CN106444420B - 一种机车半实物仿真测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车半实物仿真测试系统及方法，该系统包括：机车实际控制单元；对机车实际控制单元的各总线进行通讯协议配置并进行总线数据采集、监控处理及信号传输故障模拟处理的总线测试单元；为机车实际控制单元提供仿真工作环境的仿真单元；为机车实际控制单元与仿真单元之间建立信号传输通道的转换单元；为机车实际控制单元提供所需的仿真模型的上位机，该上位机能够根据当前的测试需求自预存储的离线仿真HIL模型库中调取若干对应的仿真模型，进行模型初始化后向仿真单元输出相应的控制信号。本发明能够满足机车系统级动态和稳态性能的研究需求；同时引入总线运行情况的监控以及传输故障注入机制，为产品的总线方面的研究提供了便利。

Description

一种机车半实物仿真测试系统及方法

技术领域

本发明涉及电气系统仿真技术，具体的说是涉及一种应用于内燃机车和电力机车半实物仿真测试用的机车半实物仿真测试系统及方法。

背景技术

由于机车的交流传动系统是一个复杂的非线性系统，设计和分析的难度较大，如果直接将被控对象与实物控制器相连接，则可能产生下面三个问题：

(1)测试人员在进行试验过程中的人身安全存在隐患；

(2)测试过程中如全部采用实物进行，则会产生高昂的试验费用；

(3)极限工况在实验室条件下是无法实现的。

目前通常采用的Matlab/Simulink等离线仿真手段，但是上述离线仿真手段则往往存在在试验过程中缺少对中断延迟、执行时间、实时监测等一些实时数据的采集功能，进而影响对现代交流传动系统动态和稳态性能的研究的问题。所以，需要在机车交流传动系统研究中采用半实物仿真的方法以利用半实物仿真的方法最终达到掌握机车系统开发的目的。

由于进行机车交流传动系统研究的主要技术方向为：系统引进→消化吸收→正向开发；其中，

(1)消化吸收阶段，该目的阶段是将引进的系统进行理解和吸收，以实现能够将系统每个部件，每个设备的功能都了解透彻；

(2)正向开发阶段，该阶段基于前述消化吸收阶段的成果，进行正向的功能开发。

同时在机车系统研究的消化吸收和正向开发阶段，都主要涉及控制策略和控制器之间通讯的研究，因而利用半实物仿真测试的方法可以有效地开展研究，并得到较为理想的试验结果。

前述半实物仿真的手段可分为两种形式：快速控制原型(RCP，Rapid ControlPrototyping)和硬件在回路(HIL，Hardware in the Loop)，这两种形式在整个半实物仿真试验过程中相辅相成。RCP过程是采用“虚拟控制器+实际被控对象”的模式；HIL过程采用的是“实际控制器+虚拟被控对象”模式。其中，针对带载有功率的设备主要采用硬件在回路仿真(HIL)。

HIL硬件在回路仿真测试方法是以实时处理器运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，通过I/O接口与控制器实物相连接，实现对控制器的性能指标、容错能力等方面的测试。从安全性、可行性和合理成本上考虑，HIL硬件在环仿真测试已经成为控制器开发过程中非常重要的一环，可减少控制器与真实硬件设备连接测试的风险，缩短控制器测试验证过程的开发时间，降低测试成本，提高控制器软硬件质量和可靠性。而如何有效利用硬件在回路仿真(HIL)进行机车交流传动系统研究是本发明的研究重点。同时鉴于现有的硬件在回路仿真测试方法中尚没有针对总线运行情况的监控以及研究总线可靠性的故障注入的技术，因此在测试方法中加入对于总线运行情况的监控以及研究总线可靠性的故障注入的研究，以实现为产品的总线方面的研究提供便利并降低产品开发过程中对试验资源的依赖等也是本发明的研究重点。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种机车半实物仿真测试系统，以满足机车系统级动态和稳态性能的研究需求。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种机车半实物仿真测试系统，其特征在于，包括：

