動(dòng)車(chē)組制動(dòng)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱琴躍 吳 桐 譚喜堂 劉榕雄 陶 靈

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，201804，上海∥第一作者，副教授）

動(dòng)車(chē)組的高速運(yùn)行對(duì)列車(chē)制動(dòng)性能和制動(dòng)效果提出了更高要求。制動(dòng)控制系統(tǒng)作為列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中舉足輕重的關(guān)鍵部分，其性能直接關(guān)乎列車(chē)的安全運(yùn)行［1］。如何設(shè)計(jì)新型制動(dòng)控制系統(tǒng)或改進(jìn)現(xiàn)有控制系統(tǒng)的諸項(xiàng)指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)進(jìn)行安全、可靠和快速制動(dòng)控制，在業(yè)內(nèi)一直備受關(guān)注。由于制動(dòng)控制系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的諸項(xiàng)性能指標(biāo)一般都需要通過(guò)真車(chē)進(jìn)行實(shí)測(cè)試驗(yàn)，這將耗費(fèi)大量時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，且得出的結(jié)果數(shù)據(jù)離散性較大［2-4］。因此，構(gòu)建制動(dòng)控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái)，在離線的環(huán)境下，通過(guò)將部分實(shí)物接入仿真回路中，模擬列車(chē)的真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，對(duì)制動(dòng)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)控制算法與控制邏輯的準(zhǔn)確性和有效性將顯得十分必要。

近年來(lái)，半實(shí)物仿真技術(shù)憑借其良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)時(shí)性，除了在航空航天、軍事、汽車(chē)、自動(dòng)化、通信等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用外，目前也已逐漸被應(yīng)用到列車(chē)控制領(lǐng)域中［5-6］。然而對(duì)于制動(dòng)控制系統(tǒng)而言，關(guān)于其半實(shí)物仿真的研究還未見(jiàn)展開(kāi)系統(tǒng)而深入的工作。為此，本文根據(jù)CRH2型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能需求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的半實(shí)物仿真平臺(tái)的硬件和軟件系統(tǒng)；并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)平臺(tái)控制功能和制動(dòng)性能的有效性，以期為新型制動(dòng)控制系統(tǒng)制動(dòng)控制策略的驗(yàn)證以及現(xiàn)有制動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化和維保提供試驗(yàn)平臺(tái)，縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，減少試驗(yàn)和維保成本。

1 制動(dòng)控制系統(tǒng)基本原理

制動(dòng)控制系統(tǒng)由制動(dòng)信號(hào)發(fā)生裝置、制動(dòng)信號(hào)傳輸裝置和電子制動(dòng)控制裝置組成。其中，電子制動(dòng)控制裝置（Brake Electronic Control Unit，BECU）是制動(dòng)控制系統(tǒng)的核心設(shè)備。列車(chē)運(yùn)行時(shí)，司機(jī)通過(guò)司控臺(tái)上的手柄及按鍵發(fā)出目標(biāo)減速度等制動(dòng)信號(hào)，BECU通過(guò)采集來(lái)自外部設(shè)備產(chǎn)生的列車(chē)運(yùn)行速度、制動(dòng)控制命令、制動(dòng)工況級(jí)位、載重信號(hào)以及氣缸壓力等信號(hào)參數(shù)后，通過(guò)運(yùn)行其系統(tǒng)內(nèi)部的制動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣制動(dòng)設(shè)備的輸出驅(qū)動(dòng)控制以及與其他設(shè)備間基于多功能車(chē)輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）的信息傳輸?shù)裙δ堋Ｆ鋵?shí)現(xiàn)的制動(dòng)功能包括電空混合制動(dòng)控制、緊急制動(dòng)控制、防滑控制、保持制動(dòng)控制［7］。對(duì)電空混合制動(dòng)而言，其制動(dòng)力分配算法的核心主要包括目標(biāo)制動(dòng)力計(jì)算、電制動(dòng)力計(jì)算和電空制動(dòng)力協(xié)調(diào)分配。本文以CRH2動(dòng)車(chē)組的1個(gè)列車(chē)單元（一動(dòng)一拖）為研究對(duì)象，作以下分析。

1.1 目標(biāo)制動(dòng)力計(jì)算

假設(shè)將列車(chē)看作單質(zhì)點(diǎn)模型，根據(jù)牛頓第二定律并考慮到列車(chē)運(yùn)行阻力W［8］和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，可將制動(dòng)過(guò)程中列車(chē)所需目標(biāo)制動(dòng)力FB表示為：

