CN114371689A - 一种车辆控制策略测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车辆控制策略测试系统及方法，涉及测试技术领域。所述系统包括：上位机、被试子系统、陪试子系统、牵引电机和负载电机；所述上位机、所述被试子系统和所述陪试子系统之间通过网络相连接；所述被试子系统包括被试牵引变流器，所述被试牵引变流器连接有所述牵引电机；所述陪试子系统包括陪试牵引变流器，所述陪试牵引变流器连接有所述负载电机；所述牵引电机和所述负载电机之间通过机械连接轴相连接。所述方法应用所述车辆控制策略测试系统。本发明实施例提供的车辆控制策略测试系统及方法，能够针对车辆控制策略进行精准和全面的基础功能和性能测试。

Description

一种车辆控制策略测试系统及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，具体涉及一种车辆控制策略测试系统及方法。

背景技术

如图1所示，由于车辆车轮与钢轨相接触，从而导致对应质点间材质发生相对形变，使得轮轨接触面部分区域发生微观滑动，该区域称之为滑动区；另一部分相对速度为零，则称之为黏着区。同时，接触面前部车轮被压缩，钢轨被拉伸；而接触面后部轮轨形变则相反，车轮被拉伸，钢轨被压缩。随着车轮在钢轨上滚动，其被压缩部分将逐渐释放并伸张，而被拉伸的部分则慢慢收缩，伴随上述现象，车轮所承受力矩将不断的转换为轮轨之间的黏着力，最终为车辆提供相应的牵引力或制动力。

当对车轮施加的力矩较小时，滑动区被限制在轮轨接触面后沿极小面积之内，但随着转矩的逐渐增大，其面积亦将逐渐增大，直至覆盖整个接触面，此时轮轨之间黏着将被破坏，从而出现轮轨宏观相对滑动，最终导致车轮发生空转或打滑现象。

根据以上分析可知，因相对形变而产生的轮轨间微观弹性滑动，即蠕滑现象是将车轮力矩转化为轮轨间黏着力的必要条件。而蠕滑的存在使得车辆在加速过程中，车体实际运行速度总低于车轮圆周线速度，而在减速过程中则恰好相反，此速度差，称为蠕滑速度v_s：

ν_s＝ν_w-ν_t

式中，ν_w为轮轴旋转速度；v_t为车体实际运行速度。蠕滑率γ则可表示为：

通常定义黏着系数μ为轮轨间切向力F_ad与车轮所受法向力F_G之比，如下所示：

由此可见，载荷一定时，黏着力与黏着系数成正比关系，而黏着系数则是一个分散、随机的变量，且与蠕滑速度成非线性关系，图2给出了不同路面条件下车辆轮轨间黏着特性曲线，纵轴为黏着系数，横轴为蠕滑速度。

由图2可知，不同路面条件下的黏着特性曲线相互不同，而路况的变化主要取决于气候、环境以及人为污染等因素，例如：干燥、清洁的轮轨踏面与钢轨表面具有较高的黏着系数，而在雨、雪、雾及霜等天气情况下，路面潮湿，黏着系数则明显偏低；一旦路面出现油污，黏着系数将进一步减小。然而，不同的特性曲线都存在相应的黏着系数最大值μ_max，其所对应的蠕滑速度定义为ν_spot，因此，(v_spot,μ_max)即为当前路况的黏着峰值点。当蠕滑速度小于v_spot时，为稳定区，黏着系数随蠕滑速度的增加而增加，近似成线性关系；而当蠕滑速度小于v_spot后，为非稳定区，黏着系数则随蠕滑速度的增加而迅速减小。

除上述车轮踏面与钢轨表面状态之外，线路质量与弯道曲率、轮轨垂直载荷与车轮直径、车辆运行速度等因素也将直接影响轮轨间黏着系数的大小。黏着系数还随车辆运行速度的增加而下降，但影响程度则越来越小。

车辆具体可以包括城市轨道交通车辆，城市轨道交通车辆具有站间距离短，需要频繁牵引制动转换的特点，且在实际运营中通常采用列车自动控制系统(Automatic TrainControl,ATC)，因此，对车辆加/减速度要求较高。为满足高加/减速度需求，通常牵引传动系统均设计有较高计算黏着系数。然而，轮轨间实际可用黏着系数随轨面状况不同而变化范围较大，空气潮湿、树叶、油污以及轴重变化都将造成轮轨间可用黏着系数的陡降，城市轨道交通车辆运营线路均有部分甚至全部露天建设，从而不可避免地会受到雨、雪等自然条件的影响，使得车辆在较高的计算黏着系数条件下，极易出现空转/打滑现象，其不但会对车辆本身造成较大的危害，而且势必会降低加/减速度从而导致运营晚点，并影响停车精度。因此，对于轨道交通车辆，需要一套高效可靠的防滑/防空转控制系统。

