CN103150450A - 轨道交通车辆动力学实时模型的搭建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道交通车辆动力学实时模型的搭建方法，包括：利用VI-Rail搭建整车动力学模型和轮轨模型；利用VI-Rail对所述动力学模型和轨道模型进行离散的动力学分析；对动力学分析结果中的参数进行识别和提取；根据所述参数生成参数特性插值表；利用所述参数特性插值表在MATLAB或Simulink中搭建实时的轮轨模型以及整车动力学模型。本发明能够使得搭建的模型同时满足仿真精度和模型仿真实时性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及动力学实时模型的搭建技术领域，更具体地说，涉及一种轨道交通车辆动力学实时模型的搭建方法。
背景技术
轨道交通车辆的动力学模型包括:轮轨动力学模型和整车动力学模型两部分，其中，轮轨动力学模型主要描述车轮与轨道在部分工况下的接触受力运动关系，整车动力学模型主要描述轮轨上部的转向架系统以及车身部分的动力学特性。
目前，轨道交通车辆动力学模型开发是采用数学方法建立轨道交通车辆系统动力学方程，并结合动力学方程特点建立模型求解器对动力学方程进行求解，得到轨道交通车辆系统各部件上的运动状态（节点受力，节点加速度，节点速度以及部件位移）的一系列活动。目前常见的轨道交通车辆动力学模型搭建通常有两种方法：
第一种是采用多刚体动力学模型建模方法建立轨道车辆多体动力学模型，模型建立过程中需要大量建立代数微分方程和常微分方程，并需要编写特定的求解器来进行求解，通常我们采用市面上比较成熟的商业软件VI-Rail和Simpack建立车辆多体动力学模型并调用该类软件已经建立好的求解器进行求解。通常这些商业工具的专业多体动力学方程求解器求解稳定，计算结果准确。
第二种是基于轨道交通轮轨动力学接触力计算常用的卡尔卡理论以及轨道交通车辆转向架动力学方程，在通用的数学模型建模环境MATLAB/Simulink软件中搭建轨道车辆制动控制器测试轮轨模型以及整车动力学模型。模型搭建方法主要是根据轨道车辆各部件力学拓扑结构关系，以及卡尔卡理论为基础，从底层到顶层、从轨道、轮轨、转向架到车身逐步搭建的方法建立模型，并调用MATLAB/Simulink软件中自带的通用微分方程求解器对其进行求解。这种方法不需要借助专业仿真分析工具，模型建立灵活度比较大，求解速度比较快。
但是，上述的第一种方法，由于采用专业建模和求解工具展开工作，所以模型建立灵活度差；虽然专业工具建模求解精度高，但是求解速度慢，没法满足硬件在环控实时仿真的要求，没法实现定步长仿真，且求解收敛时间不确定。上述的第二种方法，由于建模采用由部件到系统逐步建模的方法，因此当模型规模比较大时建模困难，且虽然模型计算速度能够比较快，但计算结果的准确性不够。
综上所述，采用现有的两种方法建立轨道交通实时模型开展轨道交通行业相关控制器的开发和硬件在环测试都具有非常大的局限性，一种是不能满足实时性要求，一种是准确度不够高，建模复杂，工程技术人员难以掌握，因此，严重制约了轨道交通行业控制器开发过程中硬件在环测试工作的开展。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种轨道交通车辆动力学实时模型的搭建方法，能够使得搭建的模型同时满足仿真精度和模型仿真实时性的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种轨道交通车辆动力学实时模型的搭建方法，包括：
利用VI-Rail搭建整车动力学模型和轮轨模型；
利用VI-Rail对所述动力学模型和轨道模型进行离散的动力学分析；
对动力学分析结果中的参数进行识别和提取；
根据所述参数生成参数特性插值表；
利用所述参数特性插值表在MATLAB或Simulink中搭建实时的轮轨模型以及整车动力学模型。
优选地，所述利用VI-Rail搭建整车动力学模型和轮轨模型具体为：
对轮轨接触部分和需要采用复杂代数微分方程的部分，利用VI-Rail搭建整车动力学模型和轮轨模型。
优选地，所述动力学分析为：离散工况动力学仿真。
优选地，所述对动力学分析结果中的参数进行识别和提取具体为：
对离散工况动力学结果中的关键特征参数进行识别和提取。
优选地，所述关键特征参数为：蠕滑力和蠕滑率数据。
优选地，所述根据所述参数生成参数特性插值表具体为：
对所述蠕滑力和蠕滑率数据进行处理后，生成蠕滑力或蠕滑率随时间以及制动力矩或牵引力矩的数据表；
对所述数据表进行插值计算后生成不同时刻、不同制动力矩或牵引力矩作用下轮轨之间的蠕滑力的插值表。
从上述的技术方案可以看出，本发明公开的一种轨道交通车辆动力学实时模型的搭建方法，利用VI-Rail搭建整车动力学模型和轮轨模型，并对搭建的模型进行离散的动力学分析，对动力学分析的结果中的参数进行识别和提取，根据提取的参数生成参数特性插值表，由于通过VI-Rail建立的模型不用对复杂方程进行求解，因此仿真速度快，能够有效解决实时模型仿真速度不够快的问题，同时由于模型是通过成熟的VI-Rail商业软件建模计算转换而来的，因此模型计算结果的准确性也有保证；随后，利用参数特性插值表在MATLAB或Simulink中搭建实时的轮轨模型以及整车动力学模型，通过在MATLAB或Simulink中搭建轨道交通车辆动力学实时模型既能保证模型计算结果的准确性又能满足计算速度实时性的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种轨道交通车辆动力学实时模型的搭建方法的流程图；
