列车模拟运行系统的运行控制

　　0 引言
　　为了进行电力牵引系统的开发，需要建立一个能够模拟列车工况的实验系统，该实验系统由被试系统和陪试系统组成。被试系统就是要开发的电力牵引系统，主要包括牵引变流器、牵引电机。陪试系统，即列车模拟运行系统，本文主要对列车模拟运行系统的建立方法及控制模式进行研究。陪试系统为电力牵引系统提供一个模拟负载，该负载模拟的运行环境与实际列车的环境基本相同，应能模拟列车在一个预定轴重和预定线路条件下的运行情况。陪试系统在被试系统的驱动之下运动速度的变化规律以及为被试系统提供的阻力和列车的实际情况基本吻合。
　　1 列车模拟运行系统主电路的设计
　　陪试系统在被试系统的驱动下能够模拟出列车的运行速度，所以陪试系统按照速度方式进行控制，被试系统是按力矩方式进行控制的。陪试电机的功率、力矩、速度等级和被试机相对应，为了电力牵引和电气控制整个系统能够实现能量回馈，陪试系统直流侧的电压等级和被试系统是相同的。为了达到这些基本要求，构建系统如图1中列车模拟运行系统所示。
　　2 列车模拟运行系统控制电路的设计
　　陪试系统按照速度方式进行控制，其所对应的控制系统能够实时模拟列车在预定轴重、预定线路下的运行情况，并且能够把实时仿真的结果转换为控制信号进而实现对系统的实时控制，控制机组的运行速度。针对此要求，以西门子S120系列变流设备为核心，构建系统如下：
　　PC机进行实时仿真运算，由于陪试机需要模拟在被试机驱动下的速度变化情况，而影响速度的变化规律包括列车的轴重、线路情况以及驱动力矩，其中列车的轴重与线路情况是预先设定好的，驱动力矩是由实时检测的方法得到的，同时也要能够检测列车目前的运行速度，为了完成检测，PC机需要配置数据采集系统。PC机数据的实时仿真结果要能够转换成对陪试机速度的实时控制信号，为了实现这个实时控制，采用了这套系统。
　　3 列车模拟运行系统实时控制的实现
　　3.1 系统的编程方法
　　列车模拟运行系统的程序应该具有很高的运行速度才能够满足实时控制的要求，为此采用LabVIEW和C语言混合编程。LabVIEW(Laboratory virtual instrument engineeringworkbench)是由美国国家仪器(NI)公司研制开发的一种程序开发环境，使用图形化编辑语言G来编写程序。LabVIEW程序由前面板、程序框图、图标和连线板组成，可以使系统的操作界面以及对数据采集卡的操作方便，能够实现DAQ技术。若只用LabVIEW编程则运行速度比较低，难以保证系统的实时性，通过C语言可以满足较高的速度完成，所以采用混合编程的方法。
　　基于虚拟仪器技术，在NI PCI-6229数据采集卡上通过力矩转速传感器实现了对陪试机力矩、转速的采集和控制，利用LabVIEW中DAQmx软件进行了数据采集程序的设计。系统的运行程序由C语言来编制，然后生成动态链接库DLL与LabVIEW程序框图中的CLF节点连接，保留了LabVIEW平台虚拟仪器开发的便捷性，克服其计算瓶颈的问题，又结合了C语言高效性的优化算法，所以通过混合编程的方法能够保证系统的实时性。
　　3.2 列车模型
　　根据列车模拟运行系统硬件的设计，通过PCI-6229数据采集卡和力矩转速传感器对力矩、转速进行实时采集，而要对陪试系统进行实时控制更关键的问题就是列车模型。
　　本系统在进行模拟运行时，我们把线路和车辆的基本信息以及载荷情况进行预设，列车的牵引力和当前的速度是通过测量直接得到的，知道当前列车在特定线路的某一位置，根据这个位置由阻力模型可以计算出列车的阻力，再由列车运动方程解算出当前情况下下一个采样点时列车的速度，这样就可以通过迭代的方法模拟出列车的速度变化规律并按照此变化规律确定机组运行的速度，将此速度实时传输给电机模块，就能够确保电机速度的变化规律和实际列车的运行情况基本吻合。
　　4 结论
　　列车模拟运行系统的功率、力矩与速度等级不低于被试系统，直流环节采用与被试系统相同的电压等级使其可以实现能量互馈。列车模拟运行系统为电力牵引系统的开发提供了模拟负载，采用LabVIEW与C语言混合编程的方法保证了系统的实时性，并且基于实时仿真的结果对陪试机进行实时控制，从而模拟列车在不同轴重和不同线路下的运行工况，与实际列车运行的速度变化规律基本吻合。