專利名稱：一種用于仿真列車牽引系統運行工況的系統和方法
技術領域：
本發明涉及列車牽引系統運行工況模擬的控制技術領域，尤其涉及一種用于仿真 列車牽引系統運行工況的系統和方法。
背景技術：
列車電力牽引系統地面試驗臺一般由電源供電子系統和模擬負載子系統兩部分 組成，統稱為陪試系統。在傳統的設計中，電源子系統和模擬負載子系統均由人工控制，控 制的動態響應速度和精度都難以達到理想效果；在模擬負載子系統方面，陪試系統和被試 列車牽引系統的控制相對獨立，兩者之間的協調控制由人工手動調節完成，致使被試列車 牽引系統僅能運行于某一個靜態工作點，而無法進行與實際線路運行相同的動態運行工況 試驗；另外，這樣的試驗系統中，由于無法提供與實際列車上相同的外圍環境，安裝了實際 裝車程序的被試列車牽引系統脫離了這些環境后無法正常運行，因此被試列車牽引系統在 試驗時一般安裝的僅是專門用于試驗的試驗版本軟件，該軟件有別于實際裝車運行版本軟 件，這也使得牽引系統的運行狀況與牽引系統實際運行時的運行狀況仍有區別，也就無法 獲知牽引系統的實際運行性能。

發明內容
本發明的目的在于提供一種用于仿真列車牽引系統運行工況的系統和方法，其能 夠模擬出牽引系統的與實際線路運行相同的動態運行工況，從而可使得列車牽引系統的實 際運行性能真實地反映出來。為實現上述目的，本發明提供了一種用于仿真列車牽引系統運行工況的系統包括 線路阻力模擬子系統和綜合控制子系統，其中所述綜合控制子系統包括用于獲取列車當前時刻的運行速度以及計算出列車下 一設定時刻的期望運行速度，并將所述當前時刻的運行速度以及下一設定時刻的期望運行 速度傳送給所述線路阻力模擬子系統的系統協調控制模塊；所述線路阻力模擬子系統為用于根據所述當前時刻的運行速度以及下一設定時 刻的期望運行速度向被試列車牽引系統輸出相應的負載阻力的線路阻力模擬子系統。可選地，在本發明中，所述系統協調控制模塊計算出列車下一設定時刻的期望運 行速度，具體為根據獲取的列車當前時刻的運行速度計算出列車以該時刻的運行速度運 行時的空氣阻力，以及根據以下之一或任意組合的因素計算附加阻力坡道因素、曲線因素 和隧道因素，從而計算出列車在該時刻運行的總阻力；根據列車牽引力、列車質量、列車回 轉質量常數、所述列車在該時刻運行的總阻力以及所述列車當前時刻的運行速度計算出列 車下一設定時刻的期望速度。可選地，在本發明中，所述坡道因素、曲線因素和隧道因素分別是列車自本次試驗 運行開始至該時刻運行的總里程的函數。可選地，在本發明中，所述綜合控制子系統還包括用于模擬列車正常運行情況下的列車環境并提供給被試列車牽引系統的外圍環境模擬模塊。可選地，在本發明中，所述用于仿真列車牽引系統運行工況的系統還包括用于接 收所述綜合控制子系統的控制信號并根據該控制信號向被試牽引系統輸出與實際線路工 況相同的電網環境的電源子系統。可選地，在本發明中，所述電源子系統包括以下之一或任意組合網壓中斷模擬模 塊、網壓波動模擬模塊、網壓突變模塊。可選地，在本發明中，所述網壓中斷模擬用于實現網壓瞬時中斷模擬和/或列車 過分相模擬，其包括相并聯的兩個斷路器，工作時一個斷路器閉合另一個斷路器斷開。本發明還提供了一種用于仿真列車牽引系統運行工況的方法，該方法包括綜合控制子系統獲取列車當前時刻的運行速度以及計算出列車下一設定時刻的 期望運行速度，并將所述當前時刻的運行速度以及下一設定時刻的期望運行速度傳送給線 路阻力模擬子系統；所述線路阻力模擬子系統根據所述當前時刻的運行速度以及下一設定時刻的期 望運行速度計算出相應的負載阻力并輸出給被試列車牽引系統。可選地，本發明的用于仿真列車牽引系統運行工況的方法中，所述綜合控制子系 統計算出列車下一設定時刻的期望運行速度，具體為根據獲取的列車當前時刻的運行速度計算出列車以該時刻的運行速度運行時的 空氣阻力，以及根據以下之一或任意組合的因素計算出附加阻力坡道因素、曲線因素和隧 道因素，從而計算出列車在該時刻運行的總阻力；根據列車牽引力、列車質量、列車回轉質量常數、所述列車在該時刻運行的總阻力 以及所述列車當前時刻的運行速度計算出列車下一設定時刻的期望速度。所述坡道因素、曲線因素和隧道因素分別是列車自本次試驗運行開始至該時刻運 行的總里程的函數。