（机械电子工程专业论文）机车电器测试与管理系统的研究.pdf

j 堕一兰a 9 6 粕 摘要 “机车电器测试与管理系统”是为适应铁路运输现代化的迅速 发展和不断提高检修质量的要求而研制的。根据验修分离的新型 检修方式，本文提出应用现代测试方法和计算机技术来研制电器 检修后的验收部分一一“机车电器测试与管理系统”。系统将专家 系统和仿真技术有机地结合，并应用专家系统来进行故障诊断。 系统可实现测试数据的自动记录和实时显示，并采用先进的数据 库管理模式来管理数据，为数据查询和报表打印提供了便捷条件。 0 文中介绍了系统的总体功能、基本结构、工作原理和实现方法。 系统现已完成了微机和传感器的选型、接口电路的设计和调试， 可达到在同一软件下测试多种机车电器的目的。按功能需要，系 统采用了分布式、模块化的结构，从而为系统的可靠性、灵活性、 可扩充性及可维护性提供了硬件和软件基础。 目前，“机车电器测试与管理系统”的实验室调试工作已基本 完毕，实现了预定的功能，是一个具有高性能价格比的测试管理 系统。她， 善键词：自动测试谚唾 专家系统数据管理 。硝戗 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et e s ta n d m a n a g e m e n ts y s t e m f o re l e c t r i c a p p l i a n c e s o f l o c o m o t i v ei sd e v e l o p e dt of i tt h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o d e m r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o na n d t h er e q u i r e m e n to f i m p r o v i n gq u a l i t yi ne x a m i n a t i o n a n dr e p a i r a c c o r d i n gt oan e w w a y o f s e p a r a t i n gc h e e k f r o m r e p a i r , a c h e c ks y s t e m t e s ta n dm a n a g e m e n t s y s t e mf o re l e c t r i ca p p l i a n c e so f l o c o m o t i v e ，w h i c hi su s e da f t e rr e p a i r , i sd e v e l o p e db ym o d e m t e s t i n g m e a n sa n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y e x p e r ts y s t e mi s c o m b i n e dw i t h s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y a n do f f e r e dt of a u l t d i a g n o s e f o re l e c t r i c a p p l i a n c e s t e s t i n gd a t ac a nb er e c o r d e da u t o m a t i c a l l y , b ed i s p l a y e di n r e a l t i m ea n db ea d m i n i s t e r e d b yt h e m o d eo fa d v a n c e dd a t a b a s e m a n a g e m e n t ，w h i c hp r o v i d ec o n v