CN108008719A - 城轨列车电子制动控制单元闭环控制试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城轨列车电子制动控制单元闭环控制试验装置和试验方法，用以实现城轨车辆电子制动控制单元制动闭环控制策略的测试，该试验装置为一虚拟—实物试验装置，包括：实物测试组件：用以根据虚拟控制信息产生待测电子制动控制单元的实际测试数据，并通过MVB网络通信；虚拟仿真组件：用以设置和产生虚拟控制信息，并发送给实物测试组件，同时通过MVB网络和数据采集电路获取实际测试数据，完成闭环控制策略的测试。与现有技术相比，本发明具有模拟制动闭环环境、模拟真实、操作性强、降低成本等优点。

Description

城轨列车电子制动控制单元闭环控制试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及轨道交通控制领域，尤其是涉及一种城轨列车电子制动控制单元闭环控制试验装置及试验方法。

背景技术

现有的针对新开发的城轨车辆电子制动控制单元，缺乏对制动闭环控制策略进行设计与分析的试验装置。

在现有技术中，制动控制策略均采用开环形式，其相较于闭环控制策略而言，控制精度低，而针对电子制动控制单元的测试均采用开环形式完成，无法进行闭环控制策略的测试，如何对新开发的电子制动单元闭环控制策略进行分析和优化急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种城轨列车电子制动控制单元闭环控制试验装置及试验方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种城轨列车电子制动控制单元闭环控制试验装置，用以实现城轨车辆电子制动控制单元制动闭环控制策略的测试，该试验装置为一虚拟—实物试验装置，包括：

实物测试组件：用以根据虚拟控制信息产生待测电子制动控制单元的实际测试数据，并通过MVB网络通信；

虚拟仿真组件：用以设置和产生虚拟控制信息，并发送给实物测试组件，同时通过MVB网络和数据采集电路获取实际测试数据，完成闭环控制策略的测试。

优选地，所述的虚拟仿真组件包括：

操作界面：采用Labview软件搭建，用以设置车辆参数、运行参数、产生虚拟的制动指令与级位信息以及显示并保存试验数据；

列车***模型：采用Matlab-Simulink平台搭建，用以构建包含车辆动力学模型，模拟列车运行状态；

TCU模型：采用Matlab-Simulink平台搭建，用以模拟列车电制动单元，产生列车***模型的电制动力信号；

气动阀模型：采用AMESim搭建，用以模拟城轨列车制动***中气动阀的功能，模拟制动缸压力上升和下降的过程，产生制动缸压力信号并发送给列车***模型。

优选地，所述的实物测试组件包括：

待测的电子制动控制单元：用以从操作界面获取虚拟的制动指令、从列车***模型获取载重数据和级位信息以及从TCU模型获取电制动反馈信号，并且产生气动阀模型的控制信号、列车***模型的制动力信号以及TCU模型的电制动请求信号；

轴速发生器：以列车***模型产生的虚拟轴速信号为输入，产生列车实际的轴速脉冲信号，并将其输出至待测的电子制动控制单元。

优选地，所述的电子制动控制单元为一动一拖编组。

一种试验方法，包括以下步骤：

1)试验开始前，进行实验参数设置，包括初始化列车***模型参数、仿真条件参数的输入以及配置输出和显示结果：

2)通过操作界面产生虚拟的制动指令，并对指令进行解码得到目标减速度，将目标减速度由MVB网络发送至电子制动控制单元并实时显示；

3)电子制动控制单元获取目标减速度后，根据从气动阀模型中通过数据采集电路以模拟量形式采集到的制动缸压力信号、从TCU模型中通过MVB网络获取的电制动请求信号以及从轴速发生器中实时获取的轴速脉冲信号，加载待测试的闭环控制策略并产生目标制动力；

