CN113865895B - 一种机车及动车组控制算法测试系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车及动车组控制算法测试系统及其使用方法，用于对控制算法模型进行仿真测试，包括：被控对象模型、第一仿真单元、第二仿真单元和牵引控制单元，其中第一仿真单元包括第一仿真板卡和第一调理模块，第二仿真单元包括第二仿真板卡和第二调理模块，本测试系统通过增加第一仿真单元和第二仿真单元的配合运用，综合了各自的优势，达到优势互补，能够在算法的设计开发阶段、测试验证阶段、参数细调阶段都实现充分的仿真测试，以满足设计需求，排除控制算法在应用中可能存在的问题，降低现场调试的成本和风险。

Description

一种机车及动车组控制算法测试系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及仿真系统领域，尤其涉及一种机车及动车组控制算法测试系统及其使用方法。

背景技术

随着轨道列车的广泛应用和不断发展，对电机控制技术的有效性、可靠性要求越来越高。控制算法为机车及动车组控制系统的核心，在控制算法的开发过程中，仿真有助于在设计过程中及时发现问题，避免在产品试制完成后发现控制方案问题带来的人力、物力、财力的浪费。仿真技术可以分为离线仿真和半实物仿真，半实物仿真根据模型和实物的不同，可分为快速控制原型和硬件在环两种形式。通过有效的建模方法可使仿真结果无限逼近真实，在实验室环境下就可以实现产品调试验证，并能一定程度甚至全面替代产品试验。目前，国内外的专利文献中尚未看到集离线仿真、快速控制原型、硬件在回路多种方法于一体来进行控制算法开发与测试的相关文献。

发明内容

本发明提供一种机车及动车组控制算法测试系统及其使用方法，以克服产品试制完成后发现控制方案问题带来的人力、物力、财力的浪费。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种机车及动车组控制算法测试系统，用于对控制算法模型进行仿真测试，其特征在于，包括：被控对象模型、第一仿真单元、第二仿真单元和牵引控制单元；

被控对象模型用于模拟控制算法模型要控制的对象以及对象所运行的环境，为控制算法模型的开发验证提供测试条件；

第一仿真单元包括第一仿真板卡和第一调理模块；

所述第一仿真板卡用于将控制算法模型自动生成对应代码并运行在第一仿真板卡中，实现控制算法模型在第一仿真板卡的对应时钟周期内执行，输出控制信号，并采集被控对象反馈信号，进而形成闭环控制；

所述第一调理模块用于第一仿真板卡与被控对象之间的反馈信号及控制信号的类型及范围的转换，其中被控对象是运行着被控对象模型的第二仿真单元；

第二仿真单元包括第二仿真板卡和第二调理模块；

所述第二仿真板卡用于被控对象模型实时运行时，将被控对象模型自动生成代码并运行在第二仿真板卡中；

第二调理模块用于控制信号及被控对象反馈信号类型及范围转换，接收控制算法单元的控制信号后将其进行信号转换并传输至被控对象模型进行运算，同时将运算结果信号进行信号转换并返回控制算法单元，实现第二仿真板卡与控制算法单元之间的信号交互，其中控制算法单元是指运行着控制算法模型的第一仿真单元或牵引控制单元；

牵引控制单元为控制算法模型运行的载体，用于运行由控制算法模型自动生成的嵌入式代码，形成控制信号并传输给第二仿真单元，同时接收第二仿真单元产生的信号作为反馈，形成闭环控制。

