CN105425782B - 高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台 - Google Patents

高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台 Download PDF

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    • G05B2219/23—Pc programming
    • G05B2219/23445—Real time simulation

Abstract

本发明公开了一种高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台，包括实时仿真器、故障注入单元FIU、实物牵引传动控制单元TCU、实时数据采集与监控单元等4个部分。实时仿真器包括PC‑dSPACE与实时仿真软件，用于牵引传动控制系统中各部件的正常模型与故障模型仿真，以及实时仿真监控；故障注入单元FIU包括虚拟与实物两个部分，用于在信号层面实现对牵引传动控制系统中的各部件各类故障的故障注入和电平转换；实物牵引传动控制单元TCU用于实现反馈信号解算，控制信号PWM的产生，以及对牵引传动控制系统的保护功能；实时数据采集与监控单元，用于实时仿真状态监控，以及对整个平台的数据监测、存储控制、历史数据查看等功能。

Description

高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台
技术领域
本发明涉及一种实时故障仿真平台，尤其涉及高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台，属于高速列车牵引传动控制系统半实物仿真、故障注入和信号处理等领域。
背景技术
随着高速列车在世界范围内的大规模应用，其关键系统的安全运行已成为高速列车运行于与发展的首要问题。作为关键系统之一，牵引传动控制系统TCS是高速列车的主要动力来源，也是高发故障的主要来源之一，直接关系到高速列车的安全稳定运行。因此，针对TCS的故障诊断、故障预测与容错等安全性相关技术成为研究的热点。应用验证平台是故障诊断技术研究不可或缺的手段，如无法对故障的发生及其对整个系统运行状况的影响进行注入/模拟，将令故障诊断等相关理论的实际应用受到极大的限制。
半实物仿真平台是应用验证平台中的一项重要技术，它提供了一种仿真形式，即平台中的仿真对象存在实物与数学模型的交互仿真，因快速、高精度而被广泛运用到汽车、船舶、飞行器等动力系统的测试与验证过程中。通过搭建半实物仿真平台，能够避免在真实环境中进行测试，从而降低测试成本。国内现有的高速列车牵引传动控制系统半实物仿真平台都针对系统的正常运行行为进行实时仿真，仅可离线、手动简单模拟仿真某些部件内的异常工况，且以测试牵引传动控制单元TCU的功能为主要目的，并不涉及对牵引传动控制系统进行系统/子系统级的故障注入与模拟，即无法对牵引传动控制系统的故障运行行为进行实时仿真。
因此，如何构建实时故障注入/模拟模式下，高速列车牵引传动控制系统的半实物仿真平台，包括如何构建适于高速列车牵引传动控制系统的正常运行行为半实物仿真平台结构，且能够实现故障注入单元FIU在半实物仿真平台中的功能，是本发明拟解决的关键问题。
发明内容
本发明提供一种可靠、安全、逼近真实地模拟高速列车牵引传动控制系统正常运行行为与故障运行行为的实时仿真平台。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台，能够对高速列车牵引传动控制系统的正常运行行为与故障运行行为进行仿真。所述高速列车牵引传动控制系统包括牵引变压器、牵引变流器(整流器、中间直流回路与逆变器)、牵引电机、传感器、牵引传动控制单元TCU等部件。其特征在于，实时故障仿真平台包括实时仿真器、故障注入单元FIU、实物牵引传动控制单元TCU、实时数据采集与监控单元等4个部分；所述实时仿真器包括PC-dSPACE与实时仿真软件，用于牵引传动控制系统中各部件正常模型与故障模型的仿真，以及实时仿真监控；所述故障注入单元FIU包括虚拟与实物两个部分，用于在信号层面实现对牵引传动控制系统中各部件各类故障的故障注入和电平转换；所述实物牵引传动控制单元TCU用于实现反馈信号解算，控制信号PWM的产生，以及对牵引传动控制系统的保护功能；所述实时数据采集与监控单元，用于实时仿真状态监控，以及对整个平台的数据监测、存储控制、历史数据查看等功能。
