基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统的制作方法

本发明属于列车仿真运行领域，具体涉及一种基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统。

背景技术：

随着我国城市化以及区域城镇化建设的发展，城市交通出现人、车、路三者不协调的现象。交通环境恶化、环境污染、能源利用和噪声等问题都对城市的发展造成了极大压力。市内以及环城区市群居民对便捷车型提出了新的要求。大力发展城市便捷交通方式，尤其是以城市轨道交通方式为核心的高效率交通方式，是缓解城市交通压力的有效对策。

基于虚拟轨道的自导向有轨列车就是在这种大形势下提出，它是一种按照轨道交通方式运行的新型道路交通技术。虚拟轨道列车是城市轨道交通系统中的重要组成部分，它能够有效利用城市的空间层次，衔接城市交通体系，会给城市轨道交通的发展带来革命性的影响。虚拟轨道有轨列车能够节约城市轨道交通建设成本，优化城市公共交通体系架构，减少城市街道破坏，能够实现城市轨道交通的高效与便捷。但目前基于混合动力虚拟轨道列车的模型大多为软件数据仿真，无法最大限度的模拟实际运行状况。

技术实现要素：

本发明提供一种基于基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统，以解决无法最大限度模拟基于混合动力虚拟轨道列车的实际运行状况的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统，包括依次相连的工况模型、列车模型、车轮模型、齿轮箱模型、电动机模型、逆变器、辅助负载和can总线，并且can总线的一端通过直流母线连接能量存储模型，另一端与能量管理策略模型连接，能量存储模型与能量管理策略模型连接，其中首先使用后向仿真的方式，按照能量流传输相反的方向，从所述工况模型到能量管理策略模型逐级计算出各级的需求量；然后使用前向仿真的方式，按照能量流传输方向，根据计算出的能量管理策略模型的需求量，从能量管理策略模型到工况模型逐级计算出各级的实际量；

将后向仿真中工况模型输出的需求车速与前向仿真中工况模型接收到的实际车速进行比较，若工况模型的实际车速小于需求车速，则表示是由于模型本身物理条件限制列车无法到达期望的需求车速；若工况模型的实际车速大于需求车速，则表示是由于模型环节设计出现问题所致。

在一种可选的实现方式中，在使用后向仿真的方式，按照能量流传输相反的方向，从所述工况模型到能量管理策略模型逐级计算出各级的需求量时，工况模型，用于根据线路信息，基于目标距离-速度工况模型计算出需求车速；

列车模型，用根据所述需求车速计算出在牵引工况下的牵引力合力以及在制动工况下的制动力合力；

车轮模型，用于在轮胎滑动子系统的限制下，根据所述牵引力合力和制动力合力计算出齿轮箱的需求转矩和转速；

齿轮箱模型，用于根据所述齿轮箱的需求转矩和转速，计算出电动机的需求转矩和转速；

电动机模型，用于根据电动机的需求转矩和转速，计算出逆变器的需求功率；

逆变器，用于根据所述逆变器的需求功率计算出辅助负载的需求功率；

辅助负载，用于根据其需求功率，计算出能量存储模型的需求功率；

can总线，用于将所述能量存储模型的需求功率传输给直流母线，根据所述能量存储模型的需求功率计算出能量管理策略的需求功率并将所述能量管理策略的需求功率传输给能量管理策略模型；

直流母线，用于在接收到能量存储模型的需求功率后，在速度限制器的约束下，通过其电池组测试系统测出其需求电压；

能量存储模型，用于在接收到所述需求电压后，将能量状态信息反馈给能量管理策略模型。

在另一种可选的实现方式中，在使用前向仿真的方式，按照能量流传输方向，根据计算出的能量管理策略模型的需求量，从能量管理策略模型到工况模型逐级计算出各级的实际量时，

能量管理策略模型，用于根据列车牵引运行的需求功率大小、有无接触网、车载ess最大输入输出功率和车载ess的工作状态，划分对应模式，通过不同模式下的功率分配计算出能量存储模型的需求功率，并根据所述能量存储模型提供的能量状态信息以及所述can总线提供的能量管理策略的需求功率，通过不同模式下的功率分配计算出所述can总线的第一实际功率，所述能量管理策略模型中对应模式为5个，分别为：有网牵引模式、低功率牵引模式、高功率牵引模式、低功率制动模式、高功率制动模式；