进一步的，所述第一仿真板卡包括第一处理器板卡、第一高速仿真板卡及第一模拟量板卡和第一数字量板卡；

所述第一处理器板卡和第一高速仿真板卡用于相互配合完成控制算法模型运行形成控制信号；

所述第一模拟量板卡和第一数字量板卡用于反馈信号的采集和控制信号的发出。

进一步的，所述第二仿真板卡包括第二处理器板卡、第二高速仿真板卡及第二模拟量板卡和第二数字量板卡；

所述第二处理器板卡用于与上位机监控软件关联，显示系统运行过程中的变量数据监控；

所述第二高速仿真板卡用于被控对象模型的模拟，形成被控对象反馈信号；

所述第二模拟量板卡和第二数字量板卡用于控制信号的采集和反馈信号的发出。

进一步的，还包括上位机监控单元，所述上位机监控单元用于接收第一处理器板卡和第二处理器板卡传输的控制信号和反馈信号，并在PC端显示。

进一步的，所述第一处理器板卡型号为DS1006，第一高速仿真板卡为DS5203，第一数字量板卡型号为DS4004，第一模拟量板卡型号为DS2003，第一处理器板卡、第一高速仿真板卡、第一数字量板卡和第一模拟量板卡通过机箱将组合在一起，并通过其上位机软件接口进行相互之间的信息互通。

进一步的，所述第二处理器板卡型号为DS1006，第二高速仿真板卡型号为DS5203，第二数字量板卡型号为DS4004，第二模拟量板卡型号为DS2003，第二处理器板卡、第二高速仿真板卡、第二数字量板卡和第二模拟量板卡通过机箱组合在一起，并通过其上位机软件接口进行相互之间的信息互通。

进一步的，被控对象模型包括接触网模型、弓网模型、牵引变压器模型、牵引变流器模型和电机模型。

一种机车及动车组控制算法测试系统的方法，其特征在于，包括：

S1：根据机车及动车组的牵引系统对控制算法验证的需求，搭建被控对象模型；

S2：进行机车及动车组控制算法Matlab建模，根据被控对象模型及控制方法构建对应的控制算法模型；

S3：将控制算法模型与被控对象模型同时运行在Matlab环境中进行离线仿真，对控制算法模型进行非实时的初步测试，并对控制算法及控制算法参数变量进行调整；

S4：将控制算法模型生成控制算法模型代码，并下载至第一仿真单元中，同时被控对象模型生成被控对象模型代码，并下载至第二仿真单元中，第一仿真单元与第二仿真单元通过第一调理模块和第二调理模块相连进行信号交互，实现实时仿真，验证控制算法及控制算法参数的实时运行有效性和准确性；

S5：将控制算法模型自动生成嵌入式C代码，并下载至牵引控制单元中，第一仿真单元与第二仿真单元断开，将牵引控制单元与第二仿真单元通过第二调理模块相连进行信号交互，构成HIL半实物仿真形式，将控制算法及控制算法参数下载至牵引控制单元进行嵌入式控制算法代码的测试验证。

有益效果：本发明为机车及动车组的控制算法提供了一种有效的、完整的测试系统，该测试系统通过增加第一仿真单元和第二仿真单元的配合运用，第一仿真单元将控制算法模型自动生成对应代码并运行实现控制算法模型在第一仿真板卡的对应时钟周期内执行，输出控制信号，并采集被控对象反馈信号，进而形成闭环控制，第二仿真单元用于被控对象模型实时运行，将被控对象模型自动生成代码并运行，第一仿真单元和第二仿真单元综合了各自的优势，能够结合快速控制原型和硬件在环的仿真情况，达到优势互补，在算法的设计开发阶段、测试验证阶段、参数细调阶段都实现充分的仿真测试，以满足设计需求，排除控制算法在应用中可能存在的问题，降低现场调试的成本和风险。通过仿真测试的牵引控制单元及牵引控制算法代码具备较高的可靠性和精确性，再进行地面测试和装车测试时能够提升测试效率，降低测试过程中的风险和不安全因素，为现场验证节省了大量人力、物力和财力，具有很高的经济性、灵活性、安全性和便捷性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明机车及动车组控制算法测试系统的区域功能展示图；

图2为本发明机车及动车组控制算法测试系统使用方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例1提供了一种机车及动车组控制算法测试系统，如图1，用于对控制算法模型进行仿真测试，包括：被控对象模型、第一仿真单元、第二仿真单元和牵引控制单元；

