CN114578726B - 磁浮列车运行仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于轨道交通技术领域，提供了一种磁浮列车运行仿真系统。该系统包括多个仿真机、运行在每个仿真机上的仿真模型和目标控制器；其中各个仿真机之间通讯连接，每个仿真机上运行的仿真模型用于模拟对应的目标控制器连接的被控对象的运行，每个仿真机与对应的目标控制器连接；仿真验证时，仿真机上的仿真模型模拟运行生成仿真数据，并发送给对应的目标控制器，然后接收目标控制器根据仿真数据生成的控制指令，并根据控制指令更新仿真数据，以根据目标控制器对磁浮列车的运行状态进行仿真验证。本发明实施例的磁浮列车运行仿真系统可以模拟真实控制器对磁浮列车的运行状态的控制，从而进行磁浮列车与运行控制的双向验证，验证结果更为精确。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，尤其涉及一种磁浮列车运行仿真系统。
背景技术
磁浮列车作为一种新型轨道交通工具，具有快速、低耗、环保等优点，应用前景十分广阔。在磁浮列车的研发阶段，对磁浮列车及其运行系统进行试验验证对磁浮列车的优化和安全运行至关重要。
目前，磁浮列车的试验验证大多数是对于其运动状态和规律等的研究，只能单一验证磁浮列车的运行能力，未考虑实际运行控制对车辆稳定性等的影响，无法对车辆运行状态进行真实验证，验证结果往往具有与实际运行结果偏差大、失真的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种磁浮列车运行仿真系统，以解决现有技术中磁浮列车的试验验证的验证结果偏差大，无法对车辆运行状态进行真实验证的问题。
本发明实施例第一方面提供了一种磁浮列车运行仿真系统，包括：多个仿真机、运行在每个仿真机上的仿真模型和目标控制器；所述目标控制器包括磁浮列车运行过程中控制所述磁浮列车运行的至少一个真实控制器；
各个仿真机之间通讯连接，每个仿真机上运行的仿真模型用于模拟对应的目标控制器连接的被控对象的运行，每个仿真机与对应的目标控制器连接；
对磁浮列车的运行状态进行仿真验证时，仿真机上的仿真模型模拟运行生成仿真数据，并发送给对应的目标控制器，接收所述目标控制器根据所述仿真数据生成的控制指令，并根据所述控制指令更新所述仿真数据，以根据所述目标控制器对所述磁浮列车的运行状态进行仿真验证。
在一种可能的实现方式中，所述的磁浮列车运行仿真系统，还包括：接口适配器；
所述接口适配器连接在各个仿真机与对应的目标控制器之间，用于实现所述仿真机与对应的目标控制器的接口适配。
在一种可能的实现方式中，所述的磁浮列车运行仿真系统，还包括：第一显示器；
所述第一显示器与各个仿真机基于以太网连接，用于实时显示所述磁浮列车的运行状态。
在一种可能的实现方式中，所述的磁浮列车运行仿真系统，还包括：第二显示器；
所述第二显示器与各个仿真机基于以太网连接，用于显示并记录所述磁浮列车的运行状态对应的仿真数据，并控制各个仿真机中的仿真模型。
在一种可能的实现方式中，所述目标控制器包括运行控制器、牵引控制器和悬浮控制器；所述仿真模型包括车辆动力学仿真模型、运控仿真模型、牵引仿真模型和悬浮仿真模型；
所述仿真机上的仿真模型模拟运行生成仿真数据，并发送给对应的目标控制器，接收所述目标控制器根据所述仿真数据生成的控制指令，并根据所述控制指令更新所述仿真数据，包括：
所述车辆动力学仿真模型，用于基于动力学模型运行模拟车辆，根据所述模拟车辆的运行状态向所述悬浮控制器发送悬浮信息仿真数据，向所述运控仿真模型和所述牵引控制器发送速度位置仿真数据；
所述悬浮控制器，用于向所述运控仿真模型发送悬浮状态信息，以及根据所述悬浮信息仿真数据调整所述悬浮仿真模型输出的悬浮力仿真数据；
所述运行控制器，用于根据所述运控仿真模型获得的悬浮状态信息和速度位置仿真数据确定运行控制指令并发送给所述牵引控制器；
所述牵引控制器，用于根据所述运行控制指令和所述速度位置仿真数据调整所述牵引仿真模型输出的牵引力仿真数据；
所述车辆动力学仿真模型，还用于根据所述悬浮力仿真数据以及所述牵引力仿真数据调整所述模拟车辆的运行状态，以更新所述悬浮信息仿真数据和所述速度位置仿真数据。
在一种可能的实现方式中，所述悬浮仿真模型包括：悬浮斩波器模型和电磁力模型；所述悬浮力仿真数据包括悬浮力和导向力；
所述悬浮控制器，用于根据所述悬浮信息仿真数据生成悬浮控制指令并发送给所述悬浮斩波器模型；
所述悬浮斩波器模型，用于根据所述悬浮控制指令转换得到悬浮电流；
所述电磁力模型，用于根据所述悬浮电流和所述悬浮信息仿真数据计算输出所述悬浮力和所述导向力。
在一种可能的实现方式中，所述悬浮仿真模型还包括：线路谱计算模型；
