朱琴躍 吳 桐 譚喜堂 劉榕雄 陶 靈

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，201804，上?！蔚谝蛔髡撸苯淌冢?/p>

動車組的高速運(yùn)行對列車制動性能和制動效果提出了更高要求。制動控制系統(tǒng)作為列車制動系統(tǒng)中舉足輕重的關(guān)鍵部分，其性能直接關(guān)乎列車的安全運(yùn)行［1］。如何設(shè)計(jì)新型制動控制系統(tǒng)或改進(jìn)現(xiàn)有控制系統(tǒng)的諸項(xiàng)指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對列車進(jìn)行安全、可靠和快速制動控制，在業(yè)內(nèi)一直備受關(guān)注。由于制動控制系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的諸項(xiàng)性能指標(biāo)一般都需要通過真車進(jìn)行實(shí)測試驗(yàn)，這將耗費(fèi)大量時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，且得出的結(jié)果數(shù)據(jù)離散性較大［2-4］。因此，構(gòu)建制動控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺，在離線的環(huán)境下，通過將部分實(shí)物接入仿真回路中，模擬列車的真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，對制動控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行測試，同時(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)控制算法與控制邏輯的準(zhǔn)確性和有效性將顯得十分必要。

近年來，半實(shí)物仿真技術(shù)憑借其良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)時(shí)性，除了在航空航天、軍事、汽車、自動化、通信等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用外，目前也已逐漸被應(yīng)用到列車控制領(lǐng)域中［5-6］。然而對于制動控制系統(tǒng)而言，關(guān)于其半實(shí)物仿真的研究還未見展開系統(tǒng)而深入的工作。為此，本文根據(jù)CRH2型動車組制動控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能需求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的半實(shí)物仿真平臺的硬件和軟件系統(tǒng)；并通過試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)平臺控制功能和制動性能的有效性，以期為新型制動控制系統(tǒng)制動控制策略的驗(yàn)證以及現(xiàn)有制動控制系統(tǒng)優(yōu)化和維保提供試驗(yàn)平臺，縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，減少試驗(yàn)和維保成本。

1 制動控制系統(tǒng)基本原理

制動控制系統(tǒng)由制動信號發(fā)生裝置、制動信號傳輸裝置和電子制動控制裝置組成。其中，電子制動控制裝置（Brake Electronic Control Unit，BECU）是制動控制系統(tǒng)的核心設(shè)備。列車運(yùn)行時(shí)，司機(jī)通過司控臺上的手柄及按鍵發(fā)出目標(biāo)減速度等制動信號，BECU通過采集來自外部設(shè)備產(chǎn)生的列車運(yùn)行速度、制動控制命令、制動工況級位、載重信號以及氣缸壓力等信號參數(shù)后，通過運(yùn)行其系統(tǒng)內(nèi)部的制動控制程序，實(shí)現(xiàn)對空氣制動設(shè)備的輸出驅(qū)動控制以及與其他設(shè)備間基于多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）的信息傳輸?shù)裙δ?。其?shí)現(xiàn)的制動功能包括電空混合制動控制、緊急制動控制、防滑控制、保持制動控制［7］。對電空混合制動而言，其制動力分配算法的核心主要包括目標(biāo)制動力計(jì)算、電制動力計(jì)算和電空制動力協(xié)調(diào)分配。本文以CRH2動車組的1個列車單元（一動一拖）為研究對象，作以下分析。

1.1 目標(biāo)制動力計(jì)算

假設(shè)將列車看作單質(zhì)點(diǎn)模型，根據(jù)牛頓第二定律并考慮到列車運(yùn)行阻力W［8］和轉(zhuǎn)動慣量的影響，可將制動過程中列車所需目標(biāo)制動力FB表示為：

FB=（1+ γ）ma-W （1）

式中：

a——列車制動減速度，m/s2；

m——列車質(zhì)量，kg；

γ——回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

1.2 電制動力計(jì)算

列車制動時(shí)所能提供的電制動力Fed由列車控制單元（TCU）給出，仿真時(shí)主要根據(jù)列車再生制動特性曲線通過曲線擬合法計(jì)算而得［9］。根據(jù)CRH2動車組再生制動特性曲線擬合而得的電制動力計(jì)算公式為：

式中：

v——列車運(yùn)行速度，km/h。

1.3 電空制動力協(xié)調(diào)分配

電空制動力協(xié)調(diào)分配采用電制動優(yōu)先控制算法，當(dāng)列車發(fā)出制動指令時(shí)，優(yōu)先施加動車上的電制動力。當(dāng)列車制動過程中電制動力無法滿足列車所需目標(biāo)制動力，或列車電制動出現(xiàn)故障無法施加而需補(bǔ)充空氣制動力時(shí)，優(yōu)先以拖車空氣制動作為補(bǔ)充，直至拖車空氣制動力達(dá)到某一黏著力限制；如果此時(shí)制動力還不能使列車達(dá)到規(guī)定減速度，則再以動車空氣制動力作為補(bǔ)充。在緊急制動情況下，動車不使用電制動，動車和拖車直接施加空氣制動來承擔(dān)各自所需的制動力［9-10］。

