机车半实物仿真装置、系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电气系统仿真技术，尤其是涉及一种应用于机车，特别是机车牵引系统的半实物仿真装置、系统及方法，本发明也能够应用于其他类似电气系统的半实物仿真。
【背景技术】
[0002]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。由于电力电子系统是一个复杂的非线性系统，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。
[0003]在电力电子系统的分析和设计中，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，就是指在仿真系统中一部分为实物，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。
[0004]机车牵引系统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系统，用以满足系统从设计之初，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，传统的半实物仿真系统一般仅仅针对牵引系统主电路进行仿真，使用真实的牵引变流器控制器(传动控制单元一DCU)，牵引系统主电路为仿真对象。
[0005]现有的机车半实物仿真系统可以分为以下两个部分:
[0006](I)实物控制器
[0007]机车牵引系统主电路的控制器，一般称为D⑶(Drive Control Unit一传动控制单元)或者TCU(Tract1n Control Unit一牵引控制单元)，司机可以通过机车上层控制系统(列车网络控制系统)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。
[0008](2)被控对象模拟器
[0009]需要模拟的被控对象运行于模拟器中，并通过自带的10板卡将计算的结果输出为电气信号。被控对象是机车牵引系统的主电路，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。
[0010]如附图1所示，整个仿真系统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，将虚拟的机车牵引系统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。
[0011]其中，供电电源为牵弓丨系统提供供电电源，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。
[0012]现有机车半实物仿真系统的构建过程主要包括以下三个环节:
[0013](I)构建城轨牵引系统半实物仿真系统的硬件平台，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；
[0014](2)构建机车半实物仿真系统的虚拟被控对象，利用建模工具建立机车牵引系统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；
[0015](3)进行系统调试，实现被控对象与实物控制器的闭环运行。
[0016]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。
[0017]现有机车半实物仿真系统的工作原理为: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系统。
[0018]由上可知，现有机车半实物仿真系统的缺点主要有如下几点:
[0019](I)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系统(列车网络控制系统)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系统，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系统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)的上层控制系统的信号进行模拟，这是一个不完整的仿真系统，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系统信号，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系统。
[0020](2)实物控制器不能直接与仿真系统相连接，需要进行软硬件改造，费时费力。被控对象模拟器的1信号等级较低，一般数字信号为5V电平，模拟信号为-1OV?1V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1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。
[0021](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系统主电路配置要求，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系统延迟增加，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25 μ S，影响模型解算的精度和稳定性。
[0022](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I个。因此，整个系统模拟不够完整，不能完全模拟实际运行情况。
[0023]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】
[0024]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、系统及方法，能够有效地解决现有仿真系统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。
[0025]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系统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系统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。
[0026]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系统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系统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。
[0027]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。
[0028]优选的，所述系统应用于机车牵引系统半实物仿真。
[0029]优选的，所述实物控制器为机车牵引系统主电路的控制器，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系统主电路；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系统的通讯信号，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系统为所述实物控制器提供完整的外部信号模拟。
[0030]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。
[0031]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系统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。
[0032]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、牵弓丨、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。
[0033]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；
[0034]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；
[0035]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PffM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；
[0036]所述第二电压转换单元用于将所述实物控制器的IlOV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IlOV数字信号输入至所述实物控制器；
[0037]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；
[0038]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-1OV?1V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；
[0