 متری از ایستگاه بعد، بر اساس تصمیم خودکار سیستم با ورودیهای سرعت و فاصله در کنترلکننده و اعمال نیروی ترمز بهعنوان خروجی کنترلی به سیستم، فعال شده، قطار را در ایستگاه بهطور نرم و آرام و خودکار متوقف میکند.
کلمات کلیدی: سیستم ترمز خودکار، سیستم کنترل قطار، کنترلگر فازی
مقدمه
یکی از مهمترین مسائل در قطارهای سرعت بالا، هدایت2 و کنترل آنهاست؛ بهطور کلی سیستم ترمز قطار3 به دو دسته تقسیم میشود؛ دستی4 و خودکار.5 واضح است که در سیستم ترمز دستی، راهبر بر مبنای تجربه6 شخصی، اقدام به اعمال ترمز برای کنترل سرعت قطار مینماید. بدیهی است که در توقف معمولی، عامل انسانی بسیار دخیل است و عملکرد راهبر دقت زیادی را میطلبد، زیرا عملیات توقف بهصورت دستی توسط راننده انجام شده و خودکار نیست؛ لذا کیفیت کنترل حرکت قطار به قدرت عکسالعمل لوکوموتیوران بستگی دارد و ممکن است در سرعتهای بالا راهبر قادر به دیدن علائم کنار جاده نباشد، پس به سیستمی نیاز میباشد که بتواند علائم کنار جاده را به داخل کابین انتقال دهد؛ در سیستم ترمز خودکار قطار، راهبر نقش اصلی را ایفا نمیکند و کنترل سرعت قطار، بهطور اتوماتیک انجام میشود. در سیستم توقف اتوماتیک، در صورت سهلانگاری، از بروز سوانح جلوگیری بهعمل خواهد آمد. امنیت کامل برای حرکت قطارها در مسیر حرکت مابین ایستگاهها و در محدوده ایستگاهها، توسط سیستم ATS - توقف اتوماتیک قطار - 7، فراهم میشود.
اهمیت موضوع
ژاپنیها پس از حادثه هولناکی که برایشان در سال1962 در خط میکاواشیما1 رخ داد، به فکر بالا بردن امنیت در حرکت قطارها افتادند و تلاشها نیز نهایتا منجر به طراحی سیستم ATC گردید. تا قبل از آن پیشرفتها در حد طراحی سیستم ATS پیشبین2 بود که قابلیت هشدار به راهبر را داشت. در سیستم ترمز خودکار قطار، سیگنالینگ3 حائز اهمیت است؛ زیرا بر اساس سیگنال، سیستم ATS ، ترمز اضطراری را بهکار میاندازد و با توقف قطارها، از ایجاد برخوردها و حوادث ممانعت بهعمل میآورد. بهطور ساده، در سیستم کنترل خودکار قطار، پیش از نزدیک شدن قطار به محدوده خطر، به عوامل هدایت قطار، هشدار داده شده و در صورتی که به هر دلیلی، در زمان و مکان لازم، توسط راهبر، قطار متوقف نشود، سیستم ترمز اضطراری بهطور خودکار فعال شده و قطار را نگه میدارد.
بهعبارت دیگر، در این سیستم اگر به هر نحوی راهبر سیگنال را نبیند، یا اشتباه ببیند، یا حواسش نباشد، یا نخواهد بر اساس آن عمل کند، بهطور خودکار قطار متوقف خواهد شد تا از ایجاد حوادث و صدمات احتمالی جلوگیری شود.به لحاظ اهمیت، چیزی فراتر از ایمنی4 مسافران، قرار نمیگیرد؛ برای حمل و نقل عمومی، شخصی و از جمله قطار، فاکتور مهم بعدی، آسایش5 سرنشینان میباشد. در درجه اهمیت بعدی، بهرهبرداری ماکزیمم از سیستم، مانند افزایش حداکثر سرعت ممکن، قلمداد میشود. مسلما میبایست بهترین کارآیی6 از سیستم حاصل شود. فلذا اولویتهای بعدی، سرعت مطلوب7 و همچنین دقت ترمز 8، در نظر گرفته میشوند. در سیستم کنترل خودکار قطار، در مسیر ریل از بالیس9 استفاده میشود؛ بدین صورت که قطار مسافت طی شده10 و موقعیت فعلی11 خود را از بالیس دریافت میکند.
