CN107479402A - 电制动模拟系统、制动仿真平台及电制动模拟方法 - Google Patents

电制动模拟系统、制动仿真平台及电制动模拟方法 Download PDF

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王继刚
王玉波
石喆文
李润华
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张乾乾
葛永
赵庆刚
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Abstract

电制动模拟系统，用于模拟列车制动系统所需电制动力，包括电制动力模拟单元，具体包括牵引参数配置模块、速度比较单元、电制动力生成单元、电制动力保持单元和电制动力衰减单元。根据牵引参数配置模块输入的牵引参数及模拟司控台指令信号，模拟生成实际所需电制动力。半实物制动仿真平台，包括制动控制单元和电制动模拟系统。通过电制动模拟的方法，提供了在地面工厂环境下，进行有电制动介入的与实际运行工况基本一致实验的软件支持，可以用于列车制动仿真系统，以检测制动控制单元的性能。

Description

电制动模拟系统、制动仿真平台及电制动模拟方法
技术领域
本发明属于计算机、系统仿真技术领域，设计一种周期性列车制动仿真系统中电制动模拟系统及方法。
背景技术
城市轨道交通车辆制动系统为例，他是城轨车辆的关键部件之一，制动系统的性能好坏，关系到车辆综合技术水平和运行质量。制动系统与列车的安全运行直接相关，所以其可靠性要求尤为重要。车辆制动系统是城市轨道交通设备国产化的重点和难点之一。实践证明，试验方法和手段在制动系统的研究、开发和技术进步中都发挥了极大的作用，没有先进的技术装备，自主创新很难以顺利实现。在作为制动系统相关设备的制动试验台方面，各个先进的地铁车辆制动系统生产公司(德国Konrr公司、法维莱公司等)都配备了相应的地铁制动系统半实物仿真平台，以提高其地铁车辆制动系统的研究水平和检测水平。
现状及问题：目前正在进行城市轨道车辆制动系统国产化研究开发，制动系统的研发必然需要相关的实验设备。国内现仅有功能单一的地铁制动试验台，无法对城轨车辆制动系统进行1:1的模拟试验，也无法在装车前地面环境下进行与实际运行工况基本一致的实验，并且即使高价从国外进口的类似地铁制动试验装置也只能用于检修，不具研究、开发功能。
城轨车辆在实际运行中，制动力的施加会以：1.仅施加电制动力(由牵引控制系统施加)，2.仅施加空气制动力(由空气制动系统施加)，3.电制动力和空气制动力联合施加，这三种形式出现。因此，电制动力的介入是城轨车辆实际运行中一种非常重要的工况。然而，在地面工厂条件下，搭建具有空气制动系统和牵引控制系统的实物实验台是非常耗时费力、颇耗资源的艰巨工作。且存在两个非常难以克服的困难：1.项目开展中，往往两个系统都处于紧张、繁重的研发中，都有各自需要攻克的问题，很难保证同步和有效的联调；2.很难模拟城轨车辆实际运行状态。为此，研究一种采用软件仿真的方式模拟城轨车辆实际运行时电制动力施加的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供电制动力模拟系统，基于该系统，提供一种具有电制动模拟功能的列车半实物制动仿真平台，以用于列车制动控制单元的性能检测，同时，还提供一种电制动力模拟方法。
为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：
电制动模拟系统，用于模拟列车制动系统所需电制动力，包括用于模拟司控台指令的司控台指令模拟单元，以及，用于根据司控台指令模拟建立电制动力的电制动力模拟单元；所述电制动力模拟单元包括：
牵引参数配置模块：用以输入电制动参数，所述电制动参数包括电制动力最大值，以及，电制动力模拟加速度上升/下降斜率；
速度比较单元：用以比较列车运行速度与电制动所需速度；
