专利名称：一种用于仿真列车牵引系统运行工况的系统和方法
技术领域：
本发明涉及列车牵引系统运行工况模拟的控制技术领域，尤其涉及一种用于仿真 列车牵引系统运行工况的系统和方法。
背景技术：
列车电力牵引系统地面试验台一般由电源供电子系统和模拟负载子系统两部分 组成，统称为陪试系统。在传统的设计中，电源子系统和模拟负载子系统均由人工控制，控 制的动态响应速度和精度都难以达到理想效果；在模拟负载子系统方面，陪试系统和被试 列车牵引系统的控制相对独立，两者之间的协调控制由人工手动调节完成，致使被试列车 牵引系统仅能运行于某一个静态工作点，而无法进行与实际线路运行相同的动态运行工况 试验；另外，这样的试验系统中，由于无法提供与实际列车上相同的外围环境，安装了实际 装车程序的被试列车牵引系统脱离了这些环境后无法正常运行，因此被试列车牵引系统在 试验时一般安装的仅是专门用于试验的试验版本软件，该软件有别于实际装车运行版本软 件，这也使得牵引系统的运行状况与牵引系统实际运行时的运行状况仍有区别，也就无法 获知牵引系统的实际运行性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于仿真列车牵引系统运行工况的系统和方法，其能 够模拟出牵引系统的与实际线路运行相同的动态运行工况，从而可使得列车牵引系统的实 际运行性能真实地反映出来。为实现上述目的，本发明提供了一种用于仿真列车牵引系统运行工况的系统包括 线路阻力模拟子系统和综合控制子系统，其中所述综合控制子系统包括用于获取列车当前时刻的运行速度以及计算出列车下 一设定时刻的期望运行速度，并将所述当前时刻的运行速度以及下一设定时刻的期望运行 速度传送给所述线路阻力模拟子系统的系统协调控制模块；所述线路阻力模拟子系统为用于根据所述当前时刻的运行速度以及下一设定时 刻的期望运行速度向被试列车牵引系统输出相应的负载阻力的线路阻力模拟子系统。可选地，在本发明中，所述系统协调控制模块计算出列车下一设定时刻的期望运 行速度，具体为根据获取的列车当前时刻的运行速度计算出列车以该时刻的运行速度运 行时的空气阻力，以及根据以下之一或任意组合的因素计算附加阻力坡道因素、曲线因素 和隧道因素，从而计算出列车在该时刻运行的总阻力；根据列车牵引力、列车质量、列车回 转质量常数、所述列车在该时刻运行的总阻力以及所述列车当前时刻的运行速度计算出列 车下一设定时刻的期望速度。可选地，在本发明中，所述坡道因素、曲线因素和隧道因素分别是列车自本次试验 运行开始至该时刻运行的总里程的函数。可选地，在本发明中，所述综合控制子系统还包括用于模拟列车正常运行情况下的列车环境并提供给被试列车牵引系统的外围环境模拟模块。可选地，在本发明中，所述用于仿真列车牵引系统运行工况的系统还包括用于接 收所述综合控制子系统的控制信号并根据该控制信号向被试牵引系统输出与实际线路工 况相同的电网环境的电源子系统。可选地，在本发明中，所述电源子系统包括以下之一或任意组合网压中断模拟模 块、网压波动模拟模块、网压突变模块。可选地，在本发明中，所述网压中断模拟用于实现网压瞬时中断模拟和/或列车 过分相模拟，其包括相并联的两个断路器，工作时一个断路器闭合另一个断路器断开。本发明还提供了一种用于仿真列车牵引系统运行工况的方法，该方法包括综合控制子系统获取列车当前时刻的运行速度以及计算出列车下一设定时刻的 期望运行速度，并将所述当前时刻的运行速度以及下一设定时刻的期望运行速度传送给线 路阻力模拟子系统；所述线路阻力模拟子系统根据所述当前时刻的运行速度以及下一设定时刻的期 望运行速度计算出相应的负载阻力并输出给被试列车牵引系统。可选地，本发明的用于仿真列车牵引系统运行工况的方法中，所述综合控制子系 统计算出列车下一设定时刻的期望运行速度，具体为根据获取的列车当前时刻的运行速度计算出列车以该时刻的运行速度运行时的 空气阻力，以及根据以下之一或任意组合的因素计算出附加阻力坡道因素、曲线因素和隧 道因素，从而计算出列车在该时刻运行的总阻力；根据列车牵引力、列车质量、列车回转质量常数、所述列车在该时刻运行的总阻力 以及所述列车当前时刻的运行速度计算出列车下一设定时刻的期望速度。所述坡道因素、曲线因素和隧道因素分别是列车自本次试验运行开始至该时刻运 行的总里程的函数。