CN107202702A - 一种轨道交通的模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于轨道交通领域，提供了轨道交通的模拟系统，包括：动车控制台，用于接收操作与控制指令并发送给控制单元；控制单元，用于对操作和控制指令进行解析，根据解析结果生成牵引力指令，并把牵引力指令发送给模拟单元；模拟单元，包括用于驱动列车模型工作的模拟电机，所述模拟单元用于根据所述牵引力指令生成驱动控制信号，用以驱动所述模拟电机工作。本发明实施例提供的模拟系统通过采用实际控制台+模拟系统相结合的方式，避免了传统软件仿真的局限性，解决了现有技术中牵引负载的动态非线性程度高、参数采集量大、影响因素多和控制模型复杂等问题，使得轨道交通整车测试平台的建设成本降低、容易实现。

Description

一种轨道交通的模拟系统

技术领域

本发明属于轨道交通领域，尤其涉及一种轨道交通的模拟系统。

背景技术

城市轨道交通具有运量大、效率高、污染少、节能、舒适、安全和准点的突出优点，是解决大城市交通拥堵、环保问题和提升城市形象的最好方式。但城市轨道交通由于使用的环境和条件特殊，特别是由于牵引负载的动态非线性程度高、参数采集量大、影响因素多和控制模型复杂等因素，使得轨道交通整车测试平台的建设成本高、实现难度大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种轨道交通的模拟系统，旨在解决现有轨道交通整车测试平台建设成本高、实现难度大的问题。

本发明是这样实现的，一种轨道交通的模拟系统，包括动车控制台、控制单元和模拟单元；

所述动车控制台，用于接收操作与控制指令，并将所述操作与控制指令发送给所述控制单元；

所述控制单元，用于对所述操作和控制指令进行解析，根据解析结果生成牵引力指令，并把所述牵引力指令发送给所述模拟单元；

所述模拟单元，包括用于驱动列车模型工作的模拟电机，所述模拟单元用于根据所述牵引力指令生成驱动控制信号，用以驱动所述模拟电机工作。

进一步地，所述模拟单元还用于获取所述模拟电机的工作参数，将所述工作参数发送给所述动车控制台进行显示；

所述动车控制台包括显示模块和操作模块；

所述显示模块，用于接收所述工作参数，并按照预置显示方式显示所述工作参数；还用于根据所述工作参数计算得到并显示列车的行驶状态信息、整车性能信息和动力车厢参数，所述工作参数包括所述模拟电机的输入电压、总定子电流、电机转速、电机转矩、定子磁链和转子磁链；

所述操作模块，用于接收所述操作与控制指令，并将所述操作与控制指令发送给所述控制单元。

进一步地，所述控制单元包括整车控制器；

所述整车控制器，用于实时接收所述动车控制台传输的操作与控制指令，根据所述操作与控制指令和预置的牵引力分配策略，生成牵引力指令并发送给所述模拟单元，所述牵引力指令用以控制所述模拟电机按照设定的方向、角度和响应时间进行工作。

进一步地，所述整车控制器为DA输出，并具备三个输出通道，每一所述输出通道对应一个模拟单元。

进一步地，所述模拟单元包括电机控制器、信号调理板和模拟电机；

所述电机控制器，用于根据所述牵引力指令生成三相电压脉冲宽度调制波，并将所述三相电压脉冲宽度调制波发送给所述信号调理板；

所述信号调理板，用于对所述三相电压脉冲宽度调制波依次进行电阻分压、低通滤波、电气隔离和幅值调节处理，将处理得到驱动控制信号发送给所述模拟电机，用于控制所述模拟电机按照设定的方向、角度和响应时间进行工作。

进一步地，所述电机控制器通过电气接口与所述信号调理板相连接，所述信号调理板通过接线盒与所述模拟电机相连接，每个电机控制器通过信号调理板控制四个模拟电机；

所述电机控制器，还用于获取四个模拟电机输出的扭力，根据四个模拟电机输出的扭力计算得到总的牵引力，并将所述总的牵引力发送给所述整车控制器；还用于根据所述总的牵引力计算得到列车的车速，并将所述列车的车速发送给所述整车控制器、所述模拟电机和所述动车控制台。

