淺談機車控制系統半實物仿真測試的實現

賈靖

（中車大連機車研究所有限公司，遼寧 大連 116000）

由于機車控制系統是一個復雜的非線性系統，設計和分析難度較大，為避免試驗過程中缺少對中斷延遲、執行時間等實時數據的采集，影響控制系統動態和穩態性能的研究，在研究中采用半實物仿真的測試方法，得到較為理想的試驗結果，為縮短交流傳動系統研發時間、降低測試成本、提高系統軟硬件質量和可靠性提供有利依據。

1 半實物仿真介紹

半實物仿真的測試方法分為快速控制原型(以下簡稱RCP,Rapid Control Prototyping)和硬件在回路（以下簡稱HIL,Hardware in the Loop），這兩種形式在整個半實物仿真試驗過程中相輔相成。RCP過程采用“虛擬控制器+實際被控對象”的模式；HIL過程采用的是“實際控制器+虛擬被控對象”的模式。

其中，針對帶載有功率的設備主要采用HIL測試方式，因此機車控制器的半實物仿真采用HIL測試的方式。HIL測試方式是以實時處理器運行仿真模型來模擬受控對象的運行狀態，通過I/O接口與控制器實物相連接，實現對控制器的性能指標、容錯能力等方面的測試。

2 測試方案

（1）硬件平臺。測試過程中涉及的硬件平臺設備包括：上位機、轉換器、仿真機以及實際控制器，這些設備之間呈環形連接狀態。

上位機根據輸入的指令建立與實際控制器相對應的數學模型，并對數學模型進行編碼，生成仿真機可識別的目標代碼。目標代碼經上位機的通信轉換卡、通信線纜、仿真機通信接口下載至仿真機中。同時，上位機可以利用調試軟件根據實際控制器需要的工況和功能生成與之相應的控制信號，并將該控制信號經上位機的通信轉換頭和通信線纜傳輸到實際控制器中。

仿真機運行經由上位機而來的目標代碼，并根據轉化器輸出的反饋信號生產環境模擬信號，將該環境模擬信號輸入轉換器，轉化器傳導環境模擬信號至機車的實際控制器，控制器生成的信號再經由此路徑以反饋輸入信號的形式傳遞給仿真機。

通過斷線測試箱（以下簡稱BOB，Break Out Box），可以在不中斷信號連接的情況下對信號進行測試；也可以斷開連接，直接從輸出端子處為實際控制器引入激勵信號或對I/O信號進行靜態測試，以確認信號是否正確。BOB與實時仿真系統之間采用1對1的線纜連接，BOB與實際控制器之間的連接則是通過特殊的定制線纜，以滿足對不同型號控制器測試的需求。

調理板卡可以將仿真機輸出的環境模擬信號進行格式轉換，轉換后的信號傳輸到BOB，而BOB輸出的信號也需要通過調理板卡進行格式轉換后傳輸到仿真機。調理板卡分為信號載板和調理子板，信號載板主要提供信號路由和給調理子板供電，調理子板則是對實時仿真平臺輸入的信號進行轉化，將調理后的信號傳遞給實際控制器。一般情況下，模擬量和數字量均會做調理，而通信類信號則不經過調理過程。

實際控制器輸出的各類信號通過調理板卡調理后，傳輸給仿真機板卡。因為涉及的信號中，多為高電壓、大電流的信號，具有一定的危險性，需經調理板卡將仿真機與實際控制器隔離，并經調理板卡對其進行降壓減流調理。但如轉速等模擬信號，因自身頻率較高，調理板卡的信號調理硬件不對其進行隔離。

（2）軟件平臺。測試所使用的軟件平臺是在具備硬件設備的基礎上進行的，以下簡稱為HIL環境，HIL環境示意圖如下圖1所示。

圖1 HIL環境示意圖

HIL環境主要實現兩個功能：半實物仿真測試和可靠性研究。半實物仿真測試：將驗證后的離線仿真模型從上位機下載到HIL仿真機中。HIL仿真機之間通過反射內存進行高速數據交換實現分布式仿真。仿真機設備與實際控制器之間，通過信號調理實現接口匹配。試驗過程中，可以通過仿真監控軟件監控實時試驗數據，也可通過自動化測試軟件編輯測試用例和測試序列，以實現自動化測試。可靠性研究是為了測試實際控制器在某些故障狀態下，也可正常工作，用以確保控制器具有良好的魯棒性。可靠性研究測試是通過BOB來實現的，BOB對每個硬件通道都設置了一組開關，用以實現通路和斷路。在硬件管理軟件上可直接配置各開關的狀態，即可實現對控制器的故障注入，從而驗證控制器的魯棒性能。

（3）測試實施。測試實施框架如下圖2所示。首先，根據測試需求，從服務器上下載已經經過Matlab離線仿真的HIL模型。將離線仿真模型進行改造，改造的過程主要分為兩個部分：模型拆分和模型端口修改。

圖2 半實物仿真測試實施圖

模型拆分是將HIL模型拆分為兩個部分：一個部分是模型①，運行在實時仿真機中，這部分模型對于仿真步長的要求不高，一般為ms級；另一部分是模型②，主要運行在FPGA中，這部分對仿真步長要求較高，一般是us級。兩部分模型之間是通過CPCI端口連接和交換數據的。

模型①和模型②都需要進行端口修改，才能被仿真機識別。模型①的端口修改是將DA或者AD端口直接用實時仿真機提供的RTD接口替換，從而將DA或者AD端口與實際板卡相互對應起來。模型②的修改則相對復雜，包括模型端口修改和模型定步長修改，模型端口修改與模型①的修改方式相同，是直接將外部端口用RTD端口進行替換，從而保證數據通過這些端口和實際的控制器進行交互。模型②的定步長修改主要是因為FPGA不能參與浮點型數據的運算，所以模型需要修改為定點型。

模型修改完成后，將模型①通過軟件配套工具下載到實時仿真機中，將模型②通過軟件相應工具下載到FPGA板卡中，從而將整個模型在HIL環境中運行起來。HIL環境運行起來后，相應的IO信號可通過線束，配合信號調理模塊、BOB和實際控制器互連進行試驗驗證。半實物仿真的HIL系統啟動后，可調動調試界面，通過界面對參數及變量進行調整和監控，并可根據測試需求編寫或調用測試用例，通過人工或預設判斷自動執行的方式，對實時仿真機的運行結果進行評價，確認執行結果是否滿足預期要求，到此即可驗證機車控制系統設計動態和穩態性能。

3 結語

半實物仿真測試手段應用于機車控制系統設計中，可以為機車控制系統提供一個接近實際工作狀態的運行環境，減少整個實際系統試驗測試的費用，克服離線仿真中缺少中斷延遲、執行時間數據采集的局限性，可方便快捷地實現設計預期效果，有效縮短研發周期，從而創造更多的經濟效益。