控制算法模型是基于该测试系统要进行测试与验证的算法所构建的模型；

被控对象模型用于模拟控制算法模型要控制的对象以及对象所运行的环境，为控制算法模型的开发验证提供测试条件；所述被控对象模型包括接触网模型、弓网模型、牵引变压器模型、四象限整流器模型、中间直流回路模型、三相逆变器模型和电机模型；

第一仿真单元包括第一仿真板卡和第一调理模块；

所述第一仿真板卡用于将控制算法模型自动生成对应代码并运行在第一仿真板卡中，实现控制算法模型在第一仿真板卡的对应时钟周期内执行，从而更加接近真实的控制单元运行效果，使仿真单元输出控制信号(如接触器开关指令、PWM脉冲等)，并采集被控对象反馈信号(如接触器状态、电压、电流、速度等)，进而形成闭环控制；

所述第一调理模块用于第一仿真板卡与被控对象之间的反馈信号及控制信号类型及范围的转换，其中被控对象是运行着被控对象模型的第二仿真单元；

第二仿真单元包括第二仿真板卡和第二调理模块，其中第二仿真板卡用于被控对象模型实时运行，将被控对象模型自动生成代码并运行在第二仿真板卡中，可达到10ns的离散运行步长，从而更加近似的模拟实时连续被控对象系统；第二调理模块用于控制信号及被控对象反馈信号类型及范围转换，接收控制算法单元的控制信号后将其进行信号转换并传输至被控对象模型进行运算，并将运算结果信号进行信号转换并返回控制算法单元，实现第二仿真板卡与控制算法单元之间的信号交互，其中控制算法单元是运行着控制算法模型的第一仿真单元或牵引控制单元；

牵引控制单元是控制算法模型(如牵引整流控制算法、牵引逆变控制算法、逻辑保护控制算法等)运行的载体，用于运行由控制算法模型自动生成的嵌入式代码，形成控制信号并传输给第二仿真单元，同时接收第二仿真单元产生的信号作为反馈，形成闭环控制。

控制算法与被控对象都是在软件中设计的模型，二者通过控制信号与反馈信号进行交互；

在使用过程中，将控制算法模型下载到实时第一仿真单元中的板卡中，通过调理模块进行信号分配、隔离、转换等，载有控制算法的第一仿真单元可以与虚线处的被控对象实物相连，进行快速控制原型仿真，以验证算法的有效性、准确性。此时，由于被控对象是实物，参数指标已经固化，如此仿真得到的控制算法具有针对性、局限性，无法满足其他类型不同、参数不同的被控对象情况，因此将被控对象用第二仿真单元的被控对象模型替换，能够适用于更多被控对象的控制算法开发与测试。

在具体实施例中，所述第一仿真板卡包括第一处理器板卡、第一高速仿真板卡及第一模拟量板卡和第一数字量板卡；

所述第一处理器板卡和第一高速仿真板卡用于控制算法模型(如牵引整流控制算法、牵引逆变控制算法、逻辑保护控制算法等)运行形成控制信号；具体的，第一处理器板卡和高速仿真板卡不产生反馈信号，反馈信号是第二高速仿真板卡返回的。

所述第一模拟量板卡和第一数字量板卡用于反馈信号的采集和控制信号的发出。

在具体实施例中，所述第二仿真板卡包括第二处理器板卡、第二高速仿真板卡及第二模拟量板卡和第二数字量板卡；

所述第二处理器板卡用于与上位机监控软件关联，显示系统运行过程中的变量数据监控；所述变量数据包括主电路各处的电压、电流、速度、脉冲、开关指令或开关状态等等数据，部分数据为第一仿真单元和第二仿真单元间交互的指令和反馈变量，部分数据进行显示观测；

所述第二高速仿真板卡用于被控对象模型的模拟，形成被控对象反馈信号；其运行步长可达到10ns级，实现被控对象的实时模拟；具体的，第二高速仿真板卡不产生控制信号，控制信号是第一处理器板卡和高速仿真板卡产生的。