目前轨道交通车辆牵引传动系统最常用的防滑/防空转控制策略，即组合校正法，它计算结构简单、反应速度快、风险低，但是由于其需要大幅度地削减电机输出转矩以消除空转/打滑现象，并且通过缓慢地增加电机输出转矩以防止空转/打滑现象的再次发生，系统工作点常常远离黏着峰值点，因此黏着利用率较低，这将导致在牵引过程中车辆损失较多的加速度，而在制动过程中则需要补充过多的空气制动力。为克服上述缺陷，针对轨道交通车辆已经逐渐展开了基于现代黏着控制思想的防滑/防空转控制技术研究，如蠕滑速度法、黏着斜率法、模糊控制法等等。

然而无论牵引控制系统采用哪种防滑/防空转控制策略，在牵引系统产品研制过程中，以及产品装车正式运营之前都需要针对防滑/防空转控制策略进行全面的调试和严格试验测试，才能确保该功能的有效性。目前在功能和性能测试方面，现有方案为采用数字仿真或者实际线路喷减摩液两种方式。

其中，数字仿真测试方式主要是利用数字建模的方法构建车体动力学模型、轮轨关系模型、牵引传动系统控制模型以及牵引变流器、牵引电机、直流侧回路等电气模型，通过操作仿真软件不断的调整牵引传动系统控制模型中的牵引力或者制动力发挥，并且同时修改轮轨关系模型中的可用黏着系数来模拟不同工况下车辆的空转或者打滑现象，从而测试集成在牵引传动系统控制模型中的防滑防空转控制策略的有效性。然而数字仿真中牵引传动系统控制模型与实际集成在牵引传动控制系统中的控制算法在数字延迟、信号传输延迟、算法执行周期等方面并不一致，且牵引变流器、牵引电机、直流侧回路等电气模型忽略了较多非线性因素，与实际有一定差距，都会间接影响控制策略的测试结果。而且这种数字仿真的测试方法无法完成牵引控制系统软硬件结合的测试需求。

而目前轨道交通车辆整车型式试验中，采用的线路喷洒减摩液方法则是通过在实际轨面上喷洒减摩液，模拟轨面低粘着状态，监测列车发生空转或滑行时系统能否有效抑制，司机屏是否显示相应的标识；停止喷洒减摩液，监测车辆在空转或滑行消失后轮周牵引力/电气制动力能否快速恢复。通常评判标准为：

1)当动轴发生空转时，应能进行有效抑制，不会损坏车轮踏面、钢轨，同时车辆监控系统应有空转显示。

2)当动轴发生滑行时，应能进行有效抑制，不会损坏车轮踏面、钢轨，同时车辆监控系统应有滑行显示。

3)当空转或滑行消失后，车辆应能尽快恢复轮周牵引力/电气制动力。

由此可见，这种方法可以真实的反应轮轨关系和实际牵引控制系统中防滑/防空转控制策略的动作及性能，但是，在车辆行驶过程中人为操作喷洒减摩液不能精确选择模拟空转和打滑的不同程度，也不能准确选择模拟轮轨关系各类恢复工况(例如快速恢复正常、缓慢恢复正常、恢复过程中再次恶化等等)，因此，该方法对防滑/防空转控制性能的测试并不完善；同时，该方法需要在牵引变流器装车之后，针对整车进行试验，需要在整车环境(牵引、网络、制动等系统)都已经功能完善的前提下才能够进行该项试验，难以在早期发现控制策略问题；其次该试验涉及多部门配合、过程复杂且成本昂贵，而不同车辆的防滑/防空转控制策略通常需要根据实际线路、控制系统本身性能从而进行多次调整，因此，上述方法不适合防滑/防空转控制策略调试需要。

鉴于此，为提高轨道交通车辆牵引传动系统防滑/防空转控制策略的测试效率、准确性、完善性并保证产品研发质量具有重大意义。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明实施例提供一种车辆控制策略测试系统及方法，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。