可选地，本发明的用于仿真列车牵引系统运行工况的方法中，所述综合控制子系 统在获取列车当前时刻的运行速度之前，还包括模拟列车正常运行情况下的列车环境并 提供给被试列车牵引系统，以使得被试列车牵引系统能够正常运行。可选地，本发明的方法还包括电源子系统接收所述综合控制子系统发送的控制信 号并根据该控制信号向被试牵引系统输出与实际线路工况相同的电网环境，其中，具体包 括所述电源子系统的网压中断模拟模块接收所述综合控制子系统传送的网压瞬时中断模 拟信号并根据该网压瞬时中断模拟信号使被试列车牵引系统得电或断电，以控制被试列车 牵引系统的网压中断时间，或者所述电源子系统的网压波动模拟模块接收所述综合控制子 系统发送的网压波动模拟信号并根据该网压波动模拟信号向被试列车牵引系统输出一定 变化范围的电压；或者所述电源子系统的网压突变模块接收所述综合控制子系统发送的网 压突变模拟信号并根据该网压突变模拟信号实现网压的正向突变和负向突变。本发明中，综合控制子系统获取并根据列车当前时刻的线路运行情况估计列车下 一设定时刻的运行速度，使得线路阻力模拟子系统可以根据列车当前时刻的运行速度和下 一设定时刻的运行速度动态调节出与实际线路运行工况对应的负载阻力并输出给被试牵 引系统，从而使得被试列车牵引系统运行于与实际线路运行工况相同的状态下，因此，相对 于传统的试验装置和方法，本发明的用于仿真列车牵引系统运行工况的系统和方法能够提供更真实的线路运行工况模拟环境。
图1是本发明的用于仿真列车牵引系统运行工况的系统的一实施方式的结构图；图2是本发明的用于仿真列车牵引系统运行工况的系统的另一实施方式的结构 图；图3是本发明的用于仿真列车牵引系统运行工况的系统的工作原理示意图；图4是本发明的线路负载模拟算法结构的示意图；图5是本发明的网压中断模块的一实施例的结构示意图；图6是图5的网压中断模块的控制逻辑图；图7是本发明的网压突变模块的一实施例的结构示意图；图8是本发明的用于仿真列车牵引系统运行工况的方法的一实施方式的流程示 意图。
具体实施例方式下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式
以及系统结构进行具体说明。图1是本发明的用于仿真列车牵引系统运行工况的系统的一实施方式的结构图。 如图1所示，本发明的用于仿真列车牵引系统运行工况的系统包括综合控制子系统10和线 路阻力模拟子系统20，其中综合控制子系统10包括用于获取列车当前时刻的运行速度以及计算出列车下一 设定时刻的期望运行速度，并将所述当前时刻的运行速度以及下一设定时刻的期望运行速 度传送给所述线路阻力模拟子系统20的系统协调控制模块101 ；线路阻力模拟子系统20为用于根据所述当前时刻的运行速度以及下一设定时刻 的期望运行速度向被试列车牵引系统输出相应的负载阻力的线路阻力模拟子系统。图3是本发明的用于仿真列车牵引系统运行工况的系统的工作原理示意图。图4 是本发明的线路负载模拟算法结构的示意图。参考图3和图4，被试牵引系统在实际线路上 工作时，我们可以将它作为一个整体，其从电网吸收电能，经处理后将其转化为机械能在电 机轴端输出(列车牵引状态)；或将电机的机械能处理后转化为电能输出至电网(列车再 生制动状态)；由此可见被试牵引系统在实际工作时与外界的主要接口即是电网侧电能输 入(或输出)和电机侧的机械能输出(或输入)。因此对于整个仿真系统来说，可将被试仿 真系统作为一个“黑匣子”，通过在其电源侧和电机侧模拟出与实际线路工况相同的电网环 境和电机的阻力环境，即可使被试牵引系统工作于实际工作运行状态。结合图3的工作原理图以及图4的线路负载模拟算法结构的示意图，本发明的系 统需要通过两个步骤来完成线路阻力的实时模拟一是由综合控制子系统10根据线路条 件文件、当前时刻、的列车运行速度、列车重量等输入信息实时计算列车的运行阻力，然后 再根据当前被试牵引系统的X牵引力F，计算出列车当前时刻、的加速度a，由此可以计算 出下一时刻、的期望运行速度V1 ；二是线路阻力模拟子系统20运行于速度闭环控制模式， 即通过综合控制子系统10计算出的期望运行速度V1作为其给定输入，使线路阻力模拟子 系统20根据给定的速度调节出相应的负载阻力并输出给被试牵引系统以克服被试牵引系统的牵引力，使得被试牵引系统运行于给定的速度下。由此被试牵引系统则在一定的牵引 力下，运行于与实际线路相同的工况，从而实现了线路阻力负载模型的功能。