所述线路谱计算模型，用于产生线路谱干扰仿真数据并发送给所述车辆动力学仿真模型；
所述车辆动力学仿真模型，还用于根据所述线路谱干扰仿真数据调整所述模拟车辆的运行状态，以更新所述悬浮信息仿真数据和所述速度位置仿真数据。
在一种可能的实现方式中，所述牵引控制器包括电机控制单元MCU和变流器控制单元CCU；所述牵引仿真模型包括：测速定位MCU接口模型、变流器模型和直线电机模型；所述牵引力仿真数据包括牵引力和法向力；
所述测速定位MCU接口模型，用于将所述速度位置仿真数据转换为磁极相角并发送给所述电机控制单元MCU；
所述电机控制单元MCU，用于根据所述磁极相角计算所述模拟车辆的实际速度，并根据所述运行控制指令和所述实际速度计算电流设定值并发送给所述变流器控制单元CCU；
所述变流器控制单元CCU，用于根据所述电流设定值生成牵引控制指令并发送给所述变流器模型；
所述变流器模型，用于根据所述牵引控制指令产生牵引电压并发送给所述直线电机模型；
所述直线电机模型，用于根据所述牵引电压计算输出所述牵引力和所述法向力。
在一种可能的实现方式中，所述运控仿真模型包括VSC与车辆以太网接口模型和测速定位DSC接口模型，所述运行控制器包括中央运行控制器、分区安全计算机DSC和车载安全计算机VSC；所述分区安全计算机DSC与所述牵引控制器及所述模拟车辆所处的轨道分区一一对应；
所述VSC与车辆以太网接口模型，用于接收所述悬浮控制器发送的悬浮状态信息并进行解析，将解析后的悬浮状态信息发送给所述车载安全计算机VSC；
所述测速定位DSC接口模型，用于接收所述车辆动力学仿真模型发送的速度位置仿真数据并进行处理，将处理后的速度位置仿真数据发送给所述分区安全计算机DSC；
所述车载安全计算机VSC，用于根据所述解析后的悬浮状态信息及车辆安全相关信息确认所述模拟车辆的状态是否安全，并在所述模拟车辆的状态安全时向所述分区安全计算机DSC发送车辆安全信息；
所述分区安全计算机DSC，用于将处理后的速度位置仿真数据发送给所述中央运行控制器；
所述中央运行控制器，用于接收所述处理后的速度位置仿真数据，根据所述处理后的速度位置仿真数据生成初始运行指令并发送给所述分区安全计算机DSC；
所述分区安全计算机DSC，用于根据所述车辆安全信息、所述处理后的速度位置仿真数据和所述初始运行指令确定目标运行指令并发送给对应的所述牵引控制器中的所述电机控制单元MCU。
在一种可能的实现方式中，所述中央运行控制器，还用于根据所述处理后的速度位置仿真数据确定所述模拟车辆是否位于待切换位置区间，并在所述模拟车辆位于所述待切换位置区间时，向下一轨道分区对应的分区安全计算机DSC发送接管指令，以便下一轨道分区对应的分区安全计算机DSC生成运行指令并发送给对应的所述牵引控制器中的所述电机控制单元MCU。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例的磁浮列车运行仿真系统包括多个仿真机、运行在每个仿真机上的仿真模型和目标控制器；其中各个仿真机之间通讯连接，每个仿真机上运行的仿真模型用于模拟对应的目标控制器连接的被控对象的运行，每个仿真机与对应的目标控制器连接；对磁浮列车的运行状态进行仿真验证时，仿真机上的仿真模型模拟运行生成仿真数据，并发送给对应的目标控制器，然后接收目标控制器根据仿真数据生成的控制指令，并根据控制指令更新仿真数据，以根据目标控制器对磁浮列车的运行状态进行仿真验证。由于目标控制器包括磁浮列车运行过程中控制磁浮列车运行的至少一个真实控制器，因此根据本发明实施例的磁浮列车运行仿真系统可以模拟真实控制器对磁浮列车的运行状态的控制，从而进行磁浮列车与运行控制的双向验证，得到更为精确且更接近于实际运行结果的验证结果，由于无需对磁浮列车进行全虚拟仿真，因此可以在达到仿真设计的精度要求的前提下，提升仿真计算速率，降低对仿真设备配置的要求，有较好的实时性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的磁浮列车运行仿真系统的结构示意图；
图2是本发明另一实施例提供的磁浮列车运行仿真系统的结构示意图；
图3是本发明另一实施例提供的磁浮列车运行仿真系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的磁浮列车运行仿真系统的200km/h模拟运行过程示意图；
图5是本发明实施例提供的磁浮列车分区运行过程示意图；
图6是本发明实施例提供的磁浮列车分区运行的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