机车实际控制单元；

对所述机车实际控制单元的各总线进行通讯协议配置，并对配置后的各总线进行总线数据采集及监控处理的总线测试单元，该总线测试单元同时能够根据当前的测试需求，对各前述总线进行信号传输故障模拟处理；

为所述机车实际控制单元提供仿真工作环境的仿真单元，该仿真单元能够根据上位机所输出的仿真模型以及转换单元所输出的反馈信号生成与所述机车实际控制单元所需仿真工作环境相匹配的环境模拟信号；

为所述机车实际控制单元与仿真单元之间建立信号传输通道的转换单元，该转换单元能够将所述仿真单元输出的环境模拟信号输入至对应的实际控制单元，同时将机车实际控制单元输出的反馈信号输入至仿真单元；

以及为所述机车实际控制单元提供进行当前仿真过程所需的仿真模型的上位机，该上位机能够根据当前的测试需求自预存储的离线仿真HIL模型库中调取若干对应的仿真模型，对各所述仿真模型进行模型初始化后向仿真单元输出相应的控制信号。

进一步的，作为本发明的优选方案，

所述总线测试单元包括对所述机车实际控制单元的各总线进行通讯协议配置，并对配置后的各总线进行总线数据采集及监控处理的总线数据监测子单元；该总线数据监测子单元包括：能够基于所设定的协议模型，对所述机车实际控制单元的各总线进行通讯协议配置的总线配置模块；对配置后的各总线进行总线数据采集的总线数据采集模块以及能够对所采集的总线数据进行分类统计和或同步存储的总线数据监控模块。

进一步的，作为本发明的优选方案，

所述总线测试单元还包括能够根据当前的测试需求，对各前述总线进行信号传输故障模拟处理的总线故障注入子单元，该总线故障注入子单元包括：

若干被设置于所述机车实际控制单元的各信号传输通道间的受控开关；

以及能够根据当前的测试需求，对各所述受控开关的通路/断路状态进行交替控制，以模拟所述机车实际控制单元中所选定的一个或者多个总线存在信号传输故障的状态的故障模拟控制器。

进一步的，作为本发明的优选方案，

所述上位机包括：

HIL模型调取单元，该HIL模型调取单元能够根据当前的测试需求自预存储的离线仿真HIL模型库中调取若干对应的仿真模型；

与所述HIL模型调取单元相连接的模型初始化单元，该模型初始化单元能够对各所述仿真模型进行初始化后向仿真器输出相应的控制信号。

进一步的，作为本发明的优选方案，

所述系统还包括反射内存单元，该反射内存单元能够为系统内的仿真单元与本系统之外的其他仿真单元创建用于实现同步仿真及仿真数据交互过程的反射内存网络。

进一步的，作为本发明的优选方案，

所述机车实际控制单元包括内燃机车实际控制器和电力机车实际控制器，上述两种实际控制器均包括主控制单元、司机显示单元、辅助控制单元、牵引控制单元、输入/输出单元，且均用于根据上位机输出的控制信号和转换器输出的环境模拟信号生成各自对应的反馈信号。

本发明还要提供的是一种基于上述系统的机车半实物仿真测试方法，其特征在于：包括如下步骤

S1、根据当前的测试需求自预存储的离线仿真HIL模型库中调取若干对应的仿真模型；同时对机车实际控制单元的各总线进行通讯协议配置，并对配置后的各总线进行总线数据采集及监控处理；

S2、对各所述仿真模型进行模型初始化后向仿真单元输出相应的控制信号；所述的模型初始化是指分别对各所述仿真模型进行类型判断并依据所判断的模型类型进行分别处理即分别判断所述仿真模型是否属于第一类仿真模型，若该仿真模型属于第一类仿真模型则直接将模型对应的端口修改为与仿真器相对应的端口；若该仿真模型不属于第一类仿真模型，则确认该仿真模型属于第二类仿真模型，并对该仿真模型进行改造，所述改造包括对模型端口的改造以及定步长的修改；

