本發(fā)明涉及一種清篩車半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)及其仿真方法，用于代替清篩機(jī)實(shí)物實(shí)驗(yàn)。

背景技術(shù)：

鐵路運(yùn)輸是我國(guó)最主要的交通運(yùn)輸方式之一。當(dāng)碎石道床的不潔度(按重量計(jì)算)超過30％時(shí)，道床彈性降低，使車輛與鐵軌間的沖擊增大，如此會(huì)降低車輛運(yùn)行平穩(wěn)性。為了保證行車安全，就應(yīng)該周期性地進(jìn)行清篩作業(yè)。清篩機(jī)此時(shí)便發(fā)揮作用：它在清理道砟的同時(shí)，將廢砟和污土輸送到線路以外，并回填清潔的道砟。

目前，清篩機(jī)作業(yè)采用“天窗”模式：即在清篩機(jī)作業(yè)過程中，該段鐵路停止通車。在約180分鐘的天窗時(shí)間中，清篩機(jī)作業(yè)時(shí)間只有100分鐘，而剩余的80分鐘被用于清篩機(jī)從停放點(diǎn)至工作點(diǎn)以及反向路程的行駛。由于只占總時(shí)間的56％，所以天窗利用率有待提高。在停放點(diǎn)與工作點(diǎn)中運(yùn)行時(shí)的工況稱之為高速走行工況，而實(shí)際工作時(shí)的工況稱為工作工況。由此可以看出，區(qū)間高速走行作為輔助作業(yè)的重要組成部分，會(huì)直接影響天窗的利用率乃至鐵路線路安全，需進(jìn)一步深入研究。然而盡管對(duì)于高速走行系統(tǒng)有更新的需求，因清篩機(jī)的大體積和復(fù)雜液壓系統(tǒng)，其實(shí)驗(yàn)條件苛刻且難以滿足，高速走行系統(tǒng)的發(fā)展一直處于停滯狀態(tài)。

在實(shí)驗(yàn)條件苛刻的現(xiàn)狀下，半物理仿真系統(tǒng)的應(yīng)用大量涌現(xiàn)。半物理仿真(Hardware-in-the-loop，HIL)是指在仿真回路中接入一部分實(shí)物用來代替數(shù)學(xué)模型的實(shí)時(shí)仿真，是目前可信度較高的仿真技術(shù)。一般而言，判斷仿真好壞的直接因素是仿真系統(tǒng)曲線能否和實(shí)際系統(tǒng)曲線一致，但這種判斷方式無法判斷仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，因?yàn)椤耙恢隆毙砸话闶腔诜抡嫦到y(tǒng)的離線數(shù)據(jù)。此外，大部分半物理仿真系統(tǒng)都不提供實(shí)時(shí)視覺圖像，而在大型養(yǎng)路機(jī)械的設(shè)計(jì)中，需要引入實(shí)時(shí)視頻對(duì)其監(jiān)控，從而得到更直觀的圖像感受。

綜上，一種能夠代替清篩機(jī)實(shí)物實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)行簡(jiǎn)易、高效，能夠提供圖像的實(shí)時(shí)新型半物理仿真平臺(tái)亟待開發(fā)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是提供一種針對(duì)大型鐵路機(jī)械(如清篩車)，能夠?qū)崟r(shí)采集傳導(dǎo)數(shù)據(jù)，且具備實(shí)時(shí)圖像顯示的半物理仿真平臺(tái)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種清篩車半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)包括三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)、仿真管理計(jì)算機(jī)和硬件平臺(tái)，所述的三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)、仿真管理計(jì)算機(jī)用以太網(wǎng)構(gòu)成局域網(wǎng)，實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)通過UDP通信方式將模型的位置信息和速度信息傳輸給三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)，所述的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)與仿真管理計(jì)算機(jī)之間通過TCP/IP通信，仿真管理計(jì)算機(jī)包括自主操作界面、顯示模塊和保存模塊，實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)將仿真結(jié)果實(shí)時(shí)傳給自主操作界面，顯示模塊進(jìn)行曲線的顯示，保存模塊保存仿真數(shù)據(jù)便于后期處理，所述的硬件平臺(tái)包括控制器，控制器通過數(shù)據(jù)采集卡與實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)連接。自主操作界面由C#Winform搭建，實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)中的清篩車仿真模型由xPC運(yùn)行。

優(yōu)選的，所述的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)中的清篩車仿真模型包括采集模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)、插裝閥組、排量控制模塊、變量泵、變量馬達(dá)、壓力容器、機(jī)械系統(tǒng)和溢流閥；

所述的控制器控制采集模塊；采集模塊采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；排量控制模塊分別控制變量泵和變量馬達(dá)的排量，采集模塊控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度、控制插裝閥組，并通過排量控制模塊間接控制變量泵的排量。

優(yōu)選的，所述的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)將變量馬達(dá)總效率、變量泵總效率、發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量、機(jī)械系統(tǒng)的加速度、速度和位移通過TCP/IP通信方式發(fā)送給仿真管理計(jì)算機(jī)的顯示模塊進(jìn)行顯示。