能量存储模型，用于将其需求功率传输给直流母线；

直流母线，用于在所述能量存储模型的限制下，根据所述能量存储模型的需求功率计算出can总线的第二实际功率；

can总线，用于根据所述能量管理策略模型提供的第一实际功率以及所述直流母线提供的第二实际功率，计算出辅助负载的实际功率；

辅助负载，用于根据其实际功率计算出逆变器输出给传动系统的实际电功率；

逆变器，用于根据实际电功率，在转换效率的限制下，计算出电动机模型的实际转矩和转速；

电动机模型，用于根据其实际转矩和转速，根据逆变器可用电动机输入功率在旋转探测器模型的限制，计算出齿轮箱模型中传动系统的转子的实际转矩和转速；

齿轮箱模型，用于根据齿轮箱模型中传送系统的转子的的实际转矩和转速在传动系统的限制下，计算出车轮模型中轮轨系统的实际转矩和转速；

车轮模型，用于根据轮轨系统的实际转矩和转速在传动系统中对轮胎补片牵引力的影响，在刹车控制器的限制下，计算出列车模型的实际牵引力合力和制动力合力；

列车模型，用于根据其实际牵引力合力和制动力合力，通过列车速度计算器计算出列车的实际车速并传输给工况模型。

在另一种可选的实现方式中，所述目标距离-速度工况模型为：

{v^*＝f(x)|xstart≤x≤xend,0≤v^*≤vlim(x)}，

其中，x为列车运行在线路上的位置,m；v^*为列车在对应位置处的需求速度；xstart、xend分别为起点站和终点站位置，vlim(x)为线路上限速。

在另一种可选的实现方式中，所述列车模型在计算牵引力合力和制动力合力时，将列车考虑为刚性连接的多质点模型，并使用以下列车纵向动力学模型进行表述：

式中，j为质点的编号；n为列车质点数，有轨电车编组数较少，本发明以每个动力转向架为一个质点；v为列车速度,km/h,考虑为刚性连接时各质点的速度相同；fj,tr为质点所受的牵引力,kn；mj,d为包含回转质量在内的质点质量，t,惯性质量根据惯性质量系数求解；g为重力加速度；fj,b为质点所受的制动力，kn；wj,f为质点所受单位阻力的和，包括基本阻力和附加阻力，n/kn。

在另一种可选的实现方式中，所述齿轮箱模型的计算公式为：

式中，t^*gear,in、w^*gear,in分别为齿轮箱的需求输入转矩和转速；t^*gear,out、w^*gear,out分别为齿轮箱的需求输出转矩和转速；i0为齿轮箱的固定传动比；tinertia、tloss分别为齿轮箱转动惯量和机械转矩损失。

在另一种可选的实现方式中，电动机模型在后向仿真路径中的需求转矩计算考虑电动机的牵引特性和制动特性：

式中，ω为电动机转速；为后向仿真路径中电动机输入功率；为电动机的需求输出功率；为电动机最大牵引转矩和最大制动转矩。

在另一种可选的实现方式中，所述系统基于advisor建模方法，利用matlab/simulink进行环境开发，建立虚拟轨道列车仿真模型，利用dspace平台来模拟现场。

在另一种可选的实现方式中，针对系统中的每个组件，将后向仿真中输入该组件的需求量与前向仿真中输入该组件的实际量进行比较，并根据比较结果确定是否对该组件的设计进行调整。

在另一种可选的实现方式中，当工况模型的实际车速小于需求车速时，表示是由于模型本身物理参数条件限制列车无法到达期望的需求车速，此时若仍需要以该物理参数条件下的列车模型进行仿真运行，则列车采用该物理参数条件下列车模型可达到的实际车速在对应环境下仿真运行；若需要列车以需求车速在对应环境下仿真运行，则对列车的物理参数条件进行模拟调整，以使列车的实际车速向需求车速靠近；