本发明实施例 中，线路条件文件是指从试验运行开始(也即零公里起始点出发)，记录的不同公里里程时 线路条件的文件。图2是本发明的用于仿真列车牵引系统运行工况的系统的另一实施方式的结构 图。如图2所示，该系统包括综合控制子系统10、线路阻力模拟子系统20和电源子系统30， 其中，线路阻力模拟子系统20与图1中的线路阻力模拟子系统所起的作用相同，属于陪试 系统中的一部分。结合图3，具体地，线路阻力模拟子系统可由“变流器+牵引电机”机组构成，变流 器主要用于将单相工频电源变换成控制陪试牵引电机所需要的变压变频电源，使陪试牵引 电机输出可控的与被试牵引系统电机转矩方向相反的机械转矩，以此模拟实际线路阻力的 变化。整个线路阻力模拟子系统如何动作、何时动作均由综合控制子系统控制。本实施方式中，综合控制子系统10包括系统协调控制模块101和外围环境模拟模 块 102。系统协调控制模块101用于获取列车当前时刻的运行速度以及计算出列车下一 设定时刻的期望运行速度，并将所述当前时刻的运行速度以及下一设定时刻的期望运行速 度传送给线路阻力模拟子系统20，并且用于传送控制信号给电源子系统30。由于在实际线路运行时，被试牵引系统还会通过一些外围传感器监测系统的运行 状态，如环境温度，冷却系统温度，冷却水循环压力等，因此为使系统能够正常运行，本发明 的系统另外一项任务就是还需要模拟出这些必须的外围辅助环境。本发明的外围环境模拟模块102用于模拟列车正常运行情况下的列车环境并提 供给被试列车牵引系统。外围环境模拟模块102可由一个可编程逻辑控制器(PLC)、若干模 拟输入输出端口和数字输入输出端口组成，其中，这些输入输出端口与被试牵引系统的相 关电气接口连接，以便外围环境模拟模块102提供保证被试牵引系统正常运行的车上模拟 环境，例如环境温度、冷却系统温度、主断路器状态及其控制信号等。而且外围环境模拟模 块102的输入输出端口可根据需要进行扩展。下面详细介绍本实施方式中系统协调控制模块101是如何实时计算列车运行阻 力的。因为列车在线路运行时其运行阻力由多种因素造成，因此实际运行阻力除了列车 运行时的空气阻力外，还可能包括坡道因素、曲线因素和隧道因素，这三个因数都分别是列 车运行里程S的函数，而列车运行里程我们可以通过测量电机转动的圈数来计算获得，这 可以用速度传感器实现。列车的总运行阻力可以用以下公式表示F1 = fi (V) +f2 [Wi (S)，Wr (S)，W1 (S)]S = s(n，t，R，G)其中，F1为列车运行的总的等效阻力；函数&为平直道时列车运行的空气阻力，其 通常为列车速度ν的二次方程；函数f2为根据线路文件计算的坡道化、曲线fe和隧道W1等 因素附加阻力；S为计算的列车运行里程；η为电机转速；t为运行的时间，R为列车的等效 轮径，G为齿轮箱传动比。对于线路阻力模拟子系统给定速度的计算，通过以下算法推倒得出
权利要求
1.一种用于仿真列车牵引系统运行工况的系统，包括线路阻力模拟子系统和综合控制 子系统，其中所述综合控制子系统包括用于获取列车当前时刻的运行速度以及计算出列车下一设 定时刻的期望运行速度，并将所述当前时刻的运行速度以及下一设定时刻的期望运行速度 传送给所述线路阻力模拟子系统的系统协调控制模块；所述线路阻力模拟子系统为用于根据所述当前时刻的运行速度以及下一设定时刻的 期望运行速度向被试列车牵引系统输出相应的负载阻力的线路阻力模拟子系统。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统协调控制模块计算出列车下一 设定时刻的期望运行速度，具体为根据获取的列车当前时刻的运行速度计算出列车以该时刻的运行速度运行时的空气 阻力，以及根据以下之一或任意组合的因素计算出附加阻力坡道因素、曲线因素和隧道因 素，从而计算出列车在该时刻运行的总阻力；根据列车牵引力、列车质量、列车回转质量常数、所述列车在该时刻运行的总阻力以及 所述列车当前时刻的运行速度计算出列车下一设定时刻的期望速度。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述坡道因素、曲线因素和隧道因素分别 是列车自本次试验运行开始至该时刻运行的总里程的函数。