S3、根据上位机所输出的仿真模型以及转换单元所输出的反馈信号生成与所述机车实际控制单元所需仿真工作环境相匹配的环境模拟信号，并以所述机车实际控制器为被控对象进行模拟仿真。

进一步的，作为本发明的优选方案，

所述步骤S1还包括根据当前的测试需求，对各前述总线进行信号传输故障模拟处理；

进一步的，作为本发明的优选方案，

所述信号传输故障模拟处理包括对各受控开关的通路/断路状态进行交替控制，以模拟所述机车实际控制单元中所选定的一个或者多个总线存在信号传输故障的状态；所述受控开关为若干被设置于所述机车实际控制单元的各信号传输通道间的开关元件。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明能够满足针对内燃机车和电力机车控制方法的系统级动态和稳态性能的研究需求，其通过总线测试单元实现了总线运行情况的监控以及总线信号传输故障的模拟过程，丰富了系统的实际工况条件且为产品总线故障再现提供了平台，也为全面研究内燃机车和电力机车的性能提供了可能和便利。

附图说明

图1为本发明所述的半实物仿真测试系统组成框架示意图；

图2为本发明所述的总线测试单元组成框架示意图；

图3为本发明所述系统包括模型初始化过程的实例所对应的流程示意图；

图4为本发明所述系统的总线测试的实例所对应的框架示意图；

图5为本发明通过反射内存单元创建反射内存网络的组网示意图；

图6为本发明的MVB总线测试示意例图；

图7为本以电力机车的TCU的HIL仿真为例的测试示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明所述的系统，如图1-图2，主要包括内燃机车和电力机车的实际控制器即所述机车实际控制单元、总线测试单元、仿真单元以及上位机，这些设备之间呈环形连接状态即仿真单元分别与上位机及转换单元相连接；转换单元分别与仿真单元及实际控制单元相连接；实际控制单元分别与转换单元及上位机相连接；总线测试单元分别与实际控制单元及上位机相连接。

其中：

1.机车实际控制单元，所述机车实际控制单元包括内燃机车实际控制器和电力机车实际控制器，上述两种实际控制器均包括主控制单元、司机显示单元、辅助控制单元、牵引控制单元、输入/输出单元，用于根据上位机输出的控制信号和转换器输出的环境模拟信号生成各自对应的反馈信号。

2.总线测试单元，所述总线测试单元用于对所述机车实际控制单元的各总线进行通讯协议配置，并对配置后的各总线进行总线数据采集及监控处理，同时能够根据当前的测试需求，对各前述总线进行信号传输故障模拟处理；具体的，作为本发明的优选实施例，所述总线测试单元主要功能是实现对机车内部总线如MVB和WorldFip的数据激励、采集以及故障状态注入等功能，如图4，其具体包括对所述机车实际控制单元的各总线进行通讯协议配置，并对配置后的各总线进行总线数据采集及监控处理的总线数据监测子单元以及能够根据当前的测试需求，对各前述总线进行信号传输故障模拟处理的总线故障注入子单元；所述总线数据监测子单元包括：能够基于所设定的协议模型，对所述机车实际控制单元的各总线进行通讯协议配置的总线配置模块；对配置后的各总线进行总线数据采集的总线数据采集模块以及能够对所采集的总线数据进行分类统计和或同步存储的总线数据监控模块。所述总线故障注入子单元包括：若干被设置于所述机车实际控制单元的各信号传输通道间的受控开关；以及能够根据当前的测试需求，对各所述受控开关的通路/断路状态进行交替控制，以模拟所述机车实际控制单元中所选定的一个或者多个总线存在信号传输故障的状态的故障模拟控制器。具体的，作为本发明的优选实施例，总线数据监测子单元包括FPGA数据采集卡、总线实时服务器、监控终端(其载体为上位机，总线数据监控模块预装于其内)；其中，FPGA数据采集卡用于实现MVB链路层解码、上位机接口配置和控制配置三个功能；即其通过物理电平转换模块将转换好的物理电平发送给FPGA，FPGA从物理电平的变化中识别MVB通信链路层数据，此过程为MVB链路层解码过程，在FPGA数据采集过程中各数据实时交互，但是由于FPGA不能参与浮点计算，因此所有的数据及其类型都需要修改为定点型，以使得实现数据无缝的对接工作，即通过浮点接口转接至定点接口后上位机后台经由总线仿真模型自动转换，此过程为上位机接口配置过程，同时控制配置与所述接口配置同理，只是FPGA采集板卡不止一块，同时有MVB和WorldFip两种通讯协议，在这时候则可以通过控制配置来进行筛选，其配置内容包括源端口的数量、端口地址、数据长度、轮询周期；所述总线实时服务器负责实时采集获取FPGA采集到的MVB报文数据，并通过以太网的形式发布给监控终端即上位机使用，达到总线数据监控的目的，并对采集到总线数据进行统计，统计的内容包括误码率统计、总线负载统计、报文定时统计；所述监控终端通过总线实时服务器，将总线上的所有数据采集下来，采集过程可以采用全部采集的方式，也可以采用特定条件触发的方式，其目的是记录所有总线上的数据，从而实现对总线传输过程的分析。基于上述原理，则具体机车内部总线MVB和WorldFip的数据激励、采集的实例如附图6所示，该图是以MVB的通信为例进行数据激励、采集。

