CN105223832B - 机车半实物仿真装置、***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机车半实物仿真装置、***及方法，装置包括：实时仿真单元、计算机和电气信号转换单元。计算机将模拟上层网络控制***的控制指令转换为总线通讯协议发送至电气信号转换单元的通讯转换单元。通讯转换单元将控制指令发送至外部的实物控制器，实物控制器根据控制指令向被控对象模型输出控制信号，控制信号经电气信号转换单元发送至实时仿真单元，实时仿真单元根据控制信号计算被控对象模型状态信号输出结果，输出结果经电气信号转换单元发送至实物控制器，实物控制器将被控对象模型状态信号经通讯转换单元发回至计算机。本发明解决了现有***仿真完整性和精度不高，无法准确进行功能验证，改造周期、效率和可执行性较低的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及电气***仿真技术，尤其是涉及一种应用于机车，特别是机车牵引***的半实物仿真装置、***及方法，本发明也能够应用于其他类似电气***的半实物仿真。
背景技术
电力电子技术作为电子技术的一个重要分支，可以实现电能的变换和控制，目前已广泛应用于工业、交通、国防等国民经济的各个领域。随着国家节能减排政策的深入，电力电子技术在我国各行各业的应用将会更加的普及和广泛。由于电力电子***是一个复杂的非线性***，设计和分析的难度较大，因此通常需要较长的设计开发过程，并需要进行大量的实验研究。
在电力电子***的分析和设计中，计算机仿真技术由于其良好的可重复性和安全性得到了广泛的应用。计算机仿真技术具有能够有效地减少费时费力的实验研究、节约成本开支、缩短开发周期等技术优势。而半实物仿真作为计算机仿真技术中的一种重要形式，顾名思义，就是指在仿真***中一部分为实物，另一部分为虚拟仿真对象。半实物仿真是所有仿真技术中置信度最高的一种仿真方法。而硬件在回路又是半实物仿真的另一种方式，即控制器为实物，被控对象为虚拟对象，这种方式主要用于控制器软件、硬件设计和测试，是一种节约试验成本和缩短开发周期的优选方式。
机车牵引***作为电力电子领域在轨道交通中的一种重要应用方式，也需要进行半实物仿真，因此就需要一套专用的机车半实物仿真***，用以满足***从设计之初，到试验调试，再到现场交付调试等全过程的仿真测试需求。在现有技术中，传统的半实物仿真***一般仅仅针对牵引***主电路进行仿真，使用真实的牵引变流器控制器(传动控制单元—DCU)，牵引***主电路为仿真对象。
现有的机车半实物仿真***可以分为以下两个部分：
(1)实物控制器
机车牵引***主电路的控制器，一般称为DCU(Drive Control Unit—传动控制单元)或者TCU(Traction Control Unit—牵引控制单元)，司机可以通过机车上层控制***(列车网络控制***)向DCU发出控制信号，DCU的核心任务是根据司机指令完成对牵引变流器、三相交流异步电动机的实时控制和粘着控制，同时具备完整的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和轻微故障的自复位功能。
(2)被控对象模拟器
需要模拟的被控对象运行于模拟器中，并通过自带的IO板卡将计算的结果输出为电气信号。被控对象是机车牵引***的主电路，通过建立其数学模型并编程实现，最后下载进入被控对象模拟器的CPU板卡中，即达到模拟被控对象的目的。
如附图1所示，整个仿真***的重点是为控制器软件设计人员提供一个仿真试验验证环境，将虚拟的机车牵引***的主电路划分为以下10个部分，分别为：用于模拟供电电源的供电电源仿真单元60、用于模拟变压器的变压器仿真单元61、用于模拟整流器仿真单元50、用于模拟LC谐振回路的LC谐振回路仿真单元65、用于模拟支撑电容的支撑电容仿真单元66、用于模拟斩波回路的斩波回路仿真单元52、用于模拟逆变器的逆变器仿真单元51、用于模拟交流电机的交流电机仿真单元53、轮轨模型54和负载模型55。
其中，供电电源为牵引***提供供电电源，一般为25kV/50Hz高压交流电网。变压器按照一定比例将高压的电网电压转换为1000V以下的交流电。整流器将变压器输入的交流电转换为直流电输出。LC谐振回路一般为电感串联电容，与支撑电容一起构成中间回路，消除直流电压的二次谐振电压，降低直流电压的脉动。支撑电容一般为电容，与线路电抗器一起构成直流滤波回路，滤除直流回路中的电流谐波。斩波回路由斩波开关管和制动电阻组成，用于抑制直流电压过高，当直流电压过关时，开通斩波管，使能量消耗到制动电阻上，以降低直流电压。逆变器用于将直流电转换为交流电的装置，为三相异步电动机提供交流电。交流电机采用交流异步电机，用于将电能转换为机械能。轮轨模型54用于模拟车轮与钢轨之间摩擦系数的变化对电机牵引力和电机转速的影响。负载模型55用于模拟交流电机的负载变化。
现有机车半实物仿真***的构建过程主要包括以下三个环节：
(1)构建城轨牵引***半实物仿真***的硬件平台，包括被控对象模拟器，实物控制器，将这两个部分通过线缆连接好；
(2)构建机车半实物仿真***的虚拟被控对象，利用建模工具建立机车牵引***主电路的电气仿真模型，使其运行于CPU之中，达到模拟被控对象的目的；
(3)进行***调试，实现被控对象与实物控制器的闭环运行。
如附图2所示，根据机车对象模型的输入输出关系将需要建模的主电路拆分为两部分，分别运行于被控对象模拟器的处理板一20和处理板二21中，处理板一20和处理板二21均采用CPU。其中，处理板一20包括：供电电源仿真单元60、变压器仿真单元61、整流器仿真单元50、LC谐振回路仿真单元65、支撑电容仿真单元66，分别用于模拟：供电电源、变压器、整流器、LC谐振回路和支撑电容；处理板二21包括：斩波回路仿真单元52、逆变器仿真单元51、交流电机仿真单元53、轮轨模型54和负载模型55，分别用于模拟：斩波回路、逆变器、交流电机、轮轨和负载。每块处理板都带有I/O接口210，通过I/O接口210将处理板的输出信号转换为电信号输出，将输入的电信号转换为处理板的输入信号。实物控制器5为被验证的实物控制器。
现有机车半实物仿真***的工作原理为：处理板通过I/O接口210读入实物控制器5的控制信号和另一块处理板的输出信号，作为本处理板的输入，根据仿真模型计算得到本处理板的输出量，将输出量通过I/O接口210送给实物控制器5，实物控制器5采集被控对象模拟器的输出信号，通过这些信号计算出下一步实物控制器5的输出控制，这样就形成了一个硬件在环的闭环验证***。
由上可知，现有机车半实物仿真***的缺点主要有如下几点：
(1)在实物控制器的实际运行环境(机车牵引变流器内)中，实物控制器的控制对象为牵引变流器主电路，也即是被控对象模拟器中模拟的被控对象，但是除此之外，实物控制器在实际环境中还要接收来自它的上层***(列车网络控制***)的控制指令，同时发送牵引变流器的运行状态信息给列车网络***，这才是实物控制器在实际中的运行环境。而现有的技术方案中仅将牵引***主电路作为仿真模型对象，并没有对实物控制器(传动控制单元)的上层控制***的信号进行模拟，这是一个不完整的仿真***，不能达到完全模拟所有外部信号进行仿真的目的。仿真时由于缺少相关上层***信号，需要对实物控制器内部程序进行修改使之适应现有方案的仿真***。
(2)实物控制器不能直接与仿真***相连接，需要进行软硬件改造，费时费力。被控对象模拟器的IO信号等级较低，一般数字信号为5V电平，模拟信号为-10V～10V的模拟电压信号，与实物控制器是不一致的。现有技术方案中的实物控制器的IO信号等级均是进行过硬件改造使之适合于被控对象模拟器的低电压等级信号。实物控制器因为需要进行硬件改造，不仅需要大量时间和人力进行，还会造成实物控制器本身具有不完整性的硬件缺陷，影响控制结果和精度。
(3)实时仿真器运算能力和接口有限，不能满足不同的机车牵引***主电路配置要求，不能完全模拟实际主电路运行情况。因为CPU的处理能力有限的，需要顺序执行工作原理中描述的计算过程，计算量越大就会导致***延迟增加，影响仿真计算结果的精度和正确性。CPU处理能力有限，会造成脉冲采样计算延迟和解算步长限制，现有技术一般最快为25μs，影响模型解算的精度和稳定性。
(4)对于不同的机车其主电路配置的整流器、逆变器和电动机的数量均不同，但为了保证计算的实时性将整流器、逆变器和电动机各等效为1个。因此，整个***模拟不够完整，不能完全模拟实际运行情况。
综上所述，这些缺点都会影响整个实物控制器半实物仿真的完整性和精度，也就无法准确的对实物控制器的软硬件功能进行验证，同时改造周期、效率和可执行性较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种机车半实物仿真装置、***及方法，能够有效地解决现有仿真***和方法半实物仿真的完整性和精确度不高，无法准确地对实物控制器的软硬件功能进行验证，同时改造周期、效率和可执行性较低的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种机车半实物仿真装置的技术实现方案，所述机车半实物仿真装置包括：实时仿真单元、计算机和电气信号转换单元，所述电气信号转换单元包括通讯转换单元；所述计算机将模拟的上层网络控制***的控制指令转换为总线通讯协议发送至所述通讯转换单元，所述通讯转换单元将控制指令发送至外部的实物控制器，所述实物控制器根据上层网络控制***的控制指令向被控对象模型输出控制信号；所述控制信号经过所述电气信号转换单元进行信号转换后发送至所述实时仿真单元，所述实时仿真单元根据所述控制信号计算出被控对象模型状态信号的输出结果，所述输出结果经所述电气信号转换单元进行信号转换后发送至所述实物控制器，所述实物控制器将被控对象模型状态信号通过通讯转换单元发回至所述计算机。
