CN102749917B - 基于rt-lab的牵引控制单元实时在线仿真测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用工业级仿真工具对高速列车进行模拟仿真，更具体地说是指一种基于RT-LAB的牵引控制单元实时在线仿真测试方法，以及采用这种方法的系统。其采用RT-LAB仿真机实时模拟多个牵引控制单元的牵引系统、牵引电机以及传动装置，通过所述的RT-LAB仿真机提供输出或者采集外部信号，实时化的模拟所述牵引控制单元真实设备之间实现实时的信号交互，模拟仿真牵引控制单元对高速列车的仿真控制。进而提供了一种利用工业仿真系统对高速列车牵引控制单元进行实时模拟仿真的方法，另外还进一步提供了采用这种方法的系统，能够对实现现有高速列车内部系统的改进非常方便提供大量的技术参考数据。

Description

基于RT-LAB的牵引控制单元实时在线仿真测试方法及系统

技术领域

本发明涉及一种采用工业级仿真工具对高速列车进行模拟仿真，更具体地说是指一种基于RT-LAB的牵引控制单元实时在线仿真测试方法，以及采用这种方法的系统。

背景技术

在轨道交通车辆中，牵引变流器是交流传动系统的核心部分，牵引变流器工作状态的控制监测由牵引控制单元来完成，牵引控制单元也是列车控制网络的重要组成设备。高速列车控制系统承担着整个动车组的控制、监视与诊断与保护任务,负责完成列车的运行控制、监视、诊断功能，通过列车网络控制和管理列车的牵引系统、制动系统、高压系统、辅助供电、空调、行车安全设备、车门、照明等几乎所有子系统，其中牵引系统是与列车控制网络关系最密切的系统，是最重要的列车控制网络设备之一。牵引控制单元与列车中央控制单元以及其他网络设备之间有大量的信息交互，牵引控制的优劣不仅本身直接影响到列车牵引性能的好坏，同时对列车网络控制系统整车逻辑控制和设备管理也会造成影响。因而高速列车的牵引控制单元是不能脱离列车控制网络而存在的，而且多个牵引控制单元之间也有信息交互和控制逻辑，整车控制的概念渗透到牵引控制单元的控制逻辑中去。

但是现有的技术存在没有对牵引控制单元进行在列车网络的真实环境下进行实时在线仿真，也没有对全列多牵引控制单元进行在线仿真的，因而无法满足高速列车的牵引控制单元的实时在线仿真的要求。

发明内容

本发明就是基于现有技术的不足，提出了一种利用工业仿真系统对高速列车牵引控制单元进行实时模拟仿真的方法，另外还进一步提供了采用这种方法的系统，能够对实现现有高速列车内部系统的改进非常方便提供大量的技术参考数据。为了实现上述的发明目的，本发明采用如下的技术方案。

一种基于RT-LAB的牵引控制单元实时在线仿真方法，采用RT-LAB仿真机实时模拟多个牵引控制单元的执行机构高压系统、牵引系统和牵引电机以及传动装置，通过所述的RT-LAB仿真机通过实时采集外部信号并实时解算模型，通过驱动提供仿真机的输入输出板卡提供信号给真实的牵引控制单元，实时化的模拟所述牵引控制单元真实设备之间实现实时的信号交互，模拟仿真牵引控制单元对高速列车的牵引控制，以便构成实现对牵引控制单元实施模拟仿真在线测试的基本结构。

高速列车整车的控制思想始终贯穿在牵引控制单元控制逻辑设计中，不同的牵引控制单元与列车控制网络之间的控制逻辑和交互的信息是不同的，列车对四个牵引单元的控制也是不同的，所以对于多个牵引控制单元的在线仿真才是真正的高速列车的牵引控制单元的在线仿真。

进一步，在列车控制网络的环境下，对多个牵引控制单元进行在线仿真。牵引控制单元是列车控制网络的最重要的组成设备之一，与列车控制紧密相关，牵引控制单元不仅是控制列车的牵引系统完成对列车的牵引，同时要与列车的中央控制单元进行大量的信息交互，听从中央控制单元的控制指令，反馈自身的状态，参与到整车的控制逻辑中去，直接影响列车的运行性能。牵引控制单元是不能脱离列车控制网络而存在的，整车控制的概念渗透到牵引控制单元的控制逻辑中，列车控制网络对不同的牵引控制单元的进行控制，且与工作的牵引控制单元的数量相关，所以牵引控制单元在线仿真在列车控制网络环境下完成。

