CRH2型高速動車組制動系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺研究＊

楊 磊，牛 瑞，馬 璐

（南京浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司，江蘇南京211800）

近年來，隨著我國鐵路的不斷提速，作為高速動車組核心系統(tǒng)之一的制動系統(tǒng)，對其可靠性和安全性提出了越來越高的要求，制動系統(tǒng)的試驗驗證工作也得到了前所未有的高度重視。但傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)試驗設(shè)備存在著固有缺陷，如難以模擬全部工況、試驗設(shè)備制造成本高、試驗數(shù)據(jù)不夠直觀等問題。若被測制動系統(tǒng)有了較大的變更，原有的試驗臺須隨之進(jìn)行改造，改造難度大、成本高，周期長。

目前，國內(nèi)外汽車企業(yè)廣泛采用了基于d SPACE的硬件在環(huán)（Har d ware－in－Loop）仿真測試平臺模擬汽車車輛和試驗環(huán)境，對控制系統(tǒng)進(jìn)行在線測試來驗證控制方案的可行性［2］，且能夠根據(jù)試驗需要，隨時修改車輛和試驗環(huán)境模型，滿足不同測試需求。

本文分析了制動系統(tǒng)仿真測試需求，運用建模軟件搭建被控對象模型、輪軌關(guān)系模型和三維視景動畫，并最終建立起制動系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺。該平臺與制動控制器（Brake Control Unit，BCU）一起進(jìn)行聯(lián)合仿真測試，并將測試結(jié)果與實車試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了平臺的有效性。

1 制動系統(tǒng)原理［1］

CRH2型高速動車組制動系統(tǒng)采用微機直通電空制動系統(tǒng)。主要由BCU、空氣制動控制單元、防滑閥、基礎(chǔ)制動裝置以及風(fēng)源裝置等組成。其工作原理如圖1所示，BCU根據(jù)制動級別、車輛載重、列車速度和牽引控制單元的電制動反饋信號，計算出單輛車所需的空氣制動力和目標(biāo)BC壓力，進(jìn)而控制空氣制動控制單元中的各類閥，形成空氣制動壓力，空氣制動壓力經(jīng)防滑閥輸出給基礎(chǔ)制動裝置，產(chǎn)生所需制動力，施加到車輪上，從而對列車產(chǎn)生制動作用；在制動過程中，若檢測到某軸產(chǎn)生滑行，BCU輸出信號驅(qū)動防滑閥，以減小該軸空氣制動力，進(jìn)而恢復(fù)該軸黏著。

圖1 制動系統(tǒng)組成原理

利用傳統(tǒng)試驗方案對所開發(fā)的BCU進(jìn)行測試驗證，須將BCU與真實被控對象，如空氣制動控制單元（EP閥、中繼閥、緊急閥、氣路板等）、防滑閥、基礎(chǔ)制動裝置和風(fēng)源裝置等進(jìn)行集成，形成完整制動控制系統(tǒng)。然后為其搭建試驗環(huán)境（如試驗臺），進(jìn)行制動控制試驗，以驗證BCU控制方案的可行性。該試驗方案難以在成本和時間受限的情況下模擬車輪與軌道關(guān)系，因此施加制動導(dǎo)致的列車速度變化情況也就無法被BCU獲知，影響了試驗驗證的系統(tǒng)性和試驗結(jié)果的可信度。

2 仿真平臺方案

針對上述問題，提出采用如圖2的HIL仿真測試平臺進(jìn)行制動系統(tǒng)試驗驗證的方案。根據(jù)制動系統(tǒng)特性，選擇了平臺的硬件和軟件構(gòu)成方案。其中，制動控制器BCU和司控器為實物；空氣制動控制單元、防滑閥、基礎(chǔ)制動、輪軌關(guān)系等為實時模型。真實的BCU根據(jù)輸入條件，計算所需目標(biāo)BC壓力，進(jìn)而控制氣路及機械模型，輸出制動力矩。輪軌模型根據(jù)制動力矩和事先仿真得到的蠕滑特性數(shù)據(jù)表，計算各軸車輪速度變化情況，并將車輪速度實時反饋給BCU采集。通過人機界面監(jiān)控、調(diào)整實時模型參數(shù)；視景計算機通過CAN通信方式接收實時仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，用于直觀顯示制動過程中列車運行狀態(tài)。