优选地，实时仿真器包括PC-dSPACE与实时仿真软件，用于牵引传动控制系统中各部件正常模型与故障模型的仿真，以及实时仿真监控；
具体地，PC-dSPACE中包括DS1007 CPU板、DS5203 FPGA板、DS4004数字I/O板、DS2103多通道高精度的D/A板，用于牵引传动控制系统中各部件正常模型与故障模型的仿真；
具体地，DS1007 CPU板完成对牵引传动控制系统中实时性要求较低的部件模型实时仿真，并通过20Mb/s传输速率PHS高速总线与外围接口板卡进行数据交换、控制信号采集或系统状态变量输出，对I/O接口板提供30Mb/s传输速率，多至64个PHS总线中断，2个处理器板同时进行模型解算，通过高速光纤接口进行数据交换，传输速率>1.25Gbit/S；
具体地，DS5203 FPGA板，由Xilinx的Virtex-5系列FPGA构成，它提供了6路AD，6路DA及16路数字IO通道，完成对牵引传动控制系统中实时性要求高的部件模型实时仿真；
具体地，DS4004数字I/O板具有96路双向数字I/O口，输入电压为TTL电平，完成PC-dSPACE I/O信号传输功能；
具体地，DS2103多通道高精度的D/A板，具有32路并行的D/A和14位的分辨率，其输出电压范围可通过编程设定为±5V；
具体地，实时仿真软件包括模型开发软件RTI(Real-Time Interface,RTI)与综合管理软件Controldesk，用于模型开发以及对PC-dSPACE中的实时仿真进行综合管理监控；
具体地，模型开发软件RTI在Matlab/Simulink中图形化建模方式建立I/O模型，完成对PC-dSPACE中板卡的选定，生成模型代码，编译下载并启动实时模型仿真；
具体地，综合管理软件Controldesk软件用于实现实验过程的综合管理监控。
优选地，为了提高解算效率，将实时仿真器分成Master与Slave两个仿真单元，每个仿真单元由一个DS1007 CPU板与DS5203 FPGA板卡构成，板卡间仅交换电压、电流与速度等数据；Master仿真单元用于整流器模型、中间直流回路模型与牵引变压器模型的计算，Slave仿真单元用于逆变器和牵引电机模型的计算。
优选地，故障注入单元FIU分为虚拟与实物两种形式；由故障注入命令接口、故障注入控制器、信号调理模块、输入输出接口、电平转换模块、工作负载与故障库组成，用于在信号层面实现对牵引传动控制系统中的各部件(实物、虚拟)各类故障的故障注入/模拟；
具体地，所述故障注入命令接口用于接收上位机的故障注入命令，同时上传故障注入单元当前的工作状态；
具体地，所述工作负载与故障库包含牵引传动控制系统中牵引变流器、牵引电机、传感器和牵引控制器等部件各类故障注入/模拟基准(故障注入时刻、位置、仿真时间长度、故障模式)，以及各部件正常模型与故障类型等实时仿真参数；所述的牵引变流器故障注入基准所提供的故障类型包括，功率器件(如IGBT模块和可控式晶闸管等)和无源元件(如电阻器和电容器等)的失效故障和电气外特性衰退现象；所述的牵引电机故障注入基准所提供的故障类型包括，转子断条故障、定子匝间短路故障、气隙偏心故障和端环断裂故障；所述的传感器故障注入基准所提供的故障类型包括，电压、电流和速度传感器的偏差、漂移、冲击、精度下降、周期性干扰、增益、开路、短路、卡死和非线性死区等故障；所述的牵引控制器故障注入基准所提供的故障类型包括，模拟信号I/O模块、数字信号I/O模块和存储模块的错误逻辑状态/硬损伤；