进一步地，牵引控制单元实时在线仿真测试方法，是对真实的高速列车的车载牵引控制单元的在线仿真。

进一步地，全列牵引控制单元在列车网络的控制下，牵引控制单元有主控和从控之分。例如为了减少全列的网侧谐波，主控牵引控制单元和从控牵引控制单元的控制角度是不同的。牵引控制单元实时在线仿真测试方法，是对四个真实的牵引控制单元的执行机构高压系统仿真模型、牵引变流器主电路模型和牵引电机模型以及传动装置模型的仿真，且在列车网络控制的环境下，从而可以测试多个牵引控制单元同时正常工作时的控制逻辑和控制策略。

更进一步，所述的RT-LAB仿真机包括相互之间数据连通的至少一台主机以及一台目标机，所述主机与目标机上分别执行不同的系统用以实时模拟仿真执行机构。更具体地说，所述的主机上运行windows操作系统；所述的目标机上运行QNX实时操作系统，执行所述主机传输的代码以及执行实时代码以实时模拟仿真执行机构。

另外，所述的RT-LAB仿真机采用多个CPU来仿真所述牵引控制单元的执行机构，所述RT-LAB仿真机中的至少两个CPU用于解算所述的多台牵引控制单元所需要的执行机构高压系统仿真模型、牵引变流器主电路模型和牵引电机模型以及传动装置模型，其中至少两个CPU用于对RT-LAB仿真机的输入输出信号进行处理多CPU对牵引控制单元的模拟仿真可以带来理想的计算效率以及强大的功能支持。

更进一步地，对于牵引控制单元执行机构的仿真模型的建立。高压系统仿真模型、牵引变流器主电路模型和牵引电机模型以及传动装置模型采用MATLAB语言和Powersystem模型混合编译，利用了两种方式的各自优点。对RT-LAB仿真机的外围输入输出板卡进行驱动主要是处理牵引系统模型与实时操作系统以及硬件板卡之间的通信。在仿真模型中对四象限整流器和电机逆变器控制脉冲的采集上，使用了RT-LAB自带的RT-EVENTS模型库，该RT-EVENTS模型库是基于事件触发系统的仿真模块包，RT-EVENTS模型库可以做到定步长的硬件实时运算，并且能够自动生成代码运行。针对离散计算机系统对发生在采样点中间时刻的脉冲信号的产生的捕获，RT-EVENTS通过高频FPGA硬件板卡进行采样处理和补偿，以实现脉冲的精准发送和采集。

采用上面所述的牵引控制单元实时在线仿真测试方法的系统，所述的系统实时在线仿真至少一个牵引控制单元，其中所述的系统包括RT-LAB仿真机，以及分别与该RT-LAB仿真机连通的数字信号调理箱和模拟信号调理箱的信号调理模块，分别信号调理模块连通至少一台实物控制器。

进一步地，所述的系统实时在线仿真一个牵引控制单元，其中所述的系统包括RT-LAB仿真机，与该RT-LAB仿真机连通的数字信号调理箱和模拟信号调理箱，以及与该数字信号调理箱连通的实物控制器，该实物控制器还与所述的RT-LAB仿真机数据导通，另外与该RT-LAB仿真机通过网络协议连接上位机。

结合上面的说明，更进一步说明本发明的方法和系统，基于RT-LAB的牵引控制单元实时在线仿真为高速列车全列多牵引控制单元的在线仿真测试提供了平台，从而可以使牵引控制单元列车控制网络的环境下，建立由多个牵引控制单元的在线测试台，对牵引控制单元的控制逻辑以及与列车控制网络的关系进行深入的研究。