可選地，本發明的用于仿真列車牽引系統運行工況的方法中，所述綜合控制子系 統在獲取列車當前時刻的運行速度之前，還包括模擬列車正常運行情況下的列車環境并 提供給被試列車牽引系統，以使得被試列車牽引系統能夠正常運行。可選地，本發明的方法還包括電源子系統接收所述綜合控制子系統發送的控制信 號并根據該控制信號向被試牽引系統輸出與實際線路工況相同的電網環境，其中，具體包 括所述電源子系統的網壓中斷模擬模塊接收所述綜合控制子系統傳送的網壓瞬時中斷模 擬信號并根據該網壓瞬時中斷模擬信號使被試列車牽引系統得電或斷電，以控制被試列車 牽引系統的網壓中斷時間，或者所述電源子系統的網壓波動模擬模塊接收所述綜合控制子 系統發送的網壓波動模擬信號并根據該網壓波動模擬信號向被試列車牽引系統輸出一定 變化范圍的電壓；或者所述電源子系統的網壓突變模塊接收所述綜合控制子系統發送的網 壓突變模擬信號并根據該網壓突變模擬信號實現網壓的正向突變和負向突變。本發明中，綜合控制子系統獲取并根據列車當前時刻的線路運行情況估計列車下 一設定時刻的運行速度，使得線路阻力模擬子系統可以根據列車當前時刻的運行速度和下 一設定時刻的運行速度動態調節出與實際線路運行工況對應的負載阻力并輸出給被試牽 引系統，從而使得被試列車牽引系統運行于與實際線路運行工況相同的狀態下，因此，相對 于傳統的試驗裝置和方法，本發明的用于仿真列車牽引系統運行工況的系統和方法能夠提供更真實的線路運行工況模擬環境。


圖1是本發明的用于仿真列車牽引系統運行工況的系統的一實施方式的結構圖；圖2是本發明的用于仿真列車牽引系統運行工況的系統的另一實施方式的結構 圖；圖3是本發明的用于仿真列車牽引系統運行工況的系統的工作原理示意圖；圖4是本發明的線路負載模擬算法結構的示意圖；圖5是本發明的網壓中斷模塊的一實施例的結構示意圖；圖6是圖5的網壓中斷模塊的控制邏輯圖；圖7是本發明的網壓突變模塊的一實施例的結構示意圖；圖8是本發明的用于仿真列車牽引系統運行工況的方法的一實施方式的流程示 意圖。
具體實施例方式下面結合說明書附圖對本發明的具體實施方式
以及系統結構進行具體說明。圖1是本發明的用于仿真列車牽引系統運行工況的系統的一實施方式的結構圖。 如圖1所示，本發明的用于仿真列車牽引系統運行工況的系統包括綜合控制子系統10和線 路阻力模擬子系統20，其中綜合控制子系統10包括用于獲取列車當前時刻的運行速度以及計算出列車下一 設定時刻的期望運行速度，并將所述當前時刻的運行速度以及下一設定時刻的期望運行速 度傳送給所述線路阻力模擬子系統20的系統協調控制模塊101 ；線路阻力模擬子系統20為用于根據所述當前時刻的運行速度以及下一設定時刻 的期望運行速度向被試列車牽引系統輸出相應的負載阻力的線路阻力模擬子系統。圖3是本發明的用于仿真列車牽引系統運行工況的系統的工作原理示意圖。圖4 是本發明的線路負載模擬算法結構的示意圖。參考圖3和圖4，被試牽引系統在實際線路上 工作時，我們可以將它作為一個整體，其從電網吸收電能，經處理后將其轉化為機械能在電 機軸端輸出(列車牽引狀態)；或將電機的機械能處理后轉化為電能輸出至電網(列車再 生制動狀態)；由此可見被試牽引系統在實際工作時與外界的主要接口即是電網側電能輸 入(或輸出)和電機側的機械能輸出(或輸入)。因此對于整個仿真系統來說，可將被試仿 真系統作為一個“黑匣子”，通過在其電源側和電機側模擬出與實際線路工況相同的電網環 境和電機的阻力環境，即可使被試牽引系統工作于實際工作運行狀態。結合圖3的工作原理圖以及圖4的線路負載模擬算法結構的示意圖，本發明的系 統需要通過兩個步驟來完成線路阻力的實時模擬一是由綜合控制子系統10根據線路條 件文件、當前時刻、的列車運行速度、列車重量等輸入信息實時計算列車的運行阻力，然后 再根據當前被試牽引系統的X牽引力F，計算出列車當前時刻、的加速度a，由此可以計算 出下一時刻、的期望運行速度V1 ；二是線路阻力模擬子系統20運行于速度閉環控制模式， 即通過綜合控制子系統10計算出的期望運行速度V1作為其給定輸入，使線路阻力模擬子 系統20根據給定的速度調節出相應的負載阻力并輸出給被試牽引系統以克服被試牽引系統的牽引力，使得被試牽引系統運行于給定的速度下。由此被試牽引系統則在一定的牽引 力下，運行于與實際線路相同的工況，從而實現了線路阻力負載模型的功能。