高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种实时故障仿真平台，尤其涉及高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台，属于高速列车牵引传动控制系统半实物仿真、故障注入和信号处理等领域。
【背景技术】
[0002]随着高速列车在世界范围内的大规模应用，其关键系统的安全运行已成为高速列车运行于与发展的首要问题。作为关键系统之一，牵引传动控制系统TCS是高速列车的主要动力来源，也是高发故障的主要来源之一，直接关系到高速列车的安全稳定运行。因此，针对TCS的故障诊断、故障预测与容错等安全性相关技术成为研究的热点。应用验证平台是故障诊断技术研究不可或缺的手段，如无法对故障的发生及其对整个系统运行状况的影响进行注入/模拟，将令故障诊断等相关理论的实际应用受到极大的限制。
[0003]半实物仿真平台是应用验证平台中的一项重要技术，它提供了一种仿真形式，SP平台中的仿真对象存在实物与数学模型的交互仿真，因快速、高精度而被广泛运用到汽车、船舶、飞行器等动力系统的测试与验证过程中。通过搭建半实物仿真平台，能够避免在真实环境中进行测试，从而降低测试成本。国内现有的高速列车牵引传动控制系统半实物仿真平台都针对系统的正常运行行为进行实时仿真，仅可离线、手动简单模拟仿真某些部件内的异常工况，且以测试牵引传动控制单元TCU的功能为主要目的，并不涉及对牵引传动控制系统进行系统/子系统级的故障注入与模拟，即无法对牵引传动控制系统的故障运行行为进行实时仿真。
[0004]因此，如何构建实时故障注入/模拟模式下，高速列车牵引传动控制系统的半实物仿真平台，包括如何构建适于高速列车牵引传动控制系统的正常运行行为半实物仿真平台结构，且能够实现故障注入单元FIU在半实物仿真平台中的功能，是本发明拟解决的关键问题。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种可靠、安全、逼近真实地模拟高速列车牵引传动控制系统正常运行行为与故障运行行为的实时仿真平台。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0007]—种高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台，能够对高速列车牵引传动控制系统的正常运行行为与故障运行行为进行仿真。所述高速列车牵引传动控制系统包括牵弓丨变压器、牵引变流器(整流器、中间直流回路与逆变器)、牵引电机、传感器、牵引传动控制单元TCU等部件。其特征在于，实时故障仿真平台包括实时仿真器、故障注入单元FIU、实物牵引传动控制单元TCU、实时数据采集与监控单元等4个部分；所述实时仿真器包括PC-dSPACE 与实时仿真软件，用于牵引传动控制系统中各部件正常模型与故障模型的仿真，以及实时仿真监控;所述故障注入单元FIU包括虚拟与实物两个部分，用于在信号层面实现对牵引传动控制系统中各部件各类故障的故障注入和电平转换;所述实物牵引传动控制单元TCU用于实现反馈信号解算，控制信号PWM的产生，以及对牵引传动控制系统的保护功能;所述实时数据采集与监控单元，用于实时仿真状态监控，以及对整个平台的数据监测、存储控制、历史数据查看等功能。
[0008]优选地，实时仿真器包括PC-dSPACE与实时仿真软件，用于牵引传动控制系统中各部件正常模型与故障模型的仿真，以及实时仿真监控；
[0009]具体地，PC-dSPACE中包括DS1007CHJ板、DS5203 FPGA板、DS4004数字I/O板、DS2103多通道高精度的D/A板，用于牵引传动控制系统中各部件正常模型与故障模型的仿真；
[0010]具体地，DS1007CPU板完成对牵引传动控制系统中实时性要求较低的部件模型实时仿真，并通过20Mb/s传输速率PHS高速总线与外围接口板卡进行数据交换、控制信号采集或系统状态变量输出，对I/O接口板提供30Mb/s传输速率，多至64个PHS总线中断，2个处理器板同时进行模型解算，通过高速光纤接口进行数据交换，传输速率>1.25Gbit/S;
