CN113378296B - 列车电空复合制动系统的建模方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了列车电空复合制动系统的建模方法、系统及存储介质，通过分别构建高速列车的再生制动模型和空气制动单元模型，并确定所述高速列车的制动控制逻辑和工作原理；基于所述制动控制逻辑和工作原理，联合所述再生制动模型和空气制动单元模型构建所述高速列车的整车制动模型；基于所述整车制动模型对所述整车制动过程进行仿真。相比现有技术，通过本发明的建模方法构建出的正常制动模型能更加全面的仿真的高速列车的制动系统的实际运行状态。

Description

列车电空复合制动系统的建模方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及高速列车制动系统数值仿真技术领域，尤其涉及列车电空复合制动系统的建模方法、系统及存储介质。

背景技术

高速列车是我国交通运输领域高端装备的代表，安全高效的运行是高速列车发展的首要任务。制动系统是确保高速列车安全高效运行的关键系统之一。为了实时检测制动系统的安全可靠运行，往往采用各种诊断算法对制动系统进行实时检测，采用各种控制算法提升因故障导致的性能下降，但所采用的故障诊断算法以及控制算法在投入使用前，都必须通过实验验证其算法的准确性。

目前针对高速列车制动系统的仿真中，大多单独建立制动系统的电制动模型或空气制动模型，上述单个电制动模型或空气制动模型仅仅只能电空复合制动系统在单独使用该制动子系统时的运行状况，并不能反映电空复合制动系统的整体运行状况，因此，如何构建电空复合制动系统的仿真模型以了解电空复合制动系统的整体运行状态已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了列车电空复合制动系统的建模方法、系统及存储介质，用于解决现有技术中单个电制动模型或空气制动模型不能反映电空复合制动系统的运行状况的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种列车电空复合制动系统的建模方法，包括以下步骤：

分别构建高速列车的再生制动模型和空气制动单元模型，并确定高速列车的制动控制逻辑和工作原理；

基于制动控制逻辑和工作原理，联合再生制动模型和空气制动单元模型构建高速列车的整车制动模型。

优选的，再生制动模型运用磁场定向控制方法和空间矢量调制原理，通过控制电机的电磁转矩，实现高速列车再生制动过程，再生制动模型的电磁转矩控制公式为：

其中，T_e为电机的电磁转矩，B为阻尼系数，一般为0，J表示转动惯量，w_m表示机械角速度，T_L表示负载转矩。

优选的，空气制动单元模型通过以下步骤构建：

从真实的直通式空气制动单元中的各个部件中选取关键阀门部件，并确定真实的直通式空气制动单元中各个关键阀门部件的连接关系，在气压/液压系统建模仿真软件中根据阀门部件的原理搭建空气制动单元的关键阀门部件，并按照连接关系在气压/液压系统建模仿真软件将搭建的关键阀门部件连接起来，以形成直通式空气制动单元模型，其中，关键阀门部件包括但不限于EP阀、空重阀、中继阀。

优选的，再生制动模型通过MATLAB/Simulink软件构建，空气制动单元模型通过气压/液压系统建模仿真软件AMESim构建。

优选的，联合再生制动模型和空气制动单元模型构建高速列车的整车制动模型，包括以下步骤：

以MATLAB/Simulink为主控软件，配置联合仿真环境，创建联合仿真接口，在AMESim软件中创建一个单输入单输出的仿真接口，仿真接口的输入为EP阀的预控压力端，仿真接口的输出为制动缸的输出压力，在AMESim中运行仿真，选择在MATLAB/Simulink生成s函数，在MATLAB/Simulink软件中调用在AMESim软件中搭建的直通式空气制动单元模型的s函数，s函数的输入端连接控制逻辑计算出的所需空气制动力的电信号，s函数的输出的制动缸压力列车轮对，将s函数的仿真步长调整为与在MATLAB/Simulink软件中搭建的再生制动模型的仿真步长一致，以形成整车制动模型。

优选的，整车制动模型包括：模拟司控器、控制逻辑模块、再生制动模型、空气制动模型以及列车行驶速度计算模块，模拟司控器与控制逻辑模块连接，控制逻辑模块分别与再生制动模型、空气制动模型连接，再生制动模型、空气制动模型与列车行驶速度计算模块连接；整车制动模型的仿真过程包括以下步骤：

模拟司控器发送目标控制等级给控制逻辑模块，目标控制等级用于控制制动减速度_a；

控制逻辑模块接收并根据目标控制等级确定目标制动减速度_a，并根据目标制动减速度_a以及当前列车的状态数据计算列车所需的总制动力，并根据总制动力以及制动控制逻辑确定所需的再生制动力和空气制动力，将再生制动力发送给再生制动模型，将空气制动力分配给空气制动模型；

