本發(fā)明屬于軌道交通領(lǐng)域，尤其涉及一種軌道交通的模擬系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

城市軌道交通具有運(yùn)量大、效率高、污染少、節(jié)能、舒適、安全和準(zhǔn)點(diǎn)的突出優(yōu)點(diǎn)，是解決大城市交通擁堵、環(huán)保問題和提升城市形象的最好方式。但城市軌道交通由于使用的環(huán)境和條件特殊，特別是由于牽引負(fù)載的動(dòng)態(tài)非線性程度高、參數(shù)采集量大、影響因素多和控制模型復(fù)雜等因素，使得軌道交通整車測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)成本高、實(shí)現(xiàn)難度大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種軌道交通的模擬系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有軌道交通整車測(cè)試平臺(tái)建設(shè)成本高、實(shí)現(xiàn)難度大的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種軌道交通的模擬系統(tǒng)，包括動(dòng)車控制臺(tái)、控制單元和模擬單元；

所述動(dòng)車控制臺(tái)，用于接收操作與控制指令，并將所述操作與控制指令發(fā)送給所述控制單元；

所述控制單元，用于對(duì)所述操作和控制指令進(jìn)行解析，根據(jù)解析結(jié)果生成牽引力指令，并把所述牽引力指令發(fā)送給所述模擬單元；

所述模擬單元，包括用于驅(qū)動(dòng)列車模型工作的模擬電機(jī)，所述模擬單元用于根據(jù)所述牽引力指令生成驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)所述模擬電機(jī)工作。

進(jìn)一步地，所述模擬單元還用于獲取所述模擬電機(jī)的工作參數(shù)，將所述工作參數(shù)發(fā)送給所述動(dòng)車控制臺(tái)進(jìn)行顯示；

所述動(dòng)車控制臺(tái)包括顯示模塊和操作模塊；

所述顯示模塊，用于接收所述工作參數(shù)，并按照預(yù)置顯示方式顯示所述工作參數(shù)；還用于根據(jù)所述工作參數(shù)計(jì)算得到并顯示列車的行駛狀態(tài)信息、整車性能信息和動(dòng)力車廂參數(shù)，所述工作參數(shù)包括所述模擬電機(jī)的輸入電壓、總定子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈；

所述操作模塊，用于接收所述操作與控制指令，并將所述操作與控制指令發(fā)送給所述控制單元。

進(jìn)一步地，所述控制單元包括整車控制器；

所述整車控制器，用于實(shí)時(shí)接收所述動(dòng)車控制臺(tái)傳輸?shù)牟僮髋c控制指令，根據(jù)所述操作與控制指令和預(yù)置的牽引力分配策略，生成牽引力指令并發(fā)送給所述模擬單元，所述牽引力指令用以控制所述模擬電機(jī)按照設(shè)定的方向、角度和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行工作。

進(jìn)一步地，所述整車控制器為da輸出，并具備三個(gè)輸出通道，每一所述輸出通道對(duì)應(yīng)一個(gè)模擬單元。

進(jìn)一步地，所述模擬單元包括電機(jī)控制器、信號(hào)調(diào)理板和模擬電機(jī)；

所述電機(jī)控制器，用于根據(jù)所述牽引力指令生成三相電壓脈沖寬度調(diào)制波，并將所述三相電壓脈沖寬度調(diào)制波發(fā)送給所述信號(hào)調(diào)理板；

所述信號(hào)調(diào)理板，用于對(duì)所述三相電壓脈沖寬度調(diào)制波依次進(jìn)行電阻分壓、低通濾波、電氣隔離和幅值調(diào)節(jié)處理，將處理得到驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)發(fā)送給所述模擬電機(jī)，用于控制所述模擬電機(jī)按照設(shè)定的方向、角度和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行工作。

進(jìn)一步地，所述電機(jī)控制器通過電氣接口與所述信號(hào)調(diào)理板相連接，所述信號(hào)調(diào)理板通過接線盒與所述模擬電機(jī)相連接，每個(gè)電機(jī)控制器通過信號(hào)調(diào)理板控制四個(gè)模擬電機(jī)；