一方面，本发明提出一种车辆控制策略测试系统，包括：

包括上位机、被试子系统、陪试子系统、牵引电机和负载电机；

所述上位机、所述被试子系统和所述陪试子系统之间通过网络相连接；

所述被试子系统包括被试牵引变流器，所述被试牵引变流器连接有所述牵引电机；

所述陪试子系统包括陪试牵引变流器，所述陪试牵引变流器连接有所述负载电机；

所述牵引电机和所述负载电机之间通过机械连接轴相连接；

所述上位机用于分别向所述被试子系统和所述陪试子系统发送转矩指令信息；所述被试子系统接收对应的转矩指令信息，根据对应的转矩指令信息控制所述被试牵引变流器驱动所述牵引电机运行，输出转矩以模拟车辆实际运行状态；

所述陪试子系统接收对应的转矩指令信息，根据对应的转矩指令信息控制所述陪试牵引变流器驱动所述负载电机运行，输出转矩并通过所述机械连接轴向所述牵引电机传递转矩变化，以模拟在预设路面状况下车辆运行过程中牵引电机所承受的负载的转矩变化。

其中，所述被试子系统的交流测并联连接多台牵引电机；所述陪试子系统的交流测各自连接与所述被试子系统的交流测牵引电机数量对应的多台负载电机。

其中，所述多台牵引电机和所述多台负载电机的数量都为44；

所述被试子系统包括一个被试牵引变流器；一个被试牵引变流器并联连接4台牵引电机；

所述陪试子系统包括4个陪试牵引变流器；4个陪试牵引变流器各自连接一台牵引电机。

其中，所述被试牵引变流器包括被试牵引变流器控制系统，所述陪试牵引变流器包括陪试牵引变流器控制系统；

所述被试子系统具体用于通过所述被试牵引变流器控制系统接收对应的转矩指令信息，所述陪试子系统用于通过所述陪试牵引变流器控制系统接收对应的转矩指令信息。

其中，所述被试牵引变流器控制系统用于根据对应的转矩指令信息控制所述被试牵引变流器驱动所述牵引电机运行，输出转矩以模拟车辆实际运行状态；

所述陪试牵引变流器控制系统用于根据对应的转矩指令信息控制所述陪试牵引变流器驱动所述负载电机运行，输出转矩并通过所述机械连接轴向所述牵引电机传递转矩变化，以模拟在预设路面状况下车辆运行过程中牵引电机所承受的负载的转矩变化。

其中，所述上位机用于向所述被试子系统发送转矩指令信息，包括：

车辆运行方向，以及牵引转矩或制动转矩；

相应的，所述牵引电机用于输出牵引转矩或制动转矩，以模拟车辆实际运行状态包括前向牵引、前向制动、后向牵引和后向制动。

其中，所述上位机用于接收所述被试子系统通过传感器获取的各机械连接轴的实际轴速；

根据车体动力学模型和所述实际轴速计算得到与各机械连接轴相连的负载电机的牵引转矩或制动转矩；所述负载电机用于输出牵引转矩或制动转矩，以模拟在预设路面状况下车辆运行过程中牵引电机所承受的负载的转矩变化。

其中，所述上位机预先部署Labview软件，采用所述Labview软件在所述上位机中构建测试系统操作界面。

其中，通过所述测试系统操作界面分别向所述被试子系统和所述陪试子系统发送转矩指令信息。

其中，所述被试子系统的直流侧和所述陪试子系统的直流侧接入直流供电网。

一方面，本发明提出一种车辆控制策略测试方法，包括：

所述上位机分别向所述被试子系统和所述陪试子系统发送转矩指令信息；

所述被试子系统接收对应的转矩指令信息，根据对应的转矩指令信息控制所述被试牵引变流器驱动所述牵引电机运行，输出转矩以模拟车辆实际运行状态；

所述陪试子系统接收对应的转矩指令信息，根据对应的转矩指令信息控制所述陪试牵引变流器驱动所述负载电机运行，输出转矩并通过所述机械连接轴向所述牵引电机传递转矩变化，以模拟在预设路面状况下车辆运行过程中牵引电机所承受的负载的转矩变化。

本发明实施例提供的车辆控制策略测试系统及方法，包括上位机、被试子系统、陪试子系统、牵引电机和负载电机；所述上位机、所述被试子系统和所述陪试子系统之间通过网络相连接；所述被试子系统包括被试牵引变流器，所述被试牵引变流器连接有所述牵引电机；所述陪试子系统包括陪试牵引变流器，所述陪试牵引变流器连接有所述负载电机；所述牵引电机和所述负载电机之间通过机械连接轴相连接；能够针对车辆控制策略进行精准和全面的基础功能和性能测试。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是现有技术滑动区与黏着区的形成示意图。