FB=（1+ γ）ma-W （1）

式中：

a——列車(chē)制動(dòng)減速度，m/s2；

m——列車(chē)質(zhì)量，kg；

γ——回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

1.2 電制動(dòng)力計(jì)算

列車(chē)制動(dòng)時(shí)所能提供的電制動(dòng)力Fed由列車(chē)控制單元（TCU）給出，仿真時(shí)主要根據(jù)列車(chē)再生制動(dòng)特性曲線通過(guò)曲線擬合法計(jì)算而得［9］。根據(jù)CRH2動(dòng)車(chē)組再生制動(dòng)特性曲線擬合而得的電制動(dòng)力計(jì)算公式為：

式中：

v——列車(chē)運(yùn)行速度，km/h。

1.3 電空制動(dòng)力協(xié)調(diào)分配

電空制動(dòng)力協(xié)調(diào)分配采用電制動(dòng)優(yōu)先控制算法，當(dāng)列車(chē)發(fā)出制動(dòng)指令時(shí)，優(yōu)先施加動(dòng)車(chē)上的電制動(dòng)力。當(dāng)列車(chē)制動(dòng)過(guò)程中電制動(dòng)力無(wú)法滿足列車(chē)所需目標(biāo)制動(dòng)力，或列車(chē)電制動(dòng)出現(xiàn)故障無(wú)法施加而需補(bǔ)充空氣制動(dòng)力時(shí)，優(yōu)先以拖車(chē)空氣制動(dòng)作為補(bǔ)充，直至拖車(chē)空氣制動(dòng)力達(dá)到某一黏著力限制；如果此時(shí)制動(dòng)力還不能使列車(chē)達(dá)到規(guī)定減速度，則再以動(dòng)車(chē)空氣制動(dòng)力作為補(bǔ)充。在緊急制動(dòng)情況下，動(dòng)車(chē)不使用電制動(dòng)，動(dòng)車(chē)和拖車(chē)直接施加空氣制動(dòng)來(lái)承擔(dān)各自所需的制動(dòng)力［9-10］。

假設(shè)拖車(chē)、動(dòng)車(chē)和基本單元所需的制動(dòng)力分別為Ft、Fm，動(dòng)車(chē)在制動(dòng)時(shí)所能提供的電制動(dòng)力為Fed，實(shí)際提供的電制動(dòng)力為Fedu，拖車(chē)、動(dòng)車(chē)需要補(bǔ)充的空氣制動(dòng)力分別為Fept、Fepm。下面詳細(xì)分析不同情況下動(dòng)車(chē)、拖車(chē)制動(dòng)力協(xié)調(diào)分配過(guò)程。

（1）當(dāng)Fed≥ Ft+Fm時(shí)，

Fept=Fepm=0

Fedu=Ft+Fm

即當(dāng)動(dòng)車(chē)的實(shí)際電制動(dòng)力可以滿足1個(gè)單元所需目標(biāo)制動(dòng)力時(shí)，則本單元所需全部制動(dòng)力均由電制動(dòng)承擔(dān)，動(dòng)車(chē)和拖車(chē)都不施加空氣制動(dòng)。

（2）當(dāng) Ft+Fm＞ Fed≥ Fm時(shí)，

Fepm=0

Fept=Ft-（Fed-Fm）

Fedu=Fed

即當(dāng)動(dòng)車(chē)的實(shí)際電制動(dòng)力可以滿足動(dòng)車(chē)本身制動(dòng)力需求，但不能滿足拖車(chē)制動(dòng)力需求時(shí)，拖車(chē)將補(bǔ)足一定的空氣制動(dòng)力。

（3）當(dāng) Fed≤ Fm

Fepm=Fm-Fed

Fept=Ft

Fedu=Fed

即當(dāng)動(dòng)車(chē)的實(shí)際電制動(dòng)力連自身的制動(dòng)力需求都不能夠滿足時(shí)，拖車(chē)需要施加一定的空氣制動(dòng)力，而動(dòng)車(chē)也以空氣制動(dòng)補(bǔ)充自身不足的制動(dòng)力。

（4）當(dāng)緊急制動(dòng)采用純空氣制動(dòng)時(shí)

Fepm=Fm

Fept=Ft

2 制動(dòng)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

為測(cè)試BECU的多種制動(dòng)功能及性能指標(biāo)，本半實(shí)物仿真平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能多地接入真實(shí)模塊的情況下，充分利用半實(shí)物仿真技術(shù)，給BECU提供一個(gè)接近真實(shí)的車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境，即從BECU的角度來(lái)觀察，該半實(shí)物仿真平臺(tái)與實(shí)際車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境基本沒(méi)有差別。

2.1 半實(shí)物仿真平臺(tái)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本平臺(tái)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由司機(jī)操控臺(tái)、電子制動(dòng)控制裝置BECU、制動(dòng)執(zhí)行裝置和工控機(jī)4部分組成，可真實(shí)模擬列車(chē)上一動(dòng)一拖2節(jié)車(chē)輛的制動(dòng)工況，從接受制動(dòng)指令開(kāi)始，進(jìn)行制動(dòng)控制和輸出以及實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置實(shí)施制動(dòng)。其中制動(dòng)執(zhí)行裝置與BECU分為動(dòng)車(chē)與拖車(chē)2套裝置。

