高速列車牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)故障仿真平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種實(shí)時(shí)故障仿真平臺(tái)，尤其涉及高速列車牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)故障仿真平臺(tái)，屬于高速列車牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真、故障注入和信號(hào)處理等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高速列車在世界范圍內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用，其關(guān)鍵系統(tǒng)的安全運(yùn)行已成為高速列車運(yùn)行于與發(fā)展的首要問題。作為關(guān)鍵系統(tǒng)之一，牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)TCS是高速列車的主要?jiǎng)恿碓?，也是高發(fā)故障的主要來源之一，直接關(guān)系到高速列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，針對(duì)TCS的故障診斷、故障預(yù)測(cè)與容錯(cuò)等安全性相關(guān)技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)是故障診斷技術(shù)研究不可或缺的手段，如無法對(duì)故障的發(fā)生及其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的影響進(jìn)行注入/模擬，將令故障診斷等相關(guān)理論的實(shí)際應(yīng)用受到極大的限制。
[0003]半實(shí)物仿真平臺(tái)是應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，它提供了一種仿真形式，SP平臺(tái)中的仿真對(duì)象存在實(shí)物與數(shù)學(xué)模型的交互仿真，因快速、高精度而被廣泛運(yùn)用到汽車、船舶、飛行器等動(dòng)力系統(tǒng)的測(cè)試與驗(yàn)證過程中。通過搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)，能夠避免在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，從而降低測(cè)試成本。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的高速列車牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)都針對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行行為進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，僅可離線、手動(dòng)簡(jiǎn)單模擬仿真某些部件內(nèi)的異常工況，且以測(cè)試牽引傳動(dòng)控制單元TCU的功能為主要目的，并不涉及對(duì)牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)/子系統(tǒng)級(jí)的故障注入與模擬，即無法對(duì)牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)的故障運(yùn)行行為進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。
[0004]因此，如何構(gòu)建實(shí)時(shí)故障注入/模擬模式下，高速列車牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái)，包括如何構(gòu)建適于高速列車牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行行為半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)，且能夠?qū)崿F(xiàn)故障注入單元FIU在半實(shí)物仿真平臺(tái)中的功能，是本發(fā)明擬解決的關(guān)鍵問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種可靠、安全、逼近真實(shí)地模擬高速列車牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行行為與故障運(yùn)行行為的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種高速列車牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)故障仿真平臺(tái)，能夠?qū)Ω咚倭熊嚑恳齻鲃?dòng)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行行為與故障運(yùn)行行為進(jìn)行仿真。所述高速列車牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)包括牽弓丨變壓器、牽引變流器(整流器、中間直流回路與逆變器)、牽引電機(jī)、傳感器、牽引傳動(dòng)控制單元TCU等部件。其特征在于，實(shí)時(shí)故障仿真平臺(tái)包括實(shí)時(shí)仿真器、故障注入單元FIU、實(shí)物牽引傳動(dòng)控制單元TCU、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控單元等4個(gè)部分；所述實(shí)時(shí)仿真器包括PC-dSPACE 與實(shí)時(shí)仿真軟件，用于牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)中各部件正常模型與故障模型的仿真，以及實(shí)時(shí)仿真監(jiān)控;所述故障注入單元FIU包括虛擬與實(shí)物兩個(gè)部分，用于在信號(hào)層面實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)中各部件各類故障的故障注入和電平轉(zhuǎn)換;所述實(shí)物牽引傳動(dòng)控制單元TCU用于實(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)解算，控制信號(hào)PWM的產(chǎn)生，以及對(duì)牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)的保護(hù)功能;所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控單元，用于實(shí)時(shí)仿真狀態(tài)監(jiān)控，以及對(duì)整個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)控制、歷史數(shù)據(jù)查看等功能。
