機車控制系統(tǒng)半實物仿真測試實現(xiàn)

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摘要：機車控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性是影響機車平穩(wěn)運行過程中的關(guān)鍵因素，而試驗驗證作為檢驗機車控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部分，加大、加深對控制系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能研究是十分必要的。本文從半實物仿真技術(shù)的原理出發(fā)，利用其HIL測試方式的特點，結(jié)合半實物仿真軟、硬件平臺，詳述了機車控制系統(tǒng)半實物仿真測試的實現(xiàn)過程，為機車控制系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)提供了一種有效、實時的試驗手段。

關(guān)鍵詞：機車控制系統(tǒng)；半實物仿真；HIL測試

由于機車控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，設(shè)計和分析難度較大，為避免試驗過程中缺少對中斷延遲、執(zhí)行時間等實時數(shù)據(jù)的采集，影響控制系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的研究，在研究中采用半實物仿真的測試方法，得到較為理想的試驗結(jié)果，為縮短交流傳動系統(tǒng)研發(fā)時間、降低測試成本、提高系統(tǒng)軟硬件質(zhì)量和可靠性提供有利依據(jù)。

1半實物仿真介紹

半實物仿真的測試方法分為快速控制原型(以下簡稱RCP,RapidControlPrototyping)和硬件在回路（以下簡稱HIL,HardwareintheLoop），這兩種形式在整個半實物仿真試驗過程中相輔相成。RCP過程采用“虛擬控制器+實際被控對象”的模式；HIL過程采用的是“實際控制器+虛擬被控對象”的模式。其中，針對帶載有功率的設(shè)備主要采用HIL測試方式，因此機車控制器的半實物仿真采用HIL測試的方式。HIL測試方式是以實時處理器運行仿真模型來模擬受控對象的運行狀態(tài)，通過I/O接口與控制器實物相連接，實現(xiàn)對控制器的性能指標(biāo)、容錯能力等方面的測試。