4)电子制动控制单元将目标制动力与申请得到的电制动反馈做差得到目标空气制动力，并产生相应的气动阀控制信号通过数据采集电路输出至气动阀模型；

5)气动阀模型接收到控制信号后，产生实际的制动缸压力信号，并通过数据采集电路反馈给电子制动控制单元；

6)气动阀模型产生制动缸压力与TCU模型产生的电制动力同时作用于列车***模型，完成虚拟的制动过程；

7)列车***模型将虚拟轴速信号发送到轴速发生器，轴速发生器产生实际的轴速信号输出至电子制动控制单元，以此构成列车制动控制的闭环过程。

优选地，所述的列车***模型参数包括车辆质量、转向架中心销距离、转向架轴距、车钩高、车辆重心高度、刚度与阻尼参数。

优选地，所述的***仿真条件参数包括闸瓦摩擦系数、黏着系数、电制动力是否有效以及坡道坡度参数。

优选地，所述的输出和显示结果包括列车减速度、车钩力、轴重和轴速信息。

优选地，所述的气动阀控制信号包括2路称重电磁阀、紧急冲动限制阀、强迫缓解阀、链接阀以及2路高速开关阀信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明所描述的城轨列车电子制动控制单元试验装置，可以仿真模拟制动指令发出、制动指令传输、制动计算与控制、制动执行、列车减速停车等列车制动整个过程，从而构建一个制动闭环环境，电子制动控制单元在此闭环环境下，可以进行闭环控制策略的分析和优化。

二、本发明中车辆轴速脉冲信号通过轴速发生器产生，其信号与真实列车上的轴速传感器相同，可以更真实的反映轴速的变化，在闭环控制测试中，为电子制动控制装置提供更贴近真实车辆情况的轴速信号。

三、本发明中制动指令通过基于Labview的虚拟软件产生，省去了司控器和紧急制动按钮等实物装置，提高了试验的可操作性同时，降低了试验成本。

四、本发明中制动控制气路部分基于AMESim软件建模实现，通过建立气动阀模型，模拟实现制动缸压力的上升和下降过程，省去了称重电磁阀、紧急冲动限制阀、强迫缓解阀、链接阀、高速开关阀等阀原件实物以及制动缸和相应管路，同时也省去了一般制动试验所必须的风源、干燥器、风缸等实物，在保证试验真实可信的基础上，极大程度的降低了试验成本。

附图说明

图1为城轨车辆电子制动控制单元制动闭环控制试验装置结构图。

图2为本发明的实现原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供了一种用于分析与优化城轨车辆电子制动控制单元制动闭环控制策略的试验装置，并明确了其试验方法。该试验装置由实物和虚拟仿真共同构成。其中电子制动控制单元、轴速发生、硬线数据采集与信号转换以及网络通讯采用实物形式。列车运行过程和运行条件、气动阀单元、电制动单元等采用工NI-PXI平台仿真模拟实现。在分析优化制动***闭环控制策略时，可将待测的地铁电子制动控制单元通过连接器接入试验装置作为被试件，通过PXI平台提供虚拟列车及其运行环境构成闭环***，从而实现城轨车辆电子制动控制单元制动闭环控制策略的测试分析和优化。

如图1所示，本发明用于地面测试和分析制动控制***闭环控制效果。整个装置包括硬件部分和仿真模拟软件部分。仿真模拟软件通过数据采集电路以及MVB网络与外界硬件进行数据交换，参与数据交换的硬件包括轴速发生器和电子制动控制单元。仿真模拟软件内部分为界面、列车***模型、TCU(电制动)模型和气动阀模型，根据轨道车辆编组情况，选择不同数量的电子制动控制单元，可以构成不同编组条件下的闭环控制试验条件。