当工况模型的实际车速大于需求车速时，表示是由于模型环节设计出现问题所致，此时列车仍以需求车速在对应环境下仿真运行，这样可以准确模拟出列车在对应环境下的运行；

当工况模型的实际车速等于需求车速时，表示无论是列车的物理参数条件，还是系统模型设计环节都不存在误差，因而此时继续保持列车以需求车速在对应环境下仿真运行。

本发明的有益效果是：

本发明将后向仿真和前向仿真两种方式相结合，将后向仿真中列车的需求车速与前向仿真中生成的列车的实际车速进行比较，根据比较的结果来区分导致实际车速与需求车速不一样的原因，根据确定的原因采用对应的车速在对应环境下进行仿真运行，由此可以降低仿真结果误差；本发明利用半实物仿真系统来对实际环境进行模拟，可以实现零消耗、无污染的“现场”测试，既可以模拟一些极限环境测试整车的性能，也能对虚拟轨道列车的单个子模块进行测试；并且可以满足混合动力有轨电车样车研发的前期验证需求和储能式有轨电车的零部件选型、参数匹配优化以及控制系统的开发停供支持；虚拟轨道列车的半实物仿真系统功能强大，使用灵活，具有很强的实用性和经济性。

附图说明

图1是本发明基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统的一个实施例结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1所示，为本发明基于混合动力的虚拟轨道列车半实物仿真系统的一个实施例结构图。该系统可以包括依次相连的工况模型1、列车模型2、车轮模型3、齿轮箱模型4、电动机模型5、逆变器6、辅助负载7和can总线8，并且can总线8的一端通过直流母线9连接能量存储模型10，另一端与能量管理策略模型11连接，能量存储模型10与能量管理策略模型11连接，其中首先使用后向仿真的方式，按照能量流传输相反的方向，从所述工况模型1到能量管理策略模型11逐级计算出各级的需求量；然后使用前向仿真的方式，按照能量流传输方向，根据计算出的能量管理策略模型11的需求量，从能量管理策略模型11到工况模型1逐级计算出各级的实际量；将后向仿真中工况模型1输出的需求车速12与前向仿真中工况模型1接收到的实际车速32进行比较，若工况模型1的实际车速32小于需求车速12，则表示是由于模型本身物理条件限制列车无法到达期望的需求车速，此时列车以实际车速在对应环境下仿真运行；若工况模型1的实际车速32大于需求车速12，则表示是由于模型环节设计出现问题所致，此时列车以需求车速在对应环境下仿真运行。

本实施例中，所述系统基于advisor建模方法，利用matlab/simulink进行环境开发，建立虚拟轨道列车仿真模型，利用dspace平台来模拟现场。系统中各个组件之间都有标准的数据输入/输出接口，便于各个组件之间进行数据传递。另外，当工况模型1的实际车速32小于需求车速12时，表示是由于模型本身物理条件限制列车无法到达期望的需求车速，此时若仍需要以该物理参数条件下的列车模型进行仿真，则列车可以采用该物理参数条件下列车模型可达到的实际车速在对应环境下仿真运行；若需要列车以需求车速在对应环境下仿真运行，则可以对列车的物理参数条件进行模拟调整，以使列车的实际车速向需求车速靠近。当工况模型1的实际车速32大于需求车速12时，表示是由于模型环节设计出现问题所致，此时列车仍以需求车速在对应环境下仿真运行，这样可以准确模拟出列车在对应环境下的运行。当工况模型1的实际车速32等于需求车速12时，表示无论是列车的物理参数条件，还是系统模型设计环节都不存在误差，因而此时可以继续保持列车以需求车速在对应环境下仿真运行。该系统尤其适用于对具有蓄电池+超级电容的混合动力虚拟轨道列车的运行过程进行仿真分析。当然，本发明还可以针对系统中的每个组件，将后向仿真中输入该组件的需求量与前向仿真中输入该组件的实际量进行比较，并根据比较结果确定是否对该组件的设计进行调整。

