一种面向列车节能运行控制的实验平台及其模拟控制方法

本发明涉及机械工程列车控制，具体涉及一种面向列车节能运行控制的实验平台及其模拟控制方法。

背景技术：

1、随着高速铁路的快速发展，对其节能运行速度曲线优化及相关列控系统的研究逐步引起了学术界与工业界的关注。与中低速地铁、城际铁路的运营条件不同，高速铁路具有长距离运输、高速度运行以及复杂成网特性等特点。因此，在针对高铁进行速度轨迹优化的过程中，需要全面地考虑高铁的实际运营特性，从而构建一个智能、高效的ato系统。

2、针对高速列车内部自身复杂的牵引特性对高速列车运行带来的影响。有团队提出了一种通过优化级位信息来控制列车节能运行的方法，通过对各个路段的分析根据算法优化出最优速度，并且系统直接通过级位控制输出所需速度。区别于对目标速度的追踪，此方案为司机辅助驾驶系统(das)和列车自动驾驶系统(ato)优化出一系列操作策略，但该方案目前尚停留在软件模拟验证阶段，软件模拟设置的参数数量有限，对真实情况的模拟不够全面，而直接使用真实的列车系统进行测试的条件要求过高，是一个高投入，高风险，长周期的活动。基于以上现状，需要一个适配该算法、高度模拟列车运行状况和场景、可操作性强、可重复、成本低的综合性实验平台对该算法进行实物模拟并验证模型的可行性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种面向列车节能运行控制的实验平台及其模拟控制方法，构建了等比例缩小的列车和轨道系统，以及集通讯、控制、信息采集功能于一身的嵌入式人机交互系统，对列车及轨道系统的信息进行采集和运算，并实时控制列车及轨道系统的运行，高度模拟列车运行状况和场景，减少了决策判断到做出运行操作之间的反应时间，有助于缩短控制回路，可操作性强，降低列车对于最优速度轨迹控制产生的误差，更好地实现节能目的。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种面向列车节能运行控制的实验平台，包括：人机交互系统、等比例缩小的列车、等比例缩小的轨道系统；

4、所述人机交互系统与等比例缩小的列车连接，所述等比例缩小的列车与等比例缩小的轨道系统连接；

5、所述人机交互系统包括控制手柄，显示器，第一单片机和第一无线通信模块，所述控制手柄、显示器、第一无线通信模块分别与第一单片机连接；

6、所述控制手柄用于切换不同档位，输出各个档位接通的信号；

7、所述第一单片机用于接收各个档位接通的信号，输出级位指令至第一无线通信模块；

8、所述显示器用于显示级位切换策略图和列车运行数据；

9、所述第一无线通信模块用于将级位指令输出至等比例缩小的列车；

10、所述等比例缩小的列车包括列车控制系统、牵引系统和传感器信息采集系统，所述列车控制系统与牵引系统连接，所述牵引系统与传感器信息采集系统连接；

11、所述列车控制系统用于接收级位指令，输出pwm转速控制信号至牵引系统；

12、所述牵引系统用于接收pwm转速控制信号驱动列车前进；

13、所述传感器信息采集系统用于采集列车运行速度，并传输至人机交互系统；

14、所述等比例缩小的轨道系统与等比例缩小的列车匹配，用于模拟真实的轨道系统供列车运行。

15、作为优选的技术方案，所述控制手柄包括底座和推杆，所述推杆的一端固定于底座，所述推杆绕固定轴旋转，所述底座设有限位器，每个限位器对应不同挡位，限位器上设有电极，所述推杆设有电刷，推杆上的电刷在底座活动，活动至对应挡位时与限位器上的电极接触。

16、作为优选的技术方案，列车控制系统包括第二单片机和第二无线通信模块，所述第二单片机和第二无线通信模块连接，所述第二无线通信模块与第一无线通信模块无线连接；

17、所述第二单片机采用stm32开发板，设有pa8-pa11端口、pb8-pb15端口，所述第二无线通信模块接收第一无线通信模块传输级位指令，传输至第二单片机，所述第二单片机接收级位指令，将pa8-pa11端口配置成上拉输出模式，将b8-pb15端口配置成推挽输出模式。

18、作为优选的技术方案，所述牵引系统包括多个电机、电机驱动模块及传动装置，所述电机驱动模块与电机连接，所述电机与传动装置连接，所述电机驱动模块用于驱动电机转动，所述电机用于带动传动装置，所述传动装置用于驱动列车前进；

