CN104020675A - 列车制动硬件在环半实物仿真试验台及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及列车制动试验技术领域，具体公开了一种列车制动硬件在环半实物仿真试验台及试验方法，所述试验台包括试验台虚拟部分、试验台硬件部分、数据采集与信号转换电路，试验台虚拟部分包括人机交互界面、用于提供虚拟列车及虚拟列车运行环境的虚拟列车模块、用于提供虚拟电制动力的虚拟电制动模块，试验台硬件部分包括用于产生列车制动指令的司机控制器、用于提供试验需要的空气制动机硬件的空气制动机，空气制动机的数量与虚拟列车的编组数量相匹配，数据采集与信号转换电路用于提供试验台虚拟部分和试验台硬件部分的信息交换接口。本发明能够充分考虑制动机的复杂性和强非线性，试验结果准确，同时试验的耗费大大减少。

Description

列车制动硬件在环半实物仿真试验台及试验方法

技术领域

本发明涉及列车制动试验技术领域，尤其涉及一种列车制动硬件在环半实物仿真试验台及试验方法。

背景技术

列车制动过程的试验可为列车制动控制，尤其是列车的制动力控制、车轮防滑等，提供试验数据支撑，从而提高与制动控制有关的控制方法的开发效率，另外，新开发的制动控制方法在正应用到列车上前亦需要进行大量的制动试验，以保证其可靠性和安全性。

由于列车制动的线路试验需要大量的硬件支持(试验列车、试验线路等)，列车制动的线路试验需要耗费大量的资源(资金、人员等)，另外，在现实的线路试验中，要按试验要求改变需要研究的制动试验参数(闸瓦摩擦系数、列车运行阻力、轮轨粘着等)非常困难。目前，大多数有关列车制动的研究仅停留在完全依靠仿真或者完全依靠试验的层面上，完全依靠仿真的研究对制动机的模型采用了较多的简化，不能充分考虑制动机的复杂性和强非线性，而完全依靠试验的研究则耗费巨大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种列车制动硬件在环半实物仿真试验台，以克服现有技术中列车制动的研究由于完全依靠仿真所造成的不能充分考虑制动机的复杂性和强非线性的问题，或者由于完全依靠试验所造成耗费巨大的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种列车制动硬件在环半实物仿真试验台，包括试验台虚拟部分、试验台硬件部分、数据采集与信号转换电路；

所述试验台虚拟部分包括人机交互界面、用于提供虚拟列车及虚拟列车运行环境的虚拟列车模块、用于提供虚拟电制动力的虚拟电制动模块；

所述试验台硬件部分包括用于产生列车制动指令的司机控制器、用于提供试验需要的空气制动机硬件的空气制动机，所述空气制动机的数量与虚拟列车的编组数量相匹配；

所述数据采集与信号转换电路用于提供所述试验台虚拟部分和试验台硬件部分的信息交换接口。

优选地，所述数据采集与信号转换电路包括数据采集电路和信号转换电路，所述数据采集电路与所述试验台虚拟部分连接，所述信号转换电路连接在所述数据采集电路和空气制动机之间。

优选地，所述虚拟列车模块包括多节编组的虚拟车辆，所述虚拟列车模块的参数包括虚拟列车的编组数量、车体质量、构架质量、轮对质量、车辆尺寸、闸瓦摩擦系数、列车制动初速度、列车运行阻力、轮轨粘着系数。

优选地，所述虚拟电制动模块通过所述数据采集与信号转换电路接收所述空气制动机发送的电制动请求信号并根据所述电制动请求信号产生虚拟电制动力作用到所述虚拟列车上，所述虚拟电制动模块通过所述数据采集与信号转换电路将所述电制动反馈信号发送给所述空气制动机，所述空气制动机根据所述电制动反馈信号产生虚拟空气制动力，所述空气制动机通过所述数据采集与信号转换电路将所述空气制动力作用到所述虚拟列车上。