基于RT-LAB的牵引控制单元实时在线仿真模型的独特性在于：

1、应用工业仿真系统RT-LAB（由加拿大Opal-RT公司推出的一种全新的基于模型的工程设计应用平台）对高速列车的多个牵引控制单元的实时在线仿真测试。RT-LAB实时仿真系统具有最优化的硬件实时调度和高速XHP模式，允许用户能够以非常快的速度在目标机上计算实时模型，用户能够运行比分布式处理器更复杂的模型。同时，RT-LAB具有很好的开放性和非定制性。

2、基于RT-LAB的牵引控制单元实时在线仿真测试方法，是对高速列车的牵引控制单元的在线仿真，使真实的牵引控制单元能够在列车控制网络的环境下，进入列车牵引/制动的正常工作状态，完成对列车牵引控制功能，从而可以对高速列车全列牵引控制单元进行在线测试和控制研究。

3、基于RT-LAB的牵引控制单元实时在线仿真测试方法，是对高速列车全列多台牵引控制单元的在线仿真测试，对于多台牵引控制单元的在线测试仿真，才能对牵引控制单元的控制思想以及与列车控制网络的关系进行深入的研究

这样，本发明实现提供了一种利用工业仿真系统对高速列车牵引控制单元进行实时模拟仿真的方法，另外还进一步提供了采用这种方法的系统，能够对实现现有高速列车内部系统的改进非常方便提供大量的技术参考数据。

附图说明

图1中显示的是基于RT-LAB全列牵引控制单元在线测实时仿真系统结构图；

图2中显示的是基于RT-LAB单台牵引控制单元在线测实时仿真系统结构图；

图3中显示的是基于RT-LAB四个牵引系统的实时仿真模型结构图。

具体实施方式

本发明就是基于现有技术的不足，提出了一种利用工业仿真系统对高速列车牵引控制单元进行实时模拟仿真测试的方法，另外还进一步提供了采用这种方法的系统，能够对实现现有高速列车内部系统的改进非常方便提供大量的技术参考数据。下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

基于RT-LAB的牵引控制单元实时在线仿真是在列车的真实网络控制环境下进行的仿真，真实的网络控制环境包括整车低压电气线路和列车其它的受控子系统，例如制动系统、辅助供电系统、空调系统、门控制系统等。基于RT-LAB的牵引控制单元实时在线仿真测试模型，实为高速列车全列四台真实的牵引控制单元提供牵引系统执行机构例如主变压器、牵引变流器、牵引电机及牵引传动系统的仿真，使其能够在列车控制网络的环境下，进入列车牵引/制动的正常工作状态，从而可以对牵引控制单元进行在线测试和研究。

在实际应用中，高速列车的牵引系统由以下几部分组成：

①主变压器：变压器被布置在没有动力单元的变压器车2车和7车的车底。一个动车组有两个主变压器，一个主变压器给两个牵引变流器供电。

②牵引变流器：牵引变流器是交流传动系统的核心部分。每一个牵引动力单元中有两个牵引单元。每一个牵引单元由一个牵引变流器和一个牵引控制单元，四个并联的牵引电动机组成。每个牵引变流器主要由两个并联的网侧四象限整流器和电机侧逆变器组成。

③牵引电机以及传动装置：全列共有十六个个牵引电机。传动装置包括一个轴向离合器，一个径向离合器及轮对齿轮箱。

应用RT-LAB实时仿真系统建立四个牵引变流器及高压供电、牵引传动装置的实时仿真模型，为全列四台真实牵引控制单元提供正常的工作环境。RT-LAB是集成实时计算的平台，紧密的与MATLAB/SIMULINK集成在一起，使用诸如Stateflow，SimPowerSystem，Digital Signal process等工具箱资源，直接通过RTW实现代码的自动生成。有专门针对于电力系统的实时仿真关键技术解决方案，通过RT_EVENTS可以处理高频脉冲，通过ARTEMIS可以解决大步长情况电力系统方程的解算精度问题。借助于高速实时总线和高速FPGA既可以在规模上实现多机互联完成庞大系统的实时仿真，也可以在细节上做到有限元数据的导入实现仿真模型的高度精细化。具有最优化的硬件实时调度程序和高速XHP模式。工业级实时仿真系统RT-LAB应用在基于列车控制网络的高速列车多牵引控制单元的实时在线仿真测试还属首次。