[0008]優(yōu)選地，實(shí)時(shí)仿真器包括PC-dSPACE與實(shí)時(shí)仿真軟件，用于牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)中各部件正常模型與故障模型的仿真，以及實(shí)時(shí)仿真監(jiān)控；
[0009]具體地，PC-dSPACE中包括DS1007CHJ板、DS5203 FPGA板、DS4004數(shù)字I/O板、DS2103多通道高精度的D/A板，用于牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)中各部件正常模型與故障模型的仿真；
[0010]具體地，DS1007CPU板完成對(duì)牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求較低的部件模型實(shí)時(shí)仿真，并通過20Mb/s傳輸速率PHS高速總線與外圍接口板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、控制信號(hào)采集或系統(tǒng)狀態(tài)變量輸出，對(duì)I/O接口板提供30Mb/s傳輸速率，多至64個(gè)PHS總線中斷，2個(gè)處理器板同時(shí)進(jìn)行模型解算，通過高速光纖接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，傳輸速率>1.25Gbit/S;
[0011 ] 具體地，DS5203 FPGA板，由Xi 1 inx的Virtex-5系列FPGA構(gòu)成，它提供了6路AD，6路DA及16路數(shù)字10通道，完成對(duì)牽弓I傳動(dòng)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求高的部件模型實(shí)時(shí)仿真；
[0012]具體地，DS4004數(shù)字I/O板具有96路雙向數(shù)字I/O口，輸入電壓為TTL電平，完成PC-dSPACE I/O信號(hào)傳輸功能；
[0013]具體地，DS2103多通道高精度的D/A板，具有32路并行的D/A和14位的分辨率，其輸出電壓范圍可通過編程設(shè)定為±5V;
[0014]具體地，實(shí)時(shí)仿真軟件包括模型開發(fā)軟件RTI(Real-Time Interface，RTI)與綜合管理軟件Controldesk，用于模型開發(fā)以及對(duì)PC-dSPACE中的實(shí)時(shí)仿真進(jìn)行綜合管理監(jiān)控；
[0015]具體地，模型開發(fā)軟件RTI在Matlab/Simulink中圖形化建模方式建立I/O模型，完成對(duì)PC-dSPACE中板卡的選定，生成模型代碼，編譯下載并啟動(dòng)實(shí)時(shí)模型仿真；
[0016]具體地，綜合管理軟件Controldesk軟件用于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的綜合管理監(jiān)控。
[0017]優(yōu)選地，為了提高解算效率，將實(shí)時(shí)仿真器分成Master與Slave兩個(gè)仿真單元，每個(gè)仿真單元由一個(gè)DS1007 CPU板與DS5203 FPGA板卡構(gòu)成，板卡間僅交換電壓、電流與速度等數(shù)據(jù);MasteH方真單元用于整流器模型、中間直流回路模型與牽引變壓器模型的計(jì)算，Slave仿真單元用于逆變器和牽引電機(jī)模型的計(jì)算。
[0018]優(yōu)選地，故障注入單元FIU分為虛擬與實(shí)物兩種形式；由故障注入命令接口、故障注入控制器、信號(hào)調(diào)理模塊、輸入輸出接口、電平轉(zhuǎn)換模塊、工作負(fù)載與故障庫組成，用于在信號(hào)層面實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的各部件(實(shí)物、虛擬)各類故障的故障注入/模擬；
[0019]具體地，所述故障注入命令接口用于接收上位機(jī)的故障注入命令，同時(shí)上傳故障注入單元當(dāng)前的工作狀態(tài)；
[0020]具體地，所述工作負(fù)載與故障庫包含牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)中牽引變流器、牽引電機(jī)、傳感器和牽引控制器等部件各類故障注入/模擬基準(zhǔn)(故障注入時(shí)刻、位置、仿真時(shí)間長(zhǎng)度、故障模式)，以及各部件正常模型與故障類型等實(shí)時(shí)仿真參數(shù);所述的牽引變流器故障注入基準(zhǔn)所提供的故障類型包括，功率器件(如IGBT模塊和可控式晶閘管等)和無源元件(如電阻器和電容器等)的失效故障和電氣外特性衰退現(xiàn)象;所述的牽引電機(jī)故障注入基準(zhǔn)所提供的故障類型包括，轉(zhuǎn)子斷條故障、定子匝間短路故障、氣隙偏心故障和端環(huán)斷裂故障;所述的傳感器故障注入基準(zhǔn)所提供的故障類型包括，電壓、電流和速度傳感器的偏差、漂移、沖擊、精度下降、周期性干擾、增益、開路、短路、卡死和非線性死區(qū)等故障;所述的牽引控制器故障注入基準(zhǔn)所提供的故障類型包括，模擬信號(hào)I/O模塊、數(shù)字信號(hào)I/O模塊和存儲(chǔ)模塊的錯(cuò)誤邏輯狀態(tài)/硬損傷；
[0021]具體地，故障注入控制器根據(jù)上位機(jī)故障注入控制指令，加載工作負(fù)載與故障庫，確定故障仿真參數(shù);控制開關(guān)選擇外部故障信號(hào)h或內(nèi)部故障信號(hào)f1;若選擇內(nèi)部故障信號(hào)，則控制產(chǎn)生內(nèi)部故障信號(hào)h，生成特定故障信號(hào)f(.);控制是否疊加噪聲Ns;
[0022]具體地，信號(hào)調(diào)理模塊將生成的特定故障信號(hào)f(.)與注入點(diǎn)處的注入前正常信號(hào)X。進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，生成故障注入信號(hào)Xf;
[0023]具體地:
[0024]步驟1:根據(jù)用戶需要，將所生成的特定故障信號(hào)f(.)與注入點(diǎn)處的注入前正常信號(hào)X。進(jìn)行信號(hào)疊加或信號(hào)相乘運(yùn)算，生成中間故障注入信號(hào)為:
[0025]Xfi = Xo+f (.) (1)
[0026]或者:
[0027]Xf2 = Xo*f(.) (2)
[0028]步驟2:將正常信號(hào)X。、特定故障信號(hào)f(.)以及中間故障注入信號(hào)Xfl，Xf2，進(jìn)行邏輯運(yùn)算，選擇所需的故障注入信號(hào)X、:
[0029]X/f = sel{Xo,f(.),Xfi,Xf2} (3)
[°03°] 式中sel{}表不在XQ、f (.)、Xfi和Xf2中選擇任一所需的故障注入信號(hào)X'f作為信號(hào)調(diào)理的輸出；
[0031]步驟3:確定生成的故障注入信號(hào)X、是否需要疊加噪聲，并生成故障注入信號(hào)Xf作為最終輸出:
[0032]Xf = X7 f+(Ns) (4)
[0033]式中+(NS)表示可根據(jù)實(shí)際情況和用戶需要，選擇是否疊加噪聲信號(hào)Ns;
[0034]具體地，故障注入單