图2是现有技术不同路面条件下车辆轮轨间黏着特性曲线示意图。

图3是本发明一实施例提供的车辆控制策略测试系统的结构示意图。

图4是本发明另一实施例提供的车辆控制策略测试系统的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的车辆控制策略测试系统的信号流示意图。

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明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图3是本发明一实施例提供的车辆控制策略测试系统的结构示意图，如图3所示，包括上位机1、被试子系统2、陪试子系统3、牵引电机4和负载电机5；

所述上位机1、所述被试子系统2和所述陪试子系统3之间通过网络相连接；具体的，上位机1、被试子系统2和陪试子系统3之间通过以太网相连接。

所述被试子系统2包括被试牵引变流器21，所述被试牵引变流器21连接有所述牵引电机4；所述陪试子系统3包括陪试牵引变流器31，所述陪试牵引变流器31连接有所述负载电机5；所述牵引电机4和所述负载电机5之间通过机械连接轴6相连接。

所述上位机1用于分别向所述被试子系统2和所述陪试子系统3发送转矩指令信息；所述被试子系统2接收对应的转矩指令信息，根据对应的转矩指令信息控制所述被试牵引变流器21驱动所述牵引电机4运行，输出转矩以模拟车辆实际运行状态。

所述陪试子系统3接收对应的转矩指令信息，根据对应的转矩指令信息控制所述陪试牵引变流器31驱动所述负载电机5运行，输出转矩并通过所述机械连接轴6向所述牵引电机4传递转矩变化，以模拟在预设路面状况下车辆运行过程中牵引电机4所承受的负载的转矩变化。

进一步地，如图4所示，所述被试子系统2的交流测并联连接多台牵引电机4；所述陪试子系统3的交流测各自连接与所述被试子系统2的交流测牵引电机数量对应的多台负载电机5。

进一步地，如图4所示，所述多台牵引电机4和所述多台负载电机5的数量都为4。

所述被试子系统2包括一个被试牵引变流器21；一个被试牵引变流器21并联连接4台牵引电机4；所述陪试子系统3包括4个陪试牵引变流器31；4个陪试牵引变流器31各自连接一台牵引电机5。

进一步地，所述被试牵引变流器21包括被试牵引变流器控制系统，所述陪试牵引变流器31包括陪试牵引变流器控制系统；

所述被试子系统2用于通过所述被试牵引变流器控制系统接收对应的转矩指令信息，所述陪试子系统3用于通过所述陪试牵引变流器控制系统接收对应的转矩指令信息。

进一步地，所述被试牵引变流器控制系统用于根据对应的转矩指令信息控制所述被试牵引变流器21驱动所述牵引电机4运行，输出转矩以模拟车辆实际运行状态；所述陪试牵引变流器控制系统用于根据对应的转矩指令信息控制所述陪试牵引变流器31驱动所述负载电机5运行，输出转矩并通过所述机械连接轴6向所述牵引电机4传递转矩变化，以模拟在预设路面状况下车辆运行过程中牵引电机4所承受的负载的转矩变化。

进一步地，所述上位机1用于向所述被试子系统2发送转矩指令信息，包括：

车辆运行方向，以及牵引转矩或制动转矩；相应的，所述牵引电机4用于输出牵引转矩或制动转矩，以模拟车辆实际运行状态包括前向牵引、前向制动、后向牵引和后向制动。

进一步地，所述上位机1用于接收所述被试子系统2通过传感器获取的各机械连接轴6的实际轴速；根据车体动力学模型和所述实际轴速计算得到与各机械连接轴6相连的负载电机5的牵引转矩或制动转矩；

所述负载电机5用于输出牵引转矩或制动转矩，以模拟在预设路面状况下车辆运行过程中牵引电机4所承受的负载的转矩变化。车体动力学模型可以包括后续具体实施步骤中的等效车轮转动模型和电机转动模型等。