正如前文所述，随着磁浮技术的发展，目前已有采用双侧驱动方式的磁浮列车(例如以德国TR系列为代表的高速磁浮列车和以日本HSST系列为代表的低速磁浮列车)和采用永磁直线同步电机在车体中间驱动的中速磁浮列车。在磁浮列车正式投运之前，往往需要对磁浮列车及相关的运行系统进行测试，以对磁浮列车进行优化，保证磁浮列车的安全运行。
发明人发现，在现有技术中，磁浮列车的试验验证要么是通过全虚拟仿真，对磁浮列车的运动状态和规律等进行研究；要么是通过真实试验线路对磁浮列车进行试验验证。然而，通过全虚拟仿真通常只能单一验证磁浮列车的运行能力，无法验证实际的运行控制对磁浮列车的影响，而真实试验线路一方面造价高昂，成本较高，另一方面对于某种类型的磁浮列车，例如采用永磁直线同步电机在车体中间驱动的中速磁浮列车，其一部分设备在地面，且长定子铺设在轨道上，需要足够长的试验线路来满足中速磁浮列车的分区切换、最高时速等相关技术验证需求，然而现有的试验线路仅140米，无法实现中速磁浮列车的全系统试验验证。
针对上述问题，本发明实施例提供了一种磁浮列车运行仿真系统，如图1所示，该磁浮列车运行仿真系统包括：多个仿真机、运行在每个仿真机上的仿真模型和目标控制器；其中，目标控制器包括磁浮列车运行过程中控制磁浮列车运行的至少一个真实控制器。
其中，各个仿真机之间通讯连接，每个仿真机上运行的仿真模型用于模拟对应的目标控制器连接的被控对象的运行，每个仿真机与对应的目标控制器连接。
对磁浮列车的运行状态进行仿真验证时，仿真机上的仿真模型模拟运行生成仿真数据，并发送给对应的目标控制器，接收目标控制器根据仿真数据生成的控制指令，并根据控制指令更新仿真数据，以根据目标控制器对磁浮列车的运行状态进行仿真验证。
其中，仿真机可以包括Concurrent仿真机和HiGale仿真机，Concurrent仿真机可以实时运行磁浮列车的车辆多体Simpack动力学模型，HiGale仿真机可以运行磁浮列车对应的其他目标控制器对应的被控对象的仿真模型。
本发明实施例提供的磁浮列车运行仿真系统，通过加入目标控制器实物，构成仿真-实物耦合的半实物仿真平台，利用半实物仿真平台，将磁浮列车运行过程中控制磁浮列车运行的真实控制器引入到仿真回路，将真实控制器的被控对象用仿真模型代替，从而实现磁浮列车对应的真实控制器与磁浮列车对应的仿真模型之间运行控制的双向验证，提高磁浮列车运行仿真系统的置信水平，得到更为精确且更接近于实际运行结果的验证结果，且无需真实试验线路，通过真实控制器及对应的仿真模型即可实现磁浮列车的全系统验证。进一步的，由于无需对磁浮列车进行全虚拟仿真，因此可以在达到仿真设计的精度要求的前提下，提升仿真计算速率，降低对仿真设备配置的要求，有较好的实时性。
可选的，磁浮列车运行仿真系统还可以包括接口适配器。
其中，接口适配器连接在各个仿真机与对应的目标控制器之间，用于实现仿真机与对应的目标控制器的接口适配。
示例性的，接口适配器可以为信号调理BOB接口箱，方便外部被测设备(即目标控制器)与测试平台(即仿真机)之间的连接。
可选的，磁浮列车运行仿真系统还可以包括第一显示器。
其中，第一显示器与各个仿真机基于以太网连接，用于实时显示磁浮列车的运行状态。
本实施例中，第一显示器可以构成视景系统，观测车辆实时运行动画，显示磁浮列车不同的运行场景。例如，该磁浮列车运行仿真系统可以与中速磁浮列车现有的试验线路结合，第一显示器可以显示现有试验线真实运行场景、试验线模拟运行场景、分区最高时速200公里模拟运行场景等。现有试验线可以通过四路HDMI信号(分别为显示牵引、健康管理、悬浮、车辆其他系统状态数据的视景信号、显示车内及司机室摄像头画面的PIS信号、显示线路摄像头画面信号和中央运控的控制画面信号)连接到第一显示器进行显示。
可选的，磁浮列车运行仿真系统还可以包括第二显示器。
其中，第二显示器与各个仿真机基于以太网连接，用于显示并记录磁浮列车的运行状态对应的仿真数据，并控制各个仿真机中的仿真模型。
本实施例中，第二显示器可以构成试验管理系统，各个仿真机将仿真数据实时发送给试验管理系统进行存储，试验管理系统对仿真数据进行分析，自动生成试验结果。且通过试验管理系统对各个仿真机的控制，可以实现某些故障输入模拟，例如可以通过修改或配置仿真模型的方式仿真故障信号，在仿真模型反馈给目标控制器实物的信号(即仿真数据)中注入故障，实现软件故障输入模拟；或者在仿真模型中做总线的故障模拟，每帧数据可以延时步长的整数倍，以及通过使能模块来实现中断功能，验证被测设备的处理机制等。
可选的，参见图2-图3，目标控制器可以包括运行控制器、牵引控制器和悬浮控制器；仿真模型可以包括车辆动力学仿真模型、运控仿真模型、牵引仿真模型和悬浮仿真模型。
仿真机上的仿真模型模拟运行生成仿真数据，并发送给对应的目标控制器，接收目标控制器根据仿真数据生成的控制指令，并根据控制指令更新仿真数据，可以包括：