圖2 平臺方案示意圖

2.1 硬件需求

d SPACE標(biāo)準(zhǔn)組件硬件系統(tǒng)主要由主處理器板和組件I／O板構(gòu)成。由于所仿真的模型較復(fù)雜，且對實時性要求高，主處理器板選用了主頻高達(dá)3.0 GHz的DS1006；為滿足BCU眾多的對外接口需求，并使該平臺對未來項目具有足夠的接口擴展能力，選用DS2202標(biāo)準(zhǔn) HIL I／O板、DS4004數(shù)字I／O板、DS2003 A／D板和DS2103 D／A板。另外，為滿足d SPACE與人機界面計算機之間數(shù)據(jù)通信需求，選用了DS814和DS817數(shù)據(jù)通信板卡。

本方案設(shè)計了信號調(diào)理板，對BCU與d SPACE組件I／O之間交互的信號進(jìn)行調(diào)理和隔離處理，以解決信號輸入輸出信號不匹配問題。通過d SPACE可設(shè)置仿真機柜中程控電源的供電電壓值和過流限值，保護(hù)仿真機柜內(nèi)部電路安全。

2.2 軟件需求

根據(jù)以上討論，選用A MESi m多物理場仿真軟件建立空氣制動控制單元、防滑閥及基礎(chǔ)制動裝置模型；選用VI－Rail仿真軟件建立車輪和軌道之間接觸關(guān)系模型；采用 Matlab／Si mulink將上述模型進(jìn)行集成；Matlab／RT W（Real－Ti me Workshop）和 RTI（Real－Ti me Interface）作為代碼生成工具，將實時模型生成C代碼；利用GNU C編譯器可將生成的代碼編譯成DS1006可執(zhí)行的目標(biāo)程序；Contr ol Desk、MLIB和MTRACE組成了試驗應(yīng)用軟件，可完成對實時硬件的可視化管理、變量和參數(shù)的可視化管理、虛擬儀表、自動測試等功能，大大增強了d SPACE實時系統(tǒng)的試驗管理能力。軟件需求方案見圖3所示。

圖3 軟件構(gòu)成

3 平臺軟件搭建

3.1 氣路及機械模型

（1）實時仿真方法

A MESi m作為一種圖形化、模塊化的多物理場仿真軟件，在單一的平臺上可實現(xiàn)控制、機械、氣動、熱、電機、電磁等多學(xué)科工程系統(tǒng)建模，提供了豐富的標(biāo)準(zhǔn)元件參數(shù)化模塊，并通過元件模塊間的拓?fù)溥B接關(guān)系，以一定的算法建立整個系統(tǒng)詳細(xì)模型。A MESi m的模型既可用于離線仿真，又可用于實時仿真。但是根據(jù)以往仿真經(jīng)驗，由于被控對象為十分龐大的物理結(jié)構(gòu)，離線模型自身運算時間長，無法在控制器內(nèi)進(jìn)行實時運算。為解決該問題，需要對離線模型進(jìn)行簡化處理。

（2）建模過程

CRH2型動車組氣路控制單元主要由氣動調(diào)壓閥類與連接管路組成，集成了流體、電磁、控制等物理場，本文充分利用A MESi m仿真軟件的特點，結(jié)合d SPACE實時仿真系統(tǒng)優(yōu)勢，建立了氣路控制單元被控對象模型。為了保證被控對象模型結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)單閥部件的物理結(jié)構(gòu)及工作原理，先建立了單閥及氣路系統(tǒng)離線詳細(xì)模型，對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證對比后，再將單閥及氣路系統(tǒng)離線模型簡化為可用于實時計算的模型，簡化后的模型再經(jīng)驗證對比后，最終形成可被Matlab／Si mulink直接調(diào)用的S－Function。圖4為單車氣路控制單元及基礎(chǔ)制動裝置控制實時仿真模型。該模型中EP電流值、緊急制動信號、B11調(diào)壓閥高低壓切換信號、防滑閥動作信號作為模型輸入信息；各軸制動力矩、常用制動先導(dǎo)壓力、制動BC壓力、防滑閥后端壓力等作為模型的輸出參數(shù)。

圖4 單車氣路控制單元實時仿真

3.2 輪軌模型

（1）輪軌關(guān)系建模

為了能準(zhǔn)確的描述輪軌關(guān)系，得到列車在不同制動力下的速度，采用了國際軌道行業(yè)廣泛使用的VI－Rail工具進(jìn)行輪軌關(guān)系模擬。VI－Rail是用于鐵道車輛系統(tǒng)虛擬樣機建模與仿真的專業(yè)化環(huán)境子系統(tǒng)建模環(huán)境，直觀、快捷，可重復(fù)，并可將復(fù)雜問題靈活分解。圖5為VI－Rail建立的轉(zhuǎn)向架及單節(jié)車輛仿真模型。