优选地，所述虚拟列车模块通过所述数据采集与信号转换电路将所述虚拟列车的每一节虚拟车辆的轴速和载重发送给对应的空气制动机。

优选地，所述司机控制器用于产生制动指令信号并将所述制动指令信号发送给所述空气制动机，所述制动指令信号包括常用制动、快速制动、紧急制动，所述司机控制器通过所述数据采集与信号转换电路将所述制动指令信号发送给所述人机交互界面并由所述人机交互界面显示所述制动指令信号。

优选地，所述人机交互界面分别与所述虚拟列车模块和虚拟电制动模块连接，用于设置所述虚拟列车模块的参数、设置所述虚拟电制动模块的配置、显示和储存试验参数和试验结果。

优选地，所述空气制动机为直通式电空制动机。

优选地，各直通式电空制动机之间通过CAN总线进行信息交换。

本发明还提供了一种应用所述的列车制动硬件在环半实物仿真试验台进行列车制动硬件再换半实物仿真试验的试验方法，所述试验方法的步骤包括：

S1.在试验开始前，通过人机交互界面设置虚拟列车模块的参数，包括虚拟列车的编组数量、车体质量、构架质量、轮对质量、车辆尺寸、闸瓦摩擦系数、列车制动初速度、列车运行阻力、轮轨粘着系数，通过人机交互界面设置虚拟电制动模块的配置；

S2.通过司机控制器产生制动指令信号，所述制动指令信号包括常用制动、快速制动、紧急制动，所述制动指令信号一方面发送给空气制动机，另一方面通过数据采集与信号转换电路采集并转换后由人机交互界面显示；

S3.空气制动机接收所述制动指令信号后对所述制动指令信号进行解码，通过数据采集与信号转换电路向虚拟电制动模块以模拟量形式发送电制动请求信号，虚拟电制动模块在接收到所述电制动请求信号后根据所述电制动请求信号产生相应的虚拟电制动力作用到虚拟列车上，虚拟电制动模块将所述虚拟电制动力的大小通过电制动力反馈信号经数据采集与信号转换电路以模拟量形式发送给空气制动机；

S4.空气制动机接收所述电制动反馈信号后确定需要补充的空气制动力的大小，然后控制其内部的气动阀件调节其制动缸内的空气压力以产生所需的空气制动力，所述制动缸压力经空气制动机内的压力传感器采集后通过数据采集与信号转换电路以模拟量形式发送给虚拟列车模块并作用到虚拟列车上；

S5.所述虚拟空气制动力和虚拟电制动力作用到虚拟列车上后，使其产生虚拟的制动过程，在制动过程中，虚拟列车的每一节车辆的轴速信号以脉冲量形式通过数据采集与信号转换电路发送给该车辆所对应的空气制动机中，其载重信号以模拟量形式通过数据采集与信号转换电路发送给该车辆所对应的空气制动机中，根据所述轴速信号和载重信号计算空气制动机防滑和制动力。

(三)有益效果

本发明的列车制动硬件在环半实物仿真试验台采用空气制动机作为在环硬件，采用虚拟列车模块和虚拟电制动模块提供虚拟列车、虚拟列车运行环境和虚拟电制动力，并采用数据采集和信号转换电路提供试验台虚拟部分和试验台硬件部分的信息交换接口，实现了列车制动的硬件在环半实物仿真试验，其可按具体试验要求设置并改变需要研究的制动试验参数(如闸瓦摩擦系数、列车运行阻力、轮轨粘着等)，也可以对各种控制参数下，特别是各种最恶劣工况下的空气制动机性能进行测试，由于采用了硬件在环方式，所得到的各项列车制动性能参数与实车试验比较接近，但与实车试验相比，更加方便快捷，可以节省大量的人员、经费和时间。所以，本发明有效地结合了完全依靠仿真和完全依靠试验两种制动研究方式，能够充分考虑制动机的复杂性和强非线性，试验结果准确，同时试验的耗费大大减少。