车辆动力学仿真模型，用于基于动力学模型运行模拟车辆，根据模拟车辆的运行状态向悬浮控制器发送悬浮信息仿真数据，向运控仿真模型和牵引控制器发送速度位置仿真数据。
悬浮控制器，用于向运控仿真模型发送悬浮状态信息，以及根据悬浮信息仿真数据调整悬浮仿真模型输出的悬浮力仿真数据。
运行控制器，用于根据运控仿真模型获得的悬浮状态信息和速度位置仿真数据确定运行控制指令并发送给牵引控制器。
牵引控制器，用于根据运行控制指令和速度位置仿真数据调整牵引仿真模型输出的牵引力仿真数据。
车辆动力学仿真模型，还用于根据悬浮力仿真数据以及牵引力仿真数据调整模拟车辆的运行状态，以更新悬浮信息仿真数据和速度位置仿真数据。
本实施例中，车辆动力学仿真模型可以运行在Concurrent仿真机上，悬浮仿真模型可以运行在HiGale仿真机6上，牵引仿真模型可以运行在HiGale仿真机1-3上，运控仿真模型也可以运行在HiGale仿真机1-3上，还可以增加HiGale仿真机4-5，用于模拟运行控制器的对外接口模型，以模拟多分区多车同时运行，实现磁浮列车交通系统真实运用场景模拟，验证运行控制器的协调监控、模式控制、自动调度、集中诊断等功能，实现磁浮列车运量、能耗、追踪时间间隔等运行场景仿真模拟。仿真机之间利用反射内存光纤组成环网，实现数据的共享。
利用上述运行控制器、牵引控制器和悬浮控制器以及运行在仿真机上的车辆动力学仿真模型、运控仿真模型、牵引仿真模型和悬浮仿真模型构成磁浮列车运行仿真系统，对磁浮列车的运行状态进行仿真验证时，首先悬浮控制器向运控仿真模型中的VSC与车辆以太网接口模型发送的悬浮状态信息(表示磁浮列车目前是否悬浮的信息)，车辆动力学仿真模型向运控仿真模型中的测速定位DSC接口模型发送初始位置仿真数据(即速度位置仿真数据)。然后，VSC与车辆以太网接口模型对接收的悬浮状态信息进行解析并将解析后的悬浮状态信息发送给运行控制器中的车载安全计算机VSC，测速定位DSC接口模型对接收的初始位置仿真数据进行处理，并将处理后的初始位置仿真数据发送给运行控制器中对应的分区安全计算机DSC。然后，车载安全计算机VSC根据解析后的悬浮状态信息及车辆安全相关信息(如车门状态、制动状态等车辆安全相关信息)确认车辆动力学仿真模型对应的模拟车辆是否安全，并在模拟车辆的状态安全时向分区安全计算机DSC发送车辆安全信息。然后，分区安全计算机DSC可以将处理后的初始位置仿真数据发送给运行控制器中的中央运行控制器，以便于中央运行控制器根据磁浮列车的初始位置仿真数据和目标位置生成初始运行指令(该初始运行指令可以包括排进路、开关门和发车等指令)并发送给分区安全计算机DSC，分区安全计算机DSC根据车辆安全信息确认安全后，根据接收的速度位置仿真数据和初始运行指令可以向牵引控制器中的电机控制单元MCU发送列车运行模式、车辆参数、速度曲线、目的地以及允许最大加速度限制等目标运行指令。电机控制单元MCU根据接收到的运行控制指令计算该次运行的速度位置运行曲线。
在列车运行期间，MCU实时地从运行控制器和运控仿真模型构成的运行控制分系统接收模拟车辆当前的位置和速度值作为牵引分系统(牵引控制器和牵引仿真模型构成)的参考值，同时向运行控制分系统发送车辆当前位置、当前速度、当前加速度等信息。具体地，车辆动力学模型将模拟车辆的实际位置发送给测速定位接口MCU模型，测速定位接口MCU模型转换成磁极相角发送给MCU，MCU从仿真机中的测速定位接口MCU模型接收车辆当前的实际位置作为反馈值，并计算实际速度，将实际速度、位置参考速度(可以根据速度位置运行曲线确定)、位置对比实现速度及位置闭环控制。
同时，MCU根据列车运行时的运行控制指令和计算得到的实际速度完成电流设定值的计算，并传送给变流器控制单元CCU，CCU执行控制，发送PWM波(即牵引控制指令)控制变流器模型产生的牵引电压，进而控制电机模型输出的牵引力和法向力。同时变流器模型高速运行在FPGA模块内，实时计算出电机电流等数据反馈至CCU中，CCU根据电流设定值和反馈进行电流的闭环控制；CCU则根据电流控制器的输出，确定变流器的开关状态和触发信号，最终实现对电流的控制。
电机模型输出的牵引力和法向力给发送给车辆动力学模型，车辆动力学模型将力施加在模拟车辆上，使模拟车辆发生姿态变化，同时将模拟车辆的实际位置和速度发给测速定位接口MCU模型和测速定位DSC接口模型，测速定位接口MCU模型将其转换成磁极相角发送给MCU，测速定位DSC接口模型将位置和速度发送给DSC，最终实现模拟车辆与各个真实控制器的双向闭环控制。
可选的，悬浮仿真模型可以包括：悬浮斩波器模型和电磁力模型；悬浮力仿真数据可以包括悬浮力和导向力。
悬浮控制器，用于根据悬浮信息仿真数据生成悬浮控制指令并发送给悬浮斩波器模型。
悬浮斩波器模型，用于根据悬浮控制指令转换得到悬浮电流。