具体地，故障注入控制器根据上位机故障注入控制指令，加载工作负载与故障库，确定故障仿真参数；控制开关选择外部故障信号fe或内部故障信号fi；若选择内部故障信号，则控制产生内部故障信号fi，生成特定故障信号f(·)；控制是否叠加噪声Ns；
具体地，信号调理模块将生成的特定故障信号f(·)与注入点处的注入前正常信号Xo进行信号调理，生成故障注入信号Xf；
具体地：
步骤1：根据用户需要，将所生成的特定故障信号f(·)与注入点处的注入前正常信号Xo进行信号叠加或信号相乘运算，生成中间故障注入信号为：
Xf1＝X0+f(·) (1)
或者：
Xf2＝X0*f(·) (2)
步骤2：将正常信号Xo、特定故障信号f(·)以及中间故障注入信号Xf1,Xf2，进行逻辑运算，选择所需的故障注入信号X′f：
X′f＝sel{X0,f(·),Xf1,Xf2} (3)
式中sel{}表示在Xo、f(·)、Xf1和Xf2中选择任一所需的故障注入信号X′f作为信号调理的输出；
步骤3：确定生成的故障注入信号X′f是否需要叠加噪声，并生成故障注入信号Xf作为最终输出：
Xf＝X′f+(Ns) (4)
式中+(Ns)表示可根据实际情况和用户需要，选择是否叠加噪声信号Ns；
具体地，故障注入单元FIU虚拟形式，与部件模型一起，下载至实时仿真器的DS1007 CPU板卡中，实现牵引传动控制系统中各部件各类故障的故障注入/模拟；
具体地，故障注入单元FIU实物形式，连接在实物TCU与PC-dSPACE之间，在外部信号层面实现对牵引传动控制系统中各部件各类故障的故障注入/模拟，并完成TCU与PC-dSPACE之间不同类型信号之间的电平转换。
具体地，当故障注入单元FIU为虚拟形式时，所述故障注入命令接口为RTI，且不需要对输入输出信号进行电平转换，所述故障控制器、信号调理模块、工作负载与故障库等部分均由上位机软件完成，并下载至DS1007，对部件模型中的各信号进行故障注入；
具体地，当故障注入单元FIU为实物形式时，所述故障注入命令接口为以太网接口；所述工作负载与故障库由上位机软件选择完成；所述故障注入控制器、信号调理模块、输入输出接口、电平转换模块均由实物电路组成，用于在物理层实现对数字信号的短/断路等故障注入，并控制信号的串/并行阻抗和叠加噪声；用于在电气层进行各类故障注入，调节电气信号的幅度与阈值、信号的占空比等，并控制外部信号对正常信号进行叠加，或替换原有正常信号。
优选地，实物牵引传动控制单元TCU用于实现反馈信号解算，控制信号PWM的产生，以及对牵引传动控制系统的保护功能。
优选地，实时数据采集与监控单元，用于实时仿真状态监控，以及对整个平台的数据监测、存储控制、历史数据查看等功能。
本发明系统的故障仿真是以模拟高速列车牵引传动控制系统的正常运行行为与故障运行行为为目的，并以高速列车牵引传动控制系统系统的结构与设备为基础，融合多年来测试过程中的故障统计数据，进行故障注入/模拟/仿真，其本质是模拟现有的设备逻辑和故障模式、故障逻辑，不涉及产品设计。对牵引传动控制系统中牵引变压器、牵引变流器(整流器、中间直流回路与逆变器)、牵引电机、传感器、牵引传动控制单元TCU等主要部件进行实时故障仿真。可为高速列车牵引传动控制系统的功能验证提供安全可靠的故障注入/模拟/仿真与测试，具有较强的适用性。
附图说明
图1为本发明高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台结构示意图。
图2为本发明实施例实时故障仿真平台仿真模型分配示意图。
图3为本发明故障注入单元FIU原理框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明做进一步说明。
高速列车牵引传动控制系统包括牵引变压器、牵引变流器(整流器、中间直流回路与逆变器)、牵引电机、传感器、牵引传动控制单元TCU等部件。实时故障仿真平台可实现对高速列车牵引传动控制系统的正常建模与故障建模、以及正常运行行为与故障运行行为的实时仿真。