电制动力建立单元：用以根据列车载荷质量、电制动力模拟加速度上升斜率，按时间模拟建立电制动力直至实际所需电制动力值；
电制动力保持单元：用以根据电制动力建立单元建立的实际所电制动力值持续稳定输出电制动力；
电制动力衰减单元：用以根据列车载荷质量、电制动力模拟加速度下降斜率，按时间将电制动力衰减至实际所需电制动力值或0。
作为优选：制动力模拟单元进一步包括：
所需电制动力计算模块：用于根据列车载荷及司控台指令计算制动所需电制动力；
实际所需电制动力计算模块：用以比较电制动力最大值及所需电制动力值，获得实际所需电制动力。
作为优选：所述电制动参数进一步包括电制动力建立延时时间和电制动力衰减延时时间；所述电制动模拟系统进一步包括延时单元：包括用于在接收到司控台制动指令后，根据电制动力建立延时时间延时调用电制动力建立单元的电制动力建立延时单元；以及，用于在满足电制动力衰减条件下，根据电制动力衰减延时时间延时调用电制动力衰减单元的电制动电制动力衰减延时单元。
半实物制动仿真平台，包括实物系统及仿真平台系统，所述实物系统包括列车制动控制单元，所述仿真平台系统包括上述的电制动模拟系统，仿真工作过程中，电制动模拟系统模拟建立制动控制信号以控制制动控制单元工作，对制动控制系统进行测试验证。
电制动力模拟方法，采用上述半实物制动仿真平台：一个制动仿真任务周期分为多个任务子周期，每个任务子周期均对应一个周期子任务，所述周期子任务包括制动电制动模拟任务；在电制动模拟任务对应的任务子周期内检测到司控台模拟指令信号后，开始电制动模拟过程。
作为优选：所述电制动模拟过程具体包括：
电制动力建立：输入电制动力最大值FMAX、电制动力模拟加速度上升斜率kupslope，单个任务周期内，电制动力增量为ΔF＝m*kupslope*Δt，其中Δt为电制动模拟任务对应的任务子周期时长，n个任务周期后，电制动力达到实际所需电制动力；
电制动力维持：按实际所需电制动力值持续输出电制动力；
电制动力衰减：输入电制动力模拟加速度下降斜率kdownslope，单个任务周期内，电制动力衰减量为ΔF＝m*kdownslope*Δt，其中Δt为电制动模拟任务对应的任务子周期时长，n个任务周期后，电制动力衰减达到实际所需电制动力值或0。
作为优选：进一步包括以下步骤：
计算制动所需电制动力Fneed＝m*a，其中Fneed为制动所需电制动力，m为列车载荷质量，a为司控台指令对应的加速度值；
比较输入电制动力最大值FMAX与实际所需电制动力值Fneed，以二者当中的较小值作为实际所需电制动力值FactualNeed。
作为优选，进一步包括以下步骤，在电制动力值小于实际所需电制动力值，或，车速小于电制动力施加速度下限值时，电制动力衰减。
作为优选：进一步包括以下步骤，输入电制动力建立延时时间和电制动力衰减延时时间，在接收到司控台制动指令后，根据电制动力建立延时时间延时进行电制动力建立；以及，用于在满足电制动力衰减条件下，根据电制动力衰减延时时间延时进行电制动力衰减。
本发明的有益效果为：
电制动模拟方法提供了在地面工厂环境下，进行有电制动介入的与实际运行工况基本一致实验的软件支持，可以用于列车制动仿真系统，以检测制动控制单元的性能。
电制动模拟过程中，实验人员可通过人机界面输入不同的参数值,来改变状态机的配置,以适配不同的城轨车辆模拟仿真的要求，通用性强。
附图说明
图1为电制动力模拟系统结构示意图；
图2为列车半实物制动仿真平台结构示意图；
图3为制动仿真平台结构示意图；
图4为制动仿真平台应用层模块结构示意图；
图5为制动仿真平台功能层模块结构示意图；
图6为制动仿真平台I/O层模块结构示意图；
图7为电制动力模拟流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明首先提供了一种用于模拟列车制动系统所需电制动力的电制动力模拟系统。
电制动模拟系统，包括用于模拟司控台指令的司控台指令模拟单元，以及，用于根据司控台指令模拟建立电制动力的电制动力模拟单元。
