動車組制動控制系統半實物仿真平臺的設計與實現

朱琴躍 吳 桐 譚喜堂 劉榕雄 陶 靈

（同濟大學電子與信息工程學院，201804，上海∥第一作者，副教授）

動車組的高速運行對列車制動性能和制動效果提出了更高要求。制動控制系統作為列車制動系統中舉足輕重的關鍵部分，其性能直接關乎列車的安全運行［1］。如何設計新型制動控制系統或改進現有控制系統的諸項指標，以實現對列車進行安全、可靠和快速制動控制，在業內一直備受關注。由于制動控制系統所實現的諸項性能指標一般都需要通過真車進行實測試驗，這將耗費大量時間和經費，且得出的結果數據離散性較大［2-4］。因此，構建制動控制系統的半實物仿真平臺，在離線的環境下，通過將部分實物接入仿真回路中，模擬列車的真實運行環境，對制動控制系統的各項性能進行測試，同時驗證系統控制算法與控制邏輯的準確性和有效性將顯得十分必要。

近年來，半實物仿真技術憑借其良好的經濟性和實時性，除了在航空航天、軍事、汽車、自動化、通信等領域的廣泛應用外，目前也已逐漸被應用到列車控制領域中［5-6］。然而對于制動控制系統而言，關于其半實物仿真的研究還未見展開系統而深入的工作。為此，本文根據CRH2型動車組制動控制系統的各項性能需求，設計了相應的半實物仿真平臺的硬件和軟件系統；并通過試驗測試，驗證了所設計平臺控制功能和制動性能的有效性，以期為新型制動控制系統制動控制策略的驗證以及現有制動控制系統優化和維保提供試驗平臺，縮短系統設計周期，減少試驗和維保成本。

1 制動控制系統基本原理

制動控制系統由制動信號發生裝置、制動信號傳輸裝置和電子制動控制裝置組成。其中，電子制動控制裝置（Brake Electronic Control Unit，BECU）是制動控制系統的核心設備。列車運行時，司機通過司控臺上的手柄及按鍵發出目標減速度等制動信號，BECU通過采集來自外部設備產生的列車運行速度、制動控制命令、制動工況級位、載重信號以及氣缸壓力等信號參數后，通過運行其系統內部的制動控制程序，實現對空氣制動設備的輸出驅動控制以及與其他設備間基于多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）的信息傳輸等功能。其實現的制動功能包括電空混合制動控制、緊急制動控制、防滑控制、保持制動控制［7］。對電空混合制動而言，其制動力分配算法的核心主要包括目標制動力計算、電制動力計算和電空制動力協調分配。本文以CRH2動車組的1個列車單元（一動一拖）為研究對象，作以下分析。

1.1 目標制動力計算

假設將列車看作單質點模型，根據牛頓第二定律并考慮到列車運行阻力W［8］和轉動慣量的影響，可將制動過程中列車所需目標制動力FB表示為：

FB=（1+ γ）ma-W （1）

式中：

a——列車制動減速度，m/s2；

m——列車質量，kg；

γ——回轉質量系數。

1.2 電制動力計算

列車制動時所能提供的電制動力Fed由列車控制單元（TCU）給出，仿真時主要根據列車再生制動特性曲線通過曲線擬合法計算而得［9］。根據CRH2動車組再生制動特性曲線擬合而得的電制動力計算公式為：

式中：

v——列車運行速度，km/h。

1.3 電空制動力協調分配

電空制動力協調分配采用電制動優先控制算法，當列車發出制動指令時，優先施加動車上的電制動力。當列車制動過程中電制動力無法滿足列車所需目標制動力，或列車電制動出現故障無法施加而需補充空氣制動力時，優先以拖車空氣制動作為補充，直至拖車空氣制動力達到某一黏著力限制；如果此時制動力還不能使列車達到規定減速度，則再以動車空氣制動力作為補充。在緊急制動情況下，動車不使用電制動，動車和拖車直接施加空氣制動來承擔各自所需的制動力［9-10］。