再生制动模型接收并根据再生制动力计算出所需的机械角速度，并将机械角速度发送给动力学模型；空气制动模型接收并根据空气制动力电信号计算出实际的制动缸压力，并将制动缸压力发送给动力学模型；

列车行驶速度计算模块接收并根据机械角速度以及制动缸压力计算列车的仿真速度，以实现整车制动模型的仿真。

优选的，状态数据包括列车各个车厢的实时载重以及列车的实时速度，根据目标制动减速度a以及当前列车的状态数据计算列车所需的总制动力通过以下公式获取得到：

R(N)＝G·(1+γ)·w₀

w₀＝0.7653+0.0102v+0.000102v²；

其中，F_Z为总制动力，a为所述目标制动减速度，W_i为列车的第i节车厢的实时载重，n为列车的车厢数量，R(N)为列车的基本运行阻力，G为列车的重量单位，w₀为列车的基本阻力，γ为回转系数，v为列车的实时速度。

优选的，总制动力与再生制动力和空气制动力存在以下关系：

F_Z＝F_a+F_r；

其中，F_a为空气制动力，F_Z为总制动力，F_r为再生制动力；

制动控制逻辑为：再生制动力优先空气制动力。

一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现上述方法中的步骤。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中的列车电空复合制动系统的建模方法、系统及存储介质，通过分别构建高速列车的再生制动模型和空气制动单元模型，并确定高速列车的制动控制逻辑和工作原理；基于制动控制逻辑和工作原理，联合再生制动模型和空气制动单元模型构建高速列车的整车制动模型；相比现有技术，通过本发明的建模方法构建出的整车制动模型能更加全面的仿真的高速列车的制动系统的实际运行状态。

2、在优选方案中，本发明将车轮直径、齿轮传动比等列车的实际参数考虑进再生制动的建模过程中，紧密贴近列车再生制动时的实际情况，相比现有的再生制动仿真建模，更加准确的仿真高速列车再生制动系统的运行状态。

3、在优选方案中，本发明将联合仿真的思想运用到高速列车制动系统的建模过程中，充分的发挥了两个软件的长处，有效的提高了仿真的准确性和快速性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例制动系统建模的总体框架图；

图2是本发明优选实施例的列车电空复合制动系统的建模方法的流程示意图；

图3是本发明优选实施例的制动系统控制逻辑图；

图4是本发明优选实施例的由牵引工况切换为再生制动工况的定子三相电流图；

图5是本发明优选实施例的直通式空气制动单元的特性曲线图；

图6是本发明优选实施例的1-8级常用制动的速度制动力仿真曲线图；其中：(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)分别对应1-8级常用制动的速度制动力仿真曲线图；

图7是本发明中的列车电空复合制动系统的建模方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一：

如图7所示，本实施例中公开了一种列车电空复合制动系统的建模方法，包括以下步骤：

分别构建高速列车的再生制动模型和空气制动单元模型，并确定高速列车的制动控制逻辑和工作原理；

基于制动控制逻辑和工作原理，联合再生制动模型和空气制动单元模型构建高速列车的整车制动模型。

此外，在本实施例中，还公开了一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

此外，在本实施例中，还公开了一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

本发明中的列车电空复合制动系统的建模方法、系统及存储介质，通过分别构建高速列车的再生制动模型和空气制动单元模型，并确定高速列车的制动控制逻辑和工作原理；基于制动控制逻辑和工作原理，联合再生制动模型和空气制动单元模型构建高速列车的整车制动模型；相比现有技术，通过本发明的建模方法构建出的正常制动模型能更加全面的仿真的高速列车的制动系统的实际运行状态。

实施例二：

实施例二是实施例一的优选实施例，其与实施例一的不同之处在于，对列车电空复合制动系统的建模方法的具体步骤进行了细化：

本实施例以包含8节车厢的CRH3型列车的常用制动为例进行说明，在AMESim软件中搭建空气制动模型，在Simulink软件中搭建再生制动模型并调用空气制动模型的s函数，形成整车制动模型。

参见图2，本实施例公开了一种列车电空复合制动系统的建模方法，包括以下步骤：

S1、明确制动控制单元的工作原理和控制逻辑，利用车辆信息，实时的计算出列车在运行过程中所需的总制动力、电制动力和空气制动力。

根据列车运行的实时速度v，运用经验公式，计算出列车的单位基本阻力，如下式所示：

w₀＝0.7653+0.0102v+0.000102v²                    (1)