图2为本发明另一实施例公开的一种轨道交通车辆动力学实时模型的搭建方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种轨道交通车辆动力学实时模型的搭建方法，能够使得搭建的模型同时满足仿真精度和模型仿真实时性的要求。
如图1所示，一种轨道交通车辆动力学实时模型的搭建方法，包括：
S101、利用VI-Rail搭建整车动力学模型和轮轨模型；
S102、利用VI-Rail对所述动力学模型和轨道模型进行离散的动力学分析；
S103、对动力学分析结果中的参数进行识别和提取；
S104、根据所述参数生成参数特性插值表；
S105、利用所述参数特性插值表在MATLAB或Simulink中搭建实时的轮轨模型以及整车动力学模型。
在上述方法中，利用VI-Rail搭建整车动力学模型和轮轨模型，并对搭建的模型进行离散的动力学分析，对动力学分析的结果中的参数进行识别和提取，根据提取的参数生成参数特性插值表，由于通过VI-Rail建立的模型不用对复杂方程进行求解，因此仿真速度快，能够有效解决实时模型仿真速度不够快的问题，同时由于模型是通过成熟的VI-Rail商业软件建模计算转换而来的，因此模型计算结果的准确性也有保证；随后，利用参数特性插值表在MATLAB或Simulink中搭建实时的轮轨模型以及整车动力学模型，通过在MATLAB或Simulink中搭建轨道交通车辆动力学实时模型既能保证模型计算结果的准确性又能满足计算速度实时性的要求。
本发明的另一实施例还公开了一种轨道交通车辆动力学实时模型的搭建方法，如图2所示，包括：
S201、对轮轨接触部分和需要采用复杂代数微分方程的部分，利用VI-Rail搭建整车动力学模型和轮轨模型；
S202、利用VI-Rail对所述动力学模型和轨道模型进行离散工况动力学仿真；
S203、对仿真结果中的蠕滑力和蠕滑率数据进行识别和提取；
S204、对所述蠕滑力和蠕滑率数据进行处理后，生成蠕滑力或蠕滑率随时间以及制动力矩或牵引力矩的数据表；
S205、对所述数据表进行插值计算后生成不同时刻、不同制动力矩或牵引力矩作用下轮轨之间的蠕滑力的插值表；
S206、利用所述插值表在MATLAB或Simulink中搭建实时的轮轨模型以及整车动力学模型。
具体的，在上述实施例中，首先对模型中比较复杂的，特别是轮轨接触模型部分和部分需要采用复杂代数微分方程的部分采用在商业软件VI-Rail中建立详细准确的模型，并利用VI-Rail对建立的动力学模型和轨道模型进行离散工况动力学仿真，对仿真结果中的关键特征参数蠕滑力和蠕滑率数据进行识别和提取，输出蠕滑力和蠕滑率随时间变化的曲线关系，接着对上一步输出的蠕滑力和蠕滑率数据进行有效的处理，生成蠕滑力（或蠕滑率）随时间以及制动力矩（或牵引力矩）的数据表，利用此表可快速插值计算不同时刻、不同制动（或牵引）力矩作用下轮轨之间的蠕滑力，最后在Matlab或Simulink中利用上述数据表快速搭建可实时的轮轨接触以及整车动力学模型。
本发明公开的这种方法大大降低了建模的难度，将现有技术中复杂的轮轨接触算法集成到通用的软件VI-Rail中，且经过了国际相关协会的认证，因此，其建模简单、结构可靠。利用本发明公开的方法搭建的轮轨模型以及整车动力学实时模型能够达到计算结果准确和模型计算时间实时性方面的要求，可以满足轨道车辆相关控制器硬件在环测试仿真的要求，对轨道交通行业相关控制器的开发可起到积极的推动作用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种轨道交通车辆动力学实时模型的搭建方法，其特征在于，包括：
利用VI-Rail搭建整车动力学模型和轮轨模型；
利用VI-Rail对所述动力学模型和轨道模型进行离散的动力学分析；
对动力学分析结果中的参数进行识别和提取；
根据所述参数生成参数特性插值表；
利用所述参数特性插值表在MATLAB或Simulink中搭建实时的轮轨模型以及整车动力学模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用VI-Rail搭建整车动力学模型和轮轨模型具体为：
对轮轨接触部分和需要采用复杂代数微分方程的部分，利用VI-Rail搭建整车动力学模型和轮轨模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述动力学分析为：离散工况动力学仿真。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对动力学分析结果中的参数进行识别和提取具体为：
对离散工况动力学仿真结果中的关键特征参数进行识别和提取。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述关键特征参数为：蠕滑力和蠕滑率数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述参数生成参数特性插值表具体为：
对所述蠕滑力和蠕滑率数据进行处理后，生成蠕滑力或蠕滑率随时间以及制动力矩或牵引力矩的数据表；
对所述数据表进行插值计算后生成不同时刻、不同制动力矩或牵引力矩作用下轮轨之间的蠕滑力的插值表。
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