e n i e n tc o n d i t i o nf o ri n q u i r i n gd a t a a n d p r i n tr e p o r t s t h e g l o b a lf i m c t i o n ，b a s i cs t r u c t u r e ，o p e r a t i o np r i n c i p l e sa sw e l la s m e a n sb e i n ga d a p t e df o rt h es y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h el e c t o t y p eo f c o m p u t e r sa n ds e n s o r s ，t h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fi n t e r f a c ec i r c u i t a l ec o m p l e t e d t h ea i mt ot e s ts e v e r a le l e c t r i c a p p l i a n c e su n d e rt h e s a m es o f t w a r ei s a c h i e v e d a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n ，d i s t r i b u t e da n d m o d u l a r i z e dc o m p u t e ra r c h i t e c t u r ei su s e d ，w h i c hp r o v i d e st h es y s t e m 埘t 1 1h a r d w a r ea n ds o f t w a r et h a ti sr e l i a b l e ，f l e x i b l e ，e x p a n d a b l ea sw e l l a sm a i n t a i n a b l e a tp r e s e n t ，t h et e s ti n l a b o r a t o r yh a sb e e nc o m p l e t e d ，a n dt h e m a j o re x p e c t e df u n c t i o no ft e s ta n dm a n a g e m e n ts y s t e mf o re l e c t r i c a p p l i a n c e so f l o c o m o t i v eh a sb e e nr e a l i z e d i ti sat e s ta n d m a n a g e m e n t w i t h h i g hc o s te f f i c i e n c y a b s t r a c t 2 k e y w o r d a u t o m a t i ct e s t e x p e r ts y s t e m 2 s i m u l a t i o n d a t a m a n a g e m e n t 第一章概述 第一章概述 第一节研究机车电器测试与管理系统的意义 及课墨的由来 随着铁路运输现代化和列车速度的提高，机车上采用的新技术、 新产品越来越多，特别是由集成电路和电子元件构成的各种半导体 装置如过渡装置、电压调整器、电阻制动箱和电子恒功励磁装置等 以其功能强大、可靠性高、抗干扰性好等诸多优点被广泛使用。长 期以来，机车电器修理后的试验是在由人工操作的分散的试验台上 实现的。然而，这些机车半导体电器的修理及验收的手段、验收设 备以及管理模式绝大多数滞留在初级水平，直接影响机车检修质 量。一方面由于修验一体，手工操作，修验人员水平和经验参l j 二0 i 齐，检修质量难以保证；另一方面测试技术和设备已经远落后j 二现 代测试技术的发展，缺乏可靠、统一的验收标准。