本发明还具体提供了另一种机车半实物仿真装置的技术实现方案，所述机车半实物仿真装置包括：实时仿真单元、计算机、电气信号转换单元和通讯转换单元；所述计算机将模拟的上层网络控制***的控制指令转换为总线通讯协议发送至所述通讯转换单元，所述通讯转换单元将控制指令发送至外部的实物控制器，所述实物控制器根据上层网络控制***的控制指令向被控对象模型输出控制信号；所述控制信号经过所述电气信号转换单元进行信号转换后发送至所述实时仿真单元，所述实时仿真单元根据所述控制信号计算出被控对象模型状态信号的输出结果，所述输出结果经所述电气信号转换单元进行信号转换后发送至所述实物控制器，所述实物控制器将被控对象模型状态信号通过通讯转换单元发回至所述计算机。
优选的，所述电气信号转换单元通过CAN总线与所述计算机连接。
优选的，所述***应用于机车牵引***半实物仿真。
优选的，所述实物控制器为机车牵引***主电路的控制器，所述实时仿真单元用于模拟被控对象，所述被控对象为所述机车牵引***主电路；所述通讯转换单元向所述实物控制器提供标准机车上层控制***的通讯信号，所述电气信号转换单元针对所述实物控制器的输入输出信号特征，为所述实物控制器提供真实的外部电气信号，使得所述机车半实物仿真***为所述实物控制器提供完整的外部信号模拟。
优选的，所述通讯转换单元采用MVB通讯转换单元，所述通讯转换单元用于进行CAN总线通讯协议与MVB通讯协议之间的相互转换。
优选的，所述计算机进一步包括虚拟司控台模块，所述虚拟司控台模块用于虚拟图形化的网络控制及显示界面，操作人员通过所述虚拟司控台模块向所述实物控制器发送控制指令，接收所述实物控制器向上层控制***反馈的被控对象运行状态信息，并在所述计算机上进行显示，所述计算机与所述通讯转换单元通过CAN总线进行连接。
优选的，所述计算机向所述实时仿真单元发送八路数字信号，包括向前、向后、牵引、制动、主断路器合、主断路器分、复位和备用信号，该八路数字信号再通过所述实时仿真单元发送至所述电气信号转换单元进行电气转换后再输出至所述实物控制器。
优选的，所述电气信号转换单元还包括程控电阻单元、第一电压转换单元、第二电压转换单元、第三电压转换单元、第一电压/电流转换单元、第二电压/电流转换单元和电压放大转换单元；
所述程控电阻单元用于模拟电阻负载变化，接收所述实物控制器的恒流源输出，并通过所述计算机调节电阻负载，从而调节所述负载电阻两端的电压，并将所述负载电阻的反馈电压输出至所述实物控制器；
所述第一电压转换单元用于将所述实物控制器的24V逆变器PWM脉冲控制信号转换为5V脉冲信号输入至所述实时仿真单元；同时将所述实时仿真单元输出的5V IGBT单管故障信号转换为24V电平信号输入至所述实物控制器；
所述第二电压转换单元用于将所述实物控制器的110V数字控制信号转换为5V脉冲信号输入至所述实时仿真单元；同时将所述实时仿真单元输出的5V数字状态信号转换为110V数字信号输入至所述实物控制器；
所述第三电压转换单元用于将所述实时仿真单元输出的5V速度脉冲信号转换为15V脉冲信号输入至所述实物控制器；
所述第一电压/电流转换单元用于将所述实时仿真单元输出的-10V～10V模拟电压信号转换为-600mA～600mA模拟电流信号输入至所述实物控制器；
所述第二电压/电流转换单元用于将实时仿真单元输出的-10V～10V模拟电压信号转换为-200mA～200mA模拟电流信号输入至所述实物控制器；
所述电压放大转换单元用于将所述实时仿真单元输出的-10V～10V电网电压同步信号转换为-30V～30V模拟电压信号输入至所述实物控制器。
优选的，所述程控电阻单元用于模拟温度电阻负载变化，并接收所述实物控制器的5mA恒流源输出。
优选的，所述实时仿真单元包括若干个功能单元，所述功能单元包括处理板、高速处理板和I/O接口，所述处理板、高速处理板均用于进行实时仿真计算；所述处理板通过所述I/O接口读入所述电气信号转换单元输出的来自于所述实物控制器的控制信号，以及所述高速处理板的输出信号，根据仿真模型计算得到所述处理板的输出信号，并将所述输出信号通过所述I/O接口经所述电气信号转换单元传送至所述实物控制器；所述高速处理板通过所述I/O接口读入所述电气信号转换单元输出的来自于所述实物控制器的控制信号，以及所述处理板的输出信号，根据仿真模型计算得到所述高速处理板的输出信号，并将所述输出信号通过所述I/O接口经所述电气信号转换单元传送至所述实物控制器，进行硬件在回路闭环验证。
优选的，所述高速处理板进一步采用FPGA。
优选的，所述实时仿真单元包括功能单元一、功能单元二、功能单元三和功能单元四；所述功能单元一进一步包括处理板一和高速处理板一，所述功能单元二进一步包括处理板二和高速处理板二，所述功能单元三进一步包括处理板三和高速处理板三，所述功能单元四进一步包括处理板四和高速处理板四。
优选的，所述实时仿真单元还包括模拟输出接口和数字I/O接口，所述模拟输出接口分别与所述处理板四、电气信号转换单元相连，用于模拟量输出，所述数字I/O接口分别与处理板四、计算机相连，用于数字量输入输出。
优选的，所述处理板一包括供电电源仿真单元和变压器仿真单元，所述高速处理板一包括整流器一仿真单元、整流器二仿真单元、整流器三仿真单元、LC谐振回路仿真单元和支撑电容仿真单元；
所述处理板二包括轮轨模型一和轮轨模型二，所述高速处理板二包括逆变器一仿真单元、斩波回路一仿真单元、逆变器二仿真单元、斩波回路二仿真单元、交流电机一仿真单元和交流电机二仿真单元；
所述处理板三包括轮轨模型三和轮轨模型四，所述高速处理板三包括逆变器三仿真单元、斩波回路三仿真单元、逆变器四仿真单元、斩波回路四仿真单元、交流电机三仿真单元和交流电机四仿真单元；
所述处理板四包括机车负载模型，所述高速处理板四包括辅助逆变器仿真单元和辅变负载模型。
优选的，所述处理板一包括供电电源仿真单元、变压器仿真单元、LC谐振回路仿真单元和支撑电容仿真单元，所述高速处理板一包括整流器一仿真单元、整流器二仿真单元和整流器三仿真单元；
所述处理板二包括轮轨模型一和轮轨模型二，所述高速处理板二包括逆变器一仿真单元、斩波回路一仿真单元、逆变器二仿真单元、斩波回路二仿真单元、交流电机一仿真单元和交流电机二仿真单元；
所述处理板三包括轮轨模型三和轮轨模型四，所述高速处理板三包括逆变器三仿真单元、斩波回路三仿真单元、逆变器四仿真单元、斩波回路四仿真单元、交流电机三仿真单元和交流电机四仿真单元；
所述处理板四包括机车负载模型，所述高速处理板四包括辅助逆变器仿真单元和辅变负载模型。
优选的，所述处理板一包括供电电源仿真单元、变压器仿真单元、LC谐振回路仿真单元和支撑电容仿真单元，所述高速处理板一包括整流器一仿真单元、整流器二仿真单元和整流器三仿真单元；
所述处理板二包括轮轨模型一和轮轨模型二，所述高速处理板二包括逆变器一仿真单元、斩波回路一仿真单元、逆变器二仿真单元、斩波回路二仿真单元、交流电机一仿真单元和交流电机二仿真单元；
所述处理板三包括轮轨模型三和轮轨模型四，所述高速处理板三包括逆变器三仿真单元、斩波回路三仿真单元、逆变器四仿真单元、斩波回路四仿真单元、交流电机三仿真单元和交流电机四仿真单元；
所述处理板四包括机车负载模型和辅助逆变器仿真单元，所述高速处理板四包括辅变负载模型。
优选的，所述处理板一包括供电电源仿真单元和变压器仿真单元，所述高速处理板一包括整流器一仿真单元、整流器二仿真单元、整流器三仿真单元、LC谐振回路仿真单元和支撑电容仿真单元；
所述处理板二包括轮轨模型一、轮轨模型二和机车负载模型一，所述高速处理板二包括逆变器一仿真单元、斩波回路一仿真单元、逆变器二仿真单元、斩波回路二仿真单元、交流电机一仿真单元和交流电机二仿真单元；
所述处理板三包括轮轨模型三、轮轨模型四和机车负载模型二，所述高速处理板三包括逆变器三仿真单元、斩波回路三仿真单元、逆变器四仿真单元、斩波回路四仿真单元、交流电机三仿真单元和交流电机四仿真单元；
所述处理板四包括辅变负载模型，所述高速处理板四包括辅助逆变器仿真单元。
优选的，所述处理板一包括供电电源仿真单元、变压器仿真单元、LC谐振回路仿真单元和支撑电容仿真单元，所述高速处理板一包括整流器一仿真单元、整流器二仿真单元和整流器三仿真单元；
所述处理板二包括轮轨模型一、轮轨模型二和机车负载模型一，所述高速处理板二包括逆变器一仿真单元、斩波回路一仿真单元、逆变器二仿真单元、斩波回路二仿真单元、交流电机一仿真单元和交流电机二仿真单元；
所述处理板三包括轮轨模型三、轮轨模型四和机车负载模型二，所述高速处理板三包括逆变器三仿真单元、斩波回路三仿真单元、逆变器四仿真单元、斩波回路四仿真单元、交流电机三仿真单元和交流电机四仿真单元；
所述处理板四包括辅变负载模型，所述高速处理板四包括辅助逆变器仿真单元。
本发明还另外具体提供了一种机车半实物仿真***的技术实现方案，包括如上所述的机车半实物仿真装置，以及与所述机车半实物仿真装置相连的实物控制器。
本发明还另外具体提供了一种机车半实物仿真方法的技术实现方案，所述方法包括以下步骤：
S100：采用计算机、实时仿真单元和电气信号转换单元组成模拟实物控制器所有外部信号的电气环境；
S101：所述电气信号转换单元包括通讯转换单元，所述计算机通过所述通讯转换单元向所述实物控制器提供标准机车上层控制***的通讯信号；
S102：所述实时仿真单元以机车牵引***主电路为被控对象进行模拟，为所述实物控制器提供除所述通讯信号以外的其它外部电气信号，为所述实物控制器提供完整的外部信号模拟；所述电气信号转换单元针对所述实物控制器的输入输出信号特征，为所述实物控制器提供真实的外部电气信号。