1)仿真模拟软件通过搭载于上位机(NI-PXI)上来实现：

操作界面：基于Labview软件编程搭建，其主要功能有车辆参数设置、运行参数设置、制动指令与级位触发、试验数据显示、试验数据保存等。

列车***模型：基于Matlab-Simulink平台编程搭建，其主要功能为提供包含多参数的车辆动力学模型，用于模拟列车运行状态。

TCU模型：基于Matlab-Simulink平台编程搭建，其主要功能为模拟列车电制动单元，为列车***模型中的动车提供电制动力。

气动阀模型：基于AMESim软件搭建，其主要功能为模拟仿真制动***中气动阀部件的功能，模拟制动缸压力上升和下降的过程，产生制动缸压力。

2)数据采集电路及MVB网通过数据采集卡、信号转换电路和MVB网卡等来实现以下功能：

将界面产生的虚拟制动指令与级位传输给电子制动控制单元；

完成列车***模型与电子制动控制单元之间的信号交互；

完成列车***模型与轴速发生器之间的信号交互；

完成TCU模型与电子制动控制单元之间的信号交互；

完成气动阀模型与电子制动控制单元之间的信号交互；

解决以上所有信号交互过程中的信号匹配问题；

为整个***供电。

3)轴速发生器主要功能为：以列车***模型中虚拟的轴速为输入，产生于列车实际的轴速脉冲信号，并将其输出至电子制动控制单元。

4)电子制动控制单元主要完成以下功能：

从界面、列车***模型和TCU模型中获取虚拟的制动指令、级位与列车信息；

实现各个电子制动控制单元之间的内部通讯；

完成制动力闭环控制计算与分配；

产生气动阀模型的控制信号，实现对气动阀模型的闭环控制。

实现原理：

如图2所示，在开发电子制动控制单元闭环控制策略时，需要对不同控制策略的控制效果进行对比，通过测试制动指标，评价闭环控制的控制效果，进而优化制动闭环控制策略。图2中的电子制动控制单元为一动一拖编组(可增减电子制动控制单元来改变编组条件)下的实现原理，其中电子制动控制单元-1为具备MVB网络通讯的控制单元。其具体工作原理如下：

上位机中的模拟仿真软件模拟发出制动指令，解码制动指令得到对应目标减速度后，通过数据采集卡或者MVB网络发送至制电子制动控制单元；目标减速度输入电子制动控制单元中后，电子制动控制单元根据仿真从列车***模型中采集到的的载重信号，从TCU模型中采集到的电制动反馈信号，从轴速发生器处产生的轴速脉冲信号(可计算得到实际速度)以及从气动阀模型处采集到的制动缸压力，利用制动闭环控制算法计算得到总制动力的目标值；计算得到总制动力目标值后，电子制动控制单元向上位机发出电制动力请求信号；上位机仿真模拟软件中的TCU模型接收到电制动力请求信号后，向电子制动控制单元返回电制动力反馈信号(拖车的电制动力反馈信号为零)；电子制动控制单元接受到电制动力反馈信号后，以其与总制动力目标值的差值得到空气制动力的目标值，对应得到制动缸压力的目标值；电子制动控制单元根据制动缸压力的目标值，产生模拟气动阀单元控制信号，并将信号通过硬线或MVB发送到上位机仿真模拟软件中的气动阀仿真模拟模块，最终得到各制动缸压力的实际值；气动阀仿真模块产生的制动缸压力进入仿真模拟软件中的列车***模型中；列车***模型根据各制动缸压力计算实际空气制动力，实际空气制动力与上述TCU产生的电制动力共同作用于列车模型，产生列车的虚拟制动过程。通过检测制动缸压力、电制动力、车速、制动减速度、制动距离等参数，可以分析制动闭环控制的控制效果，分析影响制动闭环控制效果的因素。

新研发城轨车辆电子制动控制单元制动闭环控制试验步骤如下：

1)试验开始前，通过模拟仿真软件设置：

初始化的列车模型参数包括车辆质量、转向架中心销距离、转向架轴距、车钩高、车辆重心高度、刚度与阻尼等；

输入***仿真条件或参数包括闸瓦摩擦系数、黏着系数、电制动力是否有效、坡道坡度等；

配置输出和显示的结果包括列车减速度、车钩力、轴重、轴速等；

2)通过上位机中的界面产生虚拟的制动指令，并对指令进行解码得到目标减速度，将目标减速度由MVB网卡发送至电子制动控制单元并在界面上实时显示；

3)电子制动控制单元得到目标减速度之后，根据从气动阀模型中通过数据采集电路以模拟量形式采集到的制动缸压力信号、从TCU模型中通过MVB网络申请得到的电制动信号以及从轴速发生器中实时获取的轴速脉冲信号，采用闭环控制的策略及所得到目标制动力；

4)电子制动控制单元将目标制动力与申请得到的电制动反馈做差得到目标空气制动力，并产生相应的气动阀控制信号通过数据采集电路输出至仿真模拟软件中的气动阀模型，控制信号包括2路称重电磁阀、紧急冲动限制阀、强迫缓解阀、链接阀、2路高速开关阀信号；