电磁力模型，用于根据悬浮电流和悬浮信息仿真数据计算输出悬浮力和导向力。
本实施例中，悬浮控制器与磁浮列车真实的悬浮控制器功能一样，通常包含电源模块、悬浮控制计算机、传感器处理板等，电源模块给悬浮控制计算机、传感器处理板等供电。上述磁浮列车运行仿真系统运行时，车辆动力学仿真模型运行在Concurrent仿真机上，在车辆动力学模型的各悬浮点建立了传感器，测量各悬浮点的悬浮间隙、横向偏移、垂向加速度等悬浮信息仿真数据并发送给传感器处理板，传感器处理板将其转换成数字信号输出给悬浮控制计算机，悬浮控制计算机对输入的信息进行处理，并在主控板上运行悬浮控制算法，得到所需的PWM波(即悬浮控制指令)；悬浮斩波器模型根据悬浮控制指令转换得到悬浮电流，电磁力模型根据悬浮电流及悬浮信息仿真数据中的悬浮间隙、横向偏移等计算出悬浮力和导向力，并将悬浮力和导向力通过反射内存网传送给Concurrent仿真机上的车辆动力学仿真模型，同时，涡流效应模型根据车辆运行速度、悬浮电流、悬浮间隙等计算出车辆运行方向最前端电磁铁的电磁力。车辆动力学仿真模型模拟的模拟车辆在电磁力(包括悬浮力、导向力等)的作用下产生运动，车辆的运动会改变悬浮间隙、横向偏移、悬浮模块的垂向和横向加速度等悬浮信息仿真数据，这些悬浮信息仿真数据又反馈给悬浮控制器继续上述处理过程，实现悬浮闭环控制。
除此之外，还可以仿真设置曲线路段，通过车辆动力学仿真模型研究侧导向滑橇相对轨道横移量、驻车滑橇导轨道垂向间隙、空簧高度等变化，分析模拟车辆的曲线通过安全性。还可以仿真生成轨道不平顺线路数据，在100km/h-200km/h仿真速度范围内，通过车辆动力学仿真模型仿真得到横向及垂向加速度信号，按照标准规定的计算方法计算得到各个加速度信号对应的Sperling指数，验证模拟车辆对应的横向及垂向平稳性指标。
可选的，悬浮仿真模型还可以包括：线路谱计算模型。
线路谱计算模型，用于产生线路谱干扰仿真数据并发送给车辆动力学仿真模型。车辆动力学仿真模型，还用于根据线路谱干扰仿真数据调整模拟车辆的运行状态，以更新悬浮信息仿真数据和速度位置仿真数据。
本实施例中，设置线路谱计算模型后，车辆动力学仿真模型可以实时将加入线路谱干扰后的列车悬浮间隙即加速度等反馈给悬浮控制器，实现悬浮闭环控制。
可选的，牵引控制器可以包括电机控制单元MCU和变流器控制单元CCU；牵引仿真模型可以包括：测速定位MCU接口模型、变流器模型和直线电机模型；牵引力仿真数据可以包括牵引力和法向力。
测速定位MCU接口模型，用于将速度位置仿真数据转换为磁极相角并发送给电机控制单元MCU。
电机控制单元MCU，用于根据磁极相角计算模拟车辆的实际速度，并根据运行控制指令和实际速度计算电流设定值并发送给变流器控制单元CCU。
变流器控制单元CCU，用于根据电流设定值生成牵引控制指令并发送给变流器模型。
变流器模型，用于根据牵引控制指令产生牵引电压并发送给直线电机模型。
直线电机模型，用于根据牵引电压计算输出牵引力和法向力。
其中，变流器模型可以分为输入开关柜模型、中间电路模型、逆变器模型、输出开关柜模型等，将变流器模型分为输入开关柜模型、中间电路模型、逆变器模型、输出开关柜模型等，可以更精确地实现变流器模型的模拟。
结合图2中磁浮列车运行仿真系统所包含的设备，联合真实试验线同时运行，真实试验线可以达到50km/h试验速度，最大加速度1.5m/s2，利用真实试验线的试验数据，可以对磁浮列车运行仿真系统中50km/h及以下速度区间的模型参数进行标定和修正，完善磁浮列车运行仿真系统中的仿真模型。
可选的，运控仿真模型可以包括VSC与车辆以太网接口模型和测速定位DSC接口模型，运行控制器可以包括中央运行控制器、分区安全计算机DSC和车载安全计算机VSC；其中，分区安全计算机DSC与牵引控制器及模拟车辆所处的轨道分区一一对应。
VSC与车辆以太网接口模型，用于接收悬浮控制器发送的悬浮状态信息并进行解析，将解析后的悬浮状态信息发送给车载安全计算机VSC。
测速定位DSC接口模型，用于接收车辆动力学仿真模型发送的速度位置仿真数据并进行处理，将处理后的速度位置仿真数据发送给分区安全计算机DSC。
车载安全计算机VSC，用于根据解析后的悬浮状态信息及车辆安全相关信息确认模拟车辆的状态是否安全，并在模拟车辆的状态安全时向分区安全计算机DSC发送车辆安全信息。以与DSC配合实现磁浮列车的运行指挥和安全防护。
分区安全计算机DSC，用于将处理后的速度位置仿真数据发送给中央运行控制器。
中央运行控制器，用于接收处理后的速度位置仿真数据，根据处理后的速度位置仿真数据生成初始运行指令并发送给分区安全计算机DSC。
分区安全计算机DSC，用于根据车辆安全信息、处理后的速度位置仿真数据和初始运行指令确定目标运行指令并发送给对应的牵引控制器中的电机控制单元MCU。以与VSC配合实现磁浮列车的运行指挥和安全防护。
