高速列车牵引传动系统综合仿真平台的分析与设计

发布时间:2013.08.27 新闻来源:反射内存-实时仿真技术网 浏览次数:

高速列车牵引传动系统综合仿真平台的分析与设计

 

冯江华,王坚,李江红

(南车株洲电力机车研究所有限公司,湖南株洲412001)

摘要:本文介绍CRH2型高速列车牵引传动系统结构和工作原理,对基于多学科协同仿真的高速列车综合仿真平台进行分析和研究。利用支持UML的RationalRose工具进行完整的系统需求分析,介绍仿真平台的组成及各部分功能,提出基于HLA-RTI和反射内存网的混合网络系统架构,并基于该平台对CRH2型高速列车进行综合仿真试验,验证仿真平台的有效性。

关键词:高速列车;仿真;HLA-RTI;反射内存网

 

高速铁路的快速发展,对高速列车的需求逐渐增大,各种不同的运行线路及其运行环境对高速列车性能提出了不同的要求,因此将不可避免地需要对现有的CRH高速列车牵引传动系统进行改进及优化设计。对于高速列车这一复杂系统,建立有效、可信的高速列车牵引传动系统综合仿真设计平台迫在眉睫,通过仿真模拟高速列车内外部运行环境,研究高速列车动力配置、性能参数的设计,进而指导高速列车牵引系统的设计和优化。仿真技术在铁路行业逐渐得到广泛应用,文献[1]提到的列车动力学建模仿真、文献[2]提到的列车控制系统建模仿真、文献1-3]进行电力机车交流传动系统半实物实时仿真及文献[4]提到的OpenTrack欧洲铁路仿真平台,都是针对列车进行的单学科仿真,并未涉及高速列车。文献[5—7]针对高速列车进行了单学科仿真。目前国内外针对高速列车牵引传动系统综合仿真的研究还未见报道。

本文针对CRH2型高速动车组,对涉及列车运动学、动力学、热力学、控制系统和三维视景等多学科协同仿真的高速列车综合仿真平台进行分析和研究,利用支持UML的RationalRose工具建立系统需求分析用例图,介绍仿真平台的组成及各部分功能,设计基于

HLA-RTI和反射内存网的混合网络系统架构,并基于该平台对CRH2型高速列车进行了综合仿真试验。1CRH2型高速列车牵引传动系统CRH2型动车组主要包括时速200~250km速度等级动车组(3L称CRH2-200型)和时速300~350km速度等级动车组(又称CRH2—300型)。本文仿真平台基于时速350km、8辆编组设计,动力配置为6M+2T,即T—M—M—M—M—M—M—T,其中两个相邻的动车为一个基本动力单元,每个动力单元具有独立的牵引传

动系统]。一个动力单元牵引传动系统主电路结构如图1所示,由网侧高压电气设备、1个牵引变压器、2个牵引变流器、8台三相交流异步牵引电动机等组成。

图1一个动力单元牵引传动系统示意图

在牵引工况时,利用受电弓从供电电网接受25kV、50Hz单相交流电,通过真空断路器连接到牵引变压器降压后,副边牵引绕组将1500V、50Hz单相交流电供给牵引变流器中的四象限脉冲整流器。在牵引变流器内部,三电平四象限脉冲整流器进行交一直变换,输出直流电能;中间直流回路由直流支撑电容和撬棒放电电路等构成,用于稳定中间直流电压;三电平逆变器进行直一交变换,将中间直流电压(26003000V)逆变成三相调频调幅交流电压,驱动三相异步牵引电动机,牵引电动机的转矩和转速通过齿轮箱传递给轮对驱动列车运行,从而将电能转换成机械能。在再生制动工况时,控制牵引逆变器使牵引电动机处于发电状态,牵引,逆变器工作于整流状态,牵引电动机发出的三相交流电被整流为直流电并对中间直流环节进行充电,使中间直流环节电压上升。脉冲整流器工作于逆变状态,中间直流回路直流电被逆变为单相交流电,该交流电通过牵引变压器、真空断路器、受电弓等高压设备反馈回电网,从而将机械能转换成电能。

2高速列车综合仿真平台分析与设计

2.1系统需求分析

高速列车是一个复杂的大系统,针对这一复杂系统如何准确完整的表达综合仿真平台系统需求至关重要。需求分析是进行系统设计之前的关键活动,需要明确从外围系统的角度要求综合仿真平台提供什么样的功能。在本文中,高速列车综合仿真平台定位为高速列车牵引传动系统设计开发平台,作为技术开发工具贯穿高速列车设计全过程,满足高速列车设计、验证和演示的需要。因此,本综合仿真平台的系统需求如下:

(1)高速列车内外部运行环境仿真。仿真高速列车运行及运行过程中牵引传动系统、列车网络系统等列车内部特性,模拟牵引供电网、线路条件和轮轨关系等外部运行环境。

(2)高速列车整体性能参数及牵引传动系统各部件优化设计。作为开发设计平台,综合仿真平台应为牵引传动系统产品开发提供前期仿真、中期试验、后期测试优化的功能,因此本综合仿真平台应具有纯数字/半实物/实物互换的多种系统仿真运行模式,在不同设计阶段或针对不同部件设计采用不同的仿真模式,具有优化系统设计的功能。