附图说明

图1为本发明实施例的列车制动硬件在环半实物仿真试验台的结构框图。

图中，1：试验台虚拟部分；11：人机交互界面；12：虚拟列车模块；13：虚拟电制动模块；2：数据采集与信号转换电路；3：试验台硬件部分；31：司机控制器；32：空气制动机；33：CAN总线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的列车制动硬件在环半实物仿真试验台包括：试验台虚拟部分1、试验台硬件部分3和数据采集与信号转换电路2；通过空气制动器作为试验台硬件部分3，使试验台能够充分考虑空气制动机的结构复杂性和强非线性，通过试验台虚拟部分1的虚拟列车、虚拟列车运行环境和虚拟电制动力提供进行列车制动试验所需的除空气制动机硬件以外的试验条件。

试验台虚拟部分1搭载在试验台的计算机终端上，其包括人机交互界面11、用于提供虚拟列车及虚拟列车运行环境的虚拟列车模块12、用于提供虚拟电制动力的虚拟电制动模块13；人机交互界面11分别与虚拟列车模块12和虚拟电制动模块13连接，提供了试验人员与虚拟列车模块12和虚拟电制动模块13的信息交互接口，用于设置虚拟列车模块12的参数、设置虚拟电制动模块13的配置、显示和储存试验参数和试验结果；虚拟列车模块12包括多节编组的虚拟车辆，虚拟列车模块12的参数包括虚拟列车的编组数量、车体质量、构架质量、轮对质量、车辆尺寸、闸瓦摩擦系数、列车制动初速度、列车运行阻力、轮轨粘着系数等。

试验台硬件部分3包括用于产生列车制动指令的司机控制器31、用于提供试验需要的空气制动机硬件的空气制动机32，空气制动机32的数量与虚拟列车的编组数量相匹配；司机控制器31用于产生制动指令信号并将所述制动指令信号发送给空气制动机32，所述制动指令信号包括常用制动、快速制动、紧急制动，司机控制器31通过数据采集与信号转换电路2将所述制动指令信号发送给人机交互界面11并由人机交互界面11显示所述制动指令信号；空气制动机31为直通式电空制动机，为实际列车上应用的微机控制的直通式电空制动机，空气制动机32与试验台的信息交换接口和实际列车上一致，各直通式电空制动机之间通过CAN总线33进行信息交换。

数据采集与信号转换电路2用于提供试验台虚拟部分1和试验台硬件部分3的信息交换接口，数据采集与信号转换电路2包括数据采集电路和信号转换电路，所述数据采集电路与所述试验台虚拟部分1连接，所述信号转换电路连接在所述数据采集电路和空气制动机32之间。

虚拟电制动模块13通过数据采集与信号转换电路2接收空气制动机32发送的电制动请求信号并根据所述电制动请求信号产生虚拟电制动力作用到所述虚拟列车上，虚拟电制动模块13通过数据采集与信号转换电路2将所述电制动反馈信号发送给空气制动机32，空气制动机32根据所述电制动反馈信号产生虚拟空气制动力，空气制动机32通过数据采集与信号转换电路2将所述空气制动力作用到所述虚拟列车上。虚拟列车模块11通过数据采集与信号转换电路2将所述虚拟列车的每一节虚拟车辆的轴速和载重发送给对应的空气制动机32，作为空气制动机32防滑和制动力计算的依据。

本发明还提供了一种应用所述的列车制动硬件在环半实物仿真试验台进行列车制动硬件再换半实物仿真试验的试验方法，所述试验方法的步骤包括：

S1.在试验开始前，通过人机交互界面11设置虚拟列车模块12的参数，包括虚拟列车的编组数量、车体质量、构架质量、轮对质量、车辆尺寸、闸瓦摩擦系数、列车制动初速度、列车运行阻力、轮轨粘着系数等，通过人机交互界面设置虚拟电制动模块13的配置；

