地铁列车牵引系统分布式仿真平台设计.pdf-资料库

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地铁列车牵引系统分布式仿真平台设计 http://www.paper.edu.cn 李小波 1，吴浩 2 1. 山东科技大学，山东青岛（266510） 2. 上海交通大学，上海（200240） E-mail：lxb_8293@yahoo.com.cn 摘要：利用网络连接多台微型计算机组成仿真系统，通过 UDP 传输协议建立了基于网络的地铁列车牵引系统并行半实物仿真平台。利用与实物交互的 A/D 板的准确定时完成仿真系统的同步时钟，在仿真计算机上利用 Matlab 的 RTW 方便地完成各仿真进程的实时计算，从而实现牵引系统各种工况的实时仿真。关键词：Matlab；牵引系统；半实物仿真；分布式实时仿真 1 引言牵引系统是地铁列车的关键设备，对其进行设备维护和试验的费用十分昂贵。若采用分离模块/元件单独测试的方法，则无法对牵引系统的整体工作性能作出评价；如果采用机车原有机电部件在实验室搭建主回路进行测试，不仅费时、费力、成本高，且不易调整、灵活性差，不符合地铁运营对维护效率的要求。随着计算机技术的发展，半实物仿真（Hardware-In-the-Loop，HIL）作为一种简便而成熟的技术已经被广泛的应用于航空、航天和航海等领域。如果将该项技术用于地铁列车牵引系统的仿真检测，即用仿真器来代替大功率变换器和牵引电机，在实验室条件下模拟列车运行环境和运行状态，则能在很大程度上减少科研经费、缩短研制周期，而且仿真结果更加直观明了 [1]。当前半实物仿真的实现方法主要有两类：一类是大型专用的半实物仿真平台，如 DSPACE 仿真平台[2]；另一类是以通用计算机和高级计算机语言为基础经过二次开发得到的平台。但两者都存在不足：前者的硬件和软件价格昂贵，对环境条件要求高；后者需要编制大量的程序，技术难度大且周期长。随着仿真技术的不断发展，分布式并行仿真系统发展为国际上公认的低成本、高效率的仿真实施方案[3]，具有系统灵活适用范围广、稳定性好、容错能力强、性价比高，如我国自行研制的全互联分布式并行仿真计算机系统 CHY-10[4]。系统运用分布式仿真的并行化处理方法，把牵引系统的仿真任务合理地分配到多台计算机上，实时仿真过程中多台计算机通过网络进行数据交互。通过对比试验，为地铁列车牵引系统提供性能评价和故障诊断平台。 2 分布式仿真平台架构作为研究对象的牵引系统主要包括：牵引控制器、电气传动单元、功率驱动单元和传感器。在仿真模型中只有牵引控制器是实物，其它部件均通过物理相似性原理进行数学建模，以此构成半实物仿真回路。地铁无论是直流牵引还是交流牵引，其数学模型都具有非线性、强耦合特性。由于受到当前微型机水平的限制，仿真过程中庞大的计算量要耗费大量的机器时间。再加上仿真过程对 I/O 和显示的实时性要求高，导致系统效果难以尽如人意。而能满足条件的专用巨型机的硬件、软件价格又十分昂贵。因此，为了提高计算速度达到实时仿真的目的，系统利用网络进行多机分布并行处理，将牵引传动模型的构成部件分布在不同的处理机上进行同步处理，即把庞大的计算量合理的 - 1 -

http://www.paper.edu.cn 分配到多个处理器上以此保证半实物仿真系统的实时仿真。系统采用一个独立的双 CPU 高性能仿真服务器进行所有数学模型的并行化处理。根据模型中仿真计算量的大小将牵引系统分解成多个子系统，每个子系统合理分配在不同的处理机上，各子系统之间的耦合数据在同步点上进行交换。这种方法的优点在于，利用原有的串行算法就能实现并行计算而无需构造专门的并行算法。仿真系统中作为显示处理和用户控制界面的处理器放在独立的计算机上，各计算机之间所有数据均通过 100M 的交换机进行交换。半实物仿真平台硬件连接如图 1 所示。图 1 分布式仿真平台的硬件构成 Fig.1 Composition of the distributed simulation platform 3 仿真环境及模型 3.1 仿真模型的建立仿真建模是在 Matlab/Simulink 集成开发环境中进行的，利用功能强大的工具箱，操作员可以将编程的重点放在模型的建立和修正上，提高编程效率。应用时，将牵引系统分为两个子系统，即传动子系统和反馈子系统。传动子系统包括：电力电子变换器和牵引电机；反馈子系统包括各种传感器，如电流、网压、转速等；把不同的子系统放到不同处理器上进行并行仿真计算。图 2、3 即为利用 Simulink 建立的各子系统的仿真模型。图 2 牵引传动子系统模型 Fig.2 Model of traction transmission subsystem - 2 -