综上所述，总线测试子系统保证了对总线数据分析的全面性，其中作为核心设备的总线数据监测子单元，其内部运行嵌入式实时系统提高总线数据采集的实时性；所述总线配置模块能够基于所选定的协议模型，对各总线分别配置对应的通讯协议；总线数据采集模块按照协议模型内容对总线数据进行处理，具体的，其处理过程主要看该协议模型所对应的采集要求即求采集何种信息以及对何种信息进行统计，例如某一协议模型关注总线通讯过程中的误码情况及其处理情况，则采集该误码信息及其处理信息即可；总线数据监控模块可以采用多点分布式的方式进行数据显示，可以同时让多人进行总线数据监控，其对总线数据采集模块所涉及的各数据进行记录并最终将统计情况汇集。

具体的，作为本发明的优选实施例，所述总线故障注入子单元用于通过总线故障注入的方式完成总线可靠性研究，即在系统正常工作过程中，将控制单元对外的总线接口实现开路、对地短路、对高短路等控制，从而总线信号传输故障，模拟实际系统工作过程中的一些信号传输故障，从而达到总线传输可靠性测试的功能。进一步，作为本发明的优选实施例，总线故障注入方式是通过设置在信号传输通道间的继电器实现总线通信线路中短路、断路等故障模式的模拟，所述继电器与外设开关元件连接，通过设定的模型软件来发出不同的通断指令，实现多种故障的模拟，以测试控制器总线通信容错能力；所述的总线故障注入可以针对包括CAN、WorldFip、MVB、RS422Z在内的多种总线通相应的继电器实现故障注入，例如总线故障注入包括信号断路故障、信号对电源短路故障、信号对地短路故障、信号之间短路故障、信号对高带阻短路故障、信号对低带阻短路故障、信号之间带阻短路故障等七种。进一步，作为本发明的优选实施例，所述总线故障注入方式还包括通过断线测试箱BOB模拟各总线通路外的通道间的通断。

其对应的测试的步骤：

通过上位机对被测试对象进行控制，利用总线数据交互，实施总线故障注入的测试，总线故障注入是通过继电器来测试总线通信的容错能力。与此同时，可通过总线数据采集模块对整个总线故障注入过程进行监听，实现对总线上所有的信息进行收集；之后，再通过总线数据监控模块对采集到的数据进行分类整理，获得误码率统计、总线负载统计、报文定时统计。并将这些数据和统计提交或者同步上传到文件配置服务器，文件配置服务器会将的相关配置数据进行整理存储；日后有相同故障注入需求时，则将准备好的配置数据直接下载到总线数据监控模块，并交互至总线故障注入子单元实现故障注入的测试功能。其中所述文件配置服务器为是一个单独的设备，与总线测试单元之间是通过普通的网线相连。