使用VI－Rail可以準(zhǔn)確地建立完整的列車、輪軌多體動力學(xué)模型，其所建模型為完整的參數(shù)化模型，各重要子系統(tǒng)或關(guān)系的定義非常方便，車輛動態(tài)性能均可快速仿真得到，如車輛的穩(wěn)定性、脫軌安全系統(tǒng)、輪軌接觸力、制動距離、摩擦特性、乘坐舒適度等，系統(tǒng)中的輪軌模型主要針對輪軌動力學(xué)接觸（蠕滑力、蠕滑率）、輪軌力分析（輪軌對車輪單獨施力）、制動距離計算等方面進(jìn)行了仿真計算，并結(jié)合Matlab／Simulink及AMESim等實現(xiàn)了與VI－Rail所建車輛的動力學(xué)控制一體化分析，構(gòu)建出完整、精確的輪軌特性，實現(xiàn)準(zhǔn)確的虛擬仿真分析與優(yōu)化。

（2）建模過程

利用 VI－Rail結(jié)合 Matlab／Si mulink，建立輪軌關(guān)系模型的方法如圖6所示，具體可分為以下幾個過程：

①利用VI－Rail建立單節(jié)車輛輪軌多體動力學(xué)軟件模型，進(jìn)行初步仿真和運算，得出蠕滑力、蠕滑率隨車輛速度變化的特性數(shù)據(jù)；

圖5 轉(zhuǎn)向架及單節(jié)車輛仿真模型

圖6 輪軌模型建立方法

②在Matlab／Si mulink中建立支持實時仿真速度要求的車輛輪軌動力學(xué)軟件模型，并得到單節(jié)車輛在平直干燥軌道制動工況下的制動特性仿真分析數(shù)據(jù)，并與實際試驗數(shù)據(jù)比對，得到正確制動特性；

③將模型封裝成S－Function，供平臺集成時調(diào)用。

該模型中，各軸制動力矩作為模型的輸入條件，各軸速度和車輛制動距離作為模型的輸出參數(shù)。

3.3 三維視景

本文采用Unity3D圖像引擎開發(fā)工具建立列車、軌道和運行環(huán)境的三維圖像。視景系統(tǒng)通過CAN總線實時接收d SPACE系統(tǒng)運行參數(shù)（速度，車輪角速度，制動距離等），并動態(tài)生成列車運行圖像狀態(tài)信息。通過鍵盤按鍵可觸發(fā)三維圖像在跟隨視角、座艙視角和輪軌局部視角之間切換（圖7）。

圖7 三維視景效果圖

3.4 平臺集成

該階段將A MESi m生成的氣路及機械實時SFunction和封裝后的實時輪軌模型S－Function集成在Matlab／Si mulink中，形成圖8所示的模型；設(shè)計d SPACE與視景計算機之間CAN通信協(xié)議；通過RTI建立d SPACE實時模型與BCU、視景計算機通信接口、程控電源等輸入輸出信號交互關(guān)系，如圖9所示。

圖8 集成后的仿真模型

圖9 RTI接口設(shè)計（局部）

4 平臺應(yīng)用

本文以CRH380 AL制動系統(tǒng)為例，利用上述方法建立被控對象實時仿真模型，選擇基于該型制動系統(tǒng)用于裝車運營的制動控制器BCU作為仿真測試對象，采用Contr ol Desk建立如圖10所示的平臺測控界面，進(jìn)行定員載重條件下快速純空氣制動距離仿真驗證。仿真結(jié)果與在徐州東—蚌埠南線路的制動試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表1所示

表1 快速純空氣制動距離對比

圖10 測控界面

5 結(jié)束語

該硬件在環(huán)仿真測試平臺全面考慮了制動控制器BCU試驗驗證工作的系統(tǒng)性，解決了傳統(tǒng)試驗方案無法模擬全部試驗環(huán)境的局限性，并使得試驗結(jié)果易于直觀觀測。仿真結(jié)果表明，平臺模擬的被控對象和環(huán)境模型接近真實情況。該平臺為制動系統(tǒng)的控制器新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品改進(jìn)和升級提供了快速、有效的測試驗證手段。

［1］王月明.動車組制動技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［2］張 為，王偉達(dá)，丁能根，等.基于d SPACE的ASR硬件在環(huán)仿真平臺開發(fā)及ECU性能試驗［J］.汽車技術(shù)，2009，（10）：4－8.

［3］基于d SPACE的通用控制器系統(tǒng)開發(fā)驗證平臺［J］.測控技術(shù)，2008，27（2）：91－94.