进一步地，所述电机控制器具体用于：

获取所述模拟电机的定子电流，对所述定子电流进行信号隔离处理，将处理后的定子电流作为反馈信号，并根据所述总的牵引力计算得到列车的车速，并将所述列车的车速发送给所述整车控制器、所述模拟电机和所述动车控制台。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实施例提供的动车控制台通过接收操作与控制指令并发送给控制单元，控制单元根据该操作与控制指令进行解析并生成牵引力指令，将牵引力指令发送给模拟单元，模拟单元根据该牵引力指令生成驱动控制信号以控制模拟电机工作。本发明实施例提供的模拟系统通过采用实际控制台+模拟系统相结合的方式，避免了传统软件仿真的局限性，解决了现有技术中牵引负载的动态非线性程度高、参数采集量大、影响因素多和控制模型复杂等问题，使得轨道交通整车测试平台的建设成本降低、容易实现。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种轨道交通的模拟系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种轨道交通的模拟系统的详细结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种轨道交通的模拟系统的实物原理图；

图4是本发明实施例提供的整车控制器的接口设计图；

图5是本发明实施例提供的模拟单元的结构示意图。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的一种轨道交通的模拟系统，包括动车控制台101、控制单元102和模拟单元103；

动车控制台101，用于接收操作与控制指令，并将所述操作与控制指令发送给控制单元102；

控制单元102，用于对所述操作和控制指令进行解析，根据解析结果生成牵引力指令，并把所述牵引力指令发送给模拟单元103；

模拟单元103，包括用于驱动列车模型工作的模拟电机，用于根据所述牵引力指令生成驱动控制信号，用以驱动所述模拟电机工作，还用于获取所述模拟电机的工作参数，将所述工作参数发送给动车控制台101进行显示。

进一步地，如图2所示，动车控制台101包括显示模块1011和操作模块1012；

显示模块1011，用于接收所述工作参数，并按照预置显示方式显示所述工作参数；还用于根据所述工作参数计算得到并显示列车的行驶状态信息、整车性能信息和动力车厢参数，所述工作参数包括所述模拟电机的输入电压、总定子电流、电机转速、电机转矩、定子磁链和转子磁链；

操作模块1012，用于接收所述操作与控制指令，并将所述操作与控制指令发送给控制单元102。

控制单元102包括整车控制器；

所述整车控制器，用于实时接收动车控制台101传输的操作与控制指令，根据所述操作与控制指令和预置的牵引力分配策略，生成牵引力指令并发送给模拟单元103，所述牵引力指令用以控制所述模拟电机按照设定的方向、角度和响应时间进行工作。具体地，整车控制器为DA输出，并具备三个输出通道，每一所述输出通道对应一个模拟单元103。具体地，牵引力分配策略为将牵引力进行平均分配，DA输出为数字量输出和模拟量输出。

模拟单元103包括电机控制器1031、信号调理板1032和模拟电机1033；

电机控制器1031，用于根据所述牵引力指令生成三相电压脉冲宽度调制波，并将所述三相电压脉冲宽度调制波发送给信号调理板1032；

信号调理板1032，用于对所述三相电压脉冲宽度调制波依次进行电阻分压、低通滤波、电气隔离和幅值调节处理，将处理得到驱动控制信号发送给模拟电机1033，用于控制模拟电机1033按照设定的方向、角度和响应时间进行工作。

具体地，电机控制器1031通过电气接口与信号调理板1032相连接，信号调理板1032通过接线盒与模拟电机1033相连接，每个电机控制器1031通过信号调理板1032控制四个模拟电机1033；电机控制器1031，还用于获取四个模拟电机输出的扭力，根据四个模拟电机1033输出的扭力计算得到总的牵引力，并将所述总的牵引力发送给所述整车控制器；还用于根据所述总的牵引力计算得到列车的车速，并将所述列车的车速发送给所述整车控制器、模拟电机1033和动车控制台101。

具体地，电机控制器1031具体用于：

获取所述模拟电机的定子电流，对所述定子电流进行信号隔离处理，将处理后的定子电流作为反馈信号，并根据所述总的牵引力计算得到列车的车速，并将所述列车的车速发送给所述整车控制器、所述模拟电机和所述动车控制台。具体地，在本实施例中，这个电流反馈是用来弥补由于电机控制半物理实时仿真系统运行导致的电流远远小于真实电机运行时的电流值。定子电流信号通过信号隔离处理后，输出反馈信号到电机控制器，供电机控制器内部的ADC采样模块采集后使用。