可选的，中央运行控制器，还可以用于生成磁浮列车运行所需的其他控制指令。例如释放牵引指令等。
可选的，中央运行控制器，还可以用于根据处理后的速度位置仿真数据确定模拟车辆是否位于待切换位置区间，并在模拟车辆位于待切换位置区间时，向下一轨道分区对应的分区安全计算机DSC发送接管指令，以便下一轨道分区对应的分区安全计算机DSC生成运行指令并发送给对应的牵引控制器中的电机控制单元MCU。
本实施例中，由于磁浮列车是通过车辆轨道之间的悬浮磁场与相关的牵引设备中的电流相互作用产生的电磁力推动车辆运行的，因此需要向牵引设备提供电能以实现车辆的运行。但是，由于车辆在一定时间内运行的距离有限，如果在车辆运行时持续向整条线路提供电能，一是会导致电能的浪费，二是对于牵引设备的性能要求较高，难以满足对于车辆控制的需要。所以，可以理解的是，可以将整条线路进行划分，采用分段的供电方式，向车辆运行相关的区间供电，可以实现降低线路损耗、提升牵引性能，可以更好的控制车辆运行，所以在实际的磁浮列车的运行线路中是具有轨道分区的，每个轨道分区中具有对应的牵引设备。轨道分区与分区安全计算机DSC、牵引控制器等一一对应。
如图3所示的磁浮列车运行仿真系统的结构，为进行两分区最高时速200公里模拟运行所需的设备。利用这些设备，可以按照图4所示，实现两分区中速磁浮列车加速、达速巡航、减速停车全过程的模拟。具体地，首先，模拟车辆受运行控制分系统与牵引分系统的控制，启动加速运行，到达200km/h后维持运行；最后，模拟车辆在系统控制下减速停止。在此基础上，还可以验证定子段切换控制、牵引及运控分区切换控制、安全防护、道岔控制，实现最大爬坡能力(70‰)、最小转弯半径(100m)、牵引效率仿真模拟(提高20％)、故障模拟(过压、过流、IGBT反馈、输入输出开关柜故障)等的验证。
示例性的，如图5所示，实际磁浮列车运行时，在定子段切换过程中，首先闭合列车即将进入的定子段开关，当列车彻底驶离前一定子段时，再关断与驶离定子段相连的开关。
利用本发明实施例提供的磁浮列车运行仿真系统进行分区切换控制模拟时，结合图3和图6，在进行分区切换时，测速定位接口MCU模型同时将计算得到的位置速度角度等量，通过以太网通信，同步地发给两个MCU，MCU再根据收到的这些量，进行控制计算，最后将计算控制数据给CCU，由两个分区的CCU执行控制，即发出PWM波控制变流器产生的牵引电压，进而控制电机。
示例性的，可以设置每个轨道分区全长4600米，即每隔4600米为一个分区切换点，可以将(分区切换点-200，分区切换点)设置为待切换位置区间。具体分区切换过程为：在分区1，MCU1主控，电机模型运行在两分区仿真机柜1中，列车按一定加速度加速到200km/h后匀速运行，4100米-4600米为分区1的第8定子段(即分区1最后一个定子段)，此时变流器1关断，变流器2运行。在进行分区切换时，分区2第9定子段会在列车运行到距切换点200米的时刻提前起电流，即在列车运行至4400米时，分区2变流器1开始运行，测速定位接口MCU模型同时将计算得到的位置速度角度等量，通过以太网通信，同步地发给两个MCU，MCU再根据收到的这些量，进行控制计算，最后将计算控制数据给CCU，由两个分区的CCU执行控制，即发出PWM波控制分区1的变流器2和分区2的变流器1，进而控制电机。分区1变流器2电流逐渐减小，分区2变流器1电流逐渐增加，两者之和为电流指令值，分区2变流器1电流在4573(即4600-27)米前达到电流指令值。4573-4600米为MCU1和MCU2共同牵引，4600米后由分区2的MCU2单独牵引，分区切换完成。
结合图2和图3构成的磁浮列车运行仿真系统，还可以进行故障注入模拟，例如可以模拟列车超速的故障工况。具体地，可以更改MCU中目标速度，使其超过DSC发送的最大速度，模拟列车超速运行。此时可以通过第二显示器观察DSC是否能根据测速定位DSC接口模型发来的实时速度，判断列车超速；超速信号传给DPS后，DPS是否将电子切断指令发送给CCU，封锁逆变器模型中PWM电流信号输出，同时断开输出开关柜模型，牵引封锁；以及DSC向VSC发送紧急制动指令2，VSC接口模型是否将紧急制动力发送给动力学模型，使列车紧急制动停车。
还可以从逆变器模型注入母线过压故障，验证如下过程：CCU检测到母线电压过高，封锁逆变器模型中PWM电流信号输出，同时断开输出开关柜模型，牵引封锁，DSC向与其通过以太网通信连接的中央运行控制器报告牵引当前状态，车辆动力学仿真模型中的模拟车辆滑行到当前停车点停车，滑行过程中如果超过DSC计算的最大速度曲线，则向VSC发送紧急制动指令，VSC接口模型将紧急制动力发送给车辆动力学仿真模型，使模拟列车紧急制动停车。