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于接收所述综合控制 子系统的控制信号并根据该控制信号向被试牵引系统输出与实际线路工况相同的电网环 境的电源子系统。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电源子系统包括以下之一或任意组 合网压中断模拟模块、网压波动模拟模块、网压突变模块。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述网压中断模拟模块用于实现网压瞬 时中断模拟和/或列车过分相模拟，其包括相并联的两个断路器，工作时一个断路器闭合 另一个断路器断开。
7.根据权利要求1至6任一项所述的系统，其特征在于，所述综合控制子系统还包括用 于模拟列车正常运行情况下的列车环境并提供给被试列车牵引系统的外围环境模拟模块。
8.一种用于仿真列车牵引系统运行工况的方法，该方法包括综合控制子系统获取列车当前时刻的运行速度以及计算出列车下一设定时刻的期望 运行速度，并将所述当前时刻的运行速度以及下一设定时刻的期望运行速度传送给线路阻 力模拟子系统；所述线路阻力模拟子系统根据所述当前时刻的运行速度以及下一设定时刻的期望运 行速度计算出相应的负载阻力并输出给被试列车牵引系统。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述综合控制子系统计算出列车下一设 定时刻的期望运行速度，具体为根据获取的列车当前时刻的运行速度计算出列车以该时刻的运行速度运行时的空气 阻力，以及根据以下之一或任意组合的因素计算出附加阻力坡道因素、曲线因素和隧道因 素，从而计算出列车在该时刻运行的总阻力；根据列车牵引力、列车质量、列车回转质量常数、所述列车在该时刻运行的总阻力以及 所述列车当前时刻的运行速度计算出列车下一设定时刻的期望速度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述坡道因素、曲线因素和隧道因素分 别是列车自本次试验运行开始至该时刻运行的总里程的函数。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包括电源子系统接收所述综合 控制子系统发送的控制信号并根据该控制信号向被试列车牵引系统输出电网环境。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，电源子系统接收所述综合控制子系统 发送的控制信号并根据该控制信号向被试列车牵引系统输出电网环境，包括所述电源子系统的网压中断模拟模块接收所述综合控制子系统发送的网压瞬时中断 模拟信号并根据该网压瞬时中断模拟信号使被试列车牵引系统得电或断电；或所述电源子系统的网压波动模拟模块接收所述综合控制子系统发送的网压波动模拟 信号并根据该网压波动模拟信号向被试列车牵引系统输出一定变化范围的电压；或所述电源子系统的网压突变模块接收所述综合控制子系统发送的网压突变模拟信号 并根据该网压突变模拟信号实现网压的正向突变和负向突变。
13.根据权利要求8至12任一项所述的方法，其特征在于，所述综合控制子系统在获取 列车当前时刻的运行速度之前，还包括模拟列车正常运行情况下的列车环境并提供给被试列车牵引系统。
全文摘要
本发明涉及一种用于仿真列车牵引系统运行工况的系统和方法，其中，系统包括线路阻力模拟子系统和综合控制子系统，进一步地，综合控制子系统包括用于获取列车当前时刻的运行速度以及计算出列车下一设定时刻的期望运行速度，并将所述当前时刻的运行速度以及下一设定时刻的期望运行速度传送给所述线路阻力模拟子系统的系统协调控制模块；线路阻力模拟子系统为用于根据所述当前时刻的运行速度以及下一设定时刻的期望运行速度向被试列车牵引系统输出相应的负载阻力的线路阻力模拟子系统。采用本发明的系统和方法，可使得被试列车牵引系统运行于与实际线路运行工况相同的状态下，因此相对于传统的试验装置和方法提供了更真实的线路运行工况模拟环境。
文档编号G01M17/08GK102062688SQ20101052635
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者赵震 申请人:中国铁道科学研究院机车车辆研究所