(3)高速列车模拟驾驶。实现司机操作列车或列车自动驾驶等运行过程的仿真,通过三维视景直观表现列车运行过程以及内外部运行环境变化对列车运行过程的影响,体现高速列车综合运行仿真效果。

(4)系统具有良好的可扩展性和兼容性,并具备良好的人机交互接口。根据上述分析,利用RationalRose工具建立的系统用例图如图2所示,系统的参与者包括系统仿真人员和系统分析与设计人员,两者是与综合仿真平台进行交互的角色。

图2系统用例图

系统仿真人员负责设置系统参数,包括高速列车内部各部件参数设置、仿真模式设置及高速列车运行线路的选择等;同时负责综合仿真平台的维护及扩展,包括系统各种硬软件接口的扩展及整个系统运行的维护;负责操作整个综合仿真平台的运行,实现高速列车模拟驾驶,并监视高速列车各部件的运行状况,保存运行结果数据。系统分析与设计人员针对不同线路及可能配备的牵引传动系统,可以进行高速列车运动学仿真,根据运行结果进行动力配置及整体参数设计;同时,系统分析与设计人员需根据高速列车牵引传动系统各部件在运行过程中的机械特性、电气特性和温升特性及其相互影响的仿真结果,为分析与设计高速列车牵引传动系统提供依据;此外,系统分析与设计人员可根据综合仿真平台提供的高速列车运行过程牵引传动系统的数据,对其进行优化设计,以改进与完善现有的系统。

2.2系统结构设计

根据以上的系统需求分析,对综合仿真平台进行系统方案设计,综合仿真设计平台总体结构如图3所示。

图3高速列车综合仿真平台总体结构示意图

 

如图3所示,综合仿真平台由总体控制台、列车运行控制仿真、牵引供电与受电仿真、列车网络系统仿真、牵引传动系统仿真、司机控制台、三维视景等部分组成,而且可根据不同需要实现有司机驾驶/无司机自动驾驶、带列车网络系统/不带列车网络系统、纯数字/半实物/实物互换的多种系统仿真运行模式,下面分别介绍各部分功能。

(1)总体控制台。采用PC机进行纯数字仿真,实现综合仿真系统的总体控制及数据库支持。负责整个综合仿真平台的信息同步处理、系统完整性检测和运行状态显示;负责综合仿真平台及各子系统参数设置、运行线路及运行模式选择,并形成具体的指令控制相应的子系统。

(2)列车运行控制仿真。采用PC机进行纯数字仿真,用于模拟司机操纵实现自动驾驶并进行运动学、轮轨动力学计算实现运行仿真。根据线路条件等外部信息进行运动学计算,实时得到列车运行速度、加速度、运行公里标等信息并实现自动驾驶;根据牵引传动系统牵引电机转矩、黏着特性等信息进行轮轨动力学计算;可以独立自闭环离线运行进行运动学仿真计算,实现对高速列车整个牵引电气系统方案性能的快速验证。

(3)牵引供电与受电仿真。采用实物供电系统或采用实时仿真器进行纯数字仿真,当综合仿真平台中牵引传动系统采用地面试验系统中的实物牵引系统时,此部分也由地面试验系统中的供电系统代替。此部分在仿真平台运行过程中实时模拟运行线路牵引供电网、仿真运行线路弓网关系,离线生成并显示运行线路电磁场分布情况。

(4)列车网络系统仿真。采用实物列车网络控制器或采用PC机进行纯数字仿真,实现列车网络控制和指令、信号传递等功能。

(5)牵引传动系统仿真。采用实物牵引传动系统或采用实时仿真器进行半实物或纯数字仿真,由3个动力单元(6个动车)组成,另外考虑针对关键部件的精确仿真采用离线仿真形式,具体的仿真模式为:

①实物牵引传动系统:当将地面试验系统中的实物牵引传动系统接入综合仿真平台运行时,由列车运行控制仿真输出列车等效负载力给陪试牵引系统来模拟线路阻力,并由列车运行控制仿真输出给定牵引制动力给被试牵引系统来模拟整条给定线路列车运行过程,从而给实物牵引系统提供最接近真实线路运行过程的考核环境。

②半实物实时仿真形式:根据传动控制器和受控对象的存在方式又分为两种半实物仿真形式,一个动车的牵引传动系统仿真示意图如图4和图5所示。

图4实物传动控制器+虚拟受控对象半实物仿真示意图

图5虚拟传动控制器+实物受控对象半实物仿真示意图③纯数字实时仿真形式:牵引传动系统的控制器和受控对象都采用纯数字仿真,一个动车牵引传动系统仿真示意图如图6所示。

图6纯数字仿真形式示意图

④关键部件离线仿真形式:在高速列车综合仿真平台实时仿真过程中,为满足大系统实时性要求,对于牵引变流器等被控对象模型必须适当简化处理。但针对各部件设计,有必要对各部件单独进行更精确的仿真,以此完成牵引传动各部件的特性分析与设计优化。因此,本文考虑了建立牵引变压器、牵引变流器和牵引电机的离线仿真平台,将系统综合仿真平台中的电压电流等结果保存下来,以文件的方式输入给关键部件离线仿真,实现关键部件精确仿真。