假設(shè)拖車、動車和基本單元所需的制動力分別為Ft、Fm，動車在制動時(shí)所能提供的電制動力為Fed，實(shí)際提供的電制動力為Fedu，拖車、動車需要補(bǔ)充的空氣制動力分別為Fept、Fepm。下面詳細(xì)分析不同情況下動車、拖車制動力協(xié)調(diào)分配過程。

（1）當(dāng)Fed≥ Ft+Fm時(shí)，

Fept=Fepm=0

Fedu=Ft+Fm

即當(dāng)動車的實(shí)際電制動力可以滿足1個單元所需目標(biāo)制動力時(shí)，則本單元所需全部制動力均由電制動承擔(dān)，動車和拖車都不施加空氣制動。

（2）當(dāng) Ft+Fm＞ Fed≥ Fm時(shí)，

Fepm=0

Fept=Ft-（Fed-Fm）

Fedu=Fed

即當(dāng)動車的實(shí)際電制動力可以滿足動車本身制動力需求，但不能滿足拖車制動力需求時(shí)，拖車將補(bǔ)足一定的空氣制動力。

（3）當(dāng) Fed≤ Fm

Fepm=Fm-Fed

Fept=Ft

Fedu=Fed

即當(dāng)動車的實(shí)際電制動力連自身的制動力需求都不能夠滿足時(shí)，拖車需要施加一定的空氣制動力，而動車也以空氣制動補(bǔ)充自身不足的制動力。

（4）當(dāng)緊急制動采用純空氣制動時(shí)

Fepm=Fm

Fept=Ft

2 制動控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺硬件設(shè)計(jì)

為測試BECU的多種制動功能及性能指標(biāo)，本半實(shí)物仿真平臺在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能多地接入真實(shí)模塊的情況下，充分利用半實(shí)物仿真技術(shù)，給BECU提供一個接近真實(shí)的車輛運(yùn)行環(huán)境，即從BECU的角度來觀察，該半實(shí)物仿真平臺與實(shí)際車輛運(yùn)行環(huán)境基本沒有差別。

2.1 半實(shí)物仿真平臺總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本平臺總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由司機(jī)操控臺、電子制動控制裝置BECU、制動執(zhí)行裝置和工控機(jī)4部分組成，可真實(shí)模擬列車上一動一拖2節(jié)車輛的制動工況，從接受制動指令開始，進(jìn)行制動控制和輸出以及實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)制動裝置實(shí)施制動。其中制動執(zhí)行裝置與BECU分為動車與拖車2套裝置。

在上述4大部分中，司控臺和制動執(zhí)行裝置采用與真車完全相同的硬件設(shè)備和部件；工控機(jī)則模擬產(chǎn)生與真車要求完全一致的相關(guān)信號，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能；而BECU的硬件配置與真車完全一致，其軟件部分既可以采用現(xiàn)有列車制動控制算法，也可植入優(yōu)化后的制動控制優(yōu)化算法，并通過本半實(shí)物仿真平臺實(shí)現(xiàn)離線環(huán)境下對制動控制系統(tǒng)功能的仿真運(yùn)行和測試。

2.2 司機(jī)操控臺

司控臺由司控器和若干命令操作按鈕2部分組成。司控器用于發(fā)出1～7級的常用制動、快速制動以及緊急制動級位信號。本系統(tǒng)制動級位信號使用的是PWM（脈沖寬度調(diào)制）方式，通過屏蔽雙絞線以DC 60 V電壓進(jìn)行傳送，調(diào)制頻率為400 Hz，占空比為11%～80%。制動級位信號可分成常用制動、快速制動、緊急制動、運(yùn)行狀態(tài)和手柄取出狀態(tài)，不同的占空比代表不同的制動級位狀態(tài)。

操作按鈕主要用于產(chǎn)生并輸出若干數(shù)字信號，數(shù)字信號電壓為DC 110 V，通過硬連線將信號通過工控機(jī)傳輸至BECU。

2.3 電子制動控制裝置BECU

BECU硬件部分采用與真車完全一致的配置，主要接收來自各個傳感器、制動命令按鈕以及MVB網(wǎng)絡(luò)等各類信號，根據(jù)所接收的信息進(jìn)行制動力計(jì)算后通過調(diào)節(jié)EP（電空轉(zhuǎn)換）閥并改變制動夾鉗的壓力，實(shí)現(xiàn)制動目的。同時(shí)BECU還能夠?qū)崿F(xiàn)防滑控制功能，并能夠反饋?zhàn)陨淼墓收匣蚓嫘畔?。對于列車來說，BECU是整車的制動控制核心。本半實(shí)物仿真平臺通過為BECU提供接近真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境，以測試其控制算法和控制邏輯的準(zhǔn)確性，其輸入輸出信號均分別與對應(yīng)信號源或信號設(shè)備相連。經(jīng)梳理和統(tǒng)計(jì)可知，CRH2動車組BECU的數(shù)字輸入/輸出信號均有7類，主要為110 V、24 V電壓信號或PWM信號；模擬輸入/輸出信號則分別有4類和2類，均為4～20 mA電流信號。