所以，利用以 _ 业p c 为核心的机车电器测试系统实现对电器的综合检测、评估、 检验就显得越来越重要。机车电器检修后的数据管理则是机务脸修 工作的另一重要方面。为满足电器的自动测试及测试后数据规范管 理的需要，系统采用现代传感器技术、计算机测试技术、信号处理 技术，数据库管理技术，可实现测试数据的自动采集、显示和储存， 能有效地判断电器工作状态，对其故障进行诊断，从而保证了修1 ： 质量，提高了l 产效率，这对于保障行车安全降低生产成本来况址 项咂婴的技术措施。 课题“机乍l 乜器测试与管理“系统是与沈阳铁路 签订的科1 j | ： 项i i “机1 i l l 机i 乜器微机测试管删系统“的r 课题。小课题所仃 女 术要求址j 衄脱场实际黼婴抛的。该系统运川仿真技术，模拟帆i 籀一华慨述 电器在于常工作日j 所需的各种模拟量和数字量，并应用专家系统划 实时采集的参数来进行状态评估和故障诊断。在测试全过程中，系 统实时显示电器状态信息，并具有声音、文字、图形曲线等功能。 对于测试后的数据，可按用户提出的要求进行查询打印，极大地方 便机务段进行数据管理。咳系统用于机车电器的自动测试与数掘管 理，可大大减少人工干预，保证了检修质量，同时规范了检修人员 的操作。 第二节机车电器测试与管理系统的发展状况 一机车电器测试与管理系统在国外的发展 俄罗斯、f i 本、匈牙利、美国等先后研制了电气设备自动化检 测和诊断系统，它们基于先诊断后修理再试验的原理。系统采用f i 动测试技术，将自动检查和诊断分为几个层次，由整体到单个部件 的逐次进行检查和诊断，再判断受检参数是否达到或接近极限值， 只有达到或接近极限值h , i 才做出更换或修复的决定，更换或修复历 的部件又回试验站进行试验。这种方式避免了计划性的部件更换， 降低了成本，但整个系统价格昂贵，在国内还没有应用的先例。 二机车电器测试与管理系统在国内的发展 随着我国铁路事、l k 的1 i 速发展，为满足不断增长和同益捉l 岛的 机车f 邑器检修质量的需要，各科研单位、工厂和大专院校纷纷j i ：发 了各种各样的l 乜器试验台。如火连内燃机车研究所丌发的“f l ! 1 5 叫j 0 动箱”试验台，水济i l i 机jj l + 发的“步进电机驱动器”试验台，济 南铁路局淄渤机务段、北力交通大学丌发的“电子恒功励磁渊1 7 器” 试验台等。似足，这b 试验台都是分散的，只能完成单也器j j 能 测试的，再个l j 弋验f j 厄i 迎p l ，l - j 以说，hl i l s 内还没仃i i _ j i 彩 船一章帆述 种电器进行自动测试的微机系统。而且绝大部分试验台是靠手一i 操 作来完成测试的，这样就给机务检修部门的数据管理工作造成了相 当的困难。 我们所研制的机车电器测试与管理系统，可以起到一定的先诊 断后修理的作用。根据测试参数值，系统应用专家系统给出相应的 结论，操作人员可根据结论进行修理，修理后再回到试验台上进行 自动测试。系统还集自动测试与数据管理为一体，规范了操作标准， 大大地方便了现场人员的操作，并最大限度地减小了测试误差和人 工干预因素，从根本上保证机车半导体电器的检修质量。同时，该 系统能够自动生成管理所需的统计报表和各种文件，真一实现测试 系统和管理系统一体化，具有一定的先进性和相当广阔的应用自u 景。 第三节工业控制计算机及其在系统中的应用 工业控制计算机是指能够用于工业或及其相关场合下的1 业级 p c 机。它的应用场合包括了诸如过程连续生产和继续制造等各种 与生产制造相关的工业现场，以及铁路、公路和港口的交通指挥嗣 度等许多重要场合。 与一般计算机应用场合相比，使用工控机的场合，具有其定 的特殊性。首先，环境通常比较恶劣，如工业现场比较容易存在高 温、噪声、冲击、振动、各种电磁信号干扰以及操作人员素质等环 境因素；其次，要求计算机必须能长期、无故障地连续运行，如粜 计算机发乍问题，可能会带来比较严重的后粜；第i ，n i技乍 故障时，能较快地修复。