电制动力模拟单元包括：
牵引参数配置模块：用以输入电制动参数，所述电制动参数包括电制动力最大值FMAX，以及，电制动力模拟加速度上升/下降斜率；其中电制动力最大值用于表示想要模拟输出的电制动力的大小，电制动力模拟上升/下降斜率用于表示电制动力模拟建立或衰减的变化速率。
速度比较单元：用以比较列车运行速度与电制动所需速度；列车运行速度与电制动所需速度的比较结果将作为电制动力模拟动作的生产、衰减的触发条件。
电制动力建立单元：用以根据列车载荷质量m、电制动力模拟加速度上升斜率kupslope(m/s3)，按时间t模拟建立电制动力直至实际所需电制动力值。具体的说，列车司控台下发制动指令后，牵引电机轴输出力矩施加在列车车轮上，产生电制动力，根据力与加速度的关系，电制动力按以下方法建立：F＝m*kupslope*t，其中，时间t的长短取决于实际所需电制动力值的大小，对于周期性轮巡任务，t对应为任务周期时间的长短，此处，以牵引参数配置模块获得的电制动力最大值FMAX作为实际所需电制动力的大小。
电制动力保持单元：用以根据电制动力建立单元建立的实际所电制动力值持续稳定输出电制动力；其作用是在列车牵引电机能量充足的前提下，保持持续稳定的电制动力输出；
电制动力衰减单元：用以根据列车载荷质量、电制动力模拟加速度下降斜率，按时间将电制动力衰减至实际所需电制动力值或0。电制动力衰减单元的作用可以分为两种，一种为：在改变司控台手柄位置，更换档位时，对应的所需电制动力会减小；第二种为，在正常制动过程中，随着制动力的施加，列车车速降低，牵引电机能量逐渐降低，此时，电制动力将逐渐衰减至0。电制动力衰减的原理与上文电制动建立的原理相似，不再赘述。
电制动力最大值FMAX是由牵引电机特性决定的，结合实际列车，这一值为相对已知固定值。而列车所需电制动力是跟司控室下达的指令以及列车的实际载荷有关的，电制动力最大值FMAX不一定满足这个标准。基于以上原因，制动力模拟单元进一步设计以下模块，包括：
所需电制动力计算模块：用于根据列车载荷及司控台指令计算制动所需电制动力Fneed；此处的司控台指令是指制动等级指令，不同的制动等级对应的制动加速度a不同，根据力与加速度原理，Fneed＝m*a。
实际所需电制动力计算模块：用以比较电制动力最大值FMAX及所需电制动力值Fneed，获得实际所需电制动力FactualNeed。实际所需电制动力值是电制动力最大值FMAX和实际所需电制动力值Fneed两者之中较小的一个，原因为，针对具体的列车电制动力最大值FMAX是一个相对固定值，不一定满足列车实际工况和司空指令的要求，若电制动力最大值FMAX相比制动所需电制动力值Fneed小，我们可以认为，实际就需要模拟输出一个较小的制动力值，而若电制动力最大值FMAX相比制动所需电制动力值Fneed大，则FMAX是一个根据列车实际工况和司空指令的要求所不能达到的值，此时，将以制动所需电制动力值Fneed作为实际所需电制动力计算模块。后续，电制动力建立单元将以此为标准建立电制动力。
电机系统是一个惯性系统，其工作过程受线路传输延迟将影响电机反应和信号的实时性，更进一步的，电制动参数进一步包括电制动力建立延时时间和电制动力衰减延时时间；通过牵引参数配置模块可以输入上述参数；所述电制动模拟系统进一步包括延时单元：包括用于在接收到司控台制动指令后，根据电制动力建立延时时间延时调用电制动力建立单元的电制动力建立延时单元；以及，用于在满足电制动力衰减条件下，根据电制动力衰减延时时间延时调用电制动力衰减单元的电制动电制动力衰减延时单元。
基于以上的电制动模拟系统，本发明进一步提供一种，列车半实物制动仿真平台，结构参考图2，包括实物系统及仿真平台系统，所述实物系统包括列车制动控制单元，所述仿真平台系统包括上述的电制动模拟系统，仿真工作过程中，电制动模拟系统模拟建立制动控制信号以控制制动控制单元工作，对制动控制系统进行测试验证。