3.仿真单元，仿真单元用于为所述机车实际控制单元提供仿真工作环境即该仿真单元能够根据上位机所输出的仿真模型以及转换单元所输出的反馈信号生成与所述机车实际控制单元所需仿真工作环境相匹配的环境模拟信号；具体的，作为本发明的优选实施例，所述仿真单元运行经由上位机而来的目标代码，并根据转换单元输出的反馈信号生成环境模拟信号，通过转换单元将该环境模拟信号传导环境模拟信号至内燃机车和电力机车的实际控制单元，实际控制单元上生成的反馈信号再经由此路径以反馈输入信号的形式传递给仿真单元。

4.转换单元，所述转换单元用于为所述机车实际控制单元与仿真单元之间建立信号传输通道即该转换单元能够将所述仿真单元输出的环境模拟信号输入至对应的实际控制单元，同时将机车实际控制单元输出的反馈信号输入至仿真单元；具体的，作为本发明的优选实施例，所述转换单元包括调理板卡以及断线测试箱，所述调理板卡用以将仿真单元输出的环境模拟信号进行格式转换后的传输至断线测试箱，同时断线测试箱输出的信号也需要经过调理板卡进行格式转换后传输到仿真单元。具体的，作为本发明进一步的优选实施例，所述调理板卡分为信号载板和调理子板，所述信号载板的作用主要是提供信号路由和给调理子板供电；而调理子板的作用是完成系统内输入信号的转换，并将调理好的信号传给实际控制单元。由于一般情况下，仿真单元输入输出的数字、模拟信号为标准信号类型。如，数字信号为5V TTL信号，模拟信号为-10V～10V电压信号；而实际控制单元接口有不同的信号类型；故调理子板对模拟量和数字量均会做调理，而通讯类的信号则不作调理。同时本例涉及信号中，多为高电压、大电流信号，或者连接到电机控制器的信号，具有一定危险性；因而如无特殊说明均使用隔离的信号调理子板，将仿真单元与实际硬件隔开，但鉴于部分模拟信号为转速等信号类型，此类信号因自身频率较高，故信号调理子板对其不进行隔离。具体的，作为本发明进一步的优选实施例，所述断线测试箱-Break Out Box，简称BOB；用于在不中断信号连接的情况下对信号进行测试或者断开连接，直接从输出端子处为实际控制器引入激励信号或者对输入输出信号进行静态测试，以确认信号是否正确。具体的，作为本发明进一步的优选实施例，通过BOB实现对于控制器在某些故障状态下的可靠性研究即通过BOB对每一个硬件通道即所述机车实际控制单元的各信号传输通道间都设置了一组受控开关，操作者可以在管理软件‐故障模拟控制器直接配置每一个开关的状态，对实际控制单元实现故障注入，模拟所述机车实际控制单元中所选定的一个或者多个总线存在信号传输故障的状态。具体的，作为本发明进一步的优选实施例，所述BOB与实时仿真单元之间的连接采用1对1的线缆，BOB与实际控制单元之间通过能够满足对不同型号的控制器测试的需求的线缆连接。