图1给出了本发明高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台结构示意图，实时故障仿真平台包括实时仿真器、故障注入单元FIU、实物牵引传动控制单元TCU、实时数据采集与监控单元。
实时仿真器用于牵引传动控制系统中各部件正常模型与故障模型的仿真，以及实时仿真监控；
故障注入单元用于在信号层面实现对牵引传动控制系统中各部件各类故障的故障注入和电平转换；
实物牵引传动控制单元TCU用于实现反馈信号解算，控制信号PWM的产生，以及对牵引传动控制系统的保护功能；
实时数据采集与监控单元，用于实时仿真状态监控，以及对整个平台的数据监测、存储控制、历史数据查看等功能。
图2给出了本发明实施例实时故障仿真平台仿真模型分配示意图，实时仿真器的主要输入为牵引变流器控制信号，主要输出为故障反馈信号，速度信号以及模拟电信号；为了提高解算效率，实时仿真器分为Master与Slave两个仿真单元，2个仿真单元通过Gigalink交换电压、电流与速度等数据，Master仿真单元用于整流器模型、中间直流回路模型和牵引变压器模型的计算，Slave仿真单元用于逆变器和牵引电机模型的计算。
本实施例中，DS1007与DS5203组成一个仿真单元，同时进行数学模型的并行实时解算。DS1007主频为2.0GHz，虚拟FIU在DS1007中进行计算，通过对X0调理产生故障注入信号Xf，模型计算所需要的参数与Xf由PHS总线进行传输；
本实施例中，根据系统中实时性和运算精度要求，将实时性与运算精度要求高的牵引电机模型电气部分和逆变器模型下载至DS5203 FPGA中进行仿真；而将实时性与运算精度要求相对低的牵引电机模型机械部分与牵引变压器模型下载至DS1007 CPU板卡中进行仿真。将变流器整体都放入DS5203 FPGA进行仿真。
本实施例中，故障注入单元FIU分为虚拟与实物两种形式；图3给出了本发明故障注入单元FIU原理框图。故障注入单元由故障注入命令接口、故障注入控制器、信号调理模块、输入输出接口、电平转换模块、工作负载与故障库组成，用于在信号层面实现对牵引传动控制系统中的各部件(实物、虚拟)各类故障的故障注入/模拟；
本实施例中，故障注入命令接口接收上位机的故障注入命令，同时上传故障注入单元当前的工作状态；
本实施例中，所述工作负载与故障库包含牵引传动控制系统中牵引变流器、牵引电机、传感器和牵引控制器等部件各类故障注入/模拟基准(故障注入时刻、位置、仿真时间长度、故障模式)，以及各部件正常模型与故障类型等实时仿真参数；所述的牵引变流器故障注入基准所提供的故障类型包括，功率器件(如IGBT模块和可控式晶闸管等)和无源元件(如电阻器和电容器等)的失效故障和电气外特性衰退现象；所述的牵引电机故障注入基准所提供的故障类型包括，转子断条故障、定子匝间短路故障、气隙偏心故障和端环断裂故障；所述的传感器故障注入基准所提供的故障类型包括，电压、电流和速度传感器的偏差、漂移、冲击、精度下降、周期性干扰、增益、开路、短路、卡死和非线性死区等故障；所述的牵引控制器故障注入基准所提供的故障类型包括，模拟信号I/O模块、数字信号I/O模块和存储模块的错误逻辑状态/硬损伤；
本实施例中，故障注入控制器根据上位机故障注入控制指令，加载工作负载与故障库，确定故障仿真参数，用于产生内部故障信号fi，控制开关选择外部故障信号fe或内部故障信号fi，生成特定故障信号f，并能控制是否叠加噪声Ns
本实施例中，信号调理模块将已生成故障注入信号Xf与特定故障信号f经过信号调理与逻辑运算生成故障注入信号Xf；
本实施例中：
步骤1：根据用户需要，将所生成的特定故障信号f(·)与注入点处的注入前正常信号Xo进行信号叠加或信号相乘运算，生成中间故障注入信号为：
Xf1＝X0+f(·) (1)
或者：
Xf2＝X0*f(·) (2)
步骤2：将正常信号Xo、特定故障信号f(·)以及中间故障注入信号Xf1,Xf2，进行逻辑运算，选择所需的故障注入信号X′f：
X′f＝sel{X0,f(·),Xf1,Xf2} (3)
式中sel{}表示在Xo、f(·)、Xf1和Xf2中选择任一所需的故障注入信号X′f作为信号调理的输出；