由上述实施例可见，本发明将后向仿真和前向仿真两种方式相结合，将后向仿真中列车的需求车速与前向仿真中生成的列车的实际车速进行比较，根据比较的结果来区分导致实际车速与需求车速不一样的原因，根据确定的原因采用对应的车速在对应环境下进行仿真运行，由此可以降低仿真结果误差；本发明利用半实物仿真系统来对实际环境进行模拟，可以实现零消耗、无污染的“现场”测试，既可以模拟一些极限环境测试整车的性能，也能对虚拟轨道列车的单个子模块进行测试；并且可以满足混合动力有轨电车样车研发的前期验证需求和储能式有轨电车的零部件选型、参数匹配优化以及控制系统的开发停供支持；虚拟轨道列车的半实物仿真系统功能强大，使用灵活，具有很强的实用性和经济性。

其中，在使用后向仿真的方式，按照能量流传输相反的方向，从所述工况模型到能量管理策略模型逐级计算出各级的需求量时：

工况模型1，用于根据线路信息，基于目标距离-速度工况模型计算出需求车速12，由于轨道交通中，设定固定的站台，列车需要定点启动和停车，因此该目标距离-速度工况模型可以表示为：

{v^*＝f(x)|xstart≤x≤xend,0≤v^*≤vlim(x)}，

其中，x为列车运行在线路上的位置,m；v^*为列车在对应位置处的需求速度；xstart、xend分别为起点站和终点站位置，vlim(x)为线路上限速。

工况模型1在计算出需求车速12后将该需求车速12传输给列车模型2。

列车模型2，用于根据所述需求车速12计算出在牵引工况下的牵引力合力以及在制动工况下的制动力合力13并将计算出的牵引力合力和制动力合力传输给车轮模型3。所述列车模型2在计算牵引力合力和制动力合力时，为了简化计算，将列车考虑为刚性连接的多质点模型，并使用以下列车纵向动力学模型进行表述：

式中，j为质点的编号；n为列车质点数，有轨电车编组数较少，本发明以每个动力转向架为一个质点；v为列车速度,km/h,考虑为刚性连接时各质点的速度相同；fj,tr为质点所受的牵引力,kn；mj,d为包含回转质量在内的质点质量，t,惯性质量根据惯性质量系数求解；g为重力加速度；fj,b为质点所受的制动力，kn；wj,f为质点所受单位阻力的和，包括基本阻力和附加阻力，n/kn。

车轮模型3，用于在轮胎滑动子系统的限制下，根据所述牵引力合力和制动力合力13计算出齿轮箱的需求转矩和转速14，并将计算出的齿轮箱的需求转矩和转速14传输给齿轮箱模型4。

齿轮箱模型4，用于根据所述齿轮箱的需求转矩和转速14，计算出电动机的需求转矩和转速15，并将计算出的电动机的需求转矩和转速15传输给电动机模型5。其中，列车的齿轮比是固定不变的，在混合动力有轨列车的仿真系统中，齿轮箱模型的计算公式为：

式中，t^*gear,in、w^*gear,in分别为齿轮箱的需求输入转矩和转速；t^*gear,out、w^*gear,out分别为齿轮箱的需求输出转矩和转速；i0为齿轮箱的固定传动比；tinertia、tloss分别为齿轮箱转动惯量和机械转矩损失。

电动机模型5，用于根据电动机的需求转矩和转速15，计算出逆变器6的需求功率16，并将计算出的逆变器的需求功率16传输给逆变器6。电动机模型在后向仿真路径中的需求转矩计算考虑电动机的牵引特性和制动特性：

式中，ω为电动机转速；为后向仿真路径中电动机输入功率；为电动机的需求输出功率；为电动机最大牵引转矩和最大制动转矩。

逆变器6，用于根据所述逆变器的需求功率16计算出辅助负载7的需求功率17，并将该需求功率17传输给辅助负载7。

辅助负载7，用于根据所述辅助负载的需求功率17，计算出能量存储模型的需求功率18并将该需求功率18传输给can总线。其中辅助负载中计算的是灯光、空调等的能量消耗，可计算出实际的能量消耗。

can总线8，用于将所述能量存储模型的需求功率18传输给直流母线9，根据所述能量存储模型的需求功率18计算出能量管理策略的需求功率20并将该能量管理策略的需求功率20传输给能量策略管理模型11。