本发明还具体提供了另一种机车半实物仿真方法的技术实现方案，所述方法包括以下步骤：
S100：采用计算机、实时仿真单元、电气信号转换单元和通讯转换单元组成模拟实物控制器所有外部信号的电气环境；
S101：所述计算机通过所述通讯转换单元向所述实物控制器提供标准机车上层控制***的通讯信号；
S102：所述实时仿真单元以机车牵引***主电路为被控对象进行模拟，为所述实物控制器提供除所述通讯信号以外的其它外部电气信号，实现所述实物控制器完整的外部信号模拟；所述电气信号转换单元针对所述实物控制器的输入输出信号特征，为所述实物控制器提供真实的外部电气信号。
优选的，所述步骤S101进一步包括：
所述计算机将模拟的上层网络控制***的控制指令转换为总线通讯协议发送至所述通讯转换单元，所述通讯转换单元将控制指令发送至所述实物控制器；
所述步骤S102进一步包括：
所述实物控制器根据上层网络控制***的控制指令向被控对象模型输出控制信号，所述控制信号经过所述电气信号转换单元进行信号转换后发送至所述实时仿真单元，所述实时仿真单元根据所述控制信号计算出被控对象模型状态信号的输出结果，所述输出结果经所述电气信号转换单元进行信号转换后发送至所述实物控制器，所述实物控制器将被控对象模型状态信号通过通讯转换单元发回至所述计算机。
优选的，所述仿真方法还包括以下步骤：
在所述计算机上设置虚拟司控台模块以进行虚拟图形化的网络控制及显示，操作人员通过所述虚拟司控台模块向所述实物控制器发送控制指令，接收所述实物控制器向上层控制***反馈的被控对象运行状态信息，并在所述计算机上进行显示。
优选的，所述仿真方法还包括以下步骤：
将所述实时仿真单元划分为若干个功能单元，所述功能单元包括处理板、高速处理板和I/O接口，所述处理板、高速处理板均用于进行实时仿真计算；所述处理板通过所述I/O接口读入所述电气信号转换单元输出的来自于所述实物控制器的控制信号，以及所述高速处理板的输出信号，根据仿真模型计算得到所述处理板的输出信号，并将所述输出信号通过所述I/O接口经所述电气信号转换单元传送至所述实物控制器；所述高速处理板通过所述I/O接口读入所述电气信号转换单元输出的来自于所述实物控制器的控制信号，以及所述处理板的输出信号，根据仿真模型计算得到所述高速处理板的输出信号，并将所述输出信号通过所述I/O接口经所述电气信号转换单元传送至所述实物控制器，进行硬件在回路闭环验证。
通过实施上述本发明提供的机车半实物仿真装置、***及方法，具有如下技术效果：
(1)本发明有效地解决了现有仿真***和方法半实物仿真的完整性和精确度不高，无法准确地对实物控制器的软硬件功能进行验证，改造周期、效率和可执行性较低的技术问题。同时，可以为传动控制单元(DCU)提供全面的实时信号，不用对实物控制器进行改造就能实现与仿真***的无缝连接和同步运行，同时在不影响仿真实时性的情况下扩大了仿真的规模，使得仿真***能够适应不同主电路规模的机车。
(2)本发明采用电气信号转换单元和计算机，使得整个半实物仿真***能够为实物控制器提供现场工作环境中的真实信号，很好的解决了***模拟不够完整，不能完全模拟实际运行情况，仿真时由于缺少相关上层***信号，需要对实物控制器内部程序进行修改，以及实物控制器因为需要进行硬件改造，不仅需要大量时间和人力进行，还会造成实物控制器本身具有不完整性的硬件缺陷，影响控制结果和精度的技术缺陷。本发明不必再进行实物控制器的软硬件改造，可直接与现场产品无缝连接，即提升了工作效率，又节约了真实试验成本，非常适合产品开发前期验证和后期现场运行模拟测试。
(3)本发明采用CPU+FPGA半实物仿真技术的模式相比传统的半实物仿真技术模式，减轻了CPU的运算负担，可使其空出更多的空闲计算时间进行复杂模型的计算。而将部分模型移至FPGA中进行高速运算，可将运算速率提高至0.01us，大大提高了运算周期和计算精度。很好地解决了现有机车半实物仿真***CPU处理能力有限，会造成脉冲采样计算延迟和解算步长限制，影响模型解算的精度和稳定性的技术问题。同时，既继承了现有模式建模方便、易于修改调试等优点，又具有仿真解算处理能力强、实时仿真精度高的独特优势。
(4)本发明采用MVB通讯转换单元，能够完美复现现场实物控制器的通讯信号，信号模拟更加完美真实，提供了对实物控制器通讯逻辑的可测试性。
(5)本发明利用虚拟司控台模块，可以模拟真实的司机驾驶和操作过程，使得对实物控制器的控制时序更加接近真实。
(6)本发明能够真实模拟目前绝大多数机车的牵引***主电路，针对于不同类型的机车，不同数量的整流器、逆变器、斩波电路和电机配置情况都能很好的进行模拟，使得整个仿真***的通用性极强。
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。
图1是现有技术中一种典型机车牵引***的主电路虚拟结构示意图；
图2是现有技术中一种机车半实物仿真***的结构组成示意图；
图3是本发明机车半实物仿真***一种具体实施方式的***结构框图；
图4是本发明机车半实物仿真***中实时仿真单元实施例1的结构组成框图；
图5是本发明机车半实物仿真***中实时仿真单元实施例2的结构组成框图；
图6是本发明机车半实物仿真***中实时仿真单元实施例3的结构组成框图；
图7是本发明机车半实物仿真***中实时仿真单元实施例4的结构组成框图；
图8是本发明机车半实物仿真***中实时仿真单元实施例5的结构组成框图；
图9是本发明机车半实物仿真***另一种具体实施方式的***结构框图；
图中：1-机车半实物仿真装置，2-实时仿真单元，3-计算机，4-电气信号转换单元，5-实物控制器，6-功能单元一，7-功能单元二，8-功能单元三，9-功能单元四，20-处理板一，21-处理板二，22-处理板三，23-处理板四，24-高速处理板一，25-高速处理板二，26-高速处理板三，27-高速处理板四，28-模拟输出接口，29-数字I/O接口，210-I/O接口，40-通讯转换单元，41-程控电阻单元，42-第一电压转换单元，43-第二电压转换单元，44-第三电压转换单元，45-第一电压/电流转换单元，46-第二电压/电流转换单元，47-电压放大转换单元，50-整流器仿真单元，51-逆变器仿真单元，52-斩波回路仿真单元，53-交流电机仿真单元，54-轮轨模型，55-负载模型，60-供电电源仿真单元，61-变压器仿真单元，62-整流器一仿真单元，63-整流器二仿真单元，64-整流器三仿真单元，65-LC谐振回路仿真单元，66-支撑电容仿真单元，70-逆变器一仿真单元，71-斩波回路一仿真单元，72-逆变器二仿真单元，73-斩波回路二仿真单元，74-交流电机一仿真单元，75-轮轨模型一，76-交流电机二仿真单元，77-轮轨模型二，78-机车负载模型一，80-逆变器三仿真单元，81-斩波回路三仿真单元，82-逆变器四仿真单元，83-斩波回路四仿真单元，84-交流电机三仿真单元，85-轮轨模型三，86-交流电机四仿真单元，87-轮轨模型四，88-机车负载模型二，90-辅助逆变器仿真单元，91-辅变负载模型，92-机车负载模型。
具体实施方式
为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：
DCU：Drive Control Unit，传动控制单元的简称；
TCU：Traction Control Unit，牵引控制单元的简称；
PC机：Personal Computer，个人计算机的简称；
FPGA：Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列的简称；
Labview：Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台的简称；
CPU：Central Processing Unit，中央处理器的简称；
I/O：Input/Output，输入输出的简称；
PWM：Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制的简称；
IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管的简称；
DA：Digital-Analog，数字-模拟转换的简称；
AD：Analog–Digital，模拟-数字转换的简称；
PHS：Peripheral high speed，***高速总线的简称；
MVB：Multifunction Vehicle Bus，多功能车辆总线的简称；
CAN：Controller Area Network，控制器局域网络的简称；
PCI：Personal Computer Interface，外设互联标准的简称，或称为个人电脑接口，是一种连接电子计算机主板和外部设备的总线标准；
PCIe：PCI Express，简称PCI-E，是计算机总线PCI的一种，它沿用了现有的PCI编程概念及通信标准，但建基于更快的串行通信***。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图3至附图9所示，给出了本发明机车半实物仿真装置、***及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明具体实施例构建的机车半实物仿真装置及***，可以为传动控制单元提供全面的实时信号，不用对实物控制器进行改造就能实现与仿真***中其余部分的无缝连接和同步运行，同时在不影响仿真实时性的情况下扩大了仿真的规模，使得仿真***能够适应不同主电路规模的机车。