进一步地，所述上位机1预先部署Labview软件，采用所述Labview软件在所述上位机1中构建测试系统操作界面，测试系统操作界面对应图4中的上位机操作界面。

进一步地，通过所述测试系统操作界面分别向所述被试子系统2和所述陪试子系统3发送转矩指令信息。

进一步地，如图4所示，所述被试子系统2的直流侧和所述陪试子系统3的直流侧接入直流供电网。

该车辆控制策略测试系统以能量互馈对拖试验平台为基础，其中被试子系统2与陪试子系统3均工作于转矩控制模式。

其中，如图4所示，被试子系统2包括集成待测试防滑/防空转控制策略的真实的被试牵引变流器21，直流侧接入直流供电网，交流侧连接4台并联被试的牵引电机4；陪试子系统3包括4台陪试牵引变流器31，直流侧接入直流供电网，交流侧各自连接对应的陪试的负载电机5；被试牵引变流器21驱动的被试的牵引电机4与陪试牵引变流器31驱动的陪试的负载电机5各自对应，并通过机械连接轴6相连接，机械连接轴6所发挥的轴转矩直接为被试的牵引电机4提供负载转矩，这相当于实际车辆轮轨接触面的黏着现象，为车轮提供的黏着力折合到电机侧的等效电机负载转矩。

因此，利用上位机操作界面通过以太网分别向被试牵引变流器控制系统和陪试牵引变流器控制系统发送不同转矩指令信息，控制被试子系统2模拟车辆实际运行状态，同时实时控制陪试的负载电机5输出不同转矩从而改变机械连接轴6的转矩值，即相当于模拟车辆实际运行过程中，路面状态发生变化的情况。最后通过观测车辆控制策略测试系统的机械连接轴6的转速以及被试的牵引电机4输出转矩的变化，就可以检验集成于被试子系统2中的，实际被试牵引变流器21中的防滑/防空转控制策略的有效性。

车辆控制策略测试系统中上位机操作界面输出方向、转矩指令通过以太网发送至被试牵引变流器控制系统，从而驱动并联的牵引电机4进行前向牵引、前向制动、后向牵引、后向制动，从而模拟车辆实际运行状态。

同时，采用模型与数据混合驱动的方式，实现车辆在不同路面状态下的轮轨关系以及路面状态的突变和恢复过程，其本质为如图2所示的黏着特性曲线，即蠕滑速度与黏着特性曲线的实时变化，并以此为基础构建车体动力学模型，计算实时车体运行速度。

通过以太网接收被试子系统2通过传感器获取的各机械连接轴6的实际轴速，结合车体动力学模型，最终向陪试子系统3中的各陪试牵引变流器控制系统发送转矩指令，从而分别驱动各陪试的负载电机5发挥牵引转矩或者制动转矩，从而间接控制机械连接轴6的轴转矩，模拟在预设路面状况下车辆运行过程中的转矩变化。

被试牵引变流器控制系统根据上位机操作界面发送的指令，驱动被试的牵引电机4运行，发挥相应的转矩，其集成的防滑/防空转控制策略根据实际情况发挥作用。

陪试子系统3中的各陪试牵引变流器控制系统根据上位机操作界面发送的指令，驱动陪试的负载电机5运行，发挥相应的转矩，通过机械连接轴6向牵引电机4传递转矩变化，为被试的牵引电机4提供负载转矩。

本发明实施例提供的车辆控制策略测试系统，包括上位机、被试子系统、陪试子系统、牵引电机和负载电机；所述上位机、所述被试子系统和所述陪试子系统之间通过网络相连接；所述被试子系统包括被试牵引变流器，所述被试牵引变流器连接有所述牵引电机；所述陪试子系统包括陪试牵引变流器，所述陪试牵引变流器连接有所述负载电机；所述牵引电机和所述负载电机之间通过机械连接轴相连接；能够针对车辆控制策略进行精准和全面的基础功能和性能测试。

本发明实施例技术方案的特点主要体现在如下几个方面：

1)利用能量回馈对拖试验平台，通过控制陪试的负载电机输出的转矩实现对机械连接轴的转矩的实时调节，从而模拟实际车辆运行过程中路面状态发生变化的情况，进而直接针对集成防滑/防空转控制策略的实际牵引变流器进行基础功能和性能测试。

2)上位机操作界面采用数据与模型混合驱动的方式，设计不同车辆在不同路面状态下的轮轨关系以及路面状态的突变和恢复过程，并建立车体动力学模型，通过控制陪试子系统中的各牵引变流器，并驱动负载电机输出不同的转矩，实现全面且精准可控的测试。

3)常规的能量回馈对拖试验平台，通常被试子系统和陪试子系统一个工作于转矩闭环控制，另一个工作于转速闭环控制，本发明测试系统将两个子系统均运行于转矩闭环控制模式，由上位机自动协调工作，模拟轮轨关系。