所述第二模拟量板卡和第二数字量板卡用于控制信号的采集和反馈信号的发出。

在具体实施例中，还包括上位机监控单元，所述上位机监控单元用于接收第一处理器板卡和第二处理器板卡传输的控制信号和反馈信号，并在PC端显示，供设计人员实时监控和存储运行数据。

在具体实施例中，所述第一处理器板卡型号为DS1006，第一高速仿真板卡为DS5203，第一数字量板卡型号为DS4004，第一模拟量板卡型号为DS2003，第一处理器板卡、第一高速仿真板卡、第一数字量板卡和第一模拟量板卡通过机箱将组合在一起，并通过其上位机软件接口进行相互之间的信息互通。

在具体实施例中，所述第二处理器板卡型号为DS1006，第二高速仿真板卡型号为DS5203，第二数字量板卡型号为DS4004，第二模拟量板卡型号为DS2003，第二处理器板卡、第二高速仿真板卡、第二数字量板卡和第二模拟量板卡通过机箱组合在一起，并通过其上位机软件接口进行相互之间的信息互通。

本系统能够实现控制算法从初期搭建算法框架、参数确定，到可行性验证、有效性测试，再到通过模拟正常运行条件、极端工况来优化控制算法参数，最后将验证后的算法自动生成代码并下载到牵引控制单元过程的全覆盖。

本发明实施例2还提供了一种机车及动车组控制算法测试系统的使用方法，如图2，

S1：根据机车及动车组的牵引系统对控制算法验证的需求，搭建被控对象模型；

S2：进行机车及动车组控制算法Matlab建模，根据被控对象模型及控制方法构建对应的控制算法模型；

S3：将控制算法模型与被控对象模型同时运行在Matlab环境中进行离线仿真，对控制算法模型进行非实时的初步测试，并对控制算法及控制算法参数进行调整；

S4：控制算法模型生成控制算法模型代码，并下载至第一仿真单元中，同时被控对象模型生成被控对象模型代码，并下载至第二仿真单元中，第一仿真单元与第二仿真单元通过第一调理模块和第二调理模块相连进行信号交互，实现实时仿真，验证控制算法及控制算法参数的实时运行有效性和准确性；

S5：将控制算法模型自动生成嵌入式C代码，并下载至牵引控制单元中，第一仿真单元与第二仿真单元断开，将牵引控制单元与第二仿真单元通过第二调理模块相连进行信号交互，构成HIL半实物仿真形式，将控制算法及控制算法参数下载至牵引控制单元进行嵌入式控制算法代码的测试验证。

上述的任一环节若未达标，都可以重复进行迭代、测试，直到满足实际要求，再进行下一环节的仿真测试。通过所有环节测试的牵引控制单元可以直接做地面测试与装车测试。

在具体应用中，接触网模型以单线牵引网简单悬挂方式进行被控对象模型建模，第二仿真单元根据被控对象模型仿真出从变电站到列车运行点之间线路的单位阻抗Z，其具体公式为：

其中，D_g为等效地回线的入地深度，Z₁、Z₂为各回路单位自阻抗，Z₁₂为单位互阻抗，r₁为接触导线有效电阻，d_1g为接触导线与每条轨道的中心距离，d_g为每条轨道的长度，r_g为单条轨道有效电阻，R_εg为钢轨的当量半径，R_ε1为接触导线的当量半径，j为阻抗的虚部。