图1为基于RT-LAB全列牵引控制单元在线测实时仿真系统结构图。RT-LAB仿真机运行牵引控制单元实时在线仿真模型，模拟四个牵引控制单元的执行机构牵引系统及高压、牵引电机及传动装置，实时化后模型可以模拟真实的牵引变流器及牵引电机的工作性能，模拟高压系统与牵引传动装置的真实动作，能够通过仿真机所带的IO板卡采集真实牵引控制单元的输出信号，通过仿真机模型的解算，模拟了真实牵引控制单元所控制的执行机构的真实性能，从而不仅实现了单台牵引控制单元对自身执行机构的控制，而且在各牵引控制单元真实设备之间实现实时的信号交互，仿真测试了高速列车在牵引控制单元作用下的真实表现。

图2为基于RT-LAB单台牵引控制单元在线测实时仿真系统结构图。RT-LAB实时仿真器是整个实时仿真系统和核心组成部分，该仿真器硬件包含一台主机和一台目标机和一套仿真管理软件RT-lab。主机运行windows操作系统，用于仿真模型的开发和运行仿真管理软件，管理整个实时仿真从开发到执行的整个过程。实时仿真目标机运行QNX实时操作系统，用于主机的代码和执行实时代码。牵引控制单元的执行机构高压系统、牵引变流器、牵引电机及传动装置的实时模型运行在RT-LAB的仿真机上。

图3在30us的步长下完成四个牵引系统的实时仿真模型截图。根据实时仿真解算能力，一共规划了RT-LAB实时仿真机的四个CPU核来计算牵引系统模型，其中两个CPU用于对仿真机所带的外围输入输出板卡进行驱动，主要处理牵引系统模型与实时操作系统以及硬件板卡之间的通信。其余的两个CPU用于实时解算四台牵引控制单元所需要的高压系统、牵引变流器主电路模型和牵引电机模型。在仿真模型中对四象限整流器和电机逆变器控制脉冲的采集上，使用了RT-LAB自带的RT-EVENTS模型库。RT-Event是基于事件触发系统的仿真模块包，RT-Events可以做到定步长的硬件实时运算，并且能够自动生成代码运行。针对离散计算机系统对发生在采样点中间时刻的脉冲信号的产生的捕获，RT-EVENTS通过高频的FPGA硬件板卡进行采样处理和补偿，以实现脉冲的精准发送和采集。采用脉冲事件发生及使用两端都进行相应处理的办法，直接补偿因大步长而丢失的脉冲精度，这样可以做到在大步长的条件下同样对高频脉冲的发送和接收都很准确的效果，因此可以在大步长的情况下准确的采集牵引控制单元对网侧整流器和电机逆变器的控制脉冲，从而实现四台牵引控制单元的实时在线仿真测试模型，完成对全列四台牵引控制单元的实时在线测试。

基于RT-LAB的牵引控制单元实时在线仿真测试模型为全列多牵引控制单元在线测试台提供了基础，在牵引控制单元及列车网络控制的设计、开发、测试、验证等各个阶段发挥重要作用。

1、测试并验证牵引控制单元与列车控制系统以及其它网络设备的信息交互，牵引控制单元在整个网络控制系统中完成的功能，和列车控制网络对牵引控制单元控制逻辑的研究和验证。

2、测试并验证列车控制网络与全列多牵引控制单元之间的控制逻辑关系，研究和验证牵引控制单元的控制逻辑和控制策略，为全面掌握牵引控制技术提供平台。

3、动车组运行异常的情况下，对运行现场发生的故障进行再现模拟，实现牵引系统故障复现模拟，为现场提供故障解决方案。

4、对牵引控制软件或列车控制网络参数进行优化调整，对调整后的软件进行测试，并进行测试结果对比。

5、为自主研发的牵引控制单元提供在整车控制网络环境下的设计、测试和验证平台。

利用以上各项工作的开展，为自主创新的牵引控制单元提供设计及软硬件测试平台，并且为自主创新集成高速列车网络控制系统与牵引控制单元软硬件联调提供测试平台。牵引控制单元与列车控制网络相结合，对整个高速列车控制与诊断功能进行测试和评判。