对比数字仿真测试以及整车实际线路喷洒减摩液测试具有以下优点：

1)利用能量回馈对拖试验平台，直接针对集成防滑/防空转控制策略的实际牵引变流器进行基础功能和性能测试，与数字仿真测试相比，被测控制策略运行于真实环境，解决了仿真测试中控制策略模型在信号数字延迟、算法执行周期、输出脉冲精度等方面与实际控制策略的不一致问题，并且实现了控制系统软硬件同时测试的需求。

2)集成防滑/防空转控制策略的实际牵引变流器的控制对象为实际牵引电机，与数字仿真测试相比消除了变流器、直流侧回路、牵引电机的建模误差，提升了测试的准确性。

3)本发明测试系统以能量回馈对拖试验平台为基础，在地面实验室就可以完成，与整车实际线路喷洒减摩液测试方法相比，无需将牵引变流器装车，无需其它系统配合，因此，测试条件简单，测试操作方便、测试成本低。

4)本发明测试系统以能量回馈对拖试验平台为基础，被试子系统把电能转换为机械能传递给陪试子系统，陪试子系统把获得的机械能转换为电能通过直流母线返给被试子系统，反之亦然，进而实现能量在整套系统内部循环。与整车实际线路喷洒减摩液测试方法相比，对直流电网影响小且电能消耗少，整个系统的能量消耗只是各个主回路、控制部分器件的损耗和各电机内部损耗。

5)本发明测试系统采用数据与模型混合驱动的方式，设计不同车辆在不同路面状态下的轮轨关系以及路面状态的突变和恢复过程，并建立车体动力学模型。与整车实际线路喷洒减摩液测试方法相比测试更为全面，且测试工况可精准控制。

下面对本发明实施例车辆控制策略测试系统具体实施步骤作如下说明：

本发明实施例车辆控制策略测试系统的信号流，如图5所示，采用Labview软件在上位机中构建测试系统操作界面，模拟车辆司空台，向被试牵引变流器控制系统发送：方向及牵引/制动力指令。被试牵引变流器控制系统根据指令驱动被试牵引电机开始运行于指定工况(不同转矩下的正向牵引、正向制动、反向牵引、反向制动)，并将当前各被试牵引电机的实际转速对应的轮轴旋转速度发送至以太网共享。轮轴旋转速度计算公式如下：

其中，轮轴旋转速度v_w单位为km/h，r为车轮半径，R_g为车辆齿轮箱传动比，ω_m为被试子系统牵引变流器通过速度传感器采集获取的连接轴速，即被试牵引电机机械角速度。

上位机测试系统操作界面采用模型与数据混合驱动的方式，设计不同车辆在不同路面状态下的轮轨关系以及路面状态的突变和恢复过程。轮轨关系模型建立如下：

根据轨道交通车辆在实际线路不同路面状态下的运行历史数据，例如：各车轴轴速、车辆运行速度、转矩指令值、转矩实际值、车辆转动惯量等，结合干燥、潮湿、油污路面特点，设计各路面状态下的模型参数组合：干燥路面黏着特性曲线(a1、b1、c1、d1)、潮湿路面黏着特性曲线(a2、b2、c2、d2)、油污路面黏着特性曲线(a3、b3、c3、d3)，如图2所示。且每一种路面状态都可以通过微调系数从而设计不同等级状态，例如严重潮湿、中度潮湿以及轻微潮湿。

需要说明的是，a、b、c和d表示不同路面状态下轮轨黏着曲线经验模型的参数，是根据数据分析得到的经验值，a、b、c和d的数值不同表示的黏着曲线就不同，例如图2中三条不同的黏着曲线。

操作界面可以分别针对每个陪试电机设计对应的当路面状态(干燥、潮湿、油污)，确定轮轨关系黏着特性曲线(μ_i,ν_si)，其中。i为陪试负载电机编号。

测试系统操作界面根据测试具体需求，设计不同轮轨关系黏着特性曲线之间的切换方式，从而模拟不同的路面状态突变和恢复过程。

总而言之，上位机操作界面最终通过不断实时切换每个牵引电机对应的轮轨关系黏着特性曲线(μ_i,v_si)来满足全面的测试需求。而切换的顺序、时间都可以提前设计作为测试用例自动完成。