本发明具体实施例采用计算机3、实时仿真单元2和电气信号转换单元4组成机车半实物仿真装置1，为实物控制器5提供模拟所有外部信号的电气环境。电气信号转换单元4包括通讯转换单元40，计算机3通过通讯转换单元40向实物控制器5提供标准机车上层控制***的通讯信号。实时仿真单元2以机车牵引***主电路为被控对象进行模拟，为实物控制器5提供除通讯信号以外的其它外部电气信号，实现实物控制器5完整的外部信号模拟。电气信号转换单元4针对实物控制器5的输入输出信号特征，为实物控制器5提供真实的外部电气信号。
如附图3所示，一种机车半实物仿真装置的具体实施例，机车半实物仿真装置1包括：实时仿真单元2、计算机3和电气信号转换单元4，电气信号转换单元4包括通讯转换单元40。计算机3将模拟的上层网络控制***的控制指令转换为总线通讯协议发送至通讯转换单元40，通讯转换单元40将控制指令发送至外部的实物控制器5，实物控制器5根据上层网络控制***的控制指令向被控对象模型输出控制信号。控制信号经过电气信号转换单元4进行信号转换后发送至实时仿真单元2，实时仿真单元2根据控制信号计算出被控对象模型状态信号的输出结果，输出结果经电气信号转换单元4进行信号转换后发送至实物控制器5，实物控制器5将被控对象模型状态信号通过通讯转换单元40发回至计算机3，以便于操作人员观察。
如附图9所示，机车半实物仿真装置的另一种具体实施例，机车半实物仿真装置1包括：实时仿真单元2、计算机3、电气信号转换单元4和通讯转换单元40。计算机3将模拟的上层网络控制***的控制指令转换为总线通讯协议发送至通讯转换单元40，通讯转换单元40将控制指令发送至外部的实物控制器5，实物控制器5根据上层网络控制***的控制指令向被控对象模型输出控制信号。控制信号经过电气信号转换单元4进行信号转换后发送至实时仿真单元2，实时仿真单元2根据控制信号计算出被控对象模型状态信号的输出结果，输出结果经电气信号转换单元4进行信号转换后发送至实物控制器5，实物控制器5将被控对象模型状态信号通过通讯转换单元40发回至计算机3。电气信号转换单元4进一步通过CAN总线与计算机3连接。在本实施例中，可以采用具有PCIe或PCI接口的通讯转换单元40与计算机3连接，或采用具有PCIe或PCI接口的通讯转换单元40移植入计算机3的内部，而***的其他结构不变即可。
作为本发明一种典型的具体实施例，上述机车半实物仿真装置进一步应用于机车牵引***半实物仿真。
实物控制器5为机车牵引***主电路的控制器(即传动控制单元，DCU)，实时仿真单元2用于模拟被控对象，被控对象为机车牵引***主电路。通讯转换单元40向实物控制器5提供标准机车上层控制***的通讯信号。机车上层控制***(列车网络控制***)与作为实物控制器5的DCU相连，用于向DCU发出上层控制信号。电气信号转换单元4针对实物控制器5的输入输出信号特征，为实物控制器5提供真实的外部电气信号，使得机车半实物仿真***1为实物控制器5提供完整的外部信号模拟。
通讯转换单元40采用MVB通讯转换单元，通讯转换单元40用于进行CAN总线通讯协议与MVB通讯协议之间的相互转换。通讯转换单元40是一个通讯协议转换单元，主要用于CAN总线通讯协议与MVB通讯协议进行相互转换。实物控制器5内有标准的MVB通讯接口，是机车电气***一种专有的通讯网络接口。
计算机3进一步包括虚拟司控台模块，虚拟司控台模块用于虚拟图形化的网络控制及显示界面，操作人员可以通过虚拟司控台模块向实物控制器5发送控制指令，接收实物控制器5向上层控制***反馈的被控对象运行状态信息，并在计算机3上进行显示，计算机3与通讯转换单元40通过CAN总线进行连接。虚拟司控台模块采用Labview编程环境构建一个虚拟的图形化网络控制及显示界面的方式。
计算机3向实时仿真单元2发送八路数字信号，包括向前、向后、牵引、制动、主断路器合、主断路器分、复位和备用信号，该八路数字信号再通过实时仿真单元2发送至电气信号转换单元4进行电气转换后再输出至实物控制器5。
电气信号转换单元4主要包括八个部分，分别为：程控电阻单元41、第一电压转换单元42、第二电压转换单元43、第三电压转换单元44、第一电压/电流转换单元45、第二电压/电流转换单元46和电压放大转换单元47；
程控电阻单元41用于模拟电阻负载(PT100温度电阻)变化，接收实物控制器5的恒流源输出，并通过计算机3调节电阻负载，从而调节负载电阻两端的电压，并将负载电阻的反馈电压输出至实物控制器5；作为本发明一种典型的具体实施例，程控电阻单元41用于模拟温度电阻负载变化，并接收实物控制器5的5mA恒流源输出；
第一电压转换单元42(24V/5V转换)用于将实物控制器5的24V逆变器(整流器、辅助变流器，简称辅变)PWM脉冲控制信号转换为5V脉冲信号输入至实时仿真单元2；同时将实时仿真单元2输出的5V IGBT单管故障信号转换为24V电平信号输入至实物控制器5中；共可同时进行41路24V转5V，64路5V转24V；
第二电压转换单元43(110V/5V转换)用于将实物控制器5的110V数字控制信号转换为5V脉冲信号输入至实时仿真单元2；同时将实时仿真单元2输出的5V数字状态信号转换为110V数字信号输入至实物控制器5中；共可同时进行24路110V转5V，40路5V转110V；
第三电压转换单元44(15V/5V转换)用于将实时仿真单元2输出的5V速度脉冲信号转换为15V脉冲信号输入至实物控制器5中；可同时进行4对速度信号，共8路5V转15V；
第一电压/电流转换单元45(U/I转换1)用于将实时仿真单元2输出的-10V～10V模拟电压信号转换为-600mA～600mA模拟电流信号输入至实物控制器5中；包括3路四象限输入电流信号转换、4路中间电流信号转换、8路电机电流信号转换和4路斩波电流转换；
第二电压/电流转换单元46(U/I转换2)用于将实时仿真单元2输出的-10V～10V模拟电压信号转换为-200mA～200mA模拟电流信号输入至实物控制器5中；包括3路辅变电流转换、2路原边电流信号转换、4路辅变电压信号转换、4路中间电压信号转换和4路半中间电压信号转换；
电压放大转换单元47用于将实时仿真单元2输出的-10V～10V电网电压同步信号转换为-30V～30V模拟电压信号输入至实物控制器5中。
实时仿真单元2包括若干个功能单元，功能单元包括处理板、高速处理板和I/O接口210，处理板、高速处理板均用于进行实时仿真计算。高速处理板能够提供相对于处理板更高的计算速度，可将运算速率提高至0.01us。处理板通过I/O接口210(I/O板)读入电气信号转换单元4输出的来自于实物控制器5的控制信号，以及高速处理板的输出信号，根据仿真模型计算得到处理板的输出信号，并将输出信号通过I/O接口210经电气信号转换单元4传送至实物控制器5。高速处理板通过I/O接口210读入电气信号转换单元4输出的来自于实物控制器5的控制信号，以及处理板的输出信号，根据仿真模型计算得到高速处理板的输出信号，并将输出信号通过I/O接口210经电气信号转换单元4传送至实物控制器5，进行硬件在回路闭环验证。处理板进一步采用CPU板，高速处理板进一步采用FPGA。
作为本发明一种典型的具体实施例，实时仿真单元2由4块CPU板、4块FPGA板、1块模拟输出板和1块数字I/O接口板构成。实时仿真单元2包括功能单元一6、功能单元二7、功能单元三8和功能单元四9。功能单元一6进一步包括处理板一20(CPU1板)和高速处理板一24(FPGA1板)，功能单元二7进一步包括处理板二21(CPU2板)和高速处理板二25(FPGA2板)，功能单元三8进一步包括处理板三22(CPU3板)和高速处理板三26(FPGA3板)，功能单元四9进一步包括处理板四23(CPU4板)和高速处理板四27(FPGA4板)。CPU板之间通过通讯接口进行连接，每组CPU板和FPGA板为一个功能单元组，每块FPGA板仅可与对应的CPU板进行通讯。另外，为了满足足够的接口数量另外增加了与CPU板4相连的模拟输出板和数字I/O接口板。
实时仿真单元2的工作原理为：CPU板通过I/O板读入控制器的控制信号和FPGA板的输出信号，作为本CPU板的输入，根据仿真模型计算得到本CPU板的输出，将输出量通过I/O板送给控制器。FPGA板通过I/O板读入控制器的控制信号和CPU板的输出信号，作为本FPGA板的输入，根据仿真模型计算得到本FPGA板的输出，将输出量通过I/O板送给控制器，进行硬件在回路闭环验证。
CPU板+FPGA板：CPU+FPGA为一个功能单元组，二者均可用于实时仿真计算，并通过PHS总线进行数据交换。FPGA板带有12路高速DA、12路高速AD和16路单个可配置的数字I/O接口，AD/DA支持-10V～10V模拟信号输入/输出，数字I/O支持5V电平信号输入输出。
实时仿真单元2还进一步包括模拟输出接口28(模拟输出板)和数字I/O接口29(数字I/O接口板)，模拟输出接口28分别与处理板四23、电气信号转换单元4相连，用于模拟量输出，数字I/O接口29分别与处理板四23、计算机3相连，用于数字量输入输出。模拟输出板只受CPU4板的控制，主要用于模拟量输出，可同时输出32路-10V～10V模拟信号。数字I/O接口板只受CPU4板的控制，主要用于数字量输入/输出，可同时支持96路数字I/O输入输出，支持5V电平信号。
对4个CPU板+FPGA板的功能组进行了任务分配，方便更好地运行各种不同的机车牵引***，按照现有技术中如附图2所示的典型机车牵引***的主电路结构进行分配。其中，功能单元一6主要用于整流侧(供电电源、整流器和中间回路)模型计算；功能单元二7、功能单元三8主要用于逆变器侧(逆变器和电机)模型计算；功能单元四9主要用于具有辅助变流器和机车负载的模型计算。辅助逆变器是用于将直流电转换为交流电的装置，为机车上三相异步电动机提供交流电。辅变负载模型用于模拟机车辅助设备的变化，包括模拟风机负载、压缩机等负载的变化。