S2.通过司机控制器31产生制动指令信号，所述制动指令信号包括常用制动、快速制动、紧急制动，所述制动指令信号一方面发送给空气制动机32，另一方面通过数据采集与信号转换电路2采集并转换后由人机交互界面11显示；

S3.空气制动机32接收所述制动指令信号后对所述制动指令信号进行解码，通过数据采集与信号转换电路2向虚拟电制动模块13以模拟量形式发送电制动请求信号，虚拟电制动模块13在接收到所述电制动请求信号后根据所述电制动请求信号产生相应的虚拟电制动力作用到虚拟列车上，虚拟电制动模块13将所述虚拟电制动力的大小通过电制动力反馈信号经数据采集与信号转换电路2以模拟量形式发送给空气制动机32；

S4.空气制动机32接收所述电制动反馈信号后确定需要补充的空气制动力的大小，然后控制其内部的气动阀件调节其制动缸内的空气压力以产生所需的空气制动力，所述制动缸压力(可换算成闸瓦压力)经空气制动机内的压力传感器采集后通过数据采集与信号转换电路2以模拟量形式发送给虚拟列车模块12并作用到虚拟列车上；

S5.所述虚拟空气制动力和虚拟电制动力作用到虚拟列车上后，使其产生虚拟的制动过程，在制动过程中，虚拟列车的每一节车辆的轴速信号以脉冲量形式通过数据采集与信号转换电路2发送给该车辆所对应的空气制动机32中，其载重信号以模拟量形式通过数据采集与信号转换电路2发送给该车辆所对应的空气制动机32中，根据所述轴速信号和载重信号计算空气制动机32防滑和制动力。

本发明的列车制动硬件在环半实物仿真试验台采用空气制动机作为在环硬件，采用虚拟列车模块和虚拟电制动模块提供虚拟列车、虚拟列车运行环境和虚拟电制动力，并采用数据采集和信号转换电路提供试验台虚拟部分和试验台硬件部分的信息交换接口，实现了列车制动的硬件在环半实物仿真试验，其可按具体试验要求设置并改变需要研究的制动试验参数(如闸瓦摩擦系数、列车运行阻力、轮轨粘着等)，也可以对各种控制参数下，特别是各种最恶劣工况下的空气制动机性能进行测试，由于采用了硬件在环方式，所得到的各项列车制动性能参数与实车试验比较接近，但与实车试验相比，更加方便快捷，可以节省大量的人员、经费和时间。所以，本发明有效地结合了完全依靠仿真和完全依靠试验两种制动研究方式，能够充分考虑制动机的复杂性和强非线性，试验结果准确，同时试验的耗费大大减少。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种列车制动硬件在环半实物仿真试验台，其特征在于，包括试验台虚拟部分、试验台硬件部分、数据采集与信号转换电路；

所述试验台虚拟部分包括人机交互界面、用于提供虚拟列车及虚拟列车运行环境的虚拟列车模块、用于提供虚拟电制动力的虚拟电制动模块；

所述试验台硬件部分包括用于产生列车制动指令的司机控制器、用于提供试验需要的空气制动机硬件的空气制动机，所述空气制动机的数量与虚拟列车的编组数量相匹配；

所述数据采集与信号转换电路用于提供所述试验台虚拟部分和试验台硬件部分的信息交换接口。

2.根据权利要求1所述的列车制动硬件在环半实物仿真试验台，其特征在于，所述数据采集与信号转换电路包括数据采集电路和信号转换电路，所述数据采集电路与所述试验台虚拟部分连接，所述信号转换电路连接在所述数据采集电路和空气制动机之间。

3.根据权利要求2所述的列车制动硬件在环半实物仿真试验台，其特征在于，所述虚拟列车模块包括多节编组的虚拟车辆，所述虚拟列车模块的参数包括虚拟列车的编组数量、车体质量、构架质量、轮对质量、车辆尺寸、闸瓦摩擦系数、列车制动初速度、列车运行阻力、轮轨粘着系数。