除此之外，运行过程中，风力叠加使得悬浮电磁铁横向偏移、悬浮模块的垂向和横向加速度发生变化，因此需要验证悬浮控制器是否可以根据叠加风力变化后的悬浮间隙、加速度等实时控制悬浮电磁铁，保证悬浮系统稳定性。具体的，可以通过将风力作为集中载荷加载在车辆动力学仿真模型的模拟车辆的车体重心位置，模拟列车以25km/h、36km/h、46km/h通过R100m曲线的情况，考察列车通过曲线时，20只悬浮电磁铁模型上共40个侧导向滑橇处电磁铁相对轨道的横向位移是否超过15mm，从而判断曲线通过时是否会发生侧导向滑橇磕碰轨道，影响行车安全。
本发明实施例提供的磁浮列车运行仿真系统，通过加入目标控制器实物，构成仿真-实物耦合的半实物仿真平台，利用半实物仿真平台，将磁浮列车运行过程中控制磁浮列车运行的运行控制器、牵引控制器和悬浮控制器引入到仿真回路，并在仿真机上运行车辆动力学仿真模型、运控仿真模型、牵引仿真模型和悬浮仿真模型，进而实现车-地面、悬浮导向-车辆动力学、空气动力学-牵引可控制等多系统、多物理量耦合作用下的协同分析，对磁浮列车运行过程中涉及到的各子系统控制参数优化设计提供依据。在此基础上，通过真实试验线50公里速度等级真实运行数据与试验线仿真数据对比，校准仿真模型，可以实现在不建设全尺寸试验线情况下，验证200公里速度等级控制功能。除此之外，还可以实现故障注入模拟，仿真真实试验线上的真实列车无法模拟的故障。
以上所述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精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁浮列车运行仿真系统，其特征在于，包括：多个仿真机、运行在每个仿真机上的仿真模型和目标控制器；所述目标控制器包括磁浮列车运行过程中控制所述磁浮列车运行的至少一个真实控制器；
各个仿真机之间通讯连接，每个仿真机上运行的仿真模型用于模拟对应的目标控制器连接的被控对象的运行，每个仿真机与对应的目标控制器连接；
对磁浮列车的运行状态进行仿真验证时，仿真机上的仿真模型模拟运行生成仿真数据，并发送给对应的目标控制器，接收所述目标控制器根据所述仿真数据生成的控制指令，并根据所述控制指令更新所述仿真数据，以根据所述目标控制器对所述磁浮列车的运行状态进行仿真验证；
所述仿真模型包括车辆动力学仿真模型、运控仿真模型、牵引仿真模型和悬浮仿真模型；
所述仿真机包括Concurrent仿真机和HiGale仿真机1-3和HiGale仿真机6；
所述车辆动力学仿真模型运行在所述Concurrent仿真机上，所述运控仿真模型和所述牵引仿真模型运行在所述HiGale仿真机1-3上，所述悬浮仿真模型运行在所述HiGale仿真机6上，以模拟多分区多车同时运行；
其中，所述HiGale仿真机1上包括测速定位MCU接口模型、输入输出开关柜接口模型、输入开关柜模型、中间电路模型、制动斩波模型、逆变器模型、输出开关柜模型、直线电机模型和列车运动学模型；
所述HiGale仿真机2上包括测速定位MCU接口模型、输入输出开关柜MCU/CCU接口模型、定子开关站接口模型、输入开关柜模型12、变压器模型12、整流器模型12、中间电路模型12、制动斩波模型12、逆变器模型12、输出开关柜模型12、定子开关站12、直线电机模型12和列车运动学模型；
所述HiGale仿真机3上包括DRCU接口模型、MRCU接口模型、测速定位DSC接口模型、输入输出开关柜MCU/CCU接口模型1、道岔控制机模型、VSC与车辆以太网接口模型、测速定位MCU接口模型、输入输出开关柜MCU/CCU接口模型2、道岔供电单元模型、安全输入输出接口模型、输入输出开关柜DSP接口模型、道岔位置及锁闭传感器接口模型、输入开关柜模型34、变压器模型34、整流器模型34、中间电路模型34、制动斩波模型34、逆变器模型34、输出开关柜模型34、定子开关站34和直线电机模型34；
所述HiGale仿真机6上包括悬浮斩波器模型、电磁力模型、涡流效应模型和线路谱计算模型。
2.如权利要求1所述的磁浮列车运行仿真系统，其特征在于，还包括：接口适配器；
所述接口适配器连接在各个仿真机与对应的目标控制器之间，用于实现所述仿真机与对应的目标控制器的接口适配。
3.如权利要求1所述的磁浮列车运行仿真系统，其特征在于，还包括：第一显示器；
所述第一显示器与各个仿真机基于以太网连接，用于实时显示所述磁浮列车的运行状态。
4.如权利要求1所述的磁浮列车运行仿真系统，其特征在于，还包括：第二显示器；
所述第二显示器与各个仿真机基于以太网连接，用于显示并记录所述磁浮列车的运行状态对应的仿真数据，并控制各个仿真机中的仿真模型。