根据单位基本阻力w₀、列车的重量G和回转系数γ，计算出列车的基本运行阻力R(N)，如下式所示：

R(N)＝G·(1+γ)·w₀                          (2)

根据车辆八节车厢的载重信息W_i(i＝1,2,3......,8)、列车的实时速度v和预设的制动减速度a计算列车的总制动力F_Z，如下式所示：

F_Z＝(W₁+W₂+W₃+W₄+W₅+W₆+W₇+W₈)×a+R(N)            (3)

根据列车运行的实时速度v，计算列车的电制动力F_r，当速度大于190km/h时，电制动力的大小随速度的升高而减少，当速度在5～190km/h时，电制动力的大小基本不变，当速度小于5km/h时，再生制动力基本退出。

当电制动力不满足需求时，空气制动力补足不足部分，得出所需的空气制动力F_a，如下所示：

F_a＝F_Z-F_r                             (5)

根据图3所示制动控制单元的控制逻辑，将所需的总制动力分配给动车和拖车，并交由对应的执行机构实施。

S2、在Simulink中搭建再生制动模型。

从节能的方面考虑，高速列车制动系统的电制动方式主要为再生制动。再生制动过程是牵引传动过程的逆过程，根据电机的运动学方程式(6)可知，调速系统的核心任务是电机的转矩控制T_e，通过控制电机的电磁转矩实现高速列车的再生制动过程。图4为开始实施再生制动后，电机定子三相电流的变化。

其中，B为阻尼系数，一般为0、J表示惯性系数、w_m表示机械角速度、T_L表示负载转矩。

如图4所示，再生制动模型通过电磁转矩大小运用PI环节得出所需的

的大小，

与电机的定子三相电流通过3/2变换和Park变换得到的I_d、I_q做差后通过PI环节得到U_d、U_q，通过Park变换后得到U_α、U_β，然后用空间矢量调制的方法得出逆变器三相桥臂的开关序列信号，产生对应的三相电流从而实现再生制动。

S3、在气压/液压系统建模、仿真软件AMESim软件中搭建直通式空气制动制动单元模型。

在AMESim软件中搭建直通式空气制动单元中的EP阀、空重阀、中继阀等关键阀门部件，根据阀门间的内在联系连接各个阀门，形成直通式空气制动单元，进行仿真。

给定总风管压力为900kPa，EP阀的预控压力为300kPa，空气弹簧压力为600kPa，仿真时间设置为10s，仿真步长为0.01s，在0-4s内，紧急电磁阀处于失电消磁状态，在4-10s内，紧急电磁阀处于得电励磁状态，得出如图5所示的直通式空气制动单元的特性仿真特性曲线。

S4、通过联合仿真的形式，在Simulink中以S函数的形式调用空气制动模型，仿真整车的制动过程。

配置联合仿真的环境，创建联合仿真的接口，在AMESim软件中创建一个单输入单输出的联仿接口，制动缸的输出压力给到联仿接口的输入端，联仿接口的输出端给到EP阀的预控压力端，运行仿真，在Simulink中形成了一个表示直通式空气制动单元的s函数。在Simulink中调用该函数。

在Simulink软件中连接搭建的制动系统的控制逻辑，再生制动模型和直通式空气制动模型，形成高速列车的整车制动模型。运行整车制动模型，手动给定从1～8级的制动等级指令，得到如图6所示的仿真结果。

具体的，如图1所示，CRH3型列车的整车制动模型包括模拟司控器、控制逻辑模块、再生制动模型、空气制动模型以及列车行驶速度计算模块，模拟司控器与控制逻辑模块连接，控制逻辑模块分别与再生制动模型、空气制动模型连接，再生制动模型、空气制动模型与列车行驶速度计算模块连接。

CRH3型列车的整车制动模型具体的仿真工作流程如下：

模拟司控器发送目标控制等级给控制逻辑模块，目标控制等级用于控制制动减速度a；控制逻辑模块接收并根据目标控制等级计算目标制动减速度_a，并根据目标制动减速度a以及当前列车的状态数据计算列车所需的总制动力(其中，当前列车的状态数据包括当前列车的各个车厢的载重信息W_i(i＝1,2,3......,8)以及当前的实时速度v)，并发送第一控制指令控制再生制动模型计算当前速度的最大电制动力，再生制动模型根据控制逻辑模块的第一控制指令计算当前速度的最大电制动力，并将当前速度的最大电制动力反馈给控制逻辑模块，控制逻辑模块比较目标制动力与当前速度的最大电制动力的大小，判断目标制动力是否小于或等于当前速度的最大电制动力：