4.根据权利要求3所述的列车制动硬件在环半实物仿真试验台，其特征在于，所述虚拟电制动模块通过所述数据采集与信号转换电路接收所述空气制动机发送的电制动请求信号并根据所述电制动请求信号产生虚拟电制动力作用到所述虚拟列车上，所述虚拟电制动模块通过所述数据采集与信号转换电路将所述电制动反馈信号发送给所述空气制动机，所述空气制动机根据所述电制动反馈信号产生虚拟空气制动力，所述空气制动机通过所述数据采集与信号转换电路将所述空气制动力作用到所述虚拟列车上。

5.根据权利要求2所述的列车制动硬件在环半实物仿真试验台，其特征在于，所述虚拟列车模块通过所述数据采集与信号转换电路将所述虚拟列车的每一节虚拟车辆的轴速和载重发送给对应的空气制动机。

6.根据权利要求2所述的列车制动硬件在环半实物仿真试验台，其特征在于，所述司机控制器用于产生制动指令信号并将所述制动指令信号发送给所述空气制动机，所述制动指令信号包括常用制动、快速制动、紧急制动，所述司机控制器通过所述数据采集与信号转换电路将所述制动指令信号发送给所述人机交互界面并由所述人机交互界面显示所述制动指令信号。

7.根据权利要求2所述的列车制动硬件在环半实物仿真试验台，其特征在于，所述人机交互界面分别与所述虚拟列车模块和虚拟电制动模块连接，用于设置所述虚拟列车模块的参数、设置所述虚拟电制动模块的配置、显示和储存试验参数和试验结果。

8.根据权利要求1所述的列车制动硬件在环半实物仿真试验台，其特征在于，所述空气制动机为直通式电空制动机。

9.根据权利要求8所述的列车制动硬件在环半实物仿真试验台，其特征在于，各直通式电空制动机之间通过CAN总线进行信息交换。

10.一种应用权利要求1-9中任何一项所述的列车制动硬件在环半实物仿真试验台进行列车制动硬件再换半实物仿真试验的试验方法，其特征在于，所述试验方法的步骤包括：

S1.在试验开始前，通过人机交互界面设置虚拟列车模块的参数，包括虚拟列车的编组数量、车体质量、构架质量、轮对质量、车辆尺寸、闸瓦摩擦系数、列车制动初速度、列车运行阻力、轮轨粘着系数，通过人机交互界面设置虚拟电制动模块的配置；

S2.通过司机控制器产生制动指令信号，所述制动指令信号包括常用制动、快速制动、紧急制动，所述制动指令信号一方面发送给空气制动机，另一方面通过数据采集与信号转换电路采集并转换后由人机交互界面显示；

S3.空气制动机接收所述制动指令信号后对所述制动指令信号进行解码，通过数据采集与信号转换电路向虚拟电制动模块以模拟量形式发送电制动请求信号，虚拟电制动模块在接收到所述电制动请求信号后根据所述电制动请求信号产生相应的虚拟电制动力作用到虚拟列车上，虚拟电制动模块将所述虚拟电制动力的大小通过电制动力反馈信号经数据采集与信号转换电路以模拟量形式发送给空气制动机；

S4.空气制动机接收所述电制动反馈信号后确定需要补充的空气制动力的大小，然后控制其内部的气动阀件调节其制动缸内的空气压力以产生所需的空气制动力，所述制动缸压力经空气制动机内的压力传感器采集后通过数据采集与信号转换电路以模拟量形式发送给虚拟列车模块并作用到虚拟列车上；

S5.所述虚拟空气制动力和虚拟电制动力作用到虚拟列车上后，使其产生虚拟的制动过程，在制动过程中，虚拟列车的每一节车辆的轴速信号以脉冲量形式通过数据采集与信号转换电路发送给该车辆所对应的空气制动机中，其载重信号以模拟量形式通过数据采集与信号转换电路发送给该车辆所对应的空气制动机中，根据所述轴速信号和载重信号计算空气制动机防滑和制动力。