根据线路阻抗分压仿真出给到列车的供电电压U，计算方法为：

其中，x为机车距供电站距离，i为弓网输出电流，U₀为供电站输出电压，U₁为线路分压。

所述弓网模型用于模拟列车在不同环境工况下接收的网压，特征在于包括拉弧工况和覆冰工况；

1)拉弧工况用于仿真受电弓拉弧时的电气效果，根据如下公式计算电弧电导g，从而计算出拉弧导致的压降：

其中，L为电弧弧长，i为电网电流，k₁、k₂与λ为拉弧模型的经验参数。

2)覆冰工况用于仿真输电线路覆冰时的电气效果，一般认为冰具有弱导电性，线路覆冰时电气特性质量会下降，根据如下公式计算冰的等效电阻R，从而计算出冰导致的压降：

R＝ρ×l/S

其中，ρ为冰的导电率，S为受电弓与接触网通过冰连接与冰的接触面积，l为覆冰厚度。

所述牵引变压器为单相变压器，以次边n绕组为例，次边输出到牵引变流器的电压计算方法如下：

其中，U4QCn’为变压器输出给第n组牵引变流器的电压，u₁为原边电压，i_m为励磁电流，i_n’为次边绕组n折合到一次侧的电流，r₁和L₁分别为一次侧等效电阻和电感，M_ij为次边i绕组和j绕组之间的互感。

所述牵引变流器模型由四象限整流器、中间直流回路、逆变器模型构成，用于将牵引变压器输出的电压转换为牵引电机所需电压，其计算方法如下：

其中，i_s为四象限整流器输入电流，i₂为中间二次滤波回路电流，u₂为中间二次滤波电容电压，i_dc为逆变器输入电流，u_dc为中间直流电压，R_s与L_s分别为四象限输入端电阻和电感，R₂、L₂、C₂为二次滤波回路电阻、电感和电容，C_d为中间支撑电容，u_u、u_v、u_w为逆变器输出三相电压。

此外，α₁是与四象限开关状态有关的系数，根据开关状态不同取0，±1；β_u、β_v、β_w是与逆变器u相、v相、w相桥臂开关状态有关的系数，根据开关状态不同取±1。

所述电机模型根据算法开发需要，可以是异步电机、同步电机或直线感应电机等，在忽略空间谐波、磁路饱和、铁芯损耗和温度及频率变化对电阻影响的情况下，进行等效建模。

在系统软硬件和模型构建完成后，对所述机车及动车组控制算法开发测试系统进行测试。将被控对象模型下载至第二仿真单元中，并与牵引控制单元连接运行，在给定工况下采集该测试系统输出的各处电压、电流、速度等与相同工况下牵引控制单元运行于真实列车上的对应数据进行对比，对模型参数进行优化调整，直至误差在±5％范围内，即可用于机车及动车组的控制算法开发测试。

本发明为机车及动车组的控制算法提供了一种有效的、完整的开发与测试系统，该测试系统通过多种仿真形式的配合运用，综合了各自的优势，达到优势互补，能够在算法的设计开发阶段、测试验证阶段、参数细调阶段都实现充分的仿真测试，以满足设计需求，排除控制算法在应用中可能存在的问题，降低现场调试的成本和风险。通过仿真测试的牵引控制单元及牵引控制算法代码具备较高的可靠性和精确性，再进行地面测试和装车测试时能够提升测试效率，降低测试过程中的风险和不安全因素，为现场验证节省了大量人力、物力和财力，具有很高的经济性、灵活性、安全性和便捷性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种机车及动车组控制算法测试系统，用于对控制算法模型进行仿真测试，其特征在于，包括：被控对象模型、第一仿真单元、第二仿真单元和牵引控制单元；

被控对象模型用于模拟控制算法模型要控制的对象以及对象所运行的环境，为控制算法模型的开发验证提供测试条件；

第一仿真单元包括第一仿真板卡和第一调理模块；

所述第一仿真板卡用于将控制算法模型自动生成对应代码并运行在第一仿真板卡中，实现控制算法模型在第一仿真板卡的对应时钟周期内执行，输出控制信号，并采集被控对象反馈信号，进而形成闭环控制；

所述第一调理模块用于第一仿真板卡与被控对象之间的反馈信号及控制信号的类型及范围的转换，其中被控对象是运行着被控对象模型的第二仿真单元；

第二仿真单元包括第二仿真板卡和第二调理模块；

所述第二仿真板卡用于被控对象模型实时运行时，将被控对象模型自动生成代码并运行在第二仿真板卡中；

第二调理模块用于控制信号及被控对象反馈信号类型及范围转换，接收控制算法单元的控制信号后将其进行信号转换并传输至被控对象模型进行运算，同时将运算结果信号进行信号转换并返回控制算法单元，实现第二仿真板卡与控制算法单元之间的信号交互，其中控制算法单元是指运行着控制算法模型的第一仿真单元或牵引控制单元；