1)若目标制动力小于或等于当前速度的最大电制动力，控制逻辑模块将目标制动力作为实际所需电制动力的赋值反馈给再生制动模型，再生制动模型根据反馈的实际所需的电制动运用公式(1)计算电磁转矩T_e，根据公式(2)计算出机械角速度w_m，并将角速度w_m发送给列车行驶速度计算模块，列车行驶速度计算模块接收角速度w_m，并根据公式(3)计算出再生制动给出的速度v_r，该情况下，仿真的下一时刻的列车行驶速度v就等于v_r，以实现在该情况下的整车运行状态进行仿真。

v_r＝(3.6×d/α×2)×w_m          (3)

其中，d表示车轮直径，α表示列车齿轮传动比，N表示整车电机台数，η_year表示传动效率。

2)若目标制动力大于当前速度的最大电制动力，控制逻辑模块将当前速度的最大电制动力作为实际所需电制动力的赋值反馈给再生制动模型，再生制动模型根据反馈的实际所需的电制动运用公式(1)计算电磁转矩T_e，然后根据公式(2)计算出机械角速度w_m并将角速度w_m发送给列车行驶速度计算模块，列车行驶速度计算模块接收角速度w_m，并根据公式(3)计算出再生制动给出的速度v_r。

当目标制动力大于当前速度的最大电制动力时，控制逻辑模块还用于计算目标制动力与当前速度的最大电制动力之间的差值，并将差值作为剩余目标制动力，通过S函数调用AMESim软件的空气制动单元模型，控制空气制动单元模型计算所有拖车当前重量最大的空气制动力，比较剩余目标制动力与当前重量最大的空气制动力之间的大小，判断剩余目标制动力是否小于等于拖车当前重量的最大空气制动力：

2.1)若剩余目标制动力小于等于拖车当前重量的最大空气制动力，控制逻辑模块还用于将剩余目标制动力作为实际所需控制空气制动力，并发送对应的实际所需控制空气制动力信号给空气制动模型中的拖车控制制动部分，空气制动模型中的拖车控制制动部分根据实际所需控制空气制动力信号生成制动缸压力，并将制动缸压力发送给列车行驶速度计算模块，列车行驶速度计算模块接收制动缸压力，并根据公式(4)计算出空气制动带来的速度的减量，以实现在该情况下的列车的空气制动仿真。

其中，M为列车的载重，F_k为制动缸给到列车行驶速度计算模块的压力，v_a为空气制动带来的速度减量，F_kt为实际所需的拖车空气制动力信号。

该情况下，仿真的下一时刻的列车行驶速度v等于再生制动给出的速度v_r减去空气制动带来的速度减量v_a。

2.2)若剩余目标制动力大于拖车当前重量的最大空气制动力，控制逻辑模块还用于将拖车当前重量的最大空气制动力作为实际所需控制空气制动力中的实际所需拖车空气制动力，并发送对应的实际所需拖车空气制动力给空气制动模型中的拖车空气制动部分，并计算剩余目标制动力与拖车当前重量的最大空气制动力之间的差值，并将差值作为实际所需的动车空气制动力，并发送对应的实际所需的动车空气制动力给空气制动模型中动车空气制动部分，动车空气制动部分根据实际所需动车空气制动力信号生成制动缸压力，并将制动缸压力发送给列车行驶速度计算模块，列车行驶速度计算模块接收制动缸压力，并根据公式(5)计算出空气制动带来的速度的减量，以实现在该情况下的列车的空气制动仿真。

其中，F_km为实际所需的动车空气制动力信号。

该情况下，仿真的下一时刻的列车的行驶速度v等于再生制动给出的速度v_r减去空气制动带来的速度减量v_a。

综上，本实施例能够对高速列车的再生制动和空气制动进行建模，运用联合仿真的思想，根据制动控制单元的控制逻辑，提出了一种高速列车制动系统的电空复合制动方式的建模方法，为自动化领域内的学者开展制动系统的故障诊断、智能控制等研究时提供一个合理、可靠的验证平台。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种列车电空复合制动系统的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