所述電機(jī)控制器，還用于獲取四個(gè)模擬電機(jī)輸出的扭力，根據(jù)四個(gè)模擬電機(jī)輸出的扭力計(jì)算得到總的牽引力，并將所述總的牽引力發(fā)送給所述整車控制器；還用于根據(jù)所述總的牽引力計(jì)算得到列車的車速，并將所述列車的車速發(fā)送給所述整車控制器、所述模擬電機(jī)和所述動(dòng)車控制臺(tái)。

進(jìn)一步地，所述電機(jī)控制器具體用于：

獲取所述模擬電機(jī)的定子電流，對(duì)所述定子電流進(jìn)行信號(hào)隔離處理，將處理后的定子電流作為反饋信號(hào)，并根據(jù)所述總的牽引力計(jì)算得到列車的車速，并將所述列車的車速發(fā)送給所述整車控制器、所述模擬電機(jī)和所述動(dòng)車控制臺(tái)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：本發(fā)明實(shí)施例提供的動(dòng)車控制臺(tái)通過接收操作與控制指令并發(fā)送給控制單元，控制單元根據(jù)該操作與控制指令進(jìn)行解析并生成牽引力指令，將牽引力指令發(fā)送給模擬單元，模擬單元根據(jù)該牽引力指令生成驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)以控制模擬電機(jī)工作。本發(fā)明實(shí)施例提供的模擬系統(tǒng)通過采用實(shí)際控制臺(tái)+模擬系統(tǒng)相結(jié)合的方式，避免了傳統(tǒng)軟件仿真的局限性，解決了現(xiàn)有技術(shù)中牽引負(fù)載的動(dòng)態(tài)非線性程度高、參數(shù)采集量大、影響因素多和控制模型復(fù)雜等問題，使得軌道交通整車測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)成本降低、容易實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種軌道交通的模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種軌道交通的模擬系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種軌道交通的模擬系統(tǒng)的實(shí)物原理圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的整車控制器的接口設(shè)計(jì)圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的模擬單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的一種軌道交通的模擬系統(tǒng)，包括動(dòng)車控制臺(tái)101、控制單元102和模擬單元103；

動(dòng)車控制臺(tái)101，用于接收操作與控制指令，并將所述操作與控制指令發(fā)送給控制單元102；

控制單元102，用于對(duì)所述操作和控制指令進(jìn)行解析，根據(jù)解析結(jié)果生成牽引力指令，并把所述牽引力指令發(fā)送給模擬單元103；

模擬單元103，包括用于驅(qū)動(dòng)列車模型工作的模擬電機(jī)，用于根據(jù)所述牽引力指令生成驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)所述模擬電機(jī)工作，還用于獲取所述模擬電機(jī)的工作參數(shù)，將所述工作參數(shù)發(fā)送給動(dòng)車控制臺(tái)101進(jìn)行顯示。

進(jìn)一步地，如圖2所示，動(dòng)車控制臺(tái)101包括顯示模塊1011和操作模塊1012；

顯示模塊1011，用于接收所述工作參數(shù)，并按照預(yù)置顯示方式顯示所述工作參數(shù)；還用于根據(jù)所述工作參數(shù)計(jì)算得到并顯示列車的行駛狀態(tài)信息、整車性能信息和動(dòng)力車廂參數(shù)，所述工作參數(shù)包括所述模擬電機(jī)的輸入電壓、總定子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈；

操作模塊1012，用于接收所述操作與控制指令，并將所述操作與控制指令發(fā)送給控制單元102。

控制單元102包括整車控制器；

所述整車控制器，用于實(shí)時(shí)接收動(dòng)車控制臺(tái)101傳輸?shù)牟僮髋c控制指令，根據(jù)所述操作與控制指令和預(yù)置的牽引力分配策略，生成牽引力指令并發(fā)送給模擬單元103，所述牽引力指令用以控制所述模擬電機(jī)按照設(shè)定的方向、角度和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行工作。具體地，整車控制器為da輸出，并具備三個(gè)輸出通道，每一所述輸出通道對(duì)應(yīng)一個(gè)模擬單元103。具體地，牽引力分配策略為將牽引力進(jìn)行平均分配，da輸出為數(shù)字量輸出和模擬量輸出。