这利，使用要求，决定了： 控机完全小川j 普通的商川p c 机。阕此，对于 j 控机来说高可靠性足它最突 的特一涌i 优 。它能经受二维的振动和冲击，保舐机箱内邢再i 引个 能，。，j 合，樱体能承受外部的机械振z 山和冲，l i ：防夸捌敝热能 始一章概述 好，既能在高温环境和插入多种接口板的情况下长期： 作，又能保 持机箱内有一定的1 f 压，防止粉尘大量进入；它的电源是：小i k 级的， 不但能满足各种电源的安全标准，而且能承受工业现场电例中可能 存在的波动和干扰，同时保证本身不会对电网造成干扰和影响，有 的还具有自动保护功能；机箱的各部件之间有良好的导电性能，以 防静电和电磁干扰等。 机车电器测试与管理系统是在工业现场使用的实时数捌采集、 处理、控制和数据管理系统。因为现场环境恶劣，存在噪声、冲击、 振动、各种电磁信号干扰等条件的影响；现场要求计算机能够长期、 无故障地连续运行，因为一旦计算机发生问题，就会直接影响检修 工作进程，同时造成已存储数据的丢失，即使采用数据恢复的方法， 也会留下无法弥补的损失；再者，在发生故障后要能较快地修复计 算机运行，争取最大限度地减小用户的损失。另外，系统中应用了 仿真技术和专家系统，而仿真模型的计算和故障诊断的实现都需要 稳定可靠且性能优异的载体。通过工业控制计算机与普通p c 机一p k 能的比较和为了最大程度地满足现场的工作条件，我们选择i 业控 制计算机来做为系统的测试管理核心。在系统中，被测电器所需的 信号是由工控机通过计算仿真而输出的，电器工作状态的正常与甭 是通过实时专家系统来判断的，数据查询是通过工控机实现的，数 据管理产生的报表文件也是通过工控机生成的。所以蜕，：r 挎机是 系统的关键部分，它的作用是不可替代的。 第一章 机下i u 器测试，管上里系统的结构和功能 第二章机车电器测试与管理系统的结构和功能 第节机车电踹娜式! 稍嘲瞬澍酬辫构与功能 在铁路运输快速发展的时代，机车上越来越多地采用新技术和 新产品。然而，电器装置的修理、验收手段及设备绝大多数还比较 落后。特别是修验一体的制度，使检修质量难以保证。沈阳铁路局 机务处和赤峰机务段共同提出一种修验分开的检修新方式。它将检 修和验收分成两个独立的互不相关的环节，检修员负责电器装置的 检修和单项及整体修后试验，测试员负责对检修试验后的装置进仃 整体测试，如果测试结果证常，则修后产品入库，否则由检修员重 新进行检修和试验。这种方式，将修验彻底分丌，而且验收设备方 式均先进于检修手段，所以从根本上保证了机车检修质量。机车电 器测试与管理系统是专为修后测试而设计研制的综合测试管理系 统，它最大限度地减少人工干预，只要完成简单的接线，就川进 j ： 自动测试和相应的数掘管理。系统采用现代传感器技术和计算机e j 动测试技术，可实现测试数据的自动采集、自动显示和储存，能利 用专家系统进行故障诊断，从而保证了修车质量。 一机车电器测试与管理系统的功能 系统依照铁道部机车架修规程，能够自动完成东风，型、东风j 型和东风型内燃机车上过渡装置、步进电机驱动器、电压调整器、 电阻制动箱、“流逆变器、轮缘喷油器等电器装置的功能测试。系 统有如卜功能： ， 刈i 电器进行。阼能测试耵】参数测量： ， f i 动判断r u 器的i ：作状态，对其故障进行分析诊断，指 1 1 瘦；崇j j ； f 艾l d ( j ；啦7 i 范m i ； ， i 1 动j 一 1 i 、仃储测试数抛； 帮一帝机卞f u 器测试。j 管删系统的结构和助能 生成统计报表和管理所需的各种文件。 二机车电器测试与管理系统的结构 1 系统结构 机车电器测试与管理系统主要由电源、电器测试台、接l 二| 箱雨 工业p c 机及其外围设备等四部分组成，结构框图如图2 1 所示： 圈2 1 机车电器舅试与f 理系统结构框圈 1 电源：包括净化稳压电源、试验电源、u p s 和接口电源四个部 分。 夺净化稳压电源用于消除电网的干扰和电网电压的不稳定，起 剑划电网电压净化和稳压的作用。 