直流母线9，用于在接收到能量存储模型的需求功率后，在速度限制器的约束下，通过其电池组测试系统测出所述能量存储模型的需求功率18中的需求电压19并将该需求电压19传输给能量存储模型10。在直流母线9中包括了电池组测试系统(batterypacktestsystem)17040。所述电池组测试系统(batterypacktestsystem)17040具有面板控制单元，可以实时显示被测电压；具有i/o双通道可接以太网can总线。电池组测试系统17040最大输出总功率为240kw(单通道为120kw),最大电流为600a，电压输出范围为30v-1kv。电池组测试系统(batterypacktestsystem)17040的系统响应时间约为40ms。

能量存储模型10，用于在接收到所述需求电压19后，将能量状态信息21反馈给能量管理策略模型11。其中，能量存储模型10与直流母线9之间为电气连接，可有效地传输所需电压电流等信息。

由此，在后向仿真过程中，所有的信息在能量管理策略模型11处汇总，能量管理策略模型接收到can总线8提供的能量管理策略的需求功率20以及能量存储模型10提供的能量状态信息21。

在使用前向仿真的方式，按照能量流传输方向，根据计算出的能量管理策略模型的需求量，从能量管理策略模型到工况模型逐级计算出各级的实际量时，其中能量管理策略模型11，用于根据列车牵引运行的需求功率大小、有无接触网、车载ess最大输入输出功率和车载ess的工作状态，划分对应模式，包括5个工作模式：有网牵引模式、低功率牵引模式、高功率牵引模式、低功率制动模式、高功率制动模式。能量管理策略模型11，用于通过不同模式下的功率分配计算出能量存储模型10的需求功率23并将该实际功率23传输给能量存储模型10，根据所述能量存储模型10提供的能量状态信息21以及所述can总线8提供的能量管理策略的需求功率20，通过不同模式下的功率分配计算出所述can总线8的第一实际功率25并将该第一实际功率25传输给can总线8。

能量存储模型10，用于将其需求功率23传输给直流母线9。

直流母线9，用于在所述能量存储模型10的限制下，根据所述能量存储模型10的需求功率23计算出can总线8的第二实际功率24并将第二实际功率24传输给can总线8。

can总线8，用于根据所述能量管理策略模型11提供的第一实际功率25以及所述直流母线9提供的第二实际功率24，计算出辅助负载7的实际功率26并将该实际功率26传输给辅助负载7。

辅助负载7，用于根据其实际功率26计算出逆变器6输出给传动系统的实际电功率27并将该实际电功率27传输给逆变器6。

逆变器6，用于根据实际电功率27，在转换效率的限制下，计算出电动机模型5的实际转矩和转速28并将实际转矩和转速28传输给电动机模型5。

电动机模型5，用于根据其实际转矩和转速28，根据逆变器6可用电动机输入功率在旋转探测器模型的限制，计算出齿轮箱模型4中传动系统的转子的实际转矩和转速29并将实际转矩和转速29传输给齿轮箱模型4。

齿轮箱模型4，用于根据齿轮箱模型中传送系统的实际转矩和转速29，在传动系统的限制下，计算出车轮模型3中轮轨系统的实际转矩和转速30并将该实际转矩和转速30传输给车轮模型3。

车轮模型3，用于根据轮轨系统的实际转矩和转速30在传动系统中对轮胎补片牵引力的影响，并在刹车控制器的限制下，计算出列车模型2的实际牵引力合力和制动力合力31，将该牵引力合力和制动力合力31传输给列车模型2。

列车模型2，用于根据其实际牵引力合力和制动力合力31，通过列车速度计算器计算出列车的实际车速32并传输给工况模型1。由此，在前向仿真过程中，所有的信息在工况模型1处汇总，从而获得列车的实际车速。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。