کنترلکننده
یکی از قسمتهای مهم و حساس در حلقه کنترل صنعتی، کنترلکننده میباشد؛ زیرا عملکرد حلقه کنترل، نهایتا از طریق کنترلکننده، تعیین و تنظیم میشود. وظیفه کنترلکننده در یک حلقه صنعتی بدین صورت بیان میشود که کنترلکننده با توجه به خطای موجود در خروجی به نسبت ورودی مرجع - اختلاف رفتار پروسه با رفتار مطلوب - با در نظر گرفتن قوانین کنترل - استراتژی کنترل - که طراح به آن برنامه داده است، دستوری جهت اصلاح عملکرد و کاهش خطا، به قسمتهای بعدی - محرک1 و عنصر نهایی - ارسال میکند. در این قسمت بهاختصار، انواع کنترلگرهای صنعتی مورد بررسی قرار می-گیرند.
کنترلکنندهها را از لحاظ عملی از دو نظر میتوان دستهبندی کرد؛ شامل: .1 از نظر نیرو یا انرژی محرکه و .2 از نظر قانون کنترل یا عملیاتی که بر روی سیگنال خطا انجام میدهند؛ که هر یک به زیر دستههایی کوچکتر تقسیم میگردند. کنترلکنندهها از نظر نیرو و انرژی محرکه را به سه دسته اصلی تقسیمبندی میکنند که عبارتند از: .1 کنترلکنندههای الکتریکی و الکترونیکی .2 کنترلکنندههای پنوماتیکی - 2بادی - .3 کنترلکنندههای هیدرولیکی - 3روغنی - . هریک از این سیستمها مزایا و کاربرد مخصوص به خود را دارند. در مواردی که به نیروهای عظیم با نسبت نیرو به وزن بزرگ احتیاج باشد، از سیستمهای هیدرولیک استفاده میکنیم، مانند پرسهای سنگین و کشتیهای بزرگ. در محلهایی که خطر آتشسوزی وجود دارد و یا در محیطهای تمیز و بهداشتی معمولا از سیستمهای پنوماتیک استفاده میکنیم، مانند صنایع نفت و غذایی. در کاربردهای عادی و مواردی که برای انتقال نیرو نیاز به مکانیزمهای پیچیده و زیاد نباشد از سیستمهای الکتریکی و معمولا موتورهای الکتریکی استفاده میکنیم.
کنترلکنندهها از نظر قانون کنترل یا عملی که بر روی سیگنال خطا4 انجام میدهند، به چند دسته تقسیم میشوند که اغلب جزو یکی از موارد ذیل قرار میگیرند که عبارتند از: .1 کنترلکنندههای دو وضعیتی .2 کنترلکنندههای تناسبی .3 کنترلکنندههای انتگرالی .4 کنترلکنندههای مشتقگیر .5 کنترلکنندههای تناسبی-انتگرالی .6 کنترلکنندههای تناسبی-مشتقگیر .7 کنترلکنندههای تناسبی-انتگرالی -مشتقگیر.5 از نوع دستهبندی دیگر کنترلگرها میتوان به کنترلکنندههای خطی 6 و کنترلگرهای غیر خطی7 اشاره کرد. طبقهبندی دیگری نیز وجود دارد که در آن کنترلگرها به دو دسته کلی مقاوم8 و غیر مقاوم9 تقسیمبندی میشوند. از بین کنترلگرهای مقاوم میتوان از کنترلکنندههای H2، H، کنترل مد لغزشی و Back Stepping نام برد.
عمل کنترل از نظر ساختار نیز به دو دسته کلی تقسیم میشود که عبارتند از: .1 کنترل حلقه باز10 و .2 کنترل حلقه بسته.11 در ساختار کنترل حلقه باز، هیچ فیدبک - 12پسخور - یا نظارتی بر خروجی وجود ندارد و عملا کنترلگری به سیستم اعمال نمیشود؛ پس چنانچه خروجی مطلوب نباشد، سیستم به کار خودش ادامه میدهد که این امر زیانآور است. به عواملی که باعث میشوند سیستم بهطور مطلوب کار نکند، یعنی ایجاد تداخل در سیستم میکنند، پارازیت13 یا نویز14 گفته میشود؛ نوع دیگری از عوامل مزاحم تحت عنوان اغتشاش15 شناخته میشوند. لازم بهذکر است که نویز و اغتشاش دارای تفاوت هایی هستند؛ اغتشاش غالبا در اثر دینامیک سیستم اتفاق افتاده که دارای فرکانس بسیار پایینی است و ورودی ناخواستهای است که در یک بازه زمانی خاص روی سیستم اثر میگذارد. اغتشاش میتواند سیگنالی باشد که در
