CRH2型高速動車組制動系統硬件在環仿真平臺研究＊

楊 磊，牛 瑞，馬 璐

（南京浦鎮海泰制動設備有限公司，江蘇南京211800）

近年來，隨著我國鐵路的不斷提速，作為高速動車組核心系統之一的制動系統，對其可靠性和安全性提出了越來越高的要求，制動系統的試驗驗證工作也得到了前所未有的高度重視。但傳統的制動系統試驗設備存在著固有缺陷，如難以模擬全部工況、試驗設備制造成本高、試驗數據不夠直觀等問題。若被測制動系統有了較大的變更，原有的試驗臺須隨之進行改造，改造難度大、成本高，周期長。

目前，國內外汽車企業廣泛采用了基于d SPACE的硬件在環（Har d ware－in－Loop）仿真測試平臺模擬汽車車輛和試驗環境，對控制系統進行在線測試來驗證控制方案的可行性［2］，且能夠根據試驗需要，隨時修改車輛和試驗環境模型，滿足不同測試需求。

本文分析了制動系統仿真測試需求，運用建模軟件搭建被控對象模型、輪軌關系模型和三維視景動畫，并最終建立起制動系統硬件在環仿真平臺。該平臺與制動控制器（Brake Control Unit，BCU）一起進行聯合仿真測試，并將測試結果與實車試驗數據進行對比，驗證了平臺的有效性。

1 制動系統原理［1］

CRH2型高速動車組制動系統采用微機直通電空制動系統。主要由BCU、空氣制動控制單元、防滑閥、基礎制動裝置以及風源裝置等組成。其工作原理如圖1所示，BCU根據制動級別、車輛載重、列車速度和牽引控制單元的電制動反饋信號，計算出單輛車所需的空氣制動力和目標BC壓力，進而控制空氣制動控制單元中的各類閥，形成空氣制動壓力，空氣制動壓力經防滑閥輸出給基礎制動裝置，產生所需制動力，施加到車輪上，從而對列車產生制動作用；在制動過程中，若檢測到某軸產生滑行，BCU輸出信號驅動防滑閥，以減小該軸空氣制動力，進而恢復該軸黏著。

圖1 制動系統組成原理

利用傳統試驗方案對所開發的BCU進行測試驗證，須將BCU與真實被控對象，如空氣制動控制單元（EP閥、中繼閥、緊急閥、氣路板等）、防滑閥、基礎制動裝置和風源裝置等進行集成，形成完整制動控制系統。然后為其搭建試驗環境（如試驗臺），進行制動控制試驗，以驗證BCU控制方案的可行性。該試驗方案難以在成本和時間受限的情況下模擬車輪與軌道關系，因此施加制動導致的列車速度變化情況也就無法被BCU獲知，影響了試驗驗證的系統性和試驗結果的可信度。

2 仿真平臺方案

針對上述問題，提出采用如圖2的HIL仿真測試平臺進行制動系統試驗驗證的方案。根據制動系統特性，選擇了平臺的硬件和軟件構成方案。其中，制動控制器BCU和司控器為實物；空氣制動控制單元、防滑閥、基礎制動、輪軌關系等為實時模型。真實的BCU根據輸入條件，計算所需目標BC壓力，進而控制氣路及機械模型，輸出制動力矩。輪軌模型根據制動力矩和事先仿真得到的蠕滑特性數據表，計算各軸車輪速度變化情況，并將車輪速度實時反饋給BCU采集。通過人機界面監控、調整實時模型參數；視景計算機通過CAN通信方式接收實時仿真系統的關鍵參數，用于直觀顯示制動過程中列車運行狀態。

圖2 平臺方案示意圖

2.1 硬件需求

d SPACE標準組件硬件系統主要由主處理器板和組件I／O板構成。由于所仿真的模型較復雜，且對實時性要求高，主處理器板選用了主頻高達3.0 GHz的DS1006；為滿足BCU眾多的對外接口需求，并使該平臺對未來項目具有足夠的接口擴展能力，選用DS2202標準 HIL I／O板、DS4004數字I／O板、DS2003 A／D板和DS2103 D／A板。另外，為滿足d SPACE與人機界面計算機之間數據通信需求，選用了DS814和DS817數據通信板卡。

本方案設計了信號調理板，對BCU與d SPACE組件I／O之間交互的信號進行調理和隔離處理，以解決信號輸入輸出信號不匹配問題。通過d SPACE可設置仿真機柜中程控電源的供電電壓值和過流限值，保護仿真機柜內部電路安全。

2.2 軟件需求

根據以上討論，選用A MESi m多物理場仿真軟件建立空氣制動控制單元、防滑閥及基礎制動裝置模型；選用VI－Rail仿真軟件建立車輪和軌道之間接觸關系模型；采用 Matlab／Si mulink將上述模型進行集成；Matlab／RT W（Real－Ti me Workshop）和 RTI（Real－Ti me Interface）作為代碼生成工具，將實時模型生成C代碼；利用GNU C編譯器可將生成的代碼編譯成DS1006可執行的目標程序；Contr ol Desk、MLIB和MTRACE組成了試驗應用軟件，可完成對實時硬件的可視化管理、變量和參數的可視化管理、虛擬儀表、自動測試等功能，大大增強了d SPACE實時系統的試驗管理能力。軟件需求方案見圖3所示。