http://www.paper.edu.cn 图 3 传感器子系统模型 Fig.3 Model of sensors subsystem 3.2 算法及步长的选取动态仿真需要将牵引过程离散化。也就是将整个时间段分成许多小段，在每一个小的区间应用数字微分方法来求解动态方程。考虑到半实物仿真的实时性，加之牵引动态方程的阶数并不太高，这里选用实时龙格-库塔（Real-time Roung-Kutta, RRK）算法来求解[5]，算法原理如图 4 所示。 input nu + 1/ 2 calculate ny + 1 calculate k 1 calculate k 2 calculate next k 1 nt nt h+ / 2 t n + = h t + n 1 图 4 实时 RK-2 的算法流程图 nt + + 1 h / 2 Fig.4 Flow chart of real-time RK-2 arithmetic 在 nt 时刻计算 1k 与常规算法相同，而当时刻 nt h+ 时， 1/ 2 / 2 ny + 和 1/ 2 nu + 都已得到，这时已可以计算 2k ，输出 1ny + 与输入 1nu + 一致。算法选取后，就要考虑步长。一种方法是将步长设为固定值，另一种方法是在仿真过程中动态调整步长，称为变步长法。选取后者时，时间依赖于目标系统的动态行为，还应该考虑积分误差。但是，对于半实物仿真来说，I/O 接口必须设定为固定的周期。因此，最终选取固定步长算法。 4 系统实现进行实时仿真必须采取措施使仿真模型运行速度与实际系统运行速度保持一致，因而就需要建立满足实时仿真条件的软件和硬件环境。 4.1 实时通信方式网络通信速度是半实物仿真系统功能扩展中的一个限制条件。对于宿主机-目标机并行处理的模式，系统应处理好仿真计算机和主控计算机之间的实时通信，以及仿真计算机和外 - 3 -

http://www.paper.edu.cn 设之间的数据交互。鉴于半实物仿真中数据通信局限于小范围内并且实时性要求高，故采用直接数据传输而无需标准协议。利用操作系统集成的通信协议实现网络的实时通信，降低了实现的难度和周期。对于常用的两种传输协议 TCP 和 UDP，传输的实时性方面选择了采用 UDP 传输层协议，从而保证只要网络畅通就可以完成实时数据的传输。利用网络套接字 SOCKET，采用 UDP 协议在百兆以太网上实现毫秒级的低延迟网络通信，完全满足了半实物仿真平台通信实时性的要求。 4.2 系统的同步半实物仿真本质上是实时仿真，是由同步运行的各部件构成的整体。系统的同步需解决两个主要的问题：（1）主机和目标机、测试机之间的同步；（2）测试系统与被测对象的同步。利用已实现的低延迟实时通信网络，问题（1）已可以做到。实现方法是采用 A/D 板精确定时，其硬件直接中断进行定时模式实现了系统毫秒级的精确定时，A/D 板的采样周期为 1 毫秒，每 2 秒向仿真服务器进行一次数据传输促使其进行仿真。A/D 板的硬件定时器的定时标记传送给其它计算机就实现了这些计算机的时钟同步，对定时标记的传输频率进行控制可实现仿真的多速率。 5 实验及结果分析半实物仿真试验台的仿真试验内容为地铁列车的全工况模拟运行，即模拟列车的牵引、惰行、制动和紧急制动等工作状态。以下试验结果均以地铁直流机车牵引系统为研究对象，该牵引系统主要由牵引控制单元（Traction Control Unit, 以下简称 TCU）、斩波器和必要的电气部件组成。系统仿真监控界面如图 5 所示。它实现 TCU 在计算机控制下的正常工作，并对 TCU 进行检测。它通过调用三个子程序——TCU 检测控制子程序、接触器状态检测子程序、TCU 数据采集子程序来实现。图 5 牵引过程的监控界面 Fig.5 Monitoring and control interface of traction process 系统实时动态测试模块界面如图 6 所示。在牵引系统模拟运行时，实时检测并记录斩波 - 4 -