優(yōu)選的，所述的硬件平臺(tái)還包括操作手柄和信號(hào)輸入端，操作手柄和信號(hào)輸入端向控制器發(fā)送控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制。

優(yōu)選的，所述的硬件平臺(tái)還包括傳感器和液壓系統(tǒng)，所述的傳感器包括壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器，傳感器與液壓系統(tǒng)相連構(gòu)成閉環(huán)控制，采集液壓系統(tǒng)的壓力、流量和位移。

優(yōu)選的，所述的三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)是由3Dmax和Unity搭建的清篩機(jī)的實(shí)時(shí)三維顯示模塊，實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)將機(jī)械系統(tǒng)的加速度、速度和位移信息發(fā)送給三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)，三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示模塊，更新三維場(chǎng)景的地形地貌和軌道信息。

所述清篩車半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)的仿真方法包括如下步驟：

1)模型初始化，搭建清篩機(jī)模型，經(jīng)過matlab自帶的實(shí)時(shí)工具箱RTW生成可移植的dlm文件；

2)仿真管理計(jì)算機(jī)初始化，包括：

2.1)初始化操作界面，確保其正常工作；

2.2)初始化TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信，與實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信握手，確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)暢通；

2.3)初始化二維曲線和儀表，在顯示模塊上繪制曲線和儀表；

3)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)始化，包括：

3.1)確保實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)能夠正常實(shí)時(shí)進(jìn)行模型仿真；

3.2)初始化數(shù)據(jù)端口，確保其能采集控制器信號(hào)；

4)三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)初始化，初始化三維圖形場(chǎng)景，在計(jì)算機(jī)顯示器上繪制清篩機(jī)可視化模型和地貌軌道模型；

5)仿真管理計(jì)算機(jī)更新循環(huán)，包括：

5.1)接收實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)；

5.2)更新二維曲線的數(shù)值；

6)三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)更新循環(huán)，包括：

6.1)接收實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)發(fā)送的清篩機(jī)的位置和速度信息；

6.2)更新三維場(chǎng)景的地形地貌和軌道信息。

所述步驟5.1)中接收實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)為清篩機(jī)的位置、運(yùn)動(dòng)信息，如位移、速度、加速度等。二維曲線以時(shí)間為橫坐標(biāo)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，縱坐標(biāo)為上述5.1所述的位置或運(yùn)動(dòng)信息。

所述步驟6.2)更新三維場(chǎng)景的地形地貌和軌道信息為：設(shè)置地形寬度，判斷清篩機(jī)位移與1.5倍的地形寬度大小，一旦清篩機(jī)位移大于1.5倍的地形寬度，則該地形移動(dòng)兩個(gè)地形寬度，即移動(dòng)至下一位置；如此，隨著清篩機(jī)的移動(dòng)，地形會(huì)持續(xù)更新。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

由C#Winform搭建的主操作界面，保證實(shí)時(shí)修改和交互數(shù)據(jù)，三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)、仿真管理計(jì)算機(jī)三者之間用以太網(wǎng)構(gòu)成局域網(wǎng)，能滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞和交互，傳遞媒介分別為TCP/IP和UDP。

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的半物理仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，添加可視三維模型，交互界面友好，實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，且根據(jù)實(shí)時(shí)改變的清篩機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提供高真實(shí)度的仿真展示，在大型養(yǎng)路機(jī)械中具有廣闊的應(yīng)用前景。

本系統(tǒng)面向大型鐵路設(shè)備高速走行系統(tǒng)，模塊化程度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可視化程度高，利于混合編程和模塊化組建，有效降低開發(fā)成本和運(yùn)行成本，易于擴(kuò)展，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的仿真系統(tǒng)整體框架示意圖；

圖2是本發(fā)明所屬的清篩機(jī)高速走行系統(tǒng)模型集成圖；

圖3是本發(fā)明所述的上位機(jī)控制流程圖；

圖4是本發(fā)明所述的實(shí)時(shí)內(nèi)核功能框圖；

圖5是本發(fā)明所述的三維實(shí)時(shí)顯示控制流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1所示，一種清篩車半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)包括三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)、仿真管理計(jì)算機(jī)和硬件平臺(tái)，所述的三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)、仿真管理計(jì)算機(jī)用以太網(wǎng)構(gòu)成局域網(wǎng)，實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)通過UDP通信方式將模型的位置信息和速度信息傳輸給三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)，所述的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)與仿真管理計(jì)算機(jī)之間通過TCP/IP通信，仿真管理計(jì)算機(jī)包括自主操作界面、顯示模塊和保存模塊，實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)將仿真結(jié)果實(shí)時(shí)傳給自主操作界面，顯示模塊進(jìn)行曲線的顯示，保存模塊保存仿真數(shù)據(jù)便于后期處理，所述的硬件平臺(tái)包括控制器，控制器通過數(shù)據(jù)采集卡與實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)連接。自主操作界面由C#Winform搭建。

如圖2所示，優(yōu)選的，所述的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)中的清篩車仿真模型包括采集模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)、插裝閥組、排量控制模塊、變量泵、變量馬達(dá)、壓力容器、機(jī)械系統(tǒng)和溢流閥；