上位机测试系统操作界面通过以太网获取各机械连接轴的轴速，建立车体动力学模型。利用模型输出陪试子系统各牵引变流器的转矩指令值。具体过程如图4所示。

首先，分别利用各轴速v_wi，其中i＝1,2,3,4；与车辆速度ν_t之差计算得到各轴蠕滑速度ν_si，其中i＝1,2,3,4。既而可以利用上述通过模型与数据混合驱动得到的当路面状态轮轨关系黏着特性曲线(μ_i,ν_si)，通过查表的方式得到各轴当前黏着系数μ_i,其中i＝1,2,3,4。

其次，结合车辆单节动车质量计算得到各轴对应的黏着力，以车控(一台被试牵引变流器同时驱动4台并联电机)轨道交通车辆为例，单动轴轮轨间黏着力计算公式如下：

F_adi＝μ_i×M_MG×g

式中，

为一单轴所承担的该节动车自身质量与载荷质量之和；M_M表示单节动车质量；M_L表示单节动车/拖车载荷质量；g则为重力加速度；所计算得到的轮轨间黏着力F_adi,其中i＝1,2,3,4；既为单台电机为车辆所提供的牵引力或制动力，单纯针对车体而言，其在车辆牵引过程中，表现为动力，在制动过程中则表现为阻力。

而根据作用力与反作用力原理可知，如果针对车轮进行受力分析，F_adi则恒为阻碍车轮转动趋势的阻力，因此，各等效车轮转动模型下如所示：

T_wi＝T_ei×R_g

ω_wi＝ν_wi×r

式中，J_w—车轮转矩惯量；r—车轮半径；R_g—齿轮箱传动比；ω_wi—车轮旋转角速度；T_ei—电机电磁转矩；T_wi—车轮动力转矩。

之后，结合车辆齿轮传动比以及车轮半径，建立各电机转动模型为：

式中，J_e—电机转矩惯量；ω_mi其中i＝1,2,3,4—为机械连接轴速；T_si—连接轴转矩，即模拟由于轮轨间黏着力而产生的牵引电机负载转矩。

最终根据下面的公式，计算得到陪试子系统各牵引变流器的输出转矩指令值T_Li，其中i＝1,2,3,4。通过以太网发送至陪试子系统各牵引变流器控制系统。

同时，考虑车辆自身构架具有n_M节动车、n_T节拖车，共4×n_M根动轴，定义拖车质量与负载质量之和为M_TG，结合风阻与其它动轴黏着力共同计算得到车辆速度。

F_adi＝μ_i×M_MG×g i＝1,2,3，4

F_d＝(27+0.0042ν_t ²)×(n_M×M_MG+n_T×M_TG)

式中，F_ad1,F_ad2,F_ad3,F_ad4表示测试系统中陪试子系统对应的4台负载电机所提供的模拟黏着力，

为模拟车辆除上述4轴之外其它动轴的黏着力，测试系统默认不发生空转打滑，F_d则为轨道列车运行风阻。

陪试子系统中所有牵引变流器控制系统根据转矩指令T_Li驱动陪试牵引电机开始运行于指定工况(不同转矩下的牵引或者制动)。

本发明测试系统通过实时观测各连接轴转速变化以及被试子系统牵引变流器输出转矩实际值的变化，来判定集成于被试子系统牵引变流器控制系统中的防滑/防空转控制策略的有效性，并全面测试其性能优劣。

本发明实施例还提供一种车辆控制策略测试方法，应用于上述车辆控制策略测试系统，包括：

所述上位机分别向所述被试子系统和所述陪试子系统发送转矩指令信息；

所述被试子系统接收对应的转矩指令信息，根据对应的转矩指令信息控制所述被试牵引变流器驱动所述牵引电机运行，输出转矩以模拟车辆实际运行状态；

所述陪试子系统接收对应的转矩指令信息，根据对应的转矩指令信息控制所述陪试牵引变流器驱动所述负载电机运行，输出转矩并通过所述机械连接轴向所述牵引电机传递转矩变化，以模拟在预设路面状况下车辆运行过程中牵引电机所承受的负载的转矩变化。

其具体说明，可参照上述车辆控制策略测试系统的实施例说明，此处不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种车辆控制策略测试系统，其特征在于，包括上位机、被试子系统、陪试子系统、牵引电机和负载电机；