参考图3，制动半实物仿真平台包括应用层模块、功能层模块及I/O层模块；所述I/O层模块连接机车制动控制单元，用以获取仿真控制指令下机车制动控制单元反馈的数据；所述任务指令包括应用层任务、功能层任务及I/O层任务。
具体的说：根据软件总体结构，并对各层模块及其下分逻辑功能进行充分、细致分析了它们的各项指标，如功能复杂程度、功能间关联紧密程度、以及考虑到设计中的低耦合、高聚合原则，我们确定了如下任务：
参考图4，应用层模块任务主要包括系统设置、状态显示、系统自检及校准等功能单元；
参考图5，功能层模块任务主要包括制动任务(包括紧急制动、常用制动(包括电制动)、保持制动等)、牵引控制任务、司控室任务(包括自动驾驶、司控台指令、门控系统指令等)、平台设置任务(包括轮径设置、制动时间校准等)、平台自检任务(包括制动系统自检)。
参考图6，I/O层模块任务主要包括与各种形式列车总线的通信单元及数据存储单元。
电制动力模拟方法，采用上述半实物制动仿真平台，制动仿真平台处理要进行电制动力模拟外，还要进行上述提到的各种应用层任务、功能层任务、I/O层任务等。因此，一个制动仿真任务周期分为多个任务子周期，每个任务子周期均对应一个周期子任务，每个任务子周期内分别执行不同的周期子任务。
列车实际运行工况中，电制动力的产生及衰减是具有前置条件和后置条件的，其流程具体参考图7。
(1)前置条件：
司控台手柄位置处在制动位；
车速大于电制动力施加所需的速度下限值；
无电制动滑行，至此需要模拟建立电制动力。
(2)后置条件：
司控台手柄位置处在制动位；
无电制动滑行；
电制动力＝0，至此电制动力结束。
而多种周期子任务是包括制动电制动模拟任务；在电制动模拟任务对应的任务子周期内检测到司控台模拟指令信号后，开始电制动模拟过程。
参考以上电制动力产生及衰减的具体条件，电制动模拟过程具体包括：
司控台手柄位置处在制动位；车速大于电制动力施加所需的速度下限值；无电制动滑行时，模拟建立电制动力。
电制动力建立过程：根据需要通过牵引参数配置模块输入电制动力最大值FMAX、电制动力模拟加速度上升斜率kupslope，单个任务周期内，电制动力增量为ΔF＝m*kupslope*Δt，其中Δt为电制动模拟任务对应的任务子周期时长，这个时长是一个根据任务周期的分配而设定的，非固定值，n个任务周期后，电制动力达到实际所需电制动力；n的大小取决于所要建立达到的电制动力的大小。
电制动力维持：当模拟建立的电制动力达到本次实际所需的电制动力后，按实际所需电制动力值持续输出电制动力；
在电制动力值小于实际所需电制动力值，或，车速小于电制动力施加速度下限值时，电制动力衰减。仿真及实际工作过程中，造成电制动力小于实际所需电制动力的主要原因是司控台指令的切换，例如，由高级制动档位切换到低级制动档位，这一过程将造成a的变化，从而造成所需电制动力减小。
电制动力衰减的过程：输入电制动力模拟加速度下降斜率kdownslope，单个任务周期内，电制动力衰减量为ΔF＝m*kdownslope*Δt，其中Δt为电制动模拟任务对应的任务子周期时长，n个任务周期后，电制动力衰减达到实际所需电制动力值或0。
进一步通过以下步骤定义实际所需电制动力值：
计算制动所需电制动力Fneed＝m*a，其中Fneed为制动所需电制动力，m为列车载荷质量，a为司控台指令对应的加速度值；
比较电制动力最大值FMAX与实际所需电制动力值Fneed，以二者当中的较小值作为实际所需电制动力值FactualNeed。其原理在上文中已说明，此处不再赘述。
进一步包括以下步骤，输入电制动力建立延时时间和电制动力衰减延时时间，在接收到司控台制动指令后，根据电制动力建立延时时间延时进行电制动力建立；以及，用于在满足电制动力衰减条件下，根据电制动力衰减延时时间延时进行电制动力衰减。
电制动模拟过程中，实验人员可通过人机界面输入不同的参数值,来改变状态机的配置,以适配不同的城轨车辆模拟仿真的要求。

Claims (9)