实施例1：
如附图4所示，功能单元一6包括处理板一20(CPU1板)和高速处理板一24(FPGA1板)；
处理板一20包括：供电电源仿真单元60和变压器仿真单元61；
高速处理板一24包括：整流器一仿真单元62、整流器二仿真单元63、整流器三仿真单元64、LC谐振回路仿真单元65和支撑电容仿真单元66；
功能单元二7包括：处理板二21(CPU2板)和高速处理板二25(FPGA2板)；
处理板二21包括：轮轨模型一75和轮轨模型二77；
高速处理板二25包括：逆变器一仿真单元70、斩波回路一仿真单元71、逆变器二仿真单元72、斩波回路二仿真单元73、交流电机一仿真单元74和交流电机二仿真单元76；
功能单元三8包括：处理板三22(CPU3板)和高速处理板三26(FPGA3板)；
处理板三22包括：轮轨模型三85和轮轨模型四87；
高速处理板三26包括：逆变器三仿真单元80、斩波回路三仿真单元81、逆变器四仿真单元82、斩波回路四仿真单元83、交流电机三仿真单元84和交流电机四仿真单元86；
功能单元四9包括处理板四23(CPU4板)和高速处理板四27(FPGA4板)；
处理板四23包括：机车负载模型92；
高速处理板四27包括：辅助逆变器仿真单元90和辅变负载模型91。
实施例2：
如附图5所示，功能单元一6包括处理板一20(CPU1板)和高速处理板一24(FPGA1板)；
处理板一20包括：供电电源仿真单元60、变压器仿真单元61、LC谐振回路仿真单元65和支撑电容仿真单元66；
高速处理板一24包括：整流器一仿真单元62、整流器二仿真单元63和整流器三仿真单元64；
功能单元二7包括：处理板二21(CPU2板)和高速处理板二25(FPGA2板)；
处理板二21包括：轮轨模型一75和轮轨模型二77；
高速处理板二25包括：逆变器一仿真单元70、斩波回路一仿真单元71、逆变器二仿真单元72、斩波回路二仿真单元73、交流电机一仿真单元74和交流电机二仿真单元76；
功能单元三8包括：处理板三22(CPU3板)和高速处理板三26(FPGA3板)；
处理板三22包括：轮轨模型三85和轮轨模型四87；
高速处理板三26包括：逆变器三仿真单元80、斩波回路三仿真单元81、逆变器四仿真单元82、斩波回路四仿真单元83、交流电机三仿真单元84和交流电机四仿真单元86；
功能单元四9包括处理板四23(CPU4板)和高速处理板四27(FPGA4板)；
处理板四23包括：机车负载模型92；
高速处理板四27包括：辅助逆变器仿真单元90和辅变负载模型91。
实施例3：
如附图6所示，功能单元一6包括处理板一20(CPU1板)和高速处理板一24(FPGA1板)；
处理板一20包括：供电电源仿真单元60、变压器仿真单元61、LC谐振回路仿真单元65和支撑电容仿真单元66；
高速处理板一24包括：整流器一仿真单元62、整流器二仿真单元63和整流器三仿真单元64；
功能单元二7包括：处理板二21(CPU2板)和高速处理板二25(FPGA2板)；
处理板二21包括：轮轨模型一75和轮轨模型二77；
高速处理板二25包括：逆变器一仿真单元70、斩波回路一仿真单元71、逆变器二仿真单元72、斩波回路二仿真单元73、交流电机一仿真单元74和交流电机二仿真单元76；
功能单元三8包括：处理板三22(CPU3板)和高速处理板三26(FPGA3板)；
处理板三22包括：轮轨模型三85和轮轨模型四87；
高速处理板三26包括：逆变器三仿真单元80、斩波回路三仿真单元81、逆变器四仿真单元82、斩波回路四仿真单元83、交流电机三仿真单元84和交流电机四仿真单元86；
功能单元四9包括处理板四23(CPU4板)和高速处理板四27(FPGA4板)；
处理板四23包括：机车负载模型92和辅助逆变器仿真单元90；
高速处理板四27包括：辅变负载模型91。
实施例4：
如附图7所示，功能单元一6包括处理板一20(CPU1板)和高速处理板一24(FPGA1板)；处理板一20包括：供电电源仿真单元60和变压器仿真单元61；
高速处理板一24包括：整流器一仿真单元62、整流器二仿真单元63、整流器三仿真单元64、LC谐振回路仿真单元65和支撑电容仿真单元66；
功能单元二7包括：处理板二21(CPU2板)和高速处理板二25(FPGA2板)；
处理板二21包括：轮轨模型一75、轮轨模型二77和机车负载模型一78；
高速处理板二25包括：逆变器一仿真单元70、斩波回路一仿真单元71、逆变器二仿真单元72、斩波回路二仿真单元73、交流电机一仿真单元74和交流电机二仿真单元76；
功能单元三8包括：处理板三22(CPU3板)和高速处理板三26(FPGA3板)；
处理板三22包括：轮轨模型三85、轮轨模型四87和机车负载模型二88；
高速处理板三26包括：逆变器三仿真单元80、斩波回路三仿真单元81、逆变器四仿真单元82、斩波回路四仿真单元83、交流电机三仿真单元84和交流电机四仿真单元86；
功能单元四9包括处理板四23(CPU4板)和高速处理板四27(FPGA4板)；
处理板四23包括：辅变负载模型91；
高速处理板四27包括：辅助逆变器仿真单元90。
实施例5：
如附图8所示，功能单元一6包括处理板一20(CPU1板)和高速处理板一24(FPGA1板)；
处理板一20包括：供电电源仿真单元60、变压器仿真单元61、LC谐振回路仿真单元65和支撑电容仿真单元66；
高速处理板一24包括：整流器一仿真单元62、整流器二仿真单元63和整流器三仿真单元64；
功能单元二7包括：处理板二21(CPU2板)和高速处理板二25(FPGA2板)；
处理板二21包括：轮轨模型一75、轮轨模型二77和机车负载模型一78；
高速处理板二25包括：逆变器一仿真单元70、斩波回路一仿真单元71、逆变器二仿真单元72、斩波回路二仿真单元73、交流电机一仿真单元74和交流电机二仿真单元76；
功能单元三8包括：处理板三22(CPU3板)和高速处理板三26(FPGA3板)；
处理板三22包括：轮轨模型三85、轮轨模型四87和机车负载模型二88；
高速处理板三26包括：逆变器三仿真单元80、斩波回路三仿真单元81、逆变器四仿真单元82、斩波回路四仿真单元83、交流电机三仿真单元84和交流电机四仿真单元86；
功能单元四9包括处理板四23(CPU4板)和高速处理板四27(FPGA4板)；
处理板四23包括：辅变负载模型91；
高速处理板四27包括：辅助逆变器仿真单元90。
如附图4至附图8所示，在上述具体实施例中，灰底色的模型运行于FPGA板，白底色模型运行于CPU板。CPU的计算和采样周期大于20us，而FPGA的计算和采样周期小于或等于0.01us。对于整流器和逆变器而言，其计算精度受PWM信号的采样精度影响，采样时间越短计算结果的误差越小，受整流器和逆变器影响的这类模型(灰底色模型)放置在FPGA板上更能够提高整个仿真***模型的计算精度，性能更加优异。同时，对于不同的牵引***主电路的机车会有多个整流器、逆变器或电机，形成多重整流和多重逆变牵引***，在应用时只需将对应的整流器、逆变器模型以对号“入座”的方式放置在相应位置即可。
如附图3和附图9所示，机车半实物仿真***的具体实施例，包括：如上所述的机车半实物仿真装置1，以及与机车半实物仿真装置1相连的实物控制器5。
一种机车半实物仿真方法的具体实施例，包括以下步骤：
S100：采用计算机3、实时仿真单元2和电气信号转换单元4组成模拟实物控制器5所有外部信号的电气环境；
S101：电气信号转换单元4包括通讯转换单元40，计算机3通过通讯转换单元40向实物控制器5提供标准机车上层控制***的通讯信号；
S102：实时仿真单元2以机车牵引***主电路为被控对象进行模拟，为实物控制器5提供除通讯信号以外的其它外部电气信号，实现实物控制器5完整的外部信号模拟；电气信号转换单元4针对实物控制器5的输入输出信号特征，为实物控制器5提供真实的外部电气信号。
机车半实物仿真方法的另一种具体实施例，包括以下步骤：
S100：采用计算机3、实时仿真单元2、电气信号转换单元4和通讯转换单元40组成模拟实物控制器5所有外部信号的电气环境；
S101：计算机3通过通讯转换单元40向实物控制器5提供标准机车上层控制***的通讯信号；
S102：实时仿真单元2以机车牵引***主电路为被控对象进行模拟，为实物控制器5提供除通讯信号以外的其它外部电气信号，为实物控制器5提供完整的外部信号模拟；电气信号转换单元4针对实物控制器5的输入输出信号特征，为实物控制器5提供真实的外部电气信号。
作为本发明一种典型的具体实施例，步骤S101进一步包括：
计算机3将模拟的上层网络控制***的控制指令转换为总线通讯协议发送至通讯转换单元40，通讯转换单元40将控制指令发送至实物控制器5；
步骤S102进一步包括：
实物控制器5根据上层网络控制***的控制指令向被控对象模型输出控制信号，控制信号经过电气信号转换单元4进行信号转换后发送至实时仿真单元2，实时仿真单元2根据控制信号计算出被控对象模型状态信号的输出结果，输出结果经电气信号转换单元4进行信号转换后发送至实物控制器5，实物控制器5将被控对象模型状态信号通过通讯转换单元40发回至计算机3。
作为本发明一种较佳的具体实施例，仿真方法还进一步包括以下步骤：