步骤3：确定生成的故障注入信号X′f是否需要叠加噪声，并生成故障注入信号Xf作为最终输出：
Xf＝X′f+(Ns) (4)
式中+(Ns)表示可根据实际情况和用户需要，选择是否叠加噪声信号Ns；
本实施例中，电平转换模块用于PC-dSPACE与实物TCU之间不同类型信号的电平转换；
本实施例中，虚拟FIU的故障注入命令接口为RTI，且不需要对输入输出信号进行电平转换，故障控制器、信号调理模块、工作负载与故障库等部分均由上位机软件完成，并下载至DS1007 CPU板卡，对仿真模型中的各信号进行故障注入；
本实施例中，实物FIU的故障注入命令接口为以太网接口，工作负载与故障库由上位机软件选择完成；故障控制器、信号调理模块、电平转换模块、输入输出接口均由实物电路组成；用于在物理层实现对数字信号的短/断路，并控制信号的串/并行阻抗和叠加噪声；在电气层进行各类故障注入，调节电气信号的幅度与阈值、信号的占空比等，并引入外部信号对正常信号进行叠加，或替换原有正常信号；
本实施例中，实物牵引传动控制单元TCU用于实现反馈信号解算，控制信号PWM的产生，以及对牵引传动控制系统的保护功能；
本实施例中，实时数据采集与监控单元，用于实时仿真状态监控，以及对整个平台的数据监测、存储控制、历史数据查看等功能。

Claims (4)

1.一种高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台，所述高速列车牵引传动控制系统包括牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、传感器、牵引传动控制单元TCU，其特征在于，实时故障仿真平台包括实时仿真器、故障注入单元FIU、实物牵引传动控制单元TCU、实时数据采集与监控单元；所述实时仿真器包括PC-dSPACE与实时仿真软件，用于牵引传动控制系统中各部件正常模型与故障模型的仿真，以及实时仿真监控；所述故障注入单元FIU包括虚拟与实物两个部分，用于在信号层面实现对牵引传动控制系统中的各部件各类故障的故障注入和电平转换；所述实物牵引传动控制单元TCU用于实现反馈信号解算，控制信号PWM的产生，以及对牵引传动控制系统的保护功能；所述实时数据采集与监控单元，用于实时仿真状态监控，以及对整个平台的数据监测、存储控制、历史数据查看；
其中，所述故障注入单元FIU的实物部分和虚拟部分都包括由上位机软件完成并可下载至PC-dSPACE的工作负载与故障库，且实物部分和虚拟部分还分别包括：
在所述故障注入单元FIU的虚拟部分中，包括：RTI的故障注入命令接口，由上位机软件完成并可下载至PC-dSPACE的故障注入控制器和信号调理模块，且在部件模型中的各信号进行故障注入时不需要对输入输出信号进行电平转换；
在所述故障注入单元FIU的实物部分中，包括：以太网接口的故障注入命令接口，由实物电路组成的故障注入控制器、信号调理模块、输入输出接口和电平转换模块，用于在物理层实现故障注入；
其中，所述故障注入单元FIU的实物部分连接在实物TCU与PC-dSPACE之间，所述电平转换模块用于PC-dSPACE与实物TCU之间不同类型信号的电平转换；所述PC-dSPACE中包括DS1007 CPU板、DS5203 FPGA板、DS4004数字I/O板、DS2103多通道高精度的D/A板，用于牵引传动控制系统中各部件正常模型与故障模型的仿真；其中，DS1007与DS5203组成一个仿真单元，同时进行数学模型的并行实时解算；虚拟FIU在DS1007中进行计算，通过对正常信号调理产生故障注入信号，模型计算所需要的参数与故障注入信号由PHS总线进行传输；
根据系统中实时性和运算精度要求，将实时性与运算精度要求高的牵引电机模型电气部分和逆变器模型下载至DS5203 FPGA中进行仿真；将实时性与运算精度要求相对低的牵引电机模型机械部分与牵引变压器模型下载至DS1007 CPU板卡中进行仿真，将变流器整体都放入DS5203 FPGA进行仿真；
所述故障注入命令接口用于接收上位机的故障注入命令，同时上传故障注入单元当前的工作状态；