2.4 制動執(zhí)行裝置

制動執(zhí)行裝置由空氣制動裝置、車輪保護(hù)防滑裝置以及基礎(chǔ)制動裝置組成，通過接受BECU的輸出驅(qū)動信號來實(shí)現(xiàn)列車的制動功能?？諝庵苿友b置主要包括EP閥、緊急閥、保護(hù)閥、空重車閥、中繼閥、容積室壓力開關(guān)、容積室壓力傳感器、緊急閥以及相應(yīng)的測試接頭等。當(dāng)滑行發(fā)生時(shí)，車輪防滑保護(hù)裝置的防滑閥在微機(jī)控制單元BECU的控制下產(chǎn)生排風(fēng)、保壓和充風(fēng)等動作，使制動缸的壓力產(chǎn)生相應(yīng)的變化，以有效控制滑行擦傷，并最大限度利用輪軌間的黏著。基礎(chǔ)制動裝置采用盤形制動裝置，制動時(shí)制動氣缸充氣制動，排氣緩解，通過杠桿將制動力傳至閘瓦，配合車輪上的制動盤實(shí)施制動。

2.5 工控機(jī)

工控機(jī)采用3塊基于PCI（外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)）總線的數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)各類模擬數(shù)字信號的輸入輸出功能。同時(shí)，它還接收來自司控器的制動控制指令信號與BECU的各類反饋信號，模擬產(chǎn)生實(shí)際運(yùn)行的速度信號，并根據(jù)速度信號模擬給出電制動力信號。

圖1 半實(shí)物仿真平臺總體結(jié)構(gòu)

3 制動控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

本平臺基于VC++6.0軟件開發(fā)環(huán)境對各功能模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，總體軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體軟件結(jié)構(gòu)

仿真軟件根據(jù)已建立的數(shù)據(jù)庫，提供典型運(yùn)行工況下動車與拖車電子制動控制裝置所需的各個信號。軟件運(yùn)行時(shí)，工控機(jī)將采集到制動控制信息通過MVB模塊輸入BECU；根據(jù)設(shè)定的列車載重、初始速度、目標(biāo)速度等信息，通過采集制動缸壓力等信號計(jì)算列車制動力、制動減速度和下一時(shí)刻列車速度，并根據(jù)列車再生制動特性曲線（電制動力與速度關(guān)系）計(jì)算最大可輸出電制動力，將其與電制動申請信號相比較，給出電制動力反饋信號；同時(shí)，將采集與計(jì)算得到的相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示，以此測試制動控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。相應(yīng)的總體軟件流程如圖3所示。

圖3 總體軟件流程圖

3.2 半實(shí)物仿真結(jié)果與分析

為便于對照分析，本文以CRH2型動車組為應(yīng)用對象，對其處于快速制動工況下的半實(shí)物仿真運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析。系統(tǒng)運(yùn)行中，設(shè)定初速度為250 km/h，目標(biāo)速度為50 km/h，通過電制動力、空氣制動力、動車與拖車制動缸壓力曲線變化來觀察制動控制系統(tǒng)性能。系統(tǒng)相應(yīng)的運(yùn)行結(jié)果分別如圖4～7所示。

圖4 再生制動力曲線

圖5 空氣制動力曲線

圖6 動車制動缸壓力曲線

圖7 拖車制動缸壓力曲線

由圖4、5所示電、空制動力曲線可知，在制動開始時(shí)，電制動力可滿足列車制動力需求，空氣制動力不施加；當(dāng)運(yùn)行到30 s左右時(shí)，由于電制動力已無法滿足制動力需求，因此空氣制動力緩慢施加，并通過電空制動力協(xié)調(diào)分配算法對空氣制動力進(jìn)行分配，動車與拖車制動缸同時(shí)工作共同承擔(dān)相應(yīng)的空氣制動力。

由圖6、7所示制動缸壓力曲線可知，動車與拖車的制動缸壓力在30 s之前保持30 kPa預(yù)留壓力，當(dāng)需要提供空氣制動力時(shí)，同樣可通過電、空制動力分配算法得到所需施加的空氣制動力，并持續(xù)工作直至目標(biāo)速度。

以上運(yùn)行結(jié)果表明，該軟件系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集硬件設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算列車運(yùn)行速度，并給出相應(yīng)電制動力和其它控制信號，使軟件與硬件有效結(jié)合，驗(yàn)證了本制動控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺的有效性和可用性。

4 結(jié)語

本平臺系統(tǒng)目前已投入現(xiàn)場使用，可對動車組制動控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試與分析。測試結(jié)果表明，該半實(shí)物仿真平臺為制動控制系統(tǒng)的研發(fā)和技術(shù)改進(jìn)提供了直觀、快速、準(zhǔn)確的測試和驗(yàn)證手段，同時(shí)也為動車組制動系統(tǒng)的維保提供了測試平臺，為動車組模擬駕駛?cè)藛T的技術(shù)培訓(xùn)提供了有效平臺，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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