[0011 ] 具体地，DS5203 FPGA板，由Xi 1 inx的Virtex-5系列FPGA构成，它提供了6路AD，6路DA及16路数字10通道，完成对牵弓I传动控制系统中实时性要求高的部件模型实时仿真；
[0012]具体地，DS4004数字I/O板具有96路双向数字I/O口，输入电压为TTL电平，完成PC-dSPACE I/O信号传输功能；
[0013]具体地，DS2103多通道高精度的D/A板，具有32路并行的D/A和14位的分辨率，其输出电压范围可通过编程设定为±5V;
[0014]具体地，实时仿真软件包括模型开发软件RTI(Real-Time Interface，RTI)与综合管理软件Controldesk，用于模型开发以及对PC-dSPACE中的实时仿真进行综合管理监控；
[0015]具体地，模型开发软件RTI在Matlab/Simulink中图形化建模方式建立I/O模型，完成对PC-dSPACE中板卡的选定，生成模型代码，编译下载并启动实时模型仿真；
[0016]具体地，综合管理软件Controldesk软件用于实现实验过程的综合管理监控。
[0017]优选地，为了提高解算效率，将实时仿真器分成Master与Slave两个仿真单元，每个仿真单元由一个DS1007 CPU板与DS5203 FPGA板卡构成，板卡间仅交换电压、电流与速度等数据;MasteH方真单元用于整流器模型、中间直流回路模型与牵引变压器模型的计算，Slave仿真单元用于逆变器和牵引电机模型的计算。
[0018]优选地，故障注入单元FIU分为虚拟与实物两种形式；由故障注入命令接口、故障注入控制器、信号调理模块、输入输出接口、电平转换模块、工作负载与故障库组成，用于在信号层面实现对牵引传动控制系统中的各部件(实物、虚拟)各类故障的故障注入/模拟；
[0019]具体地，所述故障注入命令接口用于接收上位机的故障注入命令，同时上传故障注入单元当前的工作状态；
[0020]具体地，所述工作负载与故障库包含牵引传动控制系统中牵引变流器、牵引电机、传感器和牵引控制器等部件各类故障注入/模拟基准(故障注入时刻、位置、仿真时间长度、故障模式)，以及各部件正常模型与故障类型等实时仿真参数;所述的牵引变流器故障注入基准所提供的故障类型包括，功率器件(如IGBT模块和可控式晶闸管等)和无源元件(如电阻器和电容器等)的失效故障和电气外特性衰退现象;所述的牵引电机故障注入基准所提供的故障类型包括，转子断条故障、定子匝间短路故障、气隙偏心故障和端环断裂故障;所述的传感器故障注入基准所提供的故障类型包括，电压、电流和速度传感器的偏差、漂移、冲击、精度下降、周期性干扰、增益、开路、短路、卡死和非线性死区等故障;所述的牵引控制器故障注入基准所提供的故障类型包括，模拟信号I/O模块、数字信号I/O模块和存储模块的错误逻辑状态/硬损伤；
[0021]具体地，故障注入控制器根据上位机故障注入控制指令，加载工作负载与故障库，确定故障仿真参数;控制开关选择外部故障信号h或内部故障信号f1;若选择内部故障信号，则控制产生内部故障信号h，生成特定故障信号f(.);控制是否叠加噪声Ns;
[0022]具体地，信号调理模块将生成的特定故障信号f(.)与注入点处的注入前正常信号X。进行信号调理，生成故障注入信号Xf;
[0023]具体地:
[0024]步骤1:根据用户需要，将所生成的特定故障信号f(.)与注入点处的注入前正常信号X。进行信号叠加或信号相乘运算，生成中间故障注入信号为:
[0025]Xfi = Xo+f (.) (1)
[0026]或者:
[0027]Xf2 = Xo*f(.) (2)
[0028]步骤2:将正常信号X。、特定故障信号f(.)以及中间故障注入信号Xfl，Xf2，进行逻辑运算，选择所需的故障注入信号X、:
[0029]X/f = sel{Xo,f(.),Xfi,Xf2} (3)
[°03°] 式中sel{}表不在XQ、f (.)、Xfi和Xf2中选择任一所需的故障注入信号X'f作为信号调理的输出；
[0031]步骤3:确定生成的故障注入信号X、是否需要叠加噪声，并生成故障注入信号Xf作为最终输出:
[0032]Xf = X7 f+(Ns) (4)
[0033]式中+(NS)表示可根据实际情况和用户需要，选择是否叠加噪声信号Ns;
[0034]具体地，故障注入单