 

(6)司机控制台。采用实物司机控制台或采用PC机进行纯数字仿真,用于模拟驾驶,产生司机操作指令,同时显示列车信息。

(7)三维视景。采用PC机进行纯数字仿真,在仿真平台运行过程中以动画方式模拟列车运行过程。能模拟雨、雪、昼、夜等不同天气现象,模拟碰撞、跳弓等突发事件,模拟列车运行过程中各种声音,并能从车内及车外多视角显示运行场景,从而更逼真的仿真现实中的列车运行状况,为系统效能评估提供直观依据。

2.3混合网络结构设计

由2.2节可知,综合仿真平台结构复杂,涉及多学科和多种仿真软件,并且各部分实时性要求不尽相同,如何让各部分协调统一工作是实现综合仿真的关键所在,而HLA(HighLevelArchitecture)仿真技术正是针对复杂大系统仿真的最佳解决方法。对于本文提出的人在回路或实物系统在回路的仿真系统,HIA在实时性方面有所欠缺,采用反射内存

网可以有效的弥补其不足。本综合仿真平台各部分根据其应用特点有不同的实时性要求,对于牵引系统传动控制仿真的实时性要求最高,为微秒级;其次为列车运行控制仿真等部分,为几毫秒级;再次为总体控制台等部分,为几十毫秒级;实时性最低的为牵引变压器等部件实时热仿真,为秒级。在综合仿真平台设计中,实时性要求最高的部分由实时仿真器和硬连线保证,实时性要求几毫秒的部分采用反射内存网实现,其余数据交互采用HIA实现,如何让这多种网络有机的结合起来,同样是本文要解决的一个关键问题。因为本综合仿真平台存在纯数字/半实物/实物互换多种仿真模式,图7以纯数字仿真模式为例说明基于混合网络结构的综合仿真平台系统架构设计,其余仿真模式的系统架构类似。如图7所示,针对综合仿真平台各部分具体功能开发相应的硬软件RTI接口,各组成部分依托通用仿真平台HLA—RTI和各专业仿真平台,参与大耦合系统的联合仿真。其中牵引传动系统仿真、牵引供电与受电仿真和列车运行控制仿真中对实时性要求高的数据通过反射内存网互传,对实时性要求较低的数据和其余部分数据一起,通过HLA—RTI实现数据的交互。另外根据本系统的特性制定合理的时间管理策略,实现整个系统仿真时间的协调推进。

3综合仿真试验

采用图7所示混合网络结构的综合仿真平台已初步完成纯数字仿真模式的构建,基于该平台,对CRH2型高速列车进行了综合仿真试验,部分仿真结果如图8~图10所示。

图7基于混合网络结构的综合仿真平台系统架构

图8纯数字仿真司机操作台主界面

图8为纯数字仿真司机操作台的主界面,基于研华的触摸屏、利用LABVIEW软件开发,主要模拟了司机台的操作手柄和按钮。通过触摸屏可以很方便模拟司机操作,比如操作牵引手柄、闭合断路器等动作发出的司机操作指令通过邦元接口及HLA主干网经列车网络仿真子系统传递到牵引传动仿真子系统牵引传动系统相应仿真结果如图9所示。牵引传动纯数字实时仿真系统基于dSPACE实时仿真器,利用MATLAB软件建立了牵引传动控制器模型以及被控对象模型。牵引传动控制器模型接收到司机操作台的指令后发出控制脉冲等指令给被控对象模型,被控对象模型如牵引电机则开始动作,图9为牵引变流器以及牵引电机相应的仿真结果,从上至下依次为牵引电机电磁转矩波形、牵引变流器中间电压波形、牵引变压器二次侧电压及电流波形、牵引电机三相电流波形,右下角为牵引电机定子磁链轨迹。通过图9可以清楚地了解在目前司机操作指令下牵引传动系统的工作状态。同时,列车运行控制仿真子系统实时计算出当前列车运行的位置以及速度,通过HLA传递给三维视景子系统,三维视景子系统实时绘制出司机室或其他视角所看到的三维场景,图1O为司机室视角的三维视景仿真结果。

4结束语

本文从需求分析开始,完整地阐述了高速列车牵引传动系统综合仿真平台分析与设计过程,在初步完成纯数字模式仿真平台开发后,基于该平台进行了CRH2型高速列车的综合仿真试验,验证了平台的有效性。下一步将用牵引传动控制器、司机操作台等实物替换系统中相应的仿真模型,实现综合仿真平台的半实物仿真模式,以满足不同设计阶段的仿真需求。同时,采用当前先进仿真理念和仿真技术设计的综合仿真平台,具有良好的可扩展性和兼容性,将来可拓展应用于其他型高速列车的设计和开发,进一步提升我国高速列车的设计能力。

图9牵引传动系统纯数字实时仿真结果

图1O司机室视角三维视景仿真结果

 

 

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