在上述4大部分中，司控臺(tái)和制動(dòng)執(zhí)行裝置采用與真車(chē)完全相同的硬件設(shè)備和部件；工控機(jī)則模擬產(chǎn)生與真車(chē)要求完全一致的相關(guān)信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能；而B(niǎo)ECU的硬件配置與真車(chē)完全一致，其軟件部分既可以采用現(xiàn)有列車(chē)制動(dòng)控制算法，也可植入優(yōu)化后的制動(dòng)控制優(yōu)化算法，并通過(guò)本半實(shí)物仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)離線環(huán)境下對(duì)制動(dòng)控制系統(tǒng)功能的仿真運(yùn)行和測(cè)試。

2.2 司機(jī)操控臺(tái)

司控臺(tái)由司控器和若干命令操作按鈕2部分組成。司控器用于發(fā)出1～7級(jí)的常用制動(dòng)、快速制動(dòng)以及緊急制動(dòng)級(jí)位信號(hào)。本系統(tǒng)制動(dòng)級(jí)位信號(hào)使用的是PWM（脈沖寬度調(diào)制）方式，通過(guò)屏蔽雙絞線以DC 60 V電壓進(jìn)行傳送，調(diào)制頻率為400 Hz，占空比為11%～80%。制動(dòng)級(jí)位信號(hào)可分成常用制動(dòng)、快速制動(dòng)、緊急制動(dòng)、運(yùn)行狀態(tài)和手柄取出狀態(tài)，不同的占空比代表不同的制動(dòng)級(jí)位狀態(tài)。

操作按鈕主要用于產(chǎn)生并輸出若干數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)電壓為DC 110 V，通過(guò)硬連線將信號(hào)通過(guò)工控機(jī)傳輸至BECU。

2.3 電子制動(dòng)控制裝置BECU

BECU硬件部分采用與真車(chē)完全一致的配置，主要接收來(lái)自各個(gè)傳感器、制動(dòng)命令按鈕以及MVB網(wǎng)絡(luò)等各類信號(hào)，根據(jù)所接收的信息進(jìn)行制動(dòng)力計(jì)算后通過(guò)調(diào)節(jié)EP（電空轉(zhuǎn)換）閥并改變制動(dòng)夾鉗的壓力，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)目的。同時(shí)BECU還能夠?qū)崿F(xiàn)防滑控制功能，并能夠反饋?zhàn)陨淼墓收匣蚓嫘畔ⅰ?duì)于列車(chē)來(lái)說(shuō)，BECU是整車(chē)的制動(dòng)控制核心。本半實(shí)物仿真平臺(tái)通過(guò)為BECU提供接近真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境，以測(cè)試其控制算法和控制邏輯的準(zhǔn)確性，其輸入輸出信號(hào)均分別與對(duì)應(yīng)信號(hào)源或信號(hào)設(shè)備相連。經(jīng)梳理和統(tǒng)計(jì)可知，CRH2動(dòng)車(chē)組BECU的數(shù)字輸入/輸出信號(hào)均有7類，主要為110 V、24 V電壓信號(hào)或PWM信號(hào)；模擬輸入/輸出信號(hào)則分別有4類和2類，均為4～20 mA電流信號(hào)。

2.4 制動(dòng)執(zhí)行裝置

制動(dòng)執(zhí)行裝置由空氣制動(dòng)裝置、車(chē)輪保護(hù)防滑裝置以及基礎(chǔ)制動(dòng)裝置組成，通過(guò)接受BECU的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)的制動(dòng)功能。空氣制動(dòng)裝置主要包括EP閥、緊急閥、保護(hù)閥、空重車(chē)閥、中繼閥、容積室壓力開(kāi)關(guān)、容積室壓力傳感器、緊急閥以及相應(yīng)的測(cè)試接頭等。當(dāng)滑行發(fā)生時(shí)，車(chē)輪防滑保護(hù)裝置的防滑閥在微機(jī)控制單元BECU的控制下產(chǎn)生排風(fēng)、保壓和充風(fēng)等動(dòng)作，使制動(dòng)缸的壓力產(chǎn)生相應(yīng)的變化，以有效控制滑行擦傷，并最大限度利用輪軌間的黏著。基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用盤(pán)形制動(dòng)裝置，制動(dòng)時(shí)制動(dòng)氣缸充氣制動(dòng)，排氣緩解，通過(guò)杠桿將制動(dòng)力傳至閘瓦，配合車(chē)輪上的制動(dòng)盤(pán)實(shí)施制動(dòng)。

2.5 工控機(jī)

