机车控制系统半实物仿真测试实现

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摘要：机车控制系统的可靠性、稳定性是影响机车平稳运行过程中的关键因素，而试验验证作为检验机车控制系统设计的关键部分，加大、加深对控制系统的动态和稳态性能研究是十分必要的。本文从半实物仿真技术的原理出发，利用其HIL测试方式的特点，结合半实物仿真软、硬件平台，详述了机车控制系统半实物仿真测试的实现过程，为机车控制系统的设计研发提供了一种有效、实时的试验手段。

关键词：机车控制系统；半实物仿真；HIL测试

由于机车控制系统是一个复杂的非线性系统，设计和分析难度较大，为避免试验过程中缺少对中断延迟、执行时间等实时数据的采集，影响控制系统动态和稳态性能的研究，在研究中采用半实物仿真的测试方法，得到较为理想的试验结果，为缩短交流传动系统研发时间、降低测试成本、提高系统软硬件质量和可靠性提供有利依据。

1半实物仿真介绍

半实物仿真的测试方法分为快速控制原型(以下简称RCP,RapidControlPrototyping)和硬件在回路（以下简称HIL,HardwareintheLoop），这两种形式在整个半实物仿真试验过程中相辅相成。RCP过程采用“虚拟控制器+实际被控对象”的模式；HIL过程采用的是“实际控制器+虚拟被控对象”的模式。其中，针对带载有功率的设备主要采用HIL测试方式，因此机车控制器的半实物仿真采用HIL测试的方式。HIL测试方式是以实时处理器运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，通过I/O接口与控制器实物相连接，实现对控制器的性能指标、容错能力等方面的测试。

2测试方案

（1）硬件平台。测试过程中涉及的硬件平台设备包括：上位机、转换器、仿真机以及实际控制器，这些设备之间呈环形连接状态。上位机根据输入的指令建立与实际控制器相对应的数学模型，并对数学模型进行编码，生成仿真机可识别的目标代码。目标代码经上位机的通信转换卡、通信线缆、仿真机通信接口下载至仿真机中。同时，上位机可以利用调试软件根据实际控制器需要的工况和功能生成与之相应的控制信号，并将该控制信号经上位机的通信转换头和通信线缆传输到实际控制器中。仿真机运行经由上位机而来的目标代码，并根据转化器输出的反馈信号生产环境模拟信号，将该环境模拟信号输入转换器，转化器传导环境模拟信号至机车的实际控制器，控制器生成的信号再经由此路径以反馈输入信号的形式传递给仿真机。通过断线测试箱（以下简称BOB，BreakOutBox），可以在不中断信号连接的情况下对信号进行测试；也可以断开连接，直接从输出端子处为实际控制器引入激励信号或对I/O信号进行静态测试，以确认信号是否正确。BOB与实时仿真系统之间采用1对1的线缆连接，BOB与实际控制器之间的连接则是通过特殊的定制线缆，以满足对不同型号控制器测试的需求。调理板卡可以将仿真机输出的环境模拟信号进行格式转换，转换后的信号传输到BOB，而BOB输出的信号也需要通过调理板卡进行格式转换后传输到仿真机。调理板卡分为信号载板和调理子板，信号载板主要提供信号路由和给调理子板供电，调理子板则是对实时仿真平台输入的信号进行转化，将调理后的信号传递给实际控制器。一般情况下，模拟量和数字量均会做调理，而通信类信号则不经过调理过程。实际控制器输出的各类信号通过调理板卡调理后，传输给仿真机板卡。因为涉及的信号中，多为高电压、大电流的信号，具有一定的危险性，需经调理板卡将仿真机与实际控制器隔离，并经调理板卡对其进行降压减流调理。但如转速等模拟信号，因自身频率较高，调理板卡的信号调理硬件不对其进行隔离。（2）软件平台。测试所使用的软件平台是在具备硬件设备的基础上进行的，以下简称为HIL环境，HIL环境示意图如下图1所示。HIL环境主要实现两个功能：半实物仿真测试和可靠性研究。半实物仿真测试：将验证后的离线仿真模型从上位机下载到HIL仿真机中。HIL仿真机之间通过反射内存进行高速数据交换实现分布式仿真。仿真机设备与实际控制器之间，通过信号调理实现接口匹配。试验过程中，可以通过仿真监控软件监控实时试验数据，也可通过自动化测试软件编辑测试用例和测试序列，以实现自动化测试。可靠性研究是为了测试实际控制器在某些故障状态下，也可正常工作，用以确保控制器具有良好的鲁棒性。可靠性研究测试是通过BOB来实现的，BOB对每个硬件通道都设置了一组开关，用以实现通路和断路。在硬件管理软件上可直接配置各开关的状态，即可实现对控制器的故障注入，从而验证控制器的鲁棒性能。（3）测试实施。测试实施框架如下图2所示。首先，根据测试需求，从服务器上下载已经经过Matlab离线仿真的HIL模型。将离线仿真模型进行改造，改造的过程主要分为两个部分：模型拆分和模型端口修改。模型拆分是将HIL模型拆分为两个部分：一个部分是模型①，运行在实时仿真机中，这部分模型对于仿真步长的要求不高，一般为ms级；另一部分是模型②，主要运行在FPGA中，这部分对仿真步长要求较高，一般是us级。两部分模型之间是通过CPCI端口连接和交换数据的。模型①和模型②都需要进行端口修改，才能被仿真机识别。模型①的端口修改是将DA或者AD端口直接用实时仿真机提供的RTD接口替换，从而将DA或者AD端口与实际板卡相互对应起来。模型②的修改则相对复杂，包括模型端口修改和模型定步长修改，模型端口修改与模型①的修改方式相同，是直接将外部端口用RTD端口进行替换，从而保证数据通过这些端口和实际的控制器进行交互。模型②的定步长修改主要是因为FPGA不能参与浮点型数据的运算，所以模型需要修改为定点型。模型修改完成后，将模型①通过软件配套工具下载到实时仿真机中，将模型②通过软件相应工具下载到FPGA板卡中，从而将整个模型在HIL环境中运行起来。HIL环境运行起来后，相应的IO信号可通过线束，配合信号调理模块、BOB和实际控制器互连进行试验验证。半实物仿真的HIL系统启动后，可调动调试界面，通过界面对参数及变量进行调整和监控，并可根据测试需求编写或调用测试用例，通过人工或预设判断自动执行的方式，对实时仿真机的运行结果进行评价，确认执行结果是否满足预期要求，到此即可验证机车控制系统设计动态和稳态性能。

3结语

半实物仿真测试手段应用于机车控制系统设计中，可以为机车控制系统提供一个接近实际工作状态的运行环境，减少整个实际系统试验测试的费用，克服离线仿真中缺少中断延迟、执行时间数据采集的局限性，可方便快捷地实现设计预期效果，有效缩短研发周期，从而创造更多的经济效益。

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作者:贾靖 单位:中车大连机车研究所有限公司