所述工作负载与故障库包含牵引传动控制系统中的牵引变流器、牵引电机、传感器和牵引控制器各类故障注入/模拟基准，以及各部件正常模型与故障类型实时仿真参数；所述的牵引变流器故障注入基准所提供的故障类型包括功率器件和无源元件的失效故障和电气外特性衰退现象；所述的牵引电机故障注入基准所提供的故障类型包括转子断条故障、定子匝间短路故障、气隙偏心故障和端环断裂故障；所述的传感器故障注入基准所提供的故障类型包括电压、电流和速度传感器的偏差、漂移、冲击、精度下降、周期性干扰、增益、开路、短路、卡死和非线性死区故障；所述的牵引控制器故障注入基准所提供的故障类型包括模拟信号I/O模块、数字信号I/O模块和存储模块的错误逻辑状态/硬损伤；
所述故障注入控制器根据上位机故障注入控制指令，加载工作负载与故障库，确定故障仿真参数；控制开关选择外部故障信号fe或内部故障信号fi；若选择内部故障信号，则控制产生内部故障信号fi，生成特定故障信号f(·)；控制是否叠加噪声Ns；
所述信号调理模块将生成的特定故障信号f(·)与注入点处的注入前正常信号Xo进行信号调理，生成故障注入信号Xf；具体地：
步骤1：根据用户需要，将所生成的特定故障信号f(·)与注入点处的注入前正常信号Xo进行信号叠加或信号相乘运算，生成中间故障注入信号为：
Xf1＝X0+f(·) (1)
或者：
Xf2＝X0*f(·) (2)
步骤2：将正常信号Xo、特定故障信号f(·)以及中间故障注入信号Xf1,Xf2，进行逻辑运算，选择所需的故障注入信号X′f：
X′f＝sel{X0,f(·),Xf1,Xf2} (3)
式中sel{}表示在Xo、f(·)、Xf1和Xf2中选择任一所需的故障注入信号X′f作为信号调理的输出；
步骤3：确定生成的故障注入信号X′f是否需要叠加噪声，并生成故障注入信号Xf作为最终输出：
Xf＝X′f+(Ns) (4)
式中+(Ns)表示可根据实际情况和用户需要，选择是否叠加噪声信号Ns；
所述故障注入单元FIU虚拟形式，与部件模型一起，下载至实时仿真器的DS1007 CPU板卡中，实现牵引传动控制系统中各部件各类故障的故障注入/模拟；
所述故障注入单元FIU实物形式，在外部信号层面实现对牵引传动控制系统中各部件各类故障的故障注入/模拟，并完成TCU与PC-dSPACE之间不同类型信号之间的电平转换。
2.根据权利要求1所述的高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台，其特征在于，所述实时仿真软件包括模型开发软件RTI与综合管理软件Controldesk，用于模型开发以及对PC-dSPACE中的实时仿真进行综合管理监控；
所述模型开发软件RTI用于在Matlab/Simulink中图形化建模方式建立I/O模型，完成对PC-dSPACE中板卡的选定，生成模型代码，编译下载并启动实时模型仿真；
所述综合管理软件Controldesk软件用于实现实时仿真过程的综合管理监控。
3.根据权利要求1所述的高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台，其特征在于，实时仿真器分成Master与Slave两个仿真单元，每个仿真单元由一块DS1007 CPU板与一块DS5203 FPGA板卡构成，板卡间仅交换电压、电流与速度数据；Master仿真单元用于整流器模型、中间直流回路模型和牵引变压器模型的计算，Slave仿真单元用于逆变器模型和牵引电机模型的计算。
4.根据权利要求1所述的高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台，其特征在于，当故障注入单元FIU为实物形式时，所述故障注入控制器、信号调理模块、输入输出接口和电平转换模块还用于控制信号的串/并行阻抗和叠加噪声；用于在电气层进行各类故障注入，调节电气信号的幅度与阈值、信号的占空比，并控制外部信号对正常信号进行叠加，或替换原有正常信号。
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