[发明专利]机车半实物仿真装置、系统及方法

说明书

本发明公开了一种机车半实物仿真装置、系统及方法，装置包括：实时仿真单元、计算机和电气信号转换单元。计算机将模拟上层网络控制系统的控制指令转换为总线通讯协议发送至电气信号转换单元的通讯转换单元。通讯转换单元将控制指令发送至外部的实物控制器，实物控制器根据控制指令向被控对象模型输出控制信号，控制信号经电气信号转换单元发送至实时仿真单元，实时仿真单元根据控制信号计算被控对象模型状态信号输出结果，输出结果经电气信号转换单元发送至实物控制器，实物控制器将被控对象模型状态信号经通讯转换单元发回至计算机。本发明解决了现有系统仿真完整性和精度不高，无法准确进行功能验证，改造周期、效率和可执行性较低的技术问题。

技术领域

本发明涉及电气系统仿真技术，尤其是涉及一种应用于机车，特别是机车牵引系统的半实物仿真装置、系统及方法，本发明也能够应用于其他类似电气系统的半实物仿真。

背景技术

电力电子技术作为电子技术的一个重要分支，可以实现电能的变换和控制，目前已广泛应用于工业、交通、国防等国民经济的各个领域。随着国家节能减排政策的深入，电力电子技术在我国各行各业的应用将会更加的普及和广泛。由于电力电子系统是一个复杂的非线性系统，设计和分析的难度较大，因此通常需要较长的设计开发过程，并需要进行大量的实验研究。

在电力电子系统的分析和设计中，计算机仿真技术由于其良好的可重复性和安全性得到了广泛的应用。计算机仿真技术具有能够有效地减少费时费力的实验研究、节约成本开支、缩短开发周期等技术优势。而半实物仿真作为计算机仿真技术中的一种重要形式，顾名思义，就是指在仿真系统中一部分为实物，另一部分为虚拟仿真对象。半实物仿真是所有仿真技术中置信度最高的一种仿真方法。而硬件在回路又是半实物仿真的另一种方式，即控制器为实物，被控对象为虚拟对象，这种方式主要用于控制器软件、硬件设计和测试，是一种节约试验成本和缩短开发周期的优选方式。

机车牵引系统作为电力电子领域在轨道交通中的一种重要应用方式，也需要进行半实物仿真，因此就需要一套专用的机车半实物仿真系统，用以满足系统从设计之初，到试验调试，再到现场交付调试等全过程的仿真测试需求。在现有技术中，传统的半实物仿真系统一般仅仅针对牵引系统主电路进行仿真，使用真实的牵引变流器控制器(传动控制单元—DCU)，牵引系统主电路为仿真对象。

现有的机车半实物仿真系统可以分为以下两个部分：

(1)实物控制器

机车牵引系统主电路的控制器，一般称为DCU(Drive Control Unit—传动控制单元)或者TCU(Traction Control Unit—牵引控制单元)，司机可以通过机车上层控制系统(列车网络控制系统)向DCU发出控制信号，DCU的核心任务是根据司机指令完成对牵引变流器、三相交流异步电动机的实时控制和粘着控制，同时具备完整的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和轻微故障的自复位功能。

(2)被控对象模拟器

需要模拟的被控对象运行于模拟器中，并通过自带的IO板卡将计算的结果输出为电气信号。被控对象是机车牵引系统的主电路，通过建立其数学模型并编程实现，最后下载进入被控对象模拟器的CPU板卡中，即达到模拟被控对象的目的。

如附图1所示，整个仿真系统的重点是为控制器软件设计人员提供一个仿真试验验证环境，将虚拟的机车牵引系统的主电路划分为以下10个部分，分别为：用于模拟供电电源的供电电源仿真单元60、用于模拟变压器的变压器仿真单元61、用于模拟整流器仿真单元50、用于模拟LC谐振回路的LC谐振回路仿真单元65、用于模拟支撑电容的支撑电容仿真单元66、用于模拟斩波回路的斩波回路仿真单元52、用于模拟逆变器的逆变器仿真单元51、用于模拟交流电机的交流电机仿真单元53、轮轨模型54和负载模型55。