夺u p s 刁i 川断l 乜源用j i 在电网突然停电时对汁算机的数捌进j j ： 保仔耵哺i 应的处删州挺供短时的电源。 试验f u 源1 ：篮为被测试乜器提供町控的0 1 1 0 v 、0 5 a 。i i 流i u 源，以佻为被测i u 器使用。 笫一审机下i u 器测试j 管删系统的鲜i 构和功能 夺接口电源主要为测试和驱动接口箱电路提供所需的电源，包 括5 v 、1 5 v 、2 4 v 隔离后一组电源和5 v 、1 2 v 、 15 v 、3 6 v 隔离前的一组。 2 接口箱：箱内有a d 数据采集卡、i o 数字量输入输出卡、d a 模拟量输出卡、定时计数卡、频率测量电路、相位测量电路、脉 宽周期测量电路等，用于测试数据采集、隔离及调理功能，也对 各自动控制信号和电器测试所需的仿真信号进行隔离、放大和驱 动。 夺采集被测电器输出的电压、电流和丌关量等信号。 夺向被测电器提供测试所需的电压、电流等信号或向试验电源 提供控制信号。 夺对测试对象的选择起控制作用。 3 电器测试台：其上有对应于各种电器的试验台位和接线端子， 根据测试对象的不同来进行相应接线和测试。 4 工业p c 机及其外围设备：由主机、显示器、打印机等组成。p c 机是整个系统指挥与控制中心，保证系统协调、f 确地工作，完成 试验起停、输出信号的仿真、数据采集和处理、电器的故障诊断等 功能。主机采用工业p c 机，防尘、抗震、抗干扰、高可靠性，适 合于工业现场应用。 2 系统特点 选择、设计合适的系统结构模式是实现系统全部功能和技术婴 求的基本保证，在系统结构设计的确定中，我们主要考虑了以r 因 素： 夺系统尽可能少地包含电子装置和分离器件。因为，一方通 过采用仿真技术减化了系统硬件，降低成本；另一力i 由“i u 7 狄 置和分离器件的减少，提r ；】了系统的可靠性和测量准确度，j _ f 曲! 机 l 一扰能j 。 辩一章眦1 一u 擀测试j 管理系统的结构和功能 夺系统功能集测试与管理为一体。以往的电器测试系统，一方 面是手动操作，易产生误差；另一方面，测试后的数据分类整理也 是手工完成的，增加管理人员的负担。系统采用先进的数据库管理 模式，在每次电器测试完后，自动记录测试数据并分类管理，对于 定期的数据查询和报表打印十分方便。 呤系统的可扩充性和可修改性。随着当今微电子技术的飞速 发展，使电子产品更新换代非常快，机车上性能先进的技术装箭小 断投入运用，些在设计阶段堪称先进合理的系统结构，存一投入他 用后或使用不久，就可能感到过时了，需要进行更新和完善。凶此 本系统硬、软件体系结构都具有一定的可扩充性和可修改性。 夺系统功能及结构的模块化、分散化。系统功能越多、结构规 模越大，对系统可靠性、灵活性及可维护性的要求也就越高，因此， 系统功能结构应取功能分散、危险分散的结构模式。这样的系统结 构在适应范围上、可扩展性与可拼装性、可维护性及抗故障能力等 诸方面都较集中型系统结构有着明显的优越性，从而大大地提高了 系统平均无故障运行时问，同时也节省了系统调试和故障排除时 间。 夺性能价格比。系统采用工业控制计算机作为测试与管理系 统的核心，囡为它具有高可靠性和工作稳定性，可以长期无故障地 连续运行；接口箱选用的是隔离的可靠性高的a d 、d a 、i o 及计 数卡，大大提高了系统的性能价格比。 三仿真技术在机车电器测试与管理系统中的应用 进f ? j l - ；i x 电器测试时，有的电器所需的信号是大电流信号或州 ： 以提供的f 乜胍信号：有的测试信号可以满足，但提供信号需要较多 的其它砹备如i l 流i u 动机、测速发电机等。个系统一l 馁什珥7 越 多，就越窬易存n j 敝障隐患，同时造价也越高。为阳彼测i u 擀抛腆 昕f | 俯l j ，j ，小0 孙小系统坝件规模、降低系统硬件故障牢n 勺胍州， 第二章机车电器测试与管理系统的结构和功能 机车电器测试与管理系统中大量使用了仿真技术，用仿真输出信 号来代替实际信号。