在计算机3上设置虚拟司控台模块以进行虚拟图形化的网络控制及显示，操作人员通过虚拟司控台模块向实物控制器5发送控制指令，接收实物控制器5向上层控制***反馈的被控对象运行状态信息，并在计算机3上进行显示。在计算机3上安装有虚拟司控台软件，该软件使用Labview编程环境构建了一个虚拟的图形化网络控制及显示界面，操作人员可以通过该软件向实物控制器5发送控制指令，也可接收实物控制器5向上层控制***反馈的被控对象运行状态信息，并在计算机3上进行显示，方便操作人员查看被控对象运行状态。计算机3与通讯转换单元40之间通过CAN总线进行连接。
作为本发明一种更佳的具体实施例，仿真方法还包括以下步骤：
将实时仿真单元2划分为若干个功能单元，功能单元包括处理板、高速处理板和I/O接口210，处理板、高速处理板均用于进行实时仿真计算；处理板通过I/O接口210读入电气信号转换单元4输出的来自于实物控制器5的控制信号，以及高速处理板的输出信号，根据仿真模型计算得到处理板的输出信号，并将输出信号通过I/O接口210经电气信号转换单元4传送至实物控制器5；高速处理板通过I/O接口210读入电气信号转换单元4输出的来自于实物控制器5的控制信号，以及处理板的输出信号，根据仿真模型计算得到所述高速处理板的输出信号，并将输出信号通过I/O接口210经电气信号转换单元4传送至实物控制器5，进行硬件在回路闭环验证。
每个模型具体的建模方法可以根据相应实物的内部结构和输入输出关系采用已有的方法进行设计，不属于本发明重点讨论的范围，每个模型之间的具体连接关系按照具体建模方法进行连接。此外，需要说明的是，本发明中的计算机3除了采用PC机，还可以采用如工控机等；信号转换及测试单元的MVB通讯接口板，可以通过购买具有PCIe或PCI接口的MVB通讯转换卡进行替换，并将该板卡移植入可以***PCIe或PCI卡的PC机或工控机内，这时可以去掉信号转换及测试单元的MVB通讯接口板。本发明除了应用于机车牵引***半实物仿真，还可以应用于动车组、高铁、地铁、城轨、磁悬浮车辆等轨道交通车辆牵引***进行半实物仿真，除此之外也可以应用于其他类似***如电动汽车、风力发电、光伏发电、空调***等的半实物仿真。
通过实施本发明具体实施例描述的机车半实物仿真装置、***及方法，能够达到以下技术效果：
(1)本发明具体实施例描述的机车半实物仿真装置、***及方法有效地解决了现有仿真***和方法半实物仿真的完整性和精确度不高，无法准确地对实物控制器的软硬件功能进行验证，同时改造周期、效率和可执行性较低的技术问题。仿真***可以为传动控制单元提供全面的实时信号，不用对实物控制器进行改造就能实现与仿真***的无缝连接和同步运行，同时在不影响仿真实时性的情况下扩大了仿真的规模，使得仿真***能够适应不同主电路规模的机车，通用性强。
(2)本发明具体实施例描述的机车半实物仿真装置、***及方法采用电气信号转换单元和计算机，使得整个半实物仿真***能够为实物控制器提供现场工作环境中的真实信号，很好的解决了***模拟不够完整，不能完全模拟实际运行情况，仿真时由于缺少相关上层***信号，需要对实物控制器内部程序进行修改，以及实物控制器因为需要进行硬件改造，不仅需要大量时间和人力进行，还会造成实物控制器本身具有不完整性的硬件缺陷，影响控制结果和精度的技术缺陷。本发明不必再进行实物控制器的软硬件改造，可直接与现场产品无缝连接，即提升了工作效率，又节约了真实试验成本，非常适合产品开发前期验证和后期现场运行模拟测试。同时，针对实物控制器的I/O接口特征和实时仿真单元的I/O接口特征，配置了专用I/O接口转换装置进行电气转换。
(3)本发明具体实施例描述的机车半实物仿真装置、***及方法采用将仿真模型拆分到CPU和FPGA中，并采用CPU板和FPGA板构建机车半实物仿真***的半实物仿真技术模式相比传统的半实物仿真技术模式，减轻了CPU的运算负担，可使其空出更多的空闲计算时间进行复杂模型的计算。而将部分模型移至FPGA中进行高速运算，可将运算速率提高至0.01us，大大提高了运算周期和计算精度。很好地解决了现有机车半实物仿真***CPU处理能力有限，会造成脉冲采样计算延迟和解算步长限制，影响模型解算的精度和稳定性的技术问题。同时，既继承了现有模式建模方便、易于修改调试等优点，又具有仿真解算处理能力强、实时仿真精度高的独特优势。
(4)本发明本发明具体实施例描述的机车半实物仿真装置、***及方法采用MVB通讯转换单元，能够完美复现现场实物控制器的通讯信号，信号模拟更加完美真实，提供了对实物控制器通讯逻辑的可测试性。
(5)本发明本发明具体实施例描述的机车半实物仿真装置、***及方法通过PC计算机和MVB通讯转换单元构成机车上层控制***的信号模拟装置，并利用虚拟司控台模块，可以模拟真实的司机驾驶和操作过程，使得对实物控制器的控制时序更加接近真实。同时，采用Labview编程环境构建一个虚拟的图形化网络控制及显示界面的方式。
(6)本发明本发明具体实施例描述的机车半实物仿真装置、***及方法能够真实模拟目前绝大多数机车的牵引***主电路，针对于不同类型的机车，不同数量的整流器、逆变器、斩波电路和电机配置情况都能很好的进行模拟，使得整个仿真***的通用性极强。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变换的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (24)
1.一种机车半实物仿真装置，其特征在于，包括：实时仿真单元(2)、计算机(3)和电气信号转换单元(4)，所述电气信号转换单元(4)包括通讯转换单元(40)；所述计算机(3)将模拟的上层网络控制***的控制指令转换为总线通讯协议发送至所述通讯转换单元(40)，所述通讯转换单元(40)将控制指令发送至外部的实物控制器(5)，所述实物控制器(5)根据上层网络控制***的控制指令向被控对象模型输出控制信号；所述控制信号经过所述电气信号转换单元(4)进行信号转换后发送至所述实时仿真单元(2)，所述实时仿真单元(2)根据所述控制信号计算出被控对象模型状态信号的输出结果，所述输出结果经所述电气信号转换单元(4)进行信号转换后发送至所述实物控制器(5)，所述实物控制器(5)将被控对象模型状态信号通过通讯转换单元(40)发回至所述计算机(3)；
所述电气信号转换单元(4)包括程控电阻单元(41)、第一电压转换单元(42)、第二电压转换单元(43)、第三电压转换单元(44)、第一电压/电流转换单元(45)、第二电压/电流转换单元(46)和电压放大转换单元(47)；
所述程控电阻单元(41)用于模拟电阻负载变化，接收所述实物控制器(5)的恒流源输出，并通过所述计算机(3)调节电阻负载，从而调节所述负载电阻两端的电压，并将所述负载电阻的反馈电压输出至所述实物控制器(5)；
所述第一电压转换单元(42)用于将所述实物控制器(5)的24V逆变器PWM脉冲控制信号转换为5V脉冲信号输入至所述实时仿真单元(2)，同时将所述实时仿真单元(2)输出的5VIGBT单管故障信号转换为24V电平信号输入至所述实物控制器(5)；
所述第二电压转换单元(43)用于将所述实物控制器(5)的110V数字控制信号转换为5V脉冲信号输入至所述实时仿真单元(2)，同时将所述实时仿真单元(2)输出的5V数字状态信号转换为110V数字信号输入至所述实物控制器(5)；
所述第三电压转换单元(44)用于将所述实时仿真单元(2)输出的5V速度脉冲信号转换为15V脉冲信号输入至所述实物控制器(5)；
所述第一电压/电流转换单元(45)用于将所述实时仿真单元(2)输出的-10V～10V模拟电压信号转换为-600mA～600mA模拟电流信号输入至所述实物控制器(5)；
所述第二电压/电流转换单元(46)用于将实时仿真单元(2)输出的-10V～10V模拟电压信号转换为-200mA～200mA模拟电流信号输入至所述实物控制器(5)；
所述电压放大转换单元(47)用于将所述实时仿真单元(2)输出的-10V～10V电网电压同步信号转换为-30V～30V模拟电压信号输入至所述实物控制器(5)。
2.一种机车半实物仿真装置，其特征在于，包括：实时仿真单元(2)、计算机(3)、电气信号转换单元(4)和通讯转换单元(40)；所述计算机(3)将模拟的上层网络控制***的控制指令转换为总线通讯协议发送至所述通讯转换单元(40)，所述通讯转换单元(40)将控制指令发送至外部的实物控制器(5)，所述实物控制器(5)根据上层网络控制***的控制指令向被控对象模型输出控制信号；所述控制信号经过所述电气信号转换单元(4)进行信号转换后发送至所述实时仿真单元(2)，所述实时仿真单元(2)根据所述控制信号计算出被控对象模型状态信号的输出结果，所述输出结果经所述电气信号转换单元(4)进行信号转换后发送至所述实物控制器(5)，所述实物控制器(5)将被控对象模型状态信号通过通讯转换单元(40)发回至所述计算机(3)；
所述电气信号转换单元(4)包括程控电阻单元(41)、第一电压转换单元(42)、第二电压转换单元(43)、第三电压转换单元(44)、第一电压/电流转换单元(45)、第二电压/电流转换单元(46)和电压放大转换单元(47)；
所述程控电阻单元(41)用于模拟电阻负载变化，接收所述实物控制器(5)的恒流源输出，并通过所述计算机(3)调节电阻负载，从而调节所述负载电阻两端的电压，并将所述负载电阻的反馈电压输出至所述实物控制器(5)；
所述第一电压转换单元(42)用于将所述实物控制器(5)的24V逆变器PWM脉冲控制信号转换为5V脉冲信号输入至所述实时仿真单元(2)，同时将所述实时仿真单元(2)输出的5VIGBT单管故障信号转换为24V电平信号输入至所述实物控制器(5)；
所述第二电压转换单元(43)用于将所述实物控制器(5)的110V数字控制信号转换为5V脉冲信号输入至所述实时仿真单元(2)，同时将所述实时仿真单元(2)输出的5V数字状态信号转换为110V数字信号输入至所述实物控制器(5)；