本發明實施例 中，線路條件文件是指從試驗運行開始(也即零公里起始點出發)，記錄的不同公里里程時 線路條件的文件。圖2是本發明的用于仿真列車牽引系統運行工況的系統的另一實施方式的結構 圖。如圖2所示，該系統包括綜合控制子系統10、線路阻力模擬子系統20和電源子系統30， 其中，線路阻力模擬子系統20與圖1中的線路阻力模擬子系統所起的作用相同，屬于陪試 系統中的一部分。結合圖3，具體地，線路阻力模擬子系統可由“變流器+牽引電機”機組構成，變流 器主要用于將單相工頻電源變換成控制陪試牽引電機所需要的變壓變頻電源，使陪試牽引 電機輸出可控的與被試牽引系統電機轉矩方向相反的機械轉矩，以此模擬實際線路阻力的 變化。整個線路阻力模擬子系統如何動作、何時動作均由綜合控制子系統控制。本實施方式中，綜合控制子系統10包括系統協調控制模塊101和外圍環境模擬模 塊 102。系統協調控制模塊101用于獲取列車當前時刻的運行速度以及計算出列車下一 設定時刻的期望運行速度，并將所述當前時刻的運行速度以及下一設定時刻的期望運行速 度傳送給線路阻力模擬子系統20，并且用于傳送控制信號給電源子系統30。由于在實際線路運行時，被試牽引系統還會通過一些外圍傳感器監測系統的運行 狀態，如環境溫度，冷卻系統溫度，冷卻水循環壓力等，因此為使系統能夠正常運行，本發明 的系統另外一項任務就是還需要模擬出這些必須的外圍輔助環境。本發明的外圍環境模擬模塊102用于模擬列車正常運行情況下的列車環境并提 供給被試列車牽引系統。外圍環境模擬模塊102可由一個可編程邏輯控制器(PLC)、若干模 擬輸入輸出端口和數字輸入輸出端口組成，其中，這些輸入輸出端口與被試牽引系統的相 關電氣接口連接，以便外圍環境模擬模塊102提供保證被試牽引系統正常運行的車上模擬 環境，例如環境溫度、冷卻系統溫度、主斷路器狀態及其控制信號等。而且外圍環境模擬模 塊102的輸入輸出端口可根據需要進行擴展。下面詳細介紹本實施方式中系統協調控制模塊101是如何實時計算列車運行阻 力的。因為列車在線路運行時其運行阻力由多種因素造成，因此實際運行阻力除了列車 運行時的空氣阻力外，還可能包括坡道因素、曲線因素和隧道因素，這三個因數都分別是列 車運行里程S的函數，而列車運行里程我們可以通過測量電機轉動的圈數來計算獲得，這 可以用速度傳感器實現。列車的總運行阻力可以用以下公式表示F1 = fi (V) +f2 [Wi (S)，Wr (S)，W1 (S)]S = s(n，t，R，G)其中，F1為列車運行的總的等效阻力；函數&為平直道時列車運行的空氣阻力，其 通常為列車速度ν的二次方程；函數f2為根據線路文件計算的坡道化、曲線fe和隧道W1等 因素附加阻力；S為計算的列車運行里程；η為電機轉速；t為運行的時間，R為列車的等效 輪徑，G為齒輪箱傳動比。對于線路阻力模擬子系統給定速度的計算，通過以下算法推倒得出
權利要求
1.一種用于仿真列車牽引系統運行工況的系統，包括線路阻力模擬子系統和綜合控制 子系統，其中所述綜合控制子系統包括用于獲取列車當前時刻的運行速度以及計算出列車下一設 定時刻的期望運行速度，并將所述當前時刻的運行速度以及下一設定時刻的期望運行速度 傳送給所述線路阻力模擬子系統的系統協調控制模塊；所述線路阻力模擬子系統為用于根據所述當前時刻的運行速度以及下一設定時刻的 期望運行速度向被試列車牽引系統輸出相應的負載阻力的線路阻力模擬子系統。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統協調控制模塊計算出列車下一 設定時刻的期望運行速度，具體為根據獲取的列車當前時刻的運行速度計算出列車以該時刻的運行速度運行時的空氣 阻力，以及根據以下之一或任意組合的因素計算出附加阻力坡道因素、曲線因素和隧道因 素，從而計算出列車在該時刻運行的總阻力；根據列車牽引力、列車質量、列車回轉質量常數、所述列車在該時刻運行的總阻力以及 所述列車當前時刻的運行速度計算出列車下一設定時刻的期望速度。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述坡道因素、曲線因素和隧道因素分別 是列車自本次試驗運行開始至該時刻運行的總里程的函數。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統還包括用于接收所述綜合控制 子系統的控制信號并根據該控制信號向被試牽引系統輸出與實際線路工況相同的電網環 境的電源子系統。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述電源子系統包括以下之一或任意組 合網壓中斷模擬模塊、網壓波動模擬模塊、網壓突變模塊。