5.为所述机车实际控制单元提供进行当前仿真过程所需的仿真数学模型的上位机，该上位机能够根据当前的测试需求自预存储的离线仿真HIL模型库中调取若干对应的仿真数学模型，对各所述仿真数学模型进行模型初始化后向仿真单元输出相应的控制信号。具体的，作为本发明的优选实施例，所述上位机包括：HIL模型调取单元，该HIL模型调取单元能够根据当前的测试需求自预存储的离线仿真HIL模型库中调取若干对应的仿真数学模型；与所述HIL模型调取单元相连接的模型初始化单元，该模型初始化单元能够对各所述仿真数学模型进行初始化后向仿真单元输出相应的控制信号。具体的，作为本发明的优选实施例，所述仿真数学模型是上位机根据用户输入的指令，所建立与内燃机车和电力机车实际控制器相对应的数学模型，通过对所述数学模型进行编码并生成仿真单元可识别的目标代码，所述目标代码能够经上位机的通信转换卡、通信线缆、仿真单元的通信接口下载至仿真单元中。同时，上位机可以利用预装的调试软件根据内燃机车和电力机车实际控制器需要的工况和功能生成与之相对应的控制信号，并将该控制信号经上位机的通信转换头和通信线缆输入至内燃机车和电力机车的实际控制单元中。其中，如图3，所述上位机根据当前的测试需求自预存储的离线仿真HIL模型库中调取若干对应的仿真数学模型，对各所述仿真数学模型进行模型初始化过程包括首先根据测试需求，从HIL服务器上下载已经经过离线仿真的HIL模型，对HIL模型进行初始化后仿真单元输出相应的控制信号；所述初始化即对HIL模型进行模型改造，所述模型改造包括对模型拆分和模型端口修改；由于模型拆分属于半实物仿真手段中的必经步骤，所有的半实物仿真无论采用哪家厂商提供的硬件或者软件都必须经过模型拆分这一步骤，这是由于上位机的CPU、仿真单元中FPGA的计算速度和精度决定的，这里仅作简单介绍，鉴于HIL模型是一个整体模型，但是由于仿真步长的限制被分成了两个高低不同的仿真步长下的模型，模型①及模型②；其中，模型①对于仿真步长的要求不高，一般是ms级的仿真步长，因而其运行于低仿真步长要求下的上位机的CPU中的(ms级)，模型②对仿真步长的要求比较高，一般是us级的仿真步长，因而其运行于高仿真步长要求下的FPGA中的(us级)；其中两部分模型之间是通过CPCI端口进行连接和数据交换的；所述模型端口修改包括将模型①进行模型端口修改以及将模型②进行模型端口修改，所述将模型①进行模型端口修改，是将DA或者AD端口直接采用实时仿真单元提供的RTD接口来替换，从而将AD或者DA接口和实际板卡对应起来；将模型②进行模型修改，这里主要是修改模型的端口和模型定步长。模型②端口的修改和模型①的端口修改方法相似，都采用实时仿真单元提供的RTD接口来替换，但是由于模型①和模型②中间是会出现数据交互，则两者间的对应的接口需要进行匹配，即可直接采用软件已经提供的端口进行替换，从而保证数据通过这些端口和控制器进行交互；模型②的定步长修改主要是因为FPGA不能参与浮点型数据的运算，因此将其修改为定点型仿真步长。上述模型的修改完成后，将模型①通过下载工具如HAC下载工具下载到CPU中，将模型②通过相应下载工具下载到FPGA板卡中，从而将HIL模型在HIL环境中运行起来。以上模型创建过程的设计输入工作可由测试管理平台-服务器进行管理，设计得到最终的模型，也可交由服务器进行版本控制。若有需要则可实现HIL测试管理，即服务器通过实现对控制器需求文档、测试脚本、测试数据的统一管理和追溯。

进一步的，作为本发明的优选方案，

如图5，所述系统还包括反射内存单元，该反射内存单元能够为系统内的仿真单元与本系统之外的其他仿真单元创建用于实现同步仿真及仿真数据交互过程的反射内存网络，通过建立反射内存网络以完成多个仿真单元之间的仿真同步和数据交互过程，进而实现了一主多从的结构形式实现分布式仿真结构，使得多个仿真单元能够协同完成一个仿真任务。之所以设置分布式仿真结构是鉴于目前来说HIL模型多是由多个子系统组成，一个仿真单元是无法独立实现的，也无法通过单一的仿真单元来实现多实际硬件控制器的控制；若是为每一子系统配置其对应的反射内存单元，即可使得各仿真单元之间能够进行稳定的数据传输，且对应的数据是同步的，这在一定程度上节约了试验成本和保证了测试的准确性。同时可利用这些反射内存单元通过网线根据需求组成星型或者环形的反射内存网络，同时可通过在系统内设置多个仿真单元，且仿真单元与上位机构成局域网。具体的，作为本发明的优选实施例，所述系统还包括模型分割单元，所述模型分割单元，基于相应的IP地址，将HIL模型自动分割为若干子系统或者子模型，对各所述子系统分别进行编译后，分别下载至不同的仿真单元中，在进行模型自动分割时，还要同时配置各所述子系统之间的连接关系、通讯数据结构以及实现数据交互功能的通讯接口等；同时总线数据监测子单元还可以同时监控多个仿真单元的工作、运行状态，并对其进行实时调控。