所述第三电压转换单元(44)用于将所述实时仿真单元(2)输出的5V速度脉冲信号转换为15V脉冲信号输入至所述实物控制器(5)；
所述第一电压/电流转换单元(45)用于将所述实时仿真单元(2)输出的-10V～10V模拟电压信号转换为-600mA～600mA模拟电流信号输入至所述实物控制器(5)；
所述第二电压/电流转换单元(46)用于将实时仿真单元(2)输出的-10V～10V模拟电压信号转换为-200mA～200mA模拟电流信号输入至所述实物控制器(5)；
所述电压放大转换单元(47)用于将所述实时仿真单元(2)输出的-10V～10V电网电压同步信号转换为-30V～30V模拟电压信号输入至所述实物控制器(5)。
3.根据权利要求2所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：所述电气信号转换单元(4)通过CAN总线与所述计算机(3)连接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：所述***应用于机车牵引***半实物仿真。
5.根据权利要求4所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：所述实物控制器(5)为机车牵引***主电路的控制器，所述实时仿真单元(2)用于模拟被控对象，所述被控对象为所述机车牵引***主电路；所述通讯转换单元(40)向所述实物控制器(5)提供标准机车上层控制***的通讯信号，所述电气信号转换单元(4)针对所述实物控制器(5)的输入输出信号特征，为所述实物控制器(5)提供真实的外部电气信号，使得所述机车半实物仿真***(1)为所述实物控制器(5)提供完整的外部信号模拟。
6.根据权利要求1-3或5任一项所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：所述通讯转换单元(40)采用MVB通讯转换单元，所述通讯转换单元(40)用于进行CAN总线通讯协议与MVB通讯协议之间的相互转换。
7.根据权利要求6所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：所述计算机(3)进一步包括虚拟司控台模块，所述虚拟司控台模块用于虚拟图形化的网络控制及显示界面，操作人员通过所述虚拟司控台模块向所述实物控制器(5)发送控制指令，接收所述实物控制器(5)向上层控制***反馈的被控对象运行状态信息，并在所述计算机(3)上进行显示，所述计算机(3)与所述通讯转换单元(40)通过CAN总线进行连接。
8.根据权利要求7所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：所述计算机(3)向所述实时仿真单元(2)发送八路数字信号，包括向前、向后、牵引、制动、主断路器合、主断路器分、复位和备用信号，该八路数字信号再通过所述实时仿真单元(2)发送至所述电气信号转换单元(4)进行电气转换后再输出至所述实物控制器(5)。
9.根据权利要求8所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：所述程控电阻单元(41)用于模拟温度电阻负载变化，并接收所述实物控制器(5)的5mA恒流源输出。
10.根据权利要求1-3、5、7、8或9任一项所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：所述实时仿真单元(2)包括若干个功能单元，所述功能单元包括处理板、高速处理板和I/O接口(210)，所述处理板、高速处理板均用于进行实时仿真计算；所述处理板通过所述I/O接口(210)读入所述电气信号转换单元(4)输出的来自于所述实物控制器(5)的控制信号，以及所述高速处理板的输出信号，根据仿真模型计算得到所述处理板的输出信号，并将所述输出信号通过所述I/O接口(210)经所述电气信号转换单元(4)传送至所述实物控制器(5)；所述高速处理板通过所述I/O接口(210)读入所述电气信号转换单元(4)输出的来自于所述实物控制器(5)的控制信号，以及所述处理板的输出信号，根据仿真模型计算得到所述高速处理板的输出信号，并将所述输出信号通过所述I/O接口(210)经所述电气信号转换单元(4)传送至所述实物控制器(5)，进行硬件在回路闭环验证。
11.根据权利要求10所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：所述高速处理板进一步采用FPGA。
12.根据权利要求11所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：所述实时仿真单元(2)包括功能单元一(6)、功能单元二(7)、功能单元三(8)和功能单元四(9)；所述功能单元一(6)进一步包括处理板一(20)和高速处理板一(24)，所述功能单元二(7)进一步包括处理板二(21)和高速处理板二(25)，所述功能单元三(8)进一步包括处理板三(22)和高速处理板三(26)，所述功能单元四(9)进一步包括处理板四(23)和高速处理板四(27)。
13.根据权利要求12所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：所述实时仿真单元(2)还包括模拟输出接口(28)和数字I/O接口(29)，所述模拟输出接口(28)分别与所述处理板四(23)、电气信号转换单元(4)相连，用于模拟量输出，所述数字I/O接口(29)分别与处理板四(23)、计算机(3)相连，用于数字量输入输出。
14.根据权利要求12或13所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：
所述处理板一(20)包括供电电源仿真单元(60)和变压器仿真单元(61)，所述高速处理板一(24)包括整流器一仿真单元(62)、整流器二仿真单元(63)、整流器三仿真单元(64)、LC谐振回路仿真单元(65)和支撑电容仿真单元(66)；
所述处理板二(21)包括轮轨模型一(75)和轮轨模型二(77)，所述高速处理板二(25)包括逆变器一仿真单元(70)、斩波回路一仿真单元(71)、逆变器二仿真单元(72)、斩波回路二仿真单元(73)、交流电机一仿真单元(74)和交流电机二仿真单元(76)；
所述处理板三(22)包括轮轨模型三(85)和轮轨模型四(87)，所述高速处理板三(26)包括逆变器三仿真单元(80)、斩波回路三仿真单元(81)、逆变器四仿真单元(82)、斩波回路四仿真单元(83)、交流电机三仿真单元(84)和交流电机四仿真单元(86)；
所述处理板四(23)包括机车负载模型(92)，所述高速处理板四(27)包括辅助逆变器仿真单元(90)和辅变负载模型(91)。
15.根据权利要求12或13所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：
所述处理板一(20)包括供电电源仿真单元(60)、变压器仿真单元(61)、LC谐振回路仿真单元(65)和支撑电容仿真单元(66)，所述高速处理板一(24)包括整流器一仿真单元(62)、整流器二仿真单元(63)和整流器三仿真单元(64)；
所述处理板二(21)包括轮轨模型一(75)和轮轨模型二(77)，所述高速处理板二(25)包括逆变器一仿真单元(70)、斩波回路一仿真单元(71)、逆变器二仿真单元(72)、斩波回路二仿真单元(73)、交流电机一仿真单元(74)和交流电机二仿真单元(76)；
所述处理板三(22)包括轮轨模型三(85)和轮轨模型四(87)，所述高速处理板三(26)包括逆变器三仿真单元(80)、斩波回路三仿真单元(81)、逆变器四仿真单元(82)、斩波回路四仿真单元(83)、交流电机三仿真单元(84)和交流电机四仿真单元(86)；
所述处理板四(23)包括机车负载模型(92)，所述高速处理板四(27)包括辅助逆变器仿真单元(90)和辅变负载模型(91)。
16.根据权利要求12或13所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：
所述处理板一(20)包括供电电源仿真单元(60)、变压器仿真单元(61)、LC谐振回路仿真单元(65)和支撑电容仿真单元(66)，所述高速处理板一(24)包括整流器一仿真单元(62)、整流器二仿真单元(63)和整流器三仿真单元(64)；
所述处理板二(21)包括轮轨模型一(75)和轮轨模型二(77)，所述高速处理板二(25)包括逆变器一仿真单元(70)、斩波回路一仿真单元(71)、逆变器二仿真单元(72)、斩波回路二仿真单元(73)、交流电机一仿真单元(74)和交流电机二仿真单元(76)；
所述处理板三(22)包括轮轨模型三(85)和轮轨模型四(87)，所述高速处理板三(26)包括逆变器三仿真单元(80)、斩波回路三仿真单元(81)、逆变器四仿真单元(82)、斩波回路四仿真单元(83)、交流电机三仿真单元(84)和交流电机四仿真单元(86)；
所述处理板四(23)包括机车负载模型(92)和辅助逆变器仿真单元(90)，所述高速处理板四(27)包括辅变负载模型(91)。
17.根据权利要求12或13所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：
所述处理板一(20)包括供电电源仿真单元(60)和变压器仿真单元(61)，所述高速处理板一(24)包括整流器一仿真单元(62)、整流器二仿真单元(63)、整流器三仿真单元(64)、LC谐振回路仿真单元(65)和支撑电容仿真单元(66)；