所述的控制器控制采集模塊；采集模塊采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；排量控制模塊分別控制變量泵和變量馬達(dá)的排量，采集模塊控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度、控制插裝閥組，并通過排量控制模塊間接控制變量泵的排量。

優(yōu)選的，所述的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)將變量馬達(dá)總效率、變量泵總效率、發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量、機(jī)械系統(tǒng)的加速度、速度和位移通過TCP/IP通信方式發(fā)送給仿真管理計(jì)算機(jī)的顯示模塊進(jìn)行顯示。

優(yōu)選的，所述的硬件平臺(tái)還包括操作手柄和信號(hào)輸入端，操作手柄和信號(hào)輸入端向控制器發(fā)送控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制。

優(yōu)選的，所述的硬件平臺(tái)還包括傳感器和液壓系統(tǒng)，所述的傳感器包括壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器，傳感器與液壓系統(tǒng)相連構(gòu)成閉環(huán)控制，采集液壓系統(tǒng)的壓力、流量和位移。

優(yōu)選的，所述的三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)是由3Dmax和Unity搭建的清篩機(jī)的實(shí)時(shí)三維顯示模塊，實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)將機(jī)械系統(tǒng)的加速度、速度和位移信息發(fā)送給三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)，三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示模塊，更新三維場(chǎng)景的地形地貌和軌道信息。

仿真時(shí)需要建立相應(yīng)的matlab清篩機(jī)仿真模型，如圖2所示。打開由C#語言Winform搭建的仿真管理計(jì)算機(jī)(上位機(jī))中自主建立的操作界面，完成前述模型dlm文件的載入，修改待仿真模型的參數(shù)(此時(shí)也可不進(jìn)行更改，采用默認(rèn)參數(shù)；或者調(diào)用參數(shù)；也可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的存儲(chǔ))，確定參數(shù)后，實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)(xPC運(yùn)行的實(shí)時(shí)內(nèi)核)開始運(yùn)行清篩機(jī)高速走行系統(tǒng)的仿真模型；如圖4所示。實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)(實(shí)時(shí)內(nèi)核)在實(shí)時(shí)運(yùn)行模型的過程中，得到的仿真結(jié)果可分別且同時(shí)通過1)TCP/IP傳給仿真管理計(jì)算機(jī)(上位機(jī))的自主操作界面，顯示模塊進(jìn)行曲線的顯示，此時(shí)提供保存模塊使得數(shù)據(jù)便于后期處理；2)UDP通信方式將模型的位置信息傳輸給三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)，它是由3Dmax和Unity搭建的清篩機(jī)的實(shí)時(shí)三維顯示模塊。在顯示過程中，控制器信號(hào)的改變能夠被實(shí)時(shí)內(nèi)核所捕捉，從而實(shí)時(shí)更改模型數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

如圖3和5所示，所述清篩車半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)的仿真方法具體包括如下步驟：

1)模型初始化，搭建清篩機(jī)模型，經(jīng)過matlab自帶的實(shí)時(shí)工具箱RTW生成可移植的dlm文件；

2)仿真管理計(jì)算機(jī)初始化，包括：

2.1)初始化操作界面，確保其正常工作；

2.2)初始化TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信，與實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信握手，確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)暢通；

2.3)初始化二維曲線和儀表，在顯示模塊上繪制曲線和儀表；

3)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)始化，包括：

3.1)確保實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)能夠正常實(shí)時(shí)進(jìn)行模型仿真；

3.2)初始化數(shù)據(jù)端口，確保其能采集控制器信號(hào)；

4)三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)初始化，初始化三維圖形場(chǎng)景，在計(jì)算機(jī)顯示器上繪制清篩機(jī)可視化模型和地貌軌道模型；

5)仿真管理計(jì)算機(jī)更新循環(huán)，包括：

5.1)接收實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)；

5.2)更新二維曲線的數(shù)值；

6)三維實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)更新循環(huán)，包括：

6.1)接收實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)發(fā)送的清篩機(jī)的位置和速度信息；

6.2)更新三維場(chǎng)景的地形地貌和軌道信息。

所述步驟5.1)中接收實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)為清篩機(jī)的位置、運(yùn)動(dòng)信息，如位移、速度、加速度等。二維曲線以時(shí)間為橫坐標(biāo)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，縱坐標(biāo)為上述5.1所述的位置或運(yùn)動(dòng)信息。

如圖5所示，所述步驟6.2)更新三維場(chǎng)景的地形地貌和軌道信息為：設(shè)置地形寬度，判斷清篩機(jī)位移與1.5倍的地形寬度大小，一旦清篩機(jī)位移大于1.5倍的地形寬度，則該地形移動(dòng)兩個(gè)地形寬度，即移動(dòng)至下一位置；如此，隨著清篩機(jī)的移動(dòng)，地形會(huì)持續(xù)更新。

如圖5所示，對(duì)清篩機(jī)模型的走行狀態(tài)進(jìn)行更新采用多線程方法，保證平臺(tái)的實(shí)時(shí)性，主線程進(jìn)行賦值，接受線程進(jìn)行從UDP協(xié)議中接收數(shù)據(jù)。