所述上位机、所述被试子系统和所述陪试子系统之间通过网络相连接；

所述被试子系统包括被试牵引变流器，所述被试牵引变流器连接有所述牵引电机；

所述陪试子系统包括陪试牵引变流器，所述陪试牵引变流器连接有所述负载电机；

所述牵引电机和所述负载电机之间通过机械连接轴相连接；

所述上位机用于分别向所述被试子系统和所述陪试子系统发送转矩指令信息；所述被试子系统接收对应的转矩指令信息，根据对应的转矩指令信息控制所述被试牵引变流器驱动所述牵引电机运行，输出转矩以模拟车辆实际运行状态；

所述陪试子系统接收对应的转矩指令信息，根据对应的转矩指令信息控制所述陪试牵引变流器驱动所述负载电机运行，输出转矩并通过所述机械连接轴向所述牵引电机传递转矩变化，以模拟在预设路面状况下车辆运行过程中牵引电机所承受的负载的转矩变化。

2.根据权利要求1所述的车辆控制策略测试系统，其特征在于，所述被试子系统的交流测并联连接多台牵引电机；所述陪试子系统的交流测各自连接与所述被试子系统的交流测牵引电机数量对应的多台负载电机。

3.根据权利要求2所述的车辆控制策略测试系统，其特征在于，所述多台牵引电机和所述多台负载电机的数量都为44；

所述被试子系统包括一个被试牵引变流器；一个被试牵引变流器并联连接4台牵引电机；

所述陪试子系统包括4个陪试牵引变流器；4个陪试牵引变流器各自连接一台牵引电机。

4.根据权利要求1所述的车辆控制策略测试系统，其特征在于，所述被试牵引变流器包括被试牵引变流器控制系统，所述陪试牵引变流器包括陪试牵引变流器控制系统；

所述被试子系统具体用于通过所述被试牵引变流器控制系统接收对应的转矩指令信息，所述陪试子系统用于通过所述陪试牵引变流器控制系统接收对应的转矩指令信息。

5.根据权利要求4所述的车辆控制策略测试系统，其特征在于，所述被试牵引变流器控制系统用于根据对应的转矩指令信息控制所述被试牵引变流器驱动所述牵引电机运行，输出转矩以模拟车辆实际运行状态；

所述陪试牵引变流器控制系统用于根据对应的转矩指令信息控制所述陪试牵引变流器驱动所述负载电机运行，输出转矩并通过所述机械连接轴向所述牵引电机传递转矩变化，以模拟在预设路面状况下车辆运行过程中牵引电机所承受的负载的转矩变化。

6.根据权利要求1所述的车辆控制策略测试系统，其特征在于，所述上位机用于向所述被试子系统发送转矩指令信息，包括：

车辆运行方向，以及牵引转矩或制动转矩；

相应的，所述牵引电机用于输出牵引转矩或制动转矩，以模拟车辆实际运行状态包括前向牵引、前向制动、后向牵引和后向制动。

7.根据权利要求3所述的车辆控制策略测试系统，其特征在于，所述上位机用于接收所述被试子系统通过传感器获取的各机械连接轴的实际轴速；

根据车体动力学模型和所述实际轴速计算得到与各机械连接轴相连的负载电机的牵引转矩或制动转矩；所述负载电机用于输出牵引转矩或制动转矩，以模拟在预设路面状况下车辆运行过程中牵引电机所承受的负载的转矩变化。

8.根据权利要求1所述的车辆控制策略测试系统，其特征在于，所述上位机预先部署Labview软件，采用所述Labview软件在所述上位机中构建测试系统操作界面。

9.根据权利要求8所述的车辆控制策略测试系统，其特征在于，通过所述测试系统操作界面分别向所述被试子系统和所述陪试子系统发送转矩指令信息。

10.根据权利要求2所述的车辆控制策略测试系统，其特征在于，所述被试子系统的直流侧和所述陪试子系统的直流侧接入直流供电网。

11.一种车辆控制策略测试方法，应用于权利要求1所述的车辆控制策略测试系统，其特征在于，包括：

所述上位机分别向所述被试子系统和所述陪试子系统发送转矩指令信息；

所述被试子系统接收对应的转矩指令信息，根据对应的转矩指令信息控制所述被试牵引变流器驱动所述牵引电机运行，输出转矩以模拟车辆实际运行状态；

所述陪试子系统接收对应的转矩指令信息，根据对应的转矩指令信息控制所述陪试牵引变流器驱动所述负载电机运行，输出转矩并通过所述机械连接轴向所述牵引电机传递转矩变化，以模拟在预设路面状况下车辆运行过程中牵引电机所承受的负载的转矩变化。

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