所述处理板二(21)包括轮轨模型一(75)、轮轨模型二(77)和机车负载模型一(78)，所述高速处理板二(25)包括逆变器一仿真单元(70)、斩波回路一仿真单元(71)、逆变器二仿真单元(72)、斩波回路二仿真单元(73)、交流电机一仿真单元(74)和交流电机二仿真单元(76)；
所述处理板三(22)包括轮轨模型三(85)、轮轨模型四(87)和机车负载模型二(88)，所述高速处理板三(26)包括逆变器三仿真单元(80)、斩波回路三仿真单元(81)、逆变器四仿真单元(82)、斩波回路四仿真单元(83)、交流电机三仿真单元(84)和交流电机四仿真单元(86)；
所述处理板四(23)包括辅变负载模型(91)，所述高速处理板四(27)包括辅助逆变器仿真单元(90)。
18.根据权利要求12或13所述的一种机车半实物仿真装置，其特征在于：
所述处理板一(20)包括供电电源仿真单元(60)、变压器仿真单元(61)、LC谐振回路仿真单元(65)和支撑电容仿真单元(66)，所述高速处理板一(24)包括整流器一仿真单元(62)、整流器二仿真单元(63)和整流器三仿真单元(64)；
所述处理板二(21)包括轮轨模型一(75)、轮轨模型二(77)和机车负载模型一(78)，所述高速处理板二(25)包括逆变器一仿真单元(70)、斩波回路一仿真单元(71)、逆变器二仿真单元(72)、斩波回路二仿真单元(73)、交流电机一仿真单元(74)和交流电机二仿真单元(76)；
所述处理板三(22)包括轮轨模型三(85)、轮轨模型四(87)和机车负载模型二(88)，所述高速处理板三(26)包括逆变器三仿真单元(80)、斩波回路三仿真单元(81)、逆变器四仿真单元(82)、斩波回路四仿真单元(83)、交流电机三仿真单元(84)和交流电机四仿真单元(86)；
所述处理板四(23)包括辅变负载模型(91)，所述高速处理板四(27)包括辅助逆变器仿真单元(90)。
19.一种机车半实物仿真***，其特征在于，包括如权利要求1-18任一项所述的机车半实物仿真装置(1)，以及与所述机车半实物仿真装置(1)相连的实物控制器(5)。
20.一种机车半实物仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：采用计算机(3)、实时仿真单元(2)和电气信号转换单元(4)组成模拟实物控制器(5)所有外部信号的电气环境；
S101：所述电气信号转换单元(4)包括通讯转换单元(40)，所述计算机(3)通过所述通讯转换单元(40)向所述实物控制器(5)提供标准机车上层控制***的通讯信号；
S102：所述实时仿真单元(2)以机车牵引***主电路为被控对象进行模拟，为所述实物控制器(5)提供除所述通讯信号以外的其它外部电气信号，为所述实物控制器(5)提供完整的外部信号模拟；所述电气信号转换单元(4)针对所述实物控制器(5)的输入输出信号特征，为所述实物控制器(5)提供真实的外部电气信号；
所述电气信号转换单元(4)包括程控电阻单元(41)、第一电压转换单元(42)、第二电压转换单元(43)、第三电压转换单元(44)、第一电压/电流转换单元(45)、第二电压/电流转换单元(46)和电压放大转换单元(47)；
所述仿真方法还包括以下步骤：
所述程控电阻单元(41)模拟电阻负载变化，接收所述实物控制器(5)的恒流源输出，并通过所述计算机(3)调节电阻负载，从而调节所述负载电阻两端的电压，并将所述负载电阻的反馈电压输出至所述实物控制器(5)；所述第一电压转换单元(42)将所述实物控制器(5)的24V逆变器PWM脉冲控制信号转换为5V脉冲信号输入至所述实时仿真单元(2)，同时将所述实时仿真单元(2)输出的5V IGBT单管故障信号转换为24V电平信号输入至所述实物控制器(5)；所述第二电压转换单元(43)将所述实物控制器(5)的110V数字控制信号转换为5V脉冲信号输入至所述实时仿真单元(2)，同时将所述实时仿真单元(2)输出的5V数字状态信号转换为110V数字信号输入至所述实物控制器(5)；所述第三电压转换单元(44)将所述实时仿真单元(2)输出的5V速度脉冲信号转换为15V脉冲信号输入至所述实物控制器(5)；所述第一电压/电流转换单元(45)将所述实时仿真单元(2)输出的-10V～10V模拟电压信号转换为-600mA～600mA模拟电流信号输入至所述实物控制器(5)；所述第二电压/电流转换单元(46)将实时仿真单元(2)输出的-10V～10V模拟电压信号转换为-200mA～200mA模拟电流信号输入至所述实物控制器(5)；所述电压放大转换单元(47)将所述实时仿真单元(2)输出的-10V～10V电网电压同步信号转换为-30V～30V模拟电压信号输入至所述实物控制器(5)。
21.一种机车半实物仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：采用计算机(3)、实时仿真单元(2)、电气信号转换单元(4)和通讯转换单元(40)组成模拟实物控制器(5)所有外部信号的电气环境；
S101：所述计算机(3)通过所述通讯转换单元(40)向所述实物控制器(5)提供标准机车上层控制***的通讯信号；
S102：所述实时仿真单元(2)以机车牵引***主电路为被控对象进行模拟，为所述实物控制器(5)提供除所述通讯信号以外的其它外部电气信号，实现所述实物控制器(5)完整的外部信号模拟；所述电气信号转换单元(4)针对所述实物控制器(5)的输入输出信号特征，为所述实物控制器(5)提供真实的外部电气信号；
所述电气信号转换单元(4)包括程控电阻单元(41)、第一电压转换单元(42)、第二电压转换单元(43)、第三电压转换单元(44)、第一电压/电流转换单元(45)、第二电压/电流转换单元(46)和电压放大转换单元(47)；
所述仿真方法还包括以下步骤：
所述程控电阻单元(41)模拟电阻负载变化，接收所述实物控制器(5)的恒流源输出，并通过所述计算机(3)调节电阻负载，从而调节所述负载电阻两端的电压，并将所述负载电阻的反馈电压输出至所述实物控制器(5)；所述第一电压转换单元(42)将所述实物控制器(5)的24V逆变器PWM脉冲控制信号转换为5V脉冲信号输入至所述实时仿真单元(2)，同时将所述实时仿真单元(2)输出的5V IGBT单管故障信号转换为24V电平信号输入至所述实物控制器(5)；所述第二电压转换单元(43)将所述实物控制器(5)的110V数字控制信号转换为5V脉冲信号输入至所述实时仿真单元(2)，同时将所述实时仿真单元(2)输出的5V数字状态信号转换为110V数字信号输入至所述实物控制器(5)；所述第三电压转换单元(44)将所述实时仿真单元(2)输出的5V速度脉冲信号转换为15V脉冲信号输入至所述实物控制器(5)；所述第一电压/电流转换单元(45)将所述实时仿真单元(2)输出的-10V～10V模拟电压信号转换为-600mA～600mA模拟电流信号输入至所述实物控制器(5)；所述第二电压/电流转换单元(46)将实时仿真单元(2)输出的-10V～10V模拟电压信号转换为-200mA～200mA模拟电流信号输入至所述实物控制器(5)；所述电压放大转换单元(47)将所述实时仿真单元(2)输出的-10V～10V电网电压同步信号转换为-30V～30V模拟电压信号输入至所述实物控制器(5)。
22.根据权利要求20或21所述的一种机车半实物仿真方法，其特征在于，
所述步骤S101进一步包括：
所述计算机(3)将模拟的上层网络控制***的控制指令转换为总线通讯协议发送至所述通讯转换单元(40)，所述通讯转换单元(40)将控制指令发送至所述实物控制器(5)；
所述步骤S102进一步包括：
所述实物控制器(5)根据上层网络控制***的控制指令向被控对象模型输出控制信号，所述控制信号经过所述电气信号转换单元(4)进行信号转换后发送至所述实时仿真单元(2)，所述实时仿真单元(2)根据所述控制信号计算出被控对象模型状态信号的输出结果，所述输出结果经所述电气信号转换单元(4)进行信号转换后发送至所述实物控制器(5)，所述实物控制器(5)将被控对象模型状态信号通过通讯转换单元(40)发回至所述计算机(3)。
23.根据权利要求22所述的一种机车半实物仿真方法，其特征在于，所述仿真方法还包括以下步骤：
在所述计算机(3)上设置虚拟司控台模块以进行虚拟图形化的网络控制及显示，操作人员通过所述虚拟司控台模块向所述实物控制器(5)发送控制指令，接收所述实物控制器(5)向上层控制***反馈的被控对象运行状态信息，并在所述计算机(3)上进行显示。
24.根据权利要求20、21或23任一项所述的一种机车半实物仿真方法，其特征在于，所述仿真方法还包括以下步骤：
将所述实时仿真单元(2)划分为若干个功能单元，所述功能单元包括处理板、高速处理板和I/O接口(210)，所述处理板、高速处理板均用于进行实时仿真计算；所述处理板通过所述I/O接口(210)读入所述电气信号转换单元(4)输出的来自于所述实物控制器(5)的控制信号，以及所述高速处理板的输出信号，根据仿真模型计算得到所述处理板的输出信号，并将所述输出信号通过所述I/O接口(210)经所述电气信号转换单元(4)传送至所述实物控制器(5)；所述高速处理板通过所述I/O接口(210)读入所述电气信号转换单元(4)输出的来自于所述实物控制器(5)的控制信号，以及所述处理板的输出信号，根据仿真模型计算得到所述高速处理板的输出信号，并将所述输出信号通过所述I/O接口(210)经所述电气信号转换单元(4)传送至所述实物控制器(5)，进行硬件在回路闭环验证。
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