5)气动阀模型接收到控制信号后，产生实际的制动缸压力，并通过数据采集电路反馈给电子制动控制单元7路必要的传感器信号；

6)气动阀模型产生制动缸压力于TCU模型产生的电制动力同时作用于列车***模型，完成虚拟的制动过程；

7)列车***模型将虚拟轴速信号通过采集与数据转换电路发送到轴速发生器，轴速发生器产生实际的轴速信号输出至电子制动控制单元，从而构成列车制动控制的闭环过程，实现电子制动控制单元闭环控制试验。

Claims (9)

1.一种城轨列车电子制动控制单元闭环控制试验装置，用以实现城轨车辆电子制动控制单元制动闭环控制策略的测试，其特征在于，该试验装置为一虚拟—实物试验装置，包括：

实物测试组件：用以根据虚拟控制信息产生待测电子制动控制单元的实际测试数据，并通过MVB网络通信；

虚拟仿真组件：用以设置和产生虚拟控制信息，并发送给实物测试组件，同时通过MVB网络和数据采集电路获取实际测试数据，完成闭环控制策略的测试。

2.根据权利要求1所述的一种城轨列车电子制动控制单元闭环控制试验装置，其特征在于，所述的虚拟仿真组件包括：

操作界面：采用Labview软件搭建，用以设置车辆参数、运行参数、产生虚拟的制动指令与级位信息以及显示并保存试验数据；

列车***模型：采用Matlab-Simulink平台搭建，用以构建包含车辆动力学模型，模拟列车运行状态；

TCU模型：采用Matlab-Simulink平台搭建，用以模拟列车电制动单元，产生列车***模型的电制动力信号；

气动阀模型：采用AMESim搭建，用以模拟城轨列车制动***中气动阀的功能，模拟制动缸压力上升和下降的过程，产生制动缸压力信号并发送给列车***模型。

3.根据权利要求2所述的一种城轨列车电子制动控制单元闭环控制试验装置，其特征在于，所述的实物测试组件包括：

待测的电子制动控制单元：用以从操作界面获取虚拟的制动指令、从列车***模型获取载重数据和级位信息以及从TCU模型获取电制动反馈信号，并且产生气动阀模型的控制信号、列车***模型的制动力信号以及TCU模型的电制动请求信号；

轴速发生器：以列车***模型产生的虚拟轴速信号为输入，产生列车实际的轴速脉冲信号，并将其输出至待测的电子制动控制单元。

4.根据权利要求2所述的一种城轨列车电子制动控制单元闭环控制试验装置，其特征在于，所述的电子制动控制单元为一动一拖编组。

5.一种应用如权利要求1-4任一项闭环控制试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)试验开始前，进行实验参数设置，包括初始化列车***模型参数、仿真条件参数的输入以及配置输出和显示结果：

2)通过操作界面产生虚拟的制动指令，并对指令进行解码得到目标减速度，将目标减速度由MVB网络发送至电子制动控制单元并实时显示；

3)电子制动控制单元获取目标减速度后，根据从气动阀模型中通过数据采集电路以模拟量形式采集到的制动缸压力信号、从TCU模型中通过MVB网络获取的电制动请求信号以及从轴速发生器中实时获取的轴速脉冲信号，加载待测试的闭环控制策略并产生目标制动力；

4)电子制动控制单元将目标制动力与申请得到的电制动反馈做差得到目标空气制动力，并产生相应的气动阀控制信号通过数据采集电路输出至气动阀模型；

5)气动阀模型接收到控制信号后，产生实际的制动缸压力信号，并通过数据采集电路反馈给电子制动控制单元；

6)气动阀模型产生制动缸压力与TCU模型产生的电制动力同时作用于列车***模型，完成虚拟的制动过程；

7)列车***模型将虚拟轴速信号发送到轴速发生器，轴速发生器产生实际的轴速信号输出至电子制动控制单元，以此构成列车制动控制的闭环过程。

6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，所述的列车***模型参数包括车辆质量、转向架中心销距离、转向架轴距、车钩高、车辆重心高度、刚度与阻尼参数。

7.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，所述的***仿真条件参数包括闸瓦摩擦系数、黏着系数、电制动力是否有效以及坡道坡度参数。

8.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，所述的输出和显示结果包括列车减速度、车钩力、轴重和轴速信息。

9.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，所述的气动阀控制信号包括2路称重电磁阀、紧急冲动限制阀、强迫缓解阀、链接阀以及2路高速开关阀信号。