牵引控制单元为控制算法模型运行的载体，用于运行由控制算法模型自动生成的嵌入式代码，形成控制信号并传输给第二仿真单元，同时接收第二仿真单元产生的信号作为反馈，形成闭环控制。

2.如权利要求1所述的一种机车及动车组控制算法测试系统，其特征在于：所述第一仿真板卡包括第一处理器板卡、第一高速仿真板卡及第一模拟量板卡和第一数字量板卡；

所述第一处理器板卡和第一高速仿真板卡用于相互配合完成控制算法模型运行形成控制信号；

所述第一模拟量板卡和第一数字量板卡用于反馈信号的采集和控制信号的发出。

3.如权利要求1所述的一种机车及动车组控制算法测试系统，其特征在于：所述第二仿真板卡包括第二处理器板卡、第二高速仿真板卡及第二模拟量板卡和第二数字量板卡；

所述第二处理器板卡用于与上位机监控软件关联，显示系统运行过程中的变量数据监控；

所述第二高速仿真板卡用于被控对象模型的模拟，形成被控对象反馈信号；

所述第二模拟量板卡和第二数字量板卡用于控制信号的采集和反馈信号的发出。

4.如权利要求1所述的一种机车及动车组控制算法测试系统，其特征在于：还包括上位机监控单元，所述上位机监控单元用于接收第一处理器板卡和第二处理器板卡传输的控制信号和反馈信号，并在PC端显示。

5.如权利要求2所述的一种机车及动车组控制算法测试系统，其特征在于：所述第一处理器板卡型号为DS1006，第一高速仿真板卡为DS5203，第一数字量板卡型号为DS4004，第一模拟量板卡型号为DS2003，第一处理器板卡、第一高速仿真板卡、第一数字量板卡和第一模拟量板卡通过机箱将组合在一起，并通过其上位机软件接口进行相互之间的信息互通。

6.如权利要求3所述的一种机车及动车组控制算法测试系统，其特征在于：所述第二处理器板卡型号为DS1006，第二高速仿真板卡型号为DS5203，第二数字量板卡型号为DS4004，第二模拟量板卡型号为DS2003，第二处理器板卡、第二高速仿真板卡、第二数字量板卡和第二模拟量板卡通过机箱组合在一起，并通过其上位机软件接口进行相互之间的信息互通。

7.如权利要求1所述的一种机车及动车组控制算法测试系统，其特征在于：被控对象模型包括接触网模型、弓网模型、牵引变压器模型、牵引变流器模型和电机模型。

8.一种使用如权利要求1所述的机车及动车组控制算法测试系统的方法，其特征在于，包括：

S1：根据机车及动车组的牵引系统对控制算法验证的需求，搭建被控对象模型；

S2：进行机车及动车组控制算法Matlab建模，根据被控对象模型及控制方法构建对应的控制算法模型；

S3：将控制算法模型与被控对象模型同时运行在Matlab环境中进行离线仿真，对控制算法模型进行非实时的初步测试，并对控制算法及控制算法参数变量进行调整；

S4：将控制算法模型生成控制算法模型代码，并下载至第一仿真单元中，同时被控对象模型生成被控对象模型代码，并下载至第二仿真单元中，第一仿真单元与第二仿真单元通过第一调理模块和第二调理模块相连进行信号交互，实现实时仿真，验证控制算法及控制算法参数的实时运行有效性和准确性；

S5：将控制算法模型自动生成嵌入式C代码，并下载至牵引控制单元中，第一仿真单元与第二仿真单元断开，将牵引控制单元与第二仿真单元通过第二调理模块相连进行信号交互，构成HIL半实物仿真形式，将控制算法及控制算法参数下载至牵引控制单元进行嵌入式控制算法代码的测试验证。