19、所述电机驱动模块采用l298n模块，设有en1-en4使能端口、in1-in8端口和out1-out8端口，en1-en4使能端口分别与第二单片机的pa8-pa11端口连接，in1-in8端口分别与第二单片机的pa8-pa11端口连接，out1-out8端口分别与电机连接，out1-out8端口输出pwm信号。

20、作为优选的技术方案，所述传动装置包括主动轮和从动轮，主动轮与电机连接，从动轮通过联动齿轮轴与固定在d型轴上的直齿轮相连，联动齿轮轴由光滑圆杆和固定在其上的两个锥齿轮构成，电机带动主动轮与固定在d型轴上的直齿轮旋转，直齿轮与锥齿轮啮合，将转动从d型轴转动方向传递到联动齿轮轴的光滑圆杆转动，通过另外一端的锥齿轮-直齿轮啮合齿轮对传递到从动轮，完成电机对从动轮的驱动。

21、作为优选的技术方案，所述传感器信息采集系统设有光电编码器，所述第二单片机设有pa0端口，所述光电编码器的输出端与pa0端口连接，所述光电编码器将脉冲信号传输至第二单片机的pa0端口，第二单片机通过脉冲信号计算出单位时间的列车平均速度。

22、作为优选的技术方案，所述第二单片机还设有模数转换器，所述模数转换器用于测量供电电源的电压，换算出相应电流，计算得到供电电源的实际输出功率。

23、作为优选的技术方案，所述等比例缩小的轨道系统设有多节等比例缩小的轨道，包括直线轨道节、圆形轨道节、斜坡轨道节，分别用于模拟直线轨道，转弯轨道，上坡轨道及下坡轨道。

24、本发明还提供一种面向列车节能运行控制的实验平台的模拟控制方法，包括下述步骤：

25、计算列车控制系统输出的pwm信号与牵引系统输出牵引力之间的对应关系；

26、计算列车运行速度与列车对应速度下所受的阻力之间的对应关系；

27、拟合列车运行速度与阻力关系的曲线以获得戴维斯方程系数；

28、获取列车运行数据、轨道信息和牵引特性；

29、将列车运行数据、轨道信息、牵引特性输入混合整数线性规划的列车速度轨迹优化模型中，并基于pwm信号与牵引系统输出牵引力之间的对应关系、列车运行速度与列车对应速度下所受的阻力之间的对应关系，计算出列车的最优速度曲线和节能级位切换策略；

30、基于节能级位切换策略向列车控制系统发送级位指令，列车控制系统接收到级位指令后输出pwm转速控制信号至牵引系统，所述牵引系统接收pwm转速控制信号驱动列车前进，实现对列车多级位运行特性的模拟。

31、作为优选的技术方案，计算列车控制系统输出的pwm信号与牵引系统输出牵引力之间的对应关系，具体包括：

32、将测力计与列车车轮边缘相连，使测力计的挂钩与车轮切线保持同一高度，输出预设pwm信号控制列车车轮转动，当车轮因阻力停止转动时，获取测力计的示数，即为当前pwm信号对应的牵引力大小，等差改变pwm信号的占空比，得到pwm信号与输出牵引力的对应关系表；

33、计算列车运行速度与列车对应速度下所受的阻力之间的对应关系，具体包括：

34、将两辆列车相连后前后放置在轨道系统上，前车通电并以预设的速度在轨道上运行，后车断电，前车设有拉力传感器及光电编码器，实时获取光电编码器测量得到的列车速度和拉力传感器测量得到前车对后车的拉力，基于实时的列车速度与拉力数据得到速度与时间的对应关系曲线，计算拉力与时间的对应关系曲线，计算出平均速度，使用该时间段内的拉力曲线计算出该时间段内的平均拉力，该力即为列车对应速度下所受的阻力，等差改变列车速度，得到列车运行速度与阻力对应关系表。

35、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

36、本发明构建了等比例缩小的列车和轨道系统，以及集通讯、控制、信息采集功能于一身的嵌入式人机交互系统，对列车及轨道系统的信息进行采集和运算，并实时控制列车及轨道系统的运行，高度模拟列车运行状况和场景，减少了决策判断到做出运行操作之间的反应时间，有助于缩短控制回路，可操作性强，降低列车对于最优速度轨迹控制产生的误差，更好地实现节能目的。