模擬單元103包括電機(jī)控制器1031、信號(hào)調(diào)理板1032和模擬電機(jī)1033；

電機(jī)控制器1031，用于根據(jù)所述牽引力指令生成三相電壓脈沖寬度調(diào)制波，并將所述三相電壓脈沖寬度調(diào)制波發(fā)送給信號(hào)調(diào)理板1032；

信號(hào)調(diào)理板1032，用于對(duì)所述三相電壓脈沖寬度調(diào)制波依次進(jìn)行電阻分壓、低通濾波、電氣隔離和幅值調(diào)節(jié)處理，將處理得到驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)發(fā)送給模擬電機(jī)1033，用于控制模擬電機(jī)1033按照設(shè)定的方向、角度和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行工作。

具體地，電機(jī)控制器1031通過電氣接口與信號(hào)調(diào)理板1032相連接，信號(hào)調(diào)理板1032通過接線盒與模擬電機(jī)1033相連接，每個(gè)電機(jī)控制器1031通過信號(hào)調(diào)理板1032控制四個(gè)模擬電機(jī)1033；電機(jī)控制器1031，還用于獲取四個(gè)模擬電機(jī)輸出的扭力，根據(jù)四個(gè)模擬電機(jī)1033輸出的扭力計(jì)算得到總的牽引力，并將所述總的牽引力發(fā)送給所述整車控制器；還用于根據(jù)所述總的牽引力計(jì)算得到列車的車速，并將所述列車的車速發(fā)送給所述整車控制器、模擬電機(jī)1033和動(dòng)車控制臺(tái)101。

具體地，電機(jī)控制器1031具體用于：

獲取所述模擬電機(jī)的定子電流，對(duì)所述定子電流進(jìn)行信號(hào)隔離處理，將處理后的定子電流作為反饋信號(hào)，并根據(jù)所述總的牽引力計(jì)算得到列車的車速，并將所述列車的車速發(fā)送給所述整車控制器、所述模擬電機(jī)和所述動(dòng)車控制臺(tái)。具體地，在本實(shí)施例中，這個(gè)電流反饋是用來(lái)彌補(bǔ)由于電機(jī)控制半物理實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)致的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真實(shí)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流值。定子電流信號(hào)通過信號(hào)隔離處理后，輸出反饋信號(hào)到電機(jī)控制器，供電機(jī)控制器內(nèi)部的adc采樣模塊采集后使用。

本發(fā)明實(shí)施例提供的模擬系統(tǒng)，將“半物理實(shí)時(shí)仿真”引入城市軌道交通實(shí)時(shí)仿真。該模擬系統(tǒng)采用“實(shí)際控制器+虛擬被控對(duì)象”相結(jié)合的理念，杜絕傳統(tǒng)軟件仿真的局限性和理想型，通過在labwindows/cvireal-time系統(tǒng)中建立虛擬電機(jī)實(shí)時(shí)模型和列車整車動(dòng)力學(xué)模型。用真實(shí)的電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)模擬電機(jī)，模擬電機(jī)再驅(qū)動(dòng)虛擬列車模型運(yùn)動(dòng)。由于模擬電機(jī)和虛擬列車的電器接口特性和實(shí)際車輛系統(tǒng)完全一致，動(dòng)車控制臺(tái)和列車的電機(jī)控制器可以直接接入仿真系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)仿真(hardware-in-the-loop)。設(shè)備調(diào)試環(huán)境與真實(shí)環(huán)境一致，無(wú)需真實(shí)開動(dòng)列車就可以測(cè)試列車的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)和各項(xiàng)工況。

下面結(jié)合圖3至圖5對(duì)本發(fā)明提供的實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步地闡述：