6.根據權利要求5所述的系統，其特征在于，所述網壓中斷模擬模塊用于實現網壓瞬 時中斷模擬和/或列車過分相模擬，其包括相并聯的兩個斷路器，工作時一個斷路器閉合 另一個斷路器斷開。
7.根據權利要求1至6任一項所述的系統，其特征在于，所述綜合控制子系統還包括用 于模擬列車正常運行情況下的列車環境并提供給被試列車牽引系統的外圍環境模擬模塊。
8.一種用于仿真列車牽引系統運行工況的方法，該方法包括綜合控制子系統獲取列車當前時刻的運行速度以及計算出列車下一設定時刻的期望 運行速度，并將所述當前時刻的運行速度以及下一設定時刻的期望運行速度傳送給線路阻 力模擬子系統；所述線路阻力模擬子系統根據所述當前時刻的運行速度以及下一設定時刻的期望運 行速度計算出相應的負載阻力并輸出給被試列車牽引系統。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述綜合控制子系統計算出列車下一設 定時刻的期望運行速度，具體為根據獲取的列車當前時刻的運行速度計算出列車以該時刻的運行速度運行時的空氣 阻力，以及根據以下之一或任意組合的因素計算出附加阻力坡道因素、曲線因素和隧道因 素，從而計算出列車在該時刻運行的總阻力；根據列車牽引力、列車質量、列車回轉質量常數、所述列車在該時刻運行的總阻力以及 所述列車當前時刻的運行速度計算出列車下一設定時刻的期望速度。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述坡道因素、曲線因素和隧道因素分 別是列車自本次試驗運行開始至該時刻運行的總里程的函數。
11.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，該方法還包括電源子系統接收所述綜合 控制子系統發送的控制信號并根據該控制信號向被試列車牽引系統輸出電網環境。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，電源子系統接收所述綜合控制子系統 發送的控制信號并根據該控制信號向被試列車牽引系統輸出電網環境，包括所述電源子系統的網壓中斷模擬模塊接收所述綜合控制子系統發送的網壓瞬時中斷 模擬信號并根據該網壓瞬時中斷模擬信號使被試列車牽引系統得電或斷電；或所述電源子系統的網壓波動模擬模塊接收所述綜合控制子系統發送的網壓波動模擬 信號并根據該網壓波動模擬信號向被試列車牽引系統輸出一定變化范圍的電壓；或所述電源子系統的網壓突變模塊接收所述綜合控制子系統發送的網壓突變模擬信號 并根據該網壓突變模擬信號實現網壓的正向突變和負向突變。
13.根據權利要求8至12任一項所述的方法，其特征在于，所述綜合控制子系統在獲取 列車當前時刻的運行速度之前，還包括模擬列車正常運行情況下的列車環境并提供給被試列車牽引系統。
全文摘要
本發明涉及一種用于仿真列車牽引系統運行工況的系統和方法，其中，系統包括線路阻力模擬子系統和綜合控制子系統，進一步地，綜合控制子系統包括用于獲取列車當前時刻的運行速度以及計算出列車下一設定時刻的期望運行速度，并將所述當前時刻的運行速度以及下一設定時刻的期望運行速度傳送給所述線路阻力模擬子系統的系統協調控制模塊；線路阻力模擬子系統為用于根據所述當前時刻的運行速度以及下一設定時刻的期望運行速度向被試列車牽引系統輸出相應的負載阻力的線路阻力模擬子系統。采用本發明的系統和方法，可使得被試列車牽引系統運行于與實際線路運行工況相同的狀態下，因此相對于傳統的試驗裝置和方法提供了更真實的線路運行工況模擬環境。
文檔編號G01M17/08GK102062688SQ20101052635
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月1日 優先權日2010年11月1日
發明者趙震 申請人:中國鐵道科學研究院機車車輛研究所