假設拖車、動車和基本單元所需的制動力分別為Ft、Fm，動車在制動時所能提供的電制動力為Fed，實際提供的電制動力為Fedu，拖車、動車需要補充的空氣制動力分別為Fept、Fepm。下面詳細分析不同情況下動車、拖車制動力協調分配過程。

（1）當Fed≥ Ft+Fm時，

Fept=Fepm=0

Fedu=Ft+Fm

即當動車的實際電制動力可以滿足1個單元所需目標制動力時，則本單元所需全部制動力均由電制動承擔，動車和拖車都不施加空氣制動。

（2）當 Ft+Fm＞ Fed≥ Fm時，

Fepm=0

Fept=Ft-（Fed-Fm）

Fedu=Fed

即當動車的實際電制動力可以滿足動車本身制動力需求，但不能滿足拖車制動力需求時，拖車將補足一定的空氣制動力。

（3）當 Fed≤ Fm

Fepm=Fm-Fed

Fept=Ft

Fedu=Fed

即當動車的實際電制動力連自身的制動力需求都不能夠滿足時，拖車需要施加一定的空氣制動力，而動車也以空氣制動補充自身不足的制動力。

（4）當緊急制動采用純空氣制動時

Fepm=Fm

Fept=Ft

2 制動控制系統半實物仿真平臺硬件設計

為測試BECU的多種制動功能及性能指標，本半實物仿真平臺在設計時盡可能多地接入真實模塊的情況下，充分利用半實物仿真技術，給BECU提供一個接近真實的車輛運行環境，即從BECU的角度來觀察，該半實物仿真平臺與實際車輛運行環境基本沒有差別。

2.1 半實物仿真平臺總體設計結構

本平臺總體設計結構如圖1所示，由司機操控臺、電子制動控制裝置BECU、制動執行裝置和工控機4部分組成，可真實模擬列車上一動一拖2節車輛的制動工況，從接受制動指令開始，進行制動控制和輸出以及實現基礎制動裝置實施制動。其中制動執行裝置與BECU分為動車與拖車2套裝置。

在上述4大部分中，司控臺和制動執行裝置采用與真車完全相同的硬件設備和部件；工控機則模擬產生與真車要求完全一致的相關信號，并實現相應的功能；而BECU的硬件配置與真車完全一致，其軟件部分既可以采用現有列車制動控制算法，也可植入優化后的制動控制優化算法，并通過本半實物仿真平臺實現離線環境下對制動控制系統功能的仿真運行和測試。

2.2 司機操控臺

司控臺由司控器和若干命令操作按鈕2部分組成。司控器用于發出1～7級的常用制動、快速制動以及緊急制動級位信號。本系統制動級位信號使用的是PWM（脈沖寬度調制）方式，通過屏蔽雙絞線以DC 60 V電壓進行傳送，調制頻率為400 Hz，占空比為11%～80%。制動級位信號可分成常用制動、快速制動、緊急制動、運行狀態和手柄取出狀態，不同的占空比代表不同的制動級位狀態。

操作按鈕主要用于產生并輸出若干數字信號，數字信號電壓為DC 110 V，通過硬連線將信號通過工控機傳輸至BECU。

2.3 電子制動控制裝置BECU

BECU硬件部分采用與真車完全一致的配置，主要接收來自各個傳感器、制動命令按鈕以及MVB網絡等各類信號，根據所接收的信息進行制動力計算后通過調節EP（電空轉換）閥并改變制動夾鉗的壓力，實現制動目的。同時BECU還能夠實現防滑控制功能，并能夠反饋自身的故障或警告信息。對于列車來說，BECU是整車的制動控制核心。本半實物仿真平臺通過為BECU提供接近真實的運行環境，以測試其控制算法和控制邏輯的準確性，其輸入輸出信號均分別與對應信號源或信號設備相連。經梳理和統計可知，CRH2動車組BECU的數字輸入/輸出信號均有7類，主要為110 V、24 V電壓信號或PWM信號；模擬輸入/輸出信號則分別有4類和2類，均為4～20 mA電流信號。