圖3 軟件構成

3 平臺軟件搭建

3.1 氣路及機械模型

（1）實時仿真方法

A MESi m作為一種圖形化、模塊化的多物理場仿真軟件，在單一的平臺上可實現控制、機械、氣動、熱、電機、電磁等多學科工程系統建模，提供了豐富的標準元件參數化模塊，并通過元件模塊間的拓撲連接關系，以一定的算法建立整個系統詳細模型。A MESi m的模型既可用于離線仿真，又可用于實時仿真。但是根據以往仿真經驗，由于被控對象為十分龐大的物理結構，離線模型自身運算時間長，無法在控制器內進行實時運算。為解決該問題，需要對離線模型進行簡化處理。

（2）建模過程

CRH2型動車組氣路控制單元主要由氣動調壓閥類與連接管路組成，集成了流體、電磁、控制等物理場，本文充分利用A MESi m仿真軟件的特點，結合d SPACE實時仿真系統優勢，建立了氣路控制單元被控對象模型。為了保證被控對象模型結果的準確性，根據單閥部件的物理結構及工作原理，先建立了單閥及氣路系統離線詳細模型，對仿真結果進行驗證對比后，再將單閥及氣路系統離線模型簡化為可用于實時計算的模型，簡化后的模型再經驗證對比后，最終形成可被Matlab／Si mulink直接調用的S－Function。圖4為單車氣路控制單元及基礎制動裝置控制實時仿真模型。該模型中EP電流值、緊急制動信號、B11調壓閥高低壓切換信號、防滑閥動作信號作為模型輸入信息；各軸制動力矩、常用制動先導壓力、制動BC壓力、防滑閥后端壓力等作為模型的輸出參數。

圖4 單車氣路控制單元實時仿真

3.2 輪軌模型

（1）輪軌關系建模

為了能準確的描述輪軌關系，得到列車在不同制動力下的速度，采用了國際軌道行業廣泛使用的VI－Rail工具進行輪軌關系模擬。VI－Rail是用于鐵道車輛系統虛擬樣機建模與仿真的專業化環境子系統建模環境，直觀、快捷，可重復，并可將復雜問題靈活分解。圖5為VI－Rail建立的轉向架及單節車輛仿真模型。

使用VI－Rail可以準確地建立完整的列車、輪軌多體動力學模型，其所建模型為完整的參數化模型，各重要子系統或關系的定義非常方便，車輛動態性能均可快速仿真得到，如車輛的穩定性、脫軌安全系統、輪軌接觸力、制動距離、摩擦特性、乘坐舒適度等，系統中的輪軌模型主要針對輪軌動力學接觸（蠕滑力、蠕滑率）、輪軌力分析（輪軌對車輪單獨施力）、制動距離計算等方面進行了仿真計算，并結合Matlab／Simulink及AMESim等實現了與VI－Rail所建車輛的動力學控制一體化分析，構建出完整、精確的輪軌特性，實現準確的虛擬仿真分析與優化。

（2）建模過程

利用 VI－Rail結合 Matlab／Si mulink，建立輪軌關系模型的方法如圖6所示，具體可分為以下幾個過程：

①利用VI－Rail建立單節車輛輪軌多體動力學軟件模型，進行初步仿真和運算，得出蠕滑力、蠕滑率隨車輛速度變化的特性數據；

圖5 轉向架及單節車輛仿真模型

圖6 輪軌模型建立方法

②在Matlab／Si mulink中建立支持實時仿真速度要求的車輛輪軌動力學軟件模型，并得到單節車輛在平直干燥軌道制動工況下的制動特性仿真分析數據，并與實際試驗數據比對，得到正確制動特性；

③將模型封裝成S－Function，供平臺集成時調用。

該模型中，各軸制動力矩作為模型的輸入條件，各軸速度和車輛制動距離作為模型的輸出參數。

3.3 三維視景

本文采用Unity3D圖像引擎開發工具建立列車、軌道和運行環境的三維圖像。視景系統通過CAN總線實時接收d SPACE系統運行參數（速度，車輪角速度，制動距離等），并動態生成列車運行圖像狀態信息。通過鍵盤按鍵可觸發三維圖像在跟隨視角、座艙視角和輪軌局部視角之間切換（圖7）。

圖7 三維視景效果圖

3.4 平臺集成

該階段將A MESi m生成的氣路及機械實時SFunction和封裝后的實時輪軌模型S－Function集成在Matlab／Si mulink中，形成圖8所示的模型；設計d SPACE與視景計算機之間CAN通信協議；通過RTI建立d SPACE實時模型與BCU、視景計算機通信接口、程控電源等輸入輸出信號交互關系，如圖9所示。

圖8 集成后的仿真模型

圖9 RTI接口設計（局部）

4 平臺應用

本文以CRH380 AL制動系統為例，利用上述方法建立被控對象實時仿真模型，選擇基于該型制動系統用于裝車運營的制動控制器BCU作為仿真測試對象，采用Contr ol Desk建立如圖10所示的平臺測控界面，進行定員載重條件下快速純空氣制動距離仿真驗證。仿真結果與在徐州東—蚌埠南線路的制動試驗數據進行對比，對比結果見表1所示

表1 快速純空氣制動距離對比

圖10 測控界面

5 結束語

該硬件在環仿真測試平臺全面考慮了制動控制器BCU試驗驗證工作的系統性，解決了傳統試驗方案無法模擬全部試驗環境的局限性，并使得試驗結果易于直觀觀測。仿真結果表明，平臺模擬的被控對象和環境模型接近真實情況。該平臺為制動系統的控制器新產品開發、產品改進和升級提供了快速、有效的測試驗證手段。

［1］王月明.動車組制動技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［2］張 為，王偉達，丁能根，等.基于d SPACE的ASR硬件在環仿真平臺開發及ECU性能試驗［J］.汽車技術，2009，（10）：4－8.

［3］基于d SPACE的通用控制器系統開發驗證平臺［J］.測控技術，2008，27（2）：91－94.