5.如权利要求1-4任一项所述的磁浮列车运行仿真系统，其特征在于，所述目标控制器包括运行控制器、牵引控制器和悬浮控制器；所述仿真模型包括车辆动力学仿真模型、运控仿真模型、牵引仿真模型和悬浮仿真模型；
所述仿真机上的仿真模型模拟运行生成仿真数据，并发送给对应的目标控制器，接收所述目标控制器根据所述仿真数据生成的控制指令，并根据所述控制指令更新所述仿真数据，包括：
所述车辆动力学仿真模型，用于基于动力学模型运行模拟车辆，根据所述模拟车辆的运行状态向所述悬浮控制器发送悬浮信息仿真数据，向所述运控仿真模型和所述牵引控制器发送速度位置仿真数据；
所述悬浮控制器，用于向所述运控仿真模型发送悬浮状态信息，以及根据所述悬浮信息仿真数据调整所述悬浮仿真模型输出的悬浮力仿真数据；
所述运行控制器，用于根据所述运控仿真模型获得的悬浮状态信息和速度位置仿真数据确定运行控制指令并发送给所述牵引控制器；
所述牵引控制器，用于根据所述运行控制指令和所述速度位置仿真数据调整所述牵引仿真模型输出的牵引力仿真数据；
所述车辆动力学仿真模型，还用于根据所述悬浮力仿真数据以及所述牵引力仿真数据调整所述模拟车辆的运行状态，以更新所述悬浮信息仿真数据和所述速度位置仿真数据。
6.如权利要求5所述的磁浮列车运行仿真系统，其特征在于，所述悬浮仿真模型包括：悬浮斩波器模型和电磁力模型；所述悬浮力仿真数据包括悬浮力和导向力；
所述悬浮控制器，用于根据所述悬浮信息仿真数据生成悬浮控制指令并发送给所述悬浮斩波器模型；
所述悬浮斩波器模型，用于根据所述悬浮控制指令转换得到悬浮电流；
所述电磁力模型，用于根据所述悬浮电流和所述悬浮信息仿真数据计算输出所述悬浮力和所述导向力。
7.如权利要求6所述的磁浮列车运行仿真系统，其特征在于，所述悬浮仿真模型还包括：线路谱计算模型；
所述线路谱计算模型，用于产生线路谱干扰仿真数据并发送给所述车辆动力学仿真模型；
所述车辆动力学仿真模型，还用于根据所述线路谱干扰仿真数据调整所述模拟车辆的运行状态，以更新所述悬浮信息仿真数据和所述速度位置仿真数据。
8.如权利要求5所述的磁浮列车运行仿真系统，其特征在于，所述牵引控制器包括电机控制单元MCU和变流器控制单元CCU；所述牵引仿真模型包括：测速定位MCU接口模型、变流器模型和直线电机模型；所述牵引力仿真数据包括牵引力和法向力；
所述测速定位MCU接口模型，用于将所述速度位置仿真数据转换为磁极相角并发送给所述电机控制单元MCU；
所述电机控制单元MCU，用于根据所述磁极相角计算所述模拟车辆的实际速度，并根据所述运行控制指令和所述实际速度计算电流设定值并发送给所述变流器控制单元CCU；
所述变流器控制单元CCU，用于根据所述电流设定值生成牵引控制指令并发送给所述变流器模型；
所述变流器模型，用于根据所述牵引控制指令产生牵引电压并发送给所述直线电机模型；
所述直线电机模型，用于根据所述牵引电压计算输出所述牵引力和所述法向力。
9.如权利要求8所述的磁浮列车运行仿真系统，其特征在于，所述运控仿真模型包括VSC与车辆以太网接口模型和测速定位DSC接口模型，所述运行控制器包括中央运行控制器、分区安全计算机DSC和车载安全计算机VSC；所述分区安全计算机DSC与所述牵引控制器及所述模拟车辆所处的轨道分区一一对应；
所述VSC与车辆以太网接口模型，用于接收所述悬浮控制器发送的悬浮状态信息并进行解析，将解析后的悬浮状态信息发送给所述车载安全计算机VSC；
所述测速定位DSC接口模型，用于接收所述车辆动力学仿真模型发送的速度位置仿真数据并进行处理，将处理后的速度位置仿真数据发送给所述分区安全计算机DSC；
所述车载安全计算机VSC，用于根据所述解析后的悬浮状态信息及车辆安全相关信息确认所述模拟车辆的状态是否安全，并在所述模拟车辆的状态安全时向所述分区安全计算机DSC发送车辆安全信息；
所述分区安全计算机DSC，用于将处理后的速度位置仿真数据发送给所述中央运行控制器；
所述中央运行控制器，用于接收所述处理后的速度位置仿真数据，根据所述处理后的速度位置仿真数据生成初始运行指令并发送给所述分区安全计算机DSC；
所述分区安全计算机DSC，还用于根据所述车辆安全信息、所述处理后的速度位置仿真数据和所述初始运行指令确定目标运行指令并发送给对应的所述牵引控制器中的所述电机控制单元MCU。
10.如权利要求9所述的磁浮列车运行仿真系统，其特征在于，所述中央运行控制器，还用于根据所述处理后的速度位置仿真数据确定所述模拟车辆是否位于待切换位置区间，并在所述模拟车辆位于所述待切换位置区间时，向下一轨道分区对应的分区安全计算机DSC发送接管指令，以便下一轨道分区对应的分区安全计算机DSC生成运行指令并发送给对应的所述牵引控制器中的所述电机控制单元MCU。
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