圖3中，以仿真視景屏幕作為顯示模塊1011，以列車仿真操縱臺(tái)1012作為操作模塊1012，以整車控制器作為控制單元102，模擬單元103中的信號(hào)調(diào)理板1032和模擬電機(jī)1033集成與動(dòng)車半物理實(shí)時(shí)仿真柜中，電機(jī)控制器1031通過電氣接口與動(dòng)車半物理實(shí)時(shí)仿真柜相連接，其中：

仿真視景屏幕和列車仿真操縱臺(tái)組成的動(dòng)車控制臺(tái)101真實(shí)仿真列車的駕駛室。動(dòng)車控制臺(tái)是最重要的列車控制組件，用于驅(qū)動(dòng)車輛和獲取運(yùn)行狀態(tài)信息的所有設(shè)備都集中于此。動(dòng)車控制臺(tái)需要考慮到所有的系統(tǒng)功能需求。駕駛員無(wú)需離開動(dòng)車控制臺(tái)，就可以方便可靠地得到所有的必要信息。而包括牽引力、atp(automatictrainprotection，列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng))、車門、氣候、照明、無(wú)線通訊、廣播等系統(tǒng)都應(yīng)通過動(dòng)車控制臺(tái)與司機(jī)接口。

整車控制器是本發(fā)明實(shí)施例提供的軌道交通半物理實(shí)時(shí)仿真與模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，是動(dòng)車控制臺(tái)101與模擬單元103的接口。整車控制臺(tái)實(shí)時(shí)接收動(dòng)車控制臺(tái)傳來(lái)的駕駛員的各種操作與控制指令，并按牽引力分配策略，發(fā)送牽引力指令給電機(jī)控制器。整車控制器是一個(gè)da的輸出，具有三個(gè)傳輸通道，即ao-0、ao-1和ao-2，輸出到電機(jī)控制器中，其具體功能如圖4所示。

在本發(fā)明實(shí)施例提供的列車運(yùn)行邏輯方案設(shè)計(jì)中，整車控制器接收動(dòng)車控制臺(tái)傳送的各類信號(hào)指令，由其運(yùn)行控制邏輯判斷當(dāng)前車輛的狀態(tài)，列車是應(yīng)處于自動(dòng)駕駛模式、手動(dòng)模擬；并根據(jù)受電弓、主斷、制動(dòng)緩解狀態(tài)等，判斷列車當(dāng)前是處于準(zhǔn)備開車狀態(tài)，還是錯(cuò)誤狀態(tài)中。在具體應(yīng)用中，列車的正常有序運(yùn)行和整車控制器的控制邏輯是密不可分的。

在具體應(yīng)用中，整車控制器的牽引力控制包括：通過建立多質(zhì)點(diǎn)模型，對(duì)crh2型動(dòng)車組的牽引力計(jì)算方法進(jìn)行了分析。為動(dòng)車組的結(jié)構(gòu)特性和動(dòng)力學(xué)特性的后期建模提供支撐。通過多質(zhì)點(diǎn)模型根據(jù)車輛行駛的速度和加速度值計(jì)算出牽引力，為了能夠反映出列車編組情況對(duì)列車長(zhǎng)度的影響，該質(zhì)點(diǎn)模型建立的時(shí)候同樣考慮了列車的長(zhǎng)度，并能反映列車通過坡度點(diǎn)和變曲率點(diǎn)是的受力變化情況，使得該控制更接近于實(shí)際。

本發(fā)明實(shí)施例中的模擬系統(tǒng)采用的是軌道交通車輛真實(shí)的電機(jī)控制器系統(tǒng)，完成列車在運(yùn)行過程中動(dòng)力車廂內(nèi)電機(jī)的控制。電機(jī)控制器通過信號(hào)調(diào)理板與模擬電機(jī)相連接，完成整個(gè)控制過程，其組成如圖5所示。