本发明实施例提供的模拟系统，将“半物理实时仿真”引入城市轨道交通实时仿真。该模拟系统采用“实际控制器+虚拟被控对象”相结合的理念，杜绝传统软件仿真的局限性和理想型，通过在LabWindows/CVIReal-Time系统中建立虚拟电机实时模型和列车整车动力学模型。用真实的电机控制器驱动模拟电机，模拟电机再驱动虚拟列车模型运动。由于模拟电机和虚拟列车的电器接口特性和实际车辆系统完全一致，动车控制台和列车的电机控制器可以直接接入仿真系统进行硬件在环仿真(Hardware-in-the-loop)。设备调试环境与真实环境一致，无需真实开动列车就可以测试列车的各项运行参数和各项工况。

下面结合图3至图5对本发明提供的实施例进行进一步地阐述：

图3中，以仿真视景屏幕作为显示模块1011，以列车仿真操纵台1012作为操作模块1012，以整车控制器作为控制单元102，模拟单元103中的信号调理板1032和模拟电机1033集成与动车半物理实时仿真柜中，电机控制器1031通过电气接口与动车半物理实时仿真柜相连接，其中：

仿真视景屏幕和列车仿真操纵台组成的动车控制台101真实仿真列车的驾驶室。动车控制台是最重要的列车控制组件，用于驱动车辆和获取运行状态信息的所有设备都集中于此。动车控制台需要考虑到所有的系统功能需求。驾驶员无需离开动车控制台，就可以方便可靠地得到所有的必要信息。而包括牵引力、ATP(Automatic Train Protection，列车自动保护系统)、车门、气候、照明、无线通讯、广播等系统都应通过动车控制台与司机接口。

整车控制器是本发明实施例提供的轨道交通半物理实时仿真与模拟系统的关键部分，是动车控制台101与模拟单元103的接口。整车控制台实时接收动车控制台传来的驾驶员的各种操作与控制指令，并按牵引力分配策略，发送牵引力指令给电机控制器。整车控制器是一个DA的输出，具有三个传输通道，即AO-0、AO-1和AO-2，输出到电机控制器中，其具体功能如图4所示。

在本发明实施例提供的列车运行逻辑方案设计中，整车控制器接收动车控制台传送的各类信号指令，由其运行控制逻辑判断当前车辆的状态，列车是应处于自动驾驶模式、手动模拟；并根据受电弓、主断、制动缓解状态等，判断列车当前是处于准备开车状态，还是错误状态中。在具体应用中，列车的正常有序运行和整车控制器的控制逻辑是密不可分的。

在具体应用中，整车控制器的牵引力控制包括：通过建立多质点模型，对CRH2型动车组的牵引力计算方法进行了分析。为动车组的结构特性和动力学特性的后期建模提供支撑。通过多质点模型根据车辆行驶的速度和加速度值计算出牵引力，为了能够反映出列车编组情况对列车长度的影响，该质点模型建立的时候同样考虑了列车的长度，并能反映列车通过坡度点和变曲率点是的受力变化情况，使得该控制更接近于实际。

本发明实施例中的模拟系统采用的是轨道交通车辆真实的电机控制器系统，完成列车在运行过程中动力车厢内电机的控制。电机控制器通过信号调理板与模拟电机相连接，完成整个控制过程，其组成如图5所示。

电机控制器的控制方式为一拖四，即一个控制器，控制四个模拟电机的运行。控制器通过输出的三相电压脉冲宽度调制波，信号调理板将三相电压脉冲宽度调制波依次进行电阻分压、低通滤波、电气隔离和幅值调节等处理后，将处理得到驱动控制信号发送给模拟电机，分别控制一个动车车厢内四个模拟电机的运行，再将四个模拟电机的定子电流、作为反馈信号，输入电机控制器。

在本发明实施例中，采用真实的电机控制器驱动整个模拟系统，真实与虚拟完美相结合，仿真结果接近列车驱动控制真实情况；同时电机控制器驱动模拟电机，能避免各种不完善而引起的电机控制器炸机毁坏、甚至烧毁电机的情况发生，不仅能验证各种电机控制算法、新型电机控制器，更能保障研究和测试的安全性和舒适性。

整车动力学系统是使列车能够运动起来的系统，它需要克服列车受到的阻力作用，使列车平稳的运动起来。在本实施例中，每个动车半物理实时仿真柜中有4个模拟电机，每个电机分别输出一个扭力，经过加和之后得到总的力F，假设动车的负载为F_L，由牛顿第二定律，则动车的牵引力：