而通过采用上述的技术方案，本发明提供了一种利用工业仿真系统对高速列车牵引控制单元进行实时模拟仿真的方法，另外还进一步提供了采用这种方法的系统，能够对实现现有高速列车内部系统的改进非常方便提供大量的技术参考数据。

本发明的保护范围并不局限于上述具体实施方式中所公开的具体实施例，而是只要满足本发明权利要求中技术特征的组合就落入了本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于牵引控制单元实时在线仿真系统中的基于RT-LAB的牵引控制单元实时在线仿真测试方法，其特征在于，所述的系统实时在线仿真至少一个牵引控制单元，其中所述的系统包括RT-LAB仿真机，以及分别与该RT-LAB仿真机连通的数字信号调理箱和模拟信号调理箱的信号调理模块，分别使信号调理模块连通至少一台实物控制器；其中所述的实物控制器还与所述的RT-LAB仿真机数据导通，另外与该RT-LAB仿真机通过网络协议连接上位机；

其中,所述在线仿真测试方法包括：

采用RT-LAB仿真机实时模拟同列车多个牵引控制单元的执行机构牵引系统、牵引电机以及传动装置，通过所述的RT-LAB仿真机采集牵引控制单元输出信号实时输出牵引控制单元所需信号，实时化的模拟所述牵引控制单元真实设备之间实时的信号交互，模拟仿真牵引控制单元对高速列车的牵引控制；

其中，所述的在线仿真测试方法是对高速列车全列牵引控制单元同时在线仿真的方法，不同的牵引控制单元与列车控制网络之间的控制逻辑和交互的信息是不同的，列车对不同牵引单元的控制也是不同的，所述的在线仿真测试方法是在对多个牵引控制单元的在线仿真；

其中，所述的在线仿真测试方法是在列车控制网络的环境下，对多个牵引控制单元进行在线仿真。

2.根据权利要求1所述的牵引控制单元实时在线仿真测试方法，其特征在于，所述的RT-LAB仿真机包括相互之间数据连通的至少一台主机以及一台目标机，所述主机与目标机上分别执行不同的系统用以实时模 拟仿真执行机构，进一步地，所述的主机上运行windows操作系统；所述的目标机上运行QNX实时操作系统，执行所述主机传输的代码以及执行实时代码以实时模拟仿真执行机构。

3.根据权利要求1所述的牵引控制单元实时在线仿真测试方法，其特征在于，所述的RT-LAB仿真机采用多个CPU来仿真所述牵引控制单元控制的执行机构，所述RT-LAB仿真机中的至少两个CPU用于解算多台所述牵引控制单元所需要的执行机构高压系统仿真模型、牵引变流器主电路模型和牵引电机模型以及传动装置模型，其中至少两个CPU用于对RT-LAB仿真机的输入输出信号进行处理。

4.根据权利要求3所述的牵引控制单元实时在线仿真测试方法，其特征在于，对于牵引控制单元执行机构的仿真模型的建立，高压系统仿真模型、牵引变流器主电路模型和牵引电机模型以及传动装置模型采用MATLAB语言和Powersystem模型混合编译，对RT-LAB仿真机的外围输入输出板卡进行驱动是处理牵引系统模型与实时操作系统以及硬件板卡之间的通信。

5.根据权利要求4所述的牵引控制单元实时在线仿真测试方法，其特征在于，在仿真模型中对真实牵引控制单元的四象限整流器和电机逆变器控制脉冲的采集上，使用了RT-LAB自带的RT-EVENTS模型库，该RT-EVENTS模型库是基于事件触发系统的仿真模块包，RT-EVENTS模型库可以做到定步长的硬件实时运算，并且能够自动生成代码运行。

6.根据权利要求5所述的牵引控制单元实时在线仿真测试方法，其特征在于，针对离散计算机系统对发生在采样点中间时刻的脉冲信号的 产生的捕获，RT-EVENTS通过高频FPGA硬件板卡进行采样处理和补偿，以实现脉冲的精准发送和采集。