1.电制动模拟系统，用于模拟列车制动系统所需电制动力，其特征在于：包括用于模拟司控台指令的司控台指令模拟单元，用于根据司控台指令模拟建立电制动力的电制动力模拟单元，以及，用于检测列车运行速度的速度检测单元；所述电制动力模拟单元包括：
牵引参数配置模块：用以输入电制动参数，所述电制动参数包括电制动力最大值，以及，电制动力模拟加速度上升/下降斜率；
速度比较单元：用以比较列车运行速度与电制动所需速度；
电制动力建立单元：用以根据列车载荷质量、电制动力模拟加速度上升斜率，按时间模拟建立电制动力直至实际所需电制动力值；
电制动力保持单元：用以根据电制动力建立单元建立的实际所电制动力值持续稳定输出电制动力；
电制动力衰减单元：用以根据列车载荷质量、电制动力模拟加速度下降斜率，按时间将电制动力衰减至实际所需电制动力值或0。
2.如权利要求1所述的电制动模拟系统，其特征在于：电制动力模拟单元进一步包括：
所需电制动力计算模块：用于根据列车载荷及司控台指令计算制动所需电制动力；
实际所需电制动力计算模块：用以比较电制动力最大值及所需电制动力值，获得实际所需电制动力。
3.如权利要求1所述的电制动模拟系统，其特征在于：所述电制动参数进一步包括电制动力建立延时时间和电制动力衰减延时时间；所述电制动模拟系统进一步包括延时单元：包括用于在接收到司控台制动指令后，根据电制动力建立延时时间延时调用电制动力建立单元的电制动力建立延时单元；以及，用于在满足电制动力衰减条件下，根据电制动力衰减延时时间延时调用电制动力衰减单元的电制动电制动力衰减延时单元。
4.半实物制动仿真平台，其特征在于，包括实物系统及仿真平台系统，所述实物系统包括列车制动控制单元，所述仿真平台系统包括权利要求1或2或3所述的电制动模拟系统，所述电制动模拟系统模拟建立生成制动控制信号以控制制动控制单元工作。
5.电制动力模拟方法，采用权利要求4所述的半实物制动仿真平台，其特征在于：一个制动仿真任务周期分为多个任务子周期，每个任务子周期均对应一个周期子任务，所述周期子任务包括制动电制动模拟任务；在电制动模拟任务对应的任务子周期内检测到司控台模拟指令信号后，开始电制动模拟过程。
6.如权利要求5所述的电制动力模拟方法，其特征在于：所述电制动模拟过程具体包括：
电制动力建立：输入电制动力最大值FMAX、电制动力模拟加速度上升斜率kupslope，单个任务周期内，电制动力增量为ΔF＝m*kupslope*Δt，其中Δt为电制动模拟任务对应的任务子周期时长，n个任务周期后，电制动力达到实际所需电制动力；
电制动力维持：按实际所需电制动力值持续输出电制动力；
电制动力衰减：输入电制动力模拟加速度下降斜率kdownslope，单个任务周期内，电制动力衰减量为ΔF＝m*kdownslope*Δt，其中Δt为电制动模拟任务对应的任务子周期时长，n个任务周期后，电制动力衰减达到实际所需电制动力值或0。
7.如权利要求6所述的电制动力模拟方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
计算制动所需电制动力Fneed＝m*a，其中Fneed为制动所需电制动力，m为列车载荷质量，a为司控台指令对应的加速度值；
比较电制动力最大值FMAX与实际所需电制动力值Fneed，以二者当中的较小值作为实际所需电制动力值FactualNeed。
8.如权利要求6所述的电制动力模拟方法，其特征在于，进一步包括以下步骤，在电制动力值小于实际所需电制动力值，或，车速小于电制动力施加速度下限值时，电制动力衰减。
9.如权利要求6所述的电制动力模拟方法，其特征在于，进一步包括以下步骤，输入电制动力建立延时时间和电制动力衰减延时时间，在接收到司控台制动指令后，根据电制动力建立延时时间延时进行电制动力建立；以及，用于在满足电制动力衰减条件下，根据电制动力衰减延时时间延时进行电制动力衰减。
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