電機(jī)控制器的控制方式為一拖四，即一個(gè)控制器，控制四個(gè)模擬電機(jī)的運(yùn)行。控制器通過輸出的三相電壓脈沖寬度調(diào)制波，信號(hào)調(diào)理板將三相電壓脈沖寬度調(diào)制波依次進(jìn)行電阻分壓、低通濾波、電氣隔離和幅值調(diào)節(jié)等處理后，將處理得到驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)發(fā)送給模擬電機(jī)，分別控制一個(gè)動(dòng)車車廂內(nèi)四個(gè)模擬電機(jī)的運(yùn)行，再將四個(gè)模擬電機(jī)的定子電流、作為反饋信號(hào)，輸入電機(jī)控制器。

在本發(fā)明實(shí)施例中，采用真實(shí)的電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)整個(gè)模擬系統(tǒng)，真實(shí)與虛擬完美相結(jié)合，仿真結(jié)果接近列車驅(qū)動(dòng)控制真實(shí)情況；同時(shí)電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)模擬電機(jī)，能避免各種不完善而引起的電機(jī)控制器炸機(jī)毀壞、甚至燒毀電機(jī)的情況發(fā)生，不僅能驗(yàn)證各種電機(jī)控制算法、新型電機(jī)控制器，更能保障研究和測(cè)試的安全性和舒適性。

整車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是使列車能夠運(yùn)動(dòng)起來(lái)的系統(tǒng)，它需要克服列車受到的阻力作用，使列車平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)起來(lái)。在本實(shí)施例中，每個(gè)動(dòng)車半物理實(shí)時(shí)仿真柜中有4個(gè)模擬電機(jī)，每個(gè)電機(jī)分別輸出一個(gè)扭力，經(jīng)過加和之后得到總的力f，假設(shè)動(dòng)車的負(fù)載為fl，由牛頓第二定律，則動(dòng)車的牽引力：

f牽＝f-fl＝ma；

總的牽引力反饋到整車控制器，使得整車控制器能夠繼續(xù)分配牽引力給各個(gè)電機(jī)控制器。同時(shí)由上式可計(jì)算出列車的車速，再將列車的車速分別傳送給動(dòng)車控制臺(tái)的顯示模塊、整車控制器和模擬電機(jī)。在本實(shí)施例中，整車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是提供根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式搭建的數(shù)學(xué)模型，在本實(shí)施例中稱之為整車動(dòng)力學(xué)模型，此模型的輸入量是各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩之和，以及列車本身承受的負(fù)載，通過此模型可以計(jì)算出列車的總牽引力以及列車的車速。得到的總牽引力反饋到整車控制器里面，這樣起到一個(gè)閉環(huán)的作用。如果牽引力過大，則速度將會(huì)過大。此時(shí)可以調(diào)整電機(jī)控制器，使得電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩減小，總的牽引力減小，速度將得到控制。

由于在本實(shí)施例中，列車是虛擬的被控對(duì)象，本實(shí)施例提供的整車動(dòng)力學(xué)模型，能方便更改外部運(yùn)行條件，真實(shí)模擬多種實(shí)際情況，特別是可以無(wú)危險(xiǎn)地進(jìn)行任何極限工況試驗(yàn)，對(duì)于車輛牽引動(dòng)力的改進(jìn)，和車輛行駛狀進(jìn)行修正有著重大意義(極限加、減速，極限坡度與彎道等)；與此同時(shí)由于整個(gè)系統(tǒng)能夠較為真實(shí)的反映列車實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，也能得到列車任意時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)，因此能在軌道設(shè)計(jì)前期，進(jìn)行場(chǎng)景模擬、駕駛模擬、牽引動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性模擬，能縮短線路的開發(fā)周期，同時(shí)也能對(duì)軌道交通線路牽引動(dòng)力的經(jīng)濟(jì)性做出相關(guān)評(píng)估，能夠?yàn)檐壍澜煌ü竞笃谶\(yùn)營(yíng)真實(shí)列車提供相關(guān)參考數(shù)據(jù)甚至優(yōu)化參考，從而達(dá)到節(jié)能，提高列車乘坐舒適度等目的。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。