器内各功率管的触发脉冲信号，以便分析和评价各功率管驱动电路板性能。检测数据以曲线的形式在检测屏幕上显示。 http://www.paper.edu.cn 图 6 牵引传动单元重要参量测试波形 Fig.6 Important parameters testing waveform of traction transmission unit 当主回路的仿真测试进入稳态后，通过操纵手柄，向 TCU 及测试系统发出控制指令，使仿真平台在离线条件下再现机车正常运行时各种工作状态，及时采集并存储各种实时数据，实现对牵引系统的测试。观察 TCU 在不同工况下输出的斩波器触发脉冲，即可判断 TCU 能否正常工作。 6 结语本文建立了基于 Matlab 的地铁列车牵引系统分布式半实物仿真平台，将全部的仿真计算分配到多台计算机上进行。仿真结果证明了其在性能测试和工况模拟上的优势。而且这套仿真系统具有扩展性强、开发周期短、系统构造相对简单、使用简便等一系列优点。它既避免了 DSPACE 等半实物仿真系统昂贵的硬件和软件费用，又克服了运用计算机语言开发仿真软件工作繁杂、周期长的缺点，使实时仿真得到了更普及的应用，对牵引系统工作特性的进一步研究提供了有价值的检测方法。参考文献 [1] 薛定宇，陈阳泉. 基于 MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用[M]. 清华大学出版社, 2002.1 [2] 马培蓓，吴进华，纪军. 反舰导弹控制系统半实物仿真软件设计[J]. 战术导弹控制技术. 2004 No.1 [3] Proceedings of the 15th workshop on parallel and distributed simulation. Proceedings of the Workshop on Parallel and Distributed Simulation, PADS. 2001：15~18 [4] 邓方林, 王忠, 吴少军, 王宏力, 邓彬. CHY-III 分布式并行仿真计算机系统[J]. 系统仿真学报, 1999, 11(1) [5] 姚新宇，黄柯棣. 半实物仿真系统的实时性分析[J]. 计算机仿真, 1999, 04 (16): 51-54. [6] Wu Hao, Zhang Xiu-bin. Study on the HILS testing system for the electric traction system of the DC Locomotives [J]. Proceedings of 2005 IEEE Industry Applications Conference, 2005, vol. 4: p 2464-2467 [7] 程隆华, 方海清. 上海地铁一号线车辆牵引（制动）数字仿真计算[J]. 上海铁道学院学报, 1994, 9(15): 39-46. [8] 邢震, 张峰, 吴浩. Labview 在上海地铁直流机车主控系统综合测试技术中的应用[J]. 计算机仿真, 2006,2-1(22): 34-36 [9] 颜华敏, 张秀彬,张峰,吴浩, 李宇涛. 虚拟仪器在上海地铁 TCU 测试系统中的应用[J]. 微计算机信息. 2004, 11 (20): 102-111. [10] 杨涤，李立涛等. 系统实时仿真开发环境与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002 年. - 5 -

Design of Distributed Simulated Platform of Traction System of Subway Vehicle http://www.paper.edu.cn Li Xiaobo1，Wu Hao2 1. Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong （266510） 2. Shanghai Jiao Tong University，Shanghai (200240) Abstract A computer system was instructed by a computer group with networks. A distributed hardware-in-the-loop simulation platform of traction system of subway vehicle was set up on the basis of UDP transport protocol. A synchronous clock was applied by A/D board which communicated with real objects. Then real-time calculation was completed by using RTW toolbox of Matlab in the simulation computer. Thus all working patterns of traction system can be realized by the real-time simulation platform. Keywords：Matlab；traction system；hardware-in-the-loop；distributed real-time simulation 作者简介：李小波（1974-），女，山东烟台人，山东科技大学机电学院讲师，博士研究生，学科专业为机械电子工程 - 6 -

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