F_牵＝F-F_L＝ma；

总的牵引力反馈到整车控制器，使得整车控制器能够继续分配牵引力给各个电机控制器。同时由上式可计算出列车的车速，再将列车的车速分别传送给动车控制台的显示模块、整车控制器和模拟电机。在本实施例中，整车动力学系统是提供根据运动学公式搭建的数学模型，在本实施例中称之为整车动力学模型，此模型的输入量是各个电机的转矩之和，以及列车本身承受的负载，通过此模型可以计算出列车的总牵引力以及列车的车速。得到的总牵引力反馈到整车控制器里面，这样起到一个闭环的作用。如果牵引力过大，则速度将会过大。此时可以调整电机控制器，使得电机的输出转矩减小，总的牵引力减小，速度将得到控制。

由于在本实施例中，列车是虚拟的被控对象，本实施例提供的整车动力学模型，能方便更改外部运行条件，真实模拟多种实际情况，特别是可以无危险地进行任何极限工况试验，对于车辆牵引动力的改进，和车辆行驶状进行修正有着重大意义(极限加、减速，极限坡度与弯道等)；与此同时由于整个系统能够较为真实的反映列车实时运行情况，也能得到列车任意时刻的运行状态，因此能在轨道设计前期，进行场景模拟、驾驶模拟、牵引动力经济性模拟，能缩短线路的开发周期，同时也能对轨道交通线路牵引动力的经济性做出相关评估，能够为轨道交通公司后期运营真实列车提供相关参考数据甚至优化参考，从而达到节能，提高列车乘坐舒适度等目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种轨道交通的模拟系统，其特征在于，所述模拟系统包括动车控制台、控制单元和模拟单元；

所述动车控制台，用于接收操作与控制指令，并将所述操作与控制指令发送给所述控制单元；

所述控制单元，用于对所述操作和控制指令进行解析，根据解析结果生成牵引力指令，并把所述牵引力指令发送给所述模拟单元；

所述模拟单元，包括用于驱动列车模型工作的模拟电机，所述模拟单元用于根据所述牵引力指令生成驱动控制信号，用以驱动所述模拟电机工作。

2.如权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述模拟单元还用于获取所述模拟电机的工作参数，将所述工作参数发送给所述动车控制台进行显示；

所述动车控制台包括显示模块和操作模块；

所述显示模块，用于接收所述工作参数，并按照预置显示方式显示所述工作参数；还用于根据所述工作参数计算得到并显示列车的行驶状态信息、整车性能信息和动力车厢参数，所述工作参数包括所述模拟电机的输入电压、总定子电流、电机转速、电机转矩、定子磁链和转子磁链；

所述操作模块，用于接收所述操作与控制指令，并将所述操作与控制指令发送给所述控制单元。

3.如权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述控制单元包括整车控制器；

所述整车控制器，用于实时接收所述动车控制台传输的操作与控制指令，根据所述操作与控制指令和预置的牵引力分配策略，生成牵引力指令并发送给所述模拟单元，所述牵引力指令用以控制所述模拟电机按照设定的方向、角度和响应时间进行工作。

4.如权利要求3所述的模拟系统，其特征在于，所述整车控制器为DA输出，并具备三个输出通道，每一所述输出通道对应一个模拟单元。

5.如权利要求3所述的模拟系统，其特征在于，所述模拟单元包括电机控制器、信号调理板和模拟电机；

所述电机控制器，用于根据所述牵引力指令生成三相电压脉冲宽度调制波，并将所述三相电压脉冲宽度调制波发送给所述信号调理板；

所述信号调理板，用于对所述三相电压脉冲宽度调制波依次进行电阻分压、低通滤波、电气隔离和幅值调节处理，将处理得到驱动控制信号发送给所述模拟电机，用于控制所述模拟电机按照设定的方向、角度和响应时间进行工作。

6.如权利要求5所述的模拟系统，其特征在于，所述电机控制器通过电气接口与所述信号调理板相连接，所述信号调理板通过接线盒与所述模拟电机相连接，每个电机控制器通过信号调理板控制四个模拟电机；

所述电机控制器，还用于获取四个模拟电机输出的扭力，根据四个模拟电机输出的扭力计算得到总的牵引力，并将所述总的牵引力发送给所述整车控制器；还用于根据所述总的牵引力计算得到列车的车速，并将所述列车的车速发送给所述整车控制器、所述模拟电机和所述动车控制台。

7.如权利要求6所述的模拟系统，其特征在于，所述电机控制器具体用于：

获取所述模拟电机的定子电流，对所述定子电流进行信号隔离处理，将处理后的定子电流作为反馈信号，并根据所述总的牵引力计算得到列车的车速，并将所述列车的车速发送给所述整车控制器、所述模拟电机和所述动车控制台。