仿真技术在系统中应用如图2 2 所示。仿真 时测试员既可将仿真策略、电器参数从相关数据库中选出，又可 通过键盘直接输入，并将以上参数存储到仿真环境库中。仿真核 心依据输入的参数，不断地分别从仿真环境参数库和操作命令库 圈2 2 仿真技术在机车电器测试与管理系统中应用 中读出相应的参数和命令，依据所给的条件计算出要输出的仿真 信号数值，并存储在仿真结果库中。计算机通过接1 3 电路向被测 电器输出仿真信号，从而实现了信号仿真过程。 在机车电器测试系统中，计算机通过接口电路分别为各种电器 提供相应的仿真工作条件，例如：向过渡装置提供机车速度信号； 向电阻制动箱提供柴油机转速信号、机车速度信号、牵引电机励 磁电流、牵引电机制动电流；向步进电机驱动器提供手柄位信号： 向电压调整器提供启动发电机电压信号。 9 筇章 【寸。一u 器测试j 管理系统的结构和功能 四基于专家系统推理的系统故障诊断功能 在进行机车电器测试时，仅仅是测量电器参数是不能满足机务 检修的要求，对被测电器进行故障诊断，也是系统的重要环节。当 仿真信号输出到被测电器后，被测电器在确定的输入条件下工作外 输出一些信号，系统自动采集这些信号，运用专家系统来实现对机 车电器状态的诊断，并与仿真程序协同工作以完成机车电器某些故 障状态下的故障处理仿真。系统能准确地识别常见和一般性故障， 并能迅速地判别出故障发生的原因和位置，以达到能够快速修复和 排除故障的目的。 第二节传感器的选型 传感器是信息获取的工具和手段。作为原始敏感元件，它首先 从被测介质接受能量，i 刊时产生一个与被测物理量成某种函数天系 的输出量，再把非电量转换成便于运算、传输、存储和进一步处理 的电量，得到我们所关注的有用信息。传感器是被测有用信息的源 头，也是保障测量准确度的重要环节。机车电器测试与管理系统中， 使用了电压及转速传感器。传感器的选型对专家系统的故障诊断来 说是相当重要，如果选型不恰当，测试数据不准确，会直接影响故 障诊断的结论。考虑到系统的实际情况和可维护性，传感器的选型 要遵守以下原则：工作可靠，便于安装、结构简单、测量精度高， 还要经济耐用。 一转速传感器的选型 为了向系统提供高精度、高可靠性的信息，在步进电机驰z 饥擀 的测试i f l 必须h j ；确可靠地测得步进电机的转速和相位。 0 速枷j i i f 的信息”川i | 测速传感器输得到。以下是目前几种常川的测述f 感 器的比较。 0 妊一常 机中t u ；| 测试ij 管理系统的结构和功能 1 测速发电机 将车轮的转速变换为与之成正比的电压模拟量输出。它的特_ 、i 是体积小，电特性线性度好，响应速度快，缺点是结构复杂，电刷 易磨损，万向联轴节加工困难，且容易发生断轴现象。此外，测速 发电机不能测得相位，需另加测相位的传感器或外接较复杂的f 乜 路。 2 磁电摩应式速度传感器 输出f 弦交变电压，其频率与车轮车速成f 比。它分为有源型 和无源型，具有测速精度高，结构简单，抗干扰能力强的特点。现 以无源型为例说明其基本原理。无源磁电感应式速度传感器主要l | 磁钢、线圈、极靴和传感齿盘组成。测转速时，将它与电机轴联接， 传感头则装在静止机架上，使其极靴对准齿盘径向，并与齿顶相距 一定气隙。当电机旋转时，齿盘随车轮旋转，齿的凹凸引起磁阻变 化，进而使磁通量发生变化，在线圈中产生出交流电势，h 1 j 输仃i 号。齿盘每转过一个齿距，磁通量交替变化一次，感应信号f f 好经 历一个周期，因而输出信号的频率等于齿数和转速的乘积。 磁电感应式传感器用于测速时，其工作频率的下限较高，约为 5 0 h z 。而f 常情况下，步进电机的转速一般为4 5 9 0 r m i n ，即o 7 j 1 5 h z ，所以该传感器不适合本系统的要求。 3 尔式速度传惑器 岂输h 的脉冲数与4 - 轮转速成正比。 图2 3 瞿尔效应原理图 霍尔传感器的工作是基寸 霍尔效应的，如蚓2 ： 所 示。在块氏为l ，宽为h ， 厚为d 的半导体薄j j 【l j = f 侧 面通过电流，在薄片的t 疋 e f 方向加以磁场，| j ! | j 九、l j 导体另曲侧山l ，。