工控機(jī)采用3塊基于PCI（外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)）總線的數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)各類模擬數(shù)字信號(hào)的輸入輸出功能。同時(shí)，它還接收來(lái)自司控器的制動(dòng)控制指令信號(hào)與BECU的各類反饋信號(hào)，模擬產(chǎn)生實(shí)際運(yùn)行的速度信號(hào)，并根據(jù)速度信號(hào)模擬給出電制動(dòng)力信號(hào)。

圖1 半實(shí)物仿真平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

3 制動(dòng)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

本平臺(tái)基于VC++6.0軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)各功能模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，總體軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體軟件結(jié)構(gòu)

仿真軟件根據(jù)已建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，提供典型運(yùn)行工況下動(dòng)車(chē)與拖車(chē)電子制動(dòng)控制裝置所需的各個(gè)信號(hào)。軟件運(yùn)行時(shí)，工控機(jī)將采集到制動(dòng)控制信息通過(guò)MVB模塊輸入BECU；根據(jù)設(shè)定的列車(chē)載重、初始速度、目標(biāo)速度等信息，通過(guò)采集制動(dòng)缸壓力等信號(hào)計(jì)算列車(chē)制動(dòng)力、制動(dòng)減速度和下一時(shí)刻列車(chē)速度，并根據(jù)列車(chē)再生制動(dòng)特性曲線（電制動(dòng)力與速度關(guān)系）計(jì)算最大可輸出電制動(dòng)力，將其與電制動(dòng)申請(qǐng)信號(hào)相比較，給出電制動(dòng)力反饋信號(hào)；同時(shí)，將采集與計(jì)算得到的相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示，以此測(cè)試制動(dòng)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。相應(yīng)的總體軟件流程如圖3所示。

圖3 總體軟件流程圖

3.2 半實(shí)物仿真結(jié)果與分析

為便于對(duì)照分析，本文以CRH2型動(dòng)車(chē)組為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)其處于快速制動(dòng)工況下的半實(shí)物仿真運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析。系統(tǒng)運(yùn)行中，設(shè)定初速度為250 km/h，目標(biāo)速度為50 km/h，通過(guò)電制動(dòng)力、空氣制動(dòng)力、動(dòng)車(chē)與拖車(chē)制動(dòng)缸壓力曲線變化來(lái)觀察制動(dòng)控制系統(tǒng)性能。系統(tǒng)相應(yīng)的運(yùn)行結(jié)果分別如圖4～7所示。

圖4 再生制動(dòng)力曲線

圖5 空氣制動(dòng)力曲線

圖6 動(dòng)車(chē)制動(dòng)缸壓力曲線

圖7 拖車(chē)制動(dòng)缸壓力曲線

由圖4、5所示電、空制動(dòng)力曲線可知，在制動(dòng)開(kāi)始時(shí)，電制動(dòng)力可滿足列車(chē)制動(dòng)力需求，空氣制動(dòng)力不施加；當(dāng)運(yùn)行到30 s左右時(shí)，由于電制動(dòng)力已無(wú)法滿足制動(dòng)力需求，因此空氣制動(dòng)力緩慢施加，并通過(guò)電空制動(dòng)力協(xié)調(diào)分配算法對(duì)空氣制動(dòng)力進(jìn)行分配，動(dòng)車(chē)與拖車(chē)制動(dòng)缸同時(shí)工作共同承擔(dān)相應(yīng)的空氣制動(dòng)力。

由圖6、7所示制動(dòng)缸壓力曲線可知，動(dòng)車(chē)與拖車(chē)的制動(dòng)缸壓力在30 s之前保持30 kPa預(yù)留壓力，當(dāng)需要提供空氣制動(dòng)力時(shí)，同樣可通過(guò)電、空制動(dòng)力分配算法得到所需施加的空氣制動(dòng)力，并持續(xù)工作直至目標(biāo)速度。

以上運(yùn)行結(jié)果表明，該軟件系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集硬件設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算列車(chē)運(yùn)行速度，并給出相應(yīng)電制動(dòng)力和其它控制信號(hào)，使軟件與硬件有效結(jié)合，驗(yàn)證了本制動(dòng)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的有效性和可用性。

4 結(jié)語(yǔ)

本平臺(tái)系統(tǒng)目前已投入現(xiàn)場(chǎng)使用，可對(duì)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試與分析。測(cè)試結(jié)果表明，該半實(shí)物仿真平臺(tái)為制動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)和技術(shù)改進(jìn)提供了直觀、快速、準(zhǔn)確的測(cè)試和驗(yàn)證手段，同時(shí)也為動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的維保提供了測(cè)試平臺(tái)，為動(dòng)車(chē)組模擬駕駛?cè)藛T的技術(shù)培訓(xùn)提供了有效平臺(tái)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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