2測試方案

（1）硬件平臺。測試過程中涉及的硬件平臺設(shè)備包括：上位機、轉(zhuǎn)換器、仿真機以及實際控制器，這些設(shè)備之間呈環(huán)形連接狀態(tài)。上位機根據(jù)輸入的指令建立與實際控制器相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并對數(shù)學(xué)模型進行編碼，生成仿真機可識別的目標(biāo)代碼。目標(biāo)代碼經(jīng)上位機的通信轉(zhuǎn)換卡、通信線纜、仿真機通信接口下載至仿真機中。同時，上位機可以利用調(diào)試軟件根據(jù)實際控制器需要的工況和功能生成與之相應(yīng)的控制信號，并將該控制信號經(jīng)上位機的通信轉(zhuǎn)換頭和通信線纜傳輸?shù)綄嶋H控制器中。仿真機運行經(jīng)由上位機而來的目標(biāo)代碼，并根據(jù)轉(zhuǎn)化器輸出的反饋信號生產(chǎn)環(huán)境模擬信號，將該環(huán)境模擬信號輸入轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化器傳導(dǎo)環(huán)境模擬信號至機車的實際控制器，控制器生成的信號再經(jīng)由此路徑以反饋輸入信號的形式傳遞給仿真機。通過斷線測試箱（以下簡稱BOB，BreakOutBox），可以在不中斷信號連接的情況下對信號進行測試；也可以斷開連接，直接從輸出端子處為實際控制器引入激勵信號或?qū)/O信號進行靜態(tài)測試，以確認(rèn)信號是否正確。BOB與實時仿真系統(tǒng)之間采用1對1的線纜連接，BOB與實際控制器之間的連接則是通過特殊的定制線纜，以滿足對不同型號控制器測試的需求。調(diào)理板卡可以將仿真機輸出的環(huán)境模擬信號進行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號傳輸?shù)紹OB，而BOB輸出的信號也需要通過調(diào)理板卡進行格式轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)椒抡鏅C。調(diào)理板卡分為信號載板和調(diào)理子板，信號載板主要提供信號路由和給調(diào)理子板供電，調(diào)理子板則是對實時仿真平臺輸入的信號進行轉(zhuǎn)化，將調(diào)理后的信號傳遞給實際控制器。一般情況下，模擬量和數(shù)字量均會做調(diào)理，而通信類信號則不經(jīng)過調(diào)理過程。實際控制器輸出的各類信號通過調(diào)理板卡調(diào)理后，傳輸給仿真機板卡。因為涉及的信號中，多為高電壓、大電流的信號，具有一定的危險性，需經(jīng)調(diào)理板卡將仿真機與實際控制器隔離，并經(jīng)調(diào)理板卡對其進行降壓減流調(diào)理。但如轉(zhuǎn)速等模擬信號，因自身頻率較高，調(diào)理板卡的信號調(diào)理硬件不對其進行隔離。（2）軟件平臺。測試所使用的軟件平臺是在具備硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上進行的，以下簡稱為HIL環(huán)境，HIL環(huán)境示意圖如下圖1所示。HIL環(huán)境主要實現(xiàn)兩個功能：半實物仿真測試和可靠性研究。半實物仿真測試：將驗證后的離線仿真模型從上位機下載到HIL仿真機中。HIL仿真機之間通過反射內(nèi)存進行高速數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)分布式仿真。仿真機設(shè)備與實際控制器之間，通過信號調(diào)理實現(xiàn)接口匹配。試驗過程中，可以通過仿真監(jiān)控軟件監(jiān)控實時試驗數(shù)據(jù)，也可通過自動化測試軟件編輯測試用例和測試序列，以實現(xiàn)自動化測試?？煽啃匝芯渴菫榱藴y試實際控制器在某些故障狀態(tài)下，也可正常工作，用以確保控制器具有良好的魯棒性?？煽啃匝芯繙y試是通過BOB來實現(xiàn)的，BOB對每個硬件通道都設(shè)置了一組開關(guān)，用以實現(xiàn)通路和斷路。在硬件管理軟件上可直接配置各開關(guān)的狀態(tài)，即可實現(xiàn)對控制器的故障注入，從而驗證控制器的魯棒性能。（3）測試實施。測試實施框架如下圖2所示。首先，根據(jù)測試需求，從服務(wù)器上下載已經(jīng)經(jīng)過Matlab離線仿真的HIL模型。將離線仿真模型進行改造，改造的過程主要分為兩個部分：模型拆分和模型端口修改。模型拆分是將HIL模型拆分為兩個部分：一個部分是模型①，運行在實時仿真機中，這部分模型對于仿真步長的要求不高，一般為ms級；另一部分是模型②，主要運行在FPGA中，這部分對仿真步長要求較高，一般是us級。兩部分模型之間是通過CPCI端口連接和交換數(shù)據(jù)的。模型①和模型②都需要進行端口修改，才能被仿真機識別。模型①的端口修改是將DA或者AD端口直接用實時仿真機提供的RTD接口替換，從而將DA或者AD端口與實際板卡相互對應(yīng)起來。模型②的修改則相對復(fù)雜，包括模型端口修改和模型定步長修改，模型端口修改與模型①的修改方式相同，是直接將外部端口用RTD端口進行替換，從而保證數(shù)據(jù)通過這些端口和實際的控制器進行交互。模型②的定步長修改主要是因為FPGA不能參與浮點型數(shù)據(jù)的運算，所以模型需要修改為定點型。模型修改完成后，將模型①通過軟件配套工具下載到實時仿真機中，將模型②通過軟件相應(yīng)工具下載到FPGA板卡中，從而將整個模型在HIL環(huán)境中運行起來。HIL環(huán)境運行起來后，相應(yīng)的IO信號可通過線束，配合信號調(diào)理模塊、BOB和實際控制器互連進行試驗驗證。半實物仿真的HIL系統(tǒng)啟動后，可調(diào)動調(diào)試界面，通過界面對參數(shù)及變量進行調(diào)整和監(jiān)控，并可根據(jù)測試需求編寫或調(diào)用測試用例，通過人工或預(yù)設(shè)判斷自動執(zhí)行的方式，對實時仿真機的運行結(jié)果進行評價，確認(rèn)執(zhí)行結(jié)果是否滿足預(yù)期要求，到此即可驗證機車控制系統(tǒng)設(shè)計動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

3結(jié)語

半實物仿真測試手段應(yīng)用于機車控制系統(tǒng)設(shè)計中，可以為機車控制系統(tǒng)提供一個接近實際工作狀態(tài)的運行環(huán)境，減少整個實際系統(tǒng)試驗測試的費用，克服離線仿真中缺少中斷延遲、執(zhí)行時間數(shù)據(jù)采集的局限性，可方便快捷地實現(xiàn)設(shè)計預(yù)期效果，有效縮短研發(fā)周期，從而創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。

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作者:賈靖 單位:中車大連機車研究所有限公司