分别构建高速列车的再生制动模型和空气制动单元模型，并确定所述高速列车的制动控制逻辑和工作原理；

基于所述制动控制逻辑和工作原理，联合所述再生制动模型和空气制动单元模型构建所述高速列车的整车制动模型；

联合所述再生制动模型和空气制动单元模型构建所述高速列车的整车制动模型，包括以下步骤：

以MATLAB/Simulink为主控软件，配置联合仿真环境，创建联合仿真接口，在AMESim软件中创建一个单输入单输出的仿真接口，仿真接口的输入为EP阀的预控压力端，仿真接口的输出为制动缸的输出压力，在AMESim中运行仿真，选择在MATLAB/Simulink生成s函数，在MATLAB/Simulink软件中调用在AMESim软件中搭建的直通式空气制动单元模型的s函数，s函数的输入端连接控制逻辑计算出的所需空气制动力的电信号，s函数的输出的制动缸压力列车轮对，将s函数的仿真步长调整为与在MATLAB/Simulink软件中搭建的再生制动模型的仿真步长一致，以形成所述整车制动模型。

2.根据权利要求1所述的列车电空复合制动系统的建模方法，其特征在于，所述再生制动模型运用磁场定向控制方法和空间矢量调制原理，通过控制电机的电磁转矩，实现高速列车再生制动过程，所述再生制动模型的电磁转矩控制公式为：

其中，T_e为电机的电磁转矩，B为阻尼系数，J表示转动惯量，w_m表示机械角速度，T_L表示负载转矩。

3.根据权利要求1所述的列车电空复合制动系统的建模方法，其特征在于，所述空气制动单元模型通过以下步骤构建：

从真实的直通式空气制动单元中的各个部件中选取关键阀门部件，并确定真实的直通式空气制动单元中各个关键阀门部件的连接关系，在气压/液压系统建模仿真软件中根据阀门部件的原理搭建所述空气制动单元的关键阀门部件，并按照所述连接关系在所述气压/液压系统建模仿真软件将搭建的关键阀门部件连接起来，以形成直通式空气制动单元模型，其中，关键阀门部件包括但不限于EP阀、空重阀、中继阀。

4.根据权利要求1所述的列车电空复合制动系统的建模方法，其特征在于，所述再生制动模型通过MATLAB/Simulink软件构建，所述空气制动单元模型通过气压/液压系统建模仿真软件AMESim构建。

5.根据权利要求1所述的列车电空复合制动系统的建模方法，其特征在于，所述整车制动模型包括：模拟司控器、控制逻辑模块、再生制动模型、空气制动模型以及列车行驶速度计算模块，模拟司控器与控制逻辑模块连接，控制逻辑模块分别与再生制动模型、空气制动模型连接，再生制动模型、空气制动模型与列车行驶速度计算模块连接；所述整车制动模型的仿真过程包括以下步骤：

模拟司控器发送目标控制等级给所述控制逻辑模块，所述目标控制等级用于控制制动减速度；

所述控制逻辑模块接收并根据所述目标控制等级确定目标制动减速度a，并根据所述目标制动减速度a以及当前列车的状态数据计算列车所需的总制动力，并根据所述总制动力以及所述制动控制逻辑确定所需的再生制动力和空气制动力，将所述再生制动力发送给所述再生制动模型，将所述空气制动力分配给所述空气制动模型；

再生制动模型接收并根据所述再生制动力计算出电机的机械角速度，并将所述机械角速度发送给所述列车行驶速度计算模块；所述空气制动模型接收并根据所述空气制动力计算出制动缸压力，并将所述制动缸压力发送给所述列车行驶速度计算模块；

所述列车行驶速度计算模块接收并根据所述机械角速度以及制动缸压力计算所述列车的仿真速度，以实现整车制动模型的仿真。

6.根据权利要求5所述的列车电空复合制动系统的建模方法，其特征在于，所述状态数据包括所述列车各个车厢的实时载重以及列车的实时速度，根据所述目标制动减速度a以及当前列车的状态数据计算列车所需的总制动力通过以下公式获取得到：

R(N)＝G·(1+γ)·w₀

w₀＝0.7653+0.0102v+0.000102v²；

其中，F_Z为总制动力，a为所述目标制动减速度，W_i为列车的第i节车厢的实时载重，n为列车的车厢数量，R(N)为列车的基本运行阻力，G为列车的重量单位，w₀为列车的基本阻力，γ为回转系数，v为列车的实时速度。

7.根据权利要求5所述的列车电空复合制动系统的建模方法，其特征在于，所述总制动力与所述再生制动力和空气制动力存在以下关系：

F_Z＝F_a+F_r；

其中，F_a为空气制动力，F_Z为总制动力，F_r为再生制动力；

所述制动控制逻辑为：所述列车电空复合制动系统优先使用所述再生制动力进行驱动，当所述再生制动力不足时，再使用所述空气制动力进行驱动。

8.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现上述权利要求1至7任一方法的步骤。

9.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，程序被处理器执行时实现上述权利要求1至7任一项方法中的步骤。

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