上述系统构建后，即HIL环境运行起来后，相应的IO信号可以通过线束，配合信号调理模块、故障注入单元及BOB和实际控制单元连接起来进行试验验证；系统启动之后，启动调试界面，通过界面对参数及变量进行调整和监控，并利用软件来设计并调用测试用例来进行自动化测试。具体的，在HIL测试过程中，用户可提出实际控制单元的设计需求，并针对各个设计需求设计相应的测试用例，编写测试用的脚本文件，通过服务器提供的工具软件，执行测试脚本文件，驱动仿真单元自动实现仿真模型加载执行过程，并获取模型运行结果。通过人工或自动执行的方式，对仿真单元的运行结果进行评价，确认测试脚本的执行结果是否满足预期要求，即之前所提出的原始设计需求是否得到满足。

因此，在HIL测试模型执行过程中会也涉及到仿真单元驱动功能和测试数据管理功能的交互。仿真单元驱动功能，可控制仿真单元加载需要执行的用户模型，按照指定的测试脚本完成整个测试流程，并上传分析结果数据。上传的结果数据同时被服务器的测试数据管理功能模块归档管理，并出具测试执行结果报告。

现以电力机车的TCU的HIL仿真为例，如图7，其测试过程可分为以下几步：

模型下载：将TCU被控对象模型从上位机或者服务器中下载下来，这些被控对象的模型主要包括四象限整流模型、中间直流环节模型、电机模型、电机负载模型；

模型初始化中的分割处理：模型初始化单元将各个模型分成两个部分，总线仿真模型和数据交互口模型放在CPU中，在此将这类模型称之为模型①；被控对象模型都放置并运行在FPGA中，在此将这类模型称之为模型②；

模型初始化中的改造处理：这一步的主要目的是将FPGA中的模型②和CPU里的模型①转换成能和实际硬件接口对应的模型，其中，模型②通过代码下载软件进行模型改造，模型①则是通过RTD软件来进行改造；模型②的下载过程是通过模型编译下载工具一键自动化地将模型②下载到HIL板卡中；模型①的编译下载过程是将模型①进行配置，利用编译工具自动转换成可执行型文件并下载到CPU中执行；

监控仿真：启动监控界面，将需要监控的变量放入监控界面中关联，如对所述TCU所涉及的各总线进行通讯协议配置，并对配置后的各总线进行总线数据采集及监控；如仅根据当前的测试需求，对各前述总线进行信号传输故障模拟处理等调试运算工作。在此过程中，可以通过坐标控件关联所需监控的变量值，实时查看运行结果是否达到既定的要求，并在调试过程中进行实时的调控；

最后测试完成可以形成标准的，具有详细的数据记录测试报告。

且其他的实际控制器的半实物仿真过程与电力机车的TCU的HIL仿真测试过程相似，并可将实际控制器串联起来，实现电力机车和内燃机车的整车级半实物仿真，涉及的试验过程及实验结果可以满足现代交流传动系统动态和稳态性能的研究需求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种机车半实物仿真测试系统，其特征在于，包括：

机车实际控制单元；

对所述机车实际控制单元的各总线进行通讯协议配置，并对配置后的各总线进行总线数据采集及监控处理的总线测试单元，该总线测试单元同时能够根据当前的测试需求，对各前述总线进行信号传输故障模拟处理；

为所述机车实际控制单元提供仿真工作环境的仿真单元，该仿真单元能够根据上位机所输出的仿真模型以及转换单元所输出的反馈信号生成与所述机车实际控制单元所需仿真工作环境相匹配的环境模拟信号；