2.4 制動執行裝置

制動執行裝置由空氣制動裝置、車輪保護防滑裝置以及基礎制動裝置組成，通過接受BECU的輸出驅動信號來實現列車的制動功能。空氣制動裝置主要包括EP閥、緊急閥、保護閥、空重車閥、中繼閥、容積室壓力開關、容積室壓力傳感器、緊急閥以及相應的測試接頭等。當滑行發生時，車輪防滑保護裝置的防滑閥在微機控制單元BECU的控制下產生排風、保壓和充風等動作，使制動缸的壓力產生相應的變化，以有效控制滑行擦傷，并最大限度利用輪軌間的黏著。基礎制動裝置采用盤形制動裝置，制動時制動氣缸充氣制動，排氣緩解，通過杠桿將制動力傳至閘瓦，配合車輪上的制動盤實施制動。

2.5 工控機

工控機采用3塊基于PCI（外設部件互連標準）總線的數據采集卡，實現各類模擬數字信號的輸入輸出功能。同時，它還接收來自司控器的制動控制指令信號與BECU的各類反饋信號，模擬產生實際運行的速度信號，并根據速度信號模擬給出電制動力信號。

圖1 半實物仿真平臺總體結構

3 制動控制系統半實物仿真軟件設計與實現

3.1 軟件設計

本平臺基于VC++6.0軟件開發環境對各功能模塊進行軟件設計，總體軟件設計結構如圖2所示。

圖2 總體軟件結構

仿真軟件根據已建立的數據庫，提供典型運行工況下動車與拖車電子制動控制裝置所需的各個信號。軟件運行時，工控機將采集到制動控制信息通過MVB模塊輸入BECU；根據設定的列車載重、初始速度、目標速度等信息，通過采集制動缸壓力等信號計算列車制動力、制動減速度和下一時刻列車速度，并根據列車再生制動特性曲線（電制動力與速度關系）計算最大可輸出電制動力，將其與電制動申請信號相比較，給出電制動力反饋信號；同時，將采集與計算得到的相關運行狀態及數據信息進行顯示，以此測試制動控制系統的各項性能。相應的總體軟件流程如圖3所示。

圖3 總體軟件流程圖

3.2 半實物仿真結果與分析

為便于對照分析，本文以CRH2型動車組為應用對象，對其處于快速制動工況下的半實物仿真運行結果進行分析。系統運行中，設定初速度為250 km/h，目標速度為50 km/h，通過電制動力、空氣制動力、動車與拖車制動缸壓力曲線變化來觀察制動控制系統性能。系統相應的運行結果分別如圖4～7所示。

圖4 再生制動力曲線

圖5 空氣制動力曲線

圖6 動車制動缸壓力曲線

圖7 拖車制動缸壓力曲線

由圖4、5所示電、空制動力曲線可知，在制動開始時，電制動力可滿足列車制動力需求，空氣制動力不施加；當運行到30 s左右時，由于電制動力已無法滿足制動力需求，因此空氣制動力緩慢施加，并通過電空制動力協調分配算法對空氣制動力進行分配，動車與拖車制動缸同時工作共同承擔相應的空氣制動力。

由圖6、7所示制動缸壓力曲線可知，動車與拖車的制動缸壓力在30 s之前保持30 kPa預留壓力，當需要提供空氣制動力時，同樣可通過電、空制動力分配算法得到所需施加的空氣制動力，并持續工作直至目標速度。

以上運行結果表明，該軟件系統能實時采集硬件設備的運行參數，準確計算列車運行速度，并給出相應電制動力和其它控制信號，使軟件與硬件有效結合，驗證了本制動控制系統半實物仿真平臺的有效性和可用性。

4 結語

本平臺系統目前已投入現場使用，可對動車組制動控制系統的性能進行測試與分析。測試結果表明，該半實物仿真平臺為制動控制系統的研發和技術改進提供了直觀、快速、準確的測試和驗證手段，同時也為動車組制動系統的維保提供了測試平臺，為動車組模擬駕駛人員的技術培訓提供了有效平臺，達到了預期的目標。

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