为所述机车实际控制单元与仿真单元之间建立信号传输通道的转换单元，该转换单元能够将所述仿真单元输出的环境模拟信号输入至对应的实际控制单元，同时将机车实际控制单元输出的反馈信号输入至仿真单元；

以及为所述机车实际控制单元提供进行当前仿真过程所需的仿真模型的上位机，该上位机能够根据当前的测试需求自预存储的离线仿真HIL模型库中调取若干对应的仿真模型，对各所述仿真模型进行模型初始化后向仿真单元输出相应的控制信号；

所述总线测试单元还包括能够根据当前的测试需求，对各前述总线进行信号传输故障模拟处理的总线故障注入子单元，该总线故障注入子单元包括：

若干被设置于所述机车实际控制单元的各信号传输通道间的受控开关；

以及能够根据当前的测试需求，对各所述受控开关的通路/断路状态进行交替控制，以模拟所述机车实际控制单元中所选定的一个或者多个总线存在信号传输故障的状态的故障模拟控制器；

总线故障注入是通过离线仿真HIL模型库中调取若干对应的仿真模型发出的不同的通断 指令 ，所述总线故障注入 可以 包括：CAN、WorldFip、MVB、RS422Z总线的故障注入 。

2.根据权利要求1所述的机车半实物仿真测试系统，其特征在于：

所述总线测试单元包括对所述机车实际控制单元的各总线进行通讯协议配置，并对配置后的各总线进行总线数据采集及监控处理的总线数据监测子单元；该总线数据监测子单元包括：能够基于所设定的协议模型，对所述机车实际控制单元的各总线进行通讯协议配置的总线配置模块；对配置后的各总线进行总线数据采集的总线数据采集模块以及能够对所采集的总线数据进行分类统计和或同步存储的总线数据监控模块。

3.根据权利要求1所述的机车半实物仿真测试系统，其特征在于：

所述上位机包括：

HIL模型调取单元，该HIL模型调取单元能够根据当前的测试需求自预存储的离线仿真HIL模型库中调取若干对应的仿真模型；

与所述HIL模型调取单元相连接的模型初始化单元，该模型初始化单元能够对各所述仿真模型进行初始化后向仿真器输出相应的控制信号。

4.根据权利要求1所述的机车半实物仿真测试系统，其特征在于：

所述系统还包括反射内存单元，该反射内存单元能够为系统内的仿真单元与本系统之外的其他仿真单元创建用于实现同步仿真及仿真数据交互过程的反射内存网络。

5.一种基于权利要求1所述的系统的机车半实物仿真测试方法，其特征在于：包括如下步骤

S1、根据当前的测试需求自预存储的离线仿真HIL模型库中调取若干对应的仿S1、根据当前的测试需求自预存储的离线仿真HIL模型库中调取若干对应的仿真模型；同时对机车实际控制单元的各总线进行通讯协议配置，并对配置后的各总线进行总线数据采集及监控处理；

S2、对各所述仿真模型进行模型初始化后向仿真单元输出相应的控制信号；所述的模型初始化是指分别对各所述仿真模型进行类型判断并依据所判断的模型类型进行分别处理即分别判断所述仿真模型是否属于第一类仿真模型，若该仿真模型属于第一类仿真模型则直接将模型对应的端口修改为与仿真器相对应的端口；若该仿真模型不属于第一类仿真模型，则确认该仿真模型属于第二类仿真模型，并对该仿真模型进行改造，所述改造包括对模型端口的改造以及定步长的修改；

S3、根据上位机所输出的仿真模型以及转换单元所输出的反馈信号生成与所述机车实际控制单元所需仿真工作环境相匹配的环境模拟信号，并以所述机车实际控制器为被控对象进行模拟仿真。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述步骤S1还包括根据当前的测试需求，对各前述总线进行信号传输故障模拟处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述信号传输故障模拟处理包括对各受控开关的通路/断路状态进行交替控制，以模拟所述机车实际控制单元中所选定的一个或者多个总线存在信号传输故障的状态；所述受控开关为若干被设置于所述机车实际控制单元的各信号传输通道间的开关元件。