化个 筘一章机个i u 器测试，管挫系统的结构和功能 电流和磁场乘积成正比的电动势，这一现象即为霍尔效应，所产乍 的电势为霍尔电势。 霍尔式速度传感器每转一圈输出的脉冲个数与转盘上的磁镧片 数目成正比。由于磁钢片较大，在转盘大小一定情况下，磁钢片数 量较少，传感器输出的脉冲个数也较少，脉冲周期较长。对低频信 号而言，使用霍尔式传感器测量精度受的影响较大。本系统中，步 进电机的转速低，所以该传感器不适合系统的要求。 4 光电式增量编码器 光电编码器是基于光电方法的一种码盘传感器。它最大的特t i 是非接触式，因此使用寿命长，可靠性高。当光源经光学系统形成 一束平行光投射在码盘卜时，转动码盘，光通过码盘的透光和小透 光区，在码盘的另一侧就形成了光脉冲，脉冲光照射在光敏元件j ： 就产生与光脉冲相对应的电脉冲。当码盘旋至不同位置时，各个) | j 敏元件根掘受光照与，就能将问断光转换成电脉冲信号，它的输 出脉冲数与转速成正比。 光电式增量编码器( 见图2 4 ) 是光电编码器的一种。它有两个 圆盘。一为光电转盘，其上刻有节距相等的狭缝，随电机轴同步转 动。另一圆盘固定，其上有a 、b 两组狭缝群，节距同转盘，但两 组狭缝与转盘狭缝的对应位 置错丌1 4 节距，使对应a 、 b 的两个光电变换器输信 号存相位卜榭始9 0 。( 1 4 周 期) ，光源j 通过转 ：l ：狭 缝与川定盘i ：狭缝州丽甍构 成的透光缝i 鲥f j 联目0 至0 ) 匕敏儿 件l i 。“1 被测轴转z 力r i , j ，光 i l _ ! - 转鼎f h 随 0 动，j a 、b 三 - 出。厂 厂 厂 输出。厂 r r 图2 4 光电式增量编码器测量原理图 绝一帚 机下u 器测试。，管删系统的结构和功能 相对应的2 个光敏元件便发出与转速成f 比的近似讵弦波信号，经 两路相同的放大、整形处理后，输出相位相差9 0 。的证交脉冲，这 两相脉冲信号反映了码盘的运转速度和方向。它的特点是可以检测 零速度，容易获得较高的测速精度，可以得到相位信息。缺点是易 受油、灰尘等介质的影响，轴向尺寸较长。 在步进电机驱动器的测试中，系统选用光电式增量编码器来完 成对步进电机的转速和相位的检测。编码器的特点是测较低的转 速，所以可实现对步进电机4 5 9 0 r m i n 的测量。同时，该传感器 每转一圈输出3 6 0 个脉冲，可以大大减小测量误差，提高测量精度。 a 、b 两相的输出外加少量电路就可以进行相位的测量。在测试系统 中，由于采用了仿真技术，使用分离的电子装置少，加上基本卜九 油源等外加动力源，所以不会对编码器的使用带来影响。 二电压传感器的选型 各种电器在测试过程中都需要提供直流电源。一旦直流电源发 生故障，以之为测量基础的各种结果都会异常。因此，为监视直流 电源的状态，应时时检测直流电源的电压。电器测试所用的各模拟 量信号，幅值一般大于5 v ，对它们进行回检时，要将它们转换成微 机常用的o 5 v 信号。考虑到接线问题以及测量准确性，系统采用 l e m 模块来完成上述电压信号的转换。 瑞士l e m 公司生产的l e m 模块是利用最新技术一磁补偿原婵川 制而成的，符合现代控制系统的要求。它具有以下特点： 夺可测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲波眵 等，甚至对瞬念峰值的测量；l e m 模块为系统产品，电流测鞋范 可达5 0 k a ，电压测量范围町达6 4 0 0 v ； 夺原边电路与副边电路之间完全绝缘，绝缘电压一般为2 k v 至1 2 k v ； 夺精度岛优j ：1 ，线陀度好，优于0 1 ：动态性能女r ，f 们心 ；臼审_ 十j 1 0 ： u 擀测试- o 管删系统的结构年n 功能 时划小flu s ，而普通的互感器响应时涮为1 0 1 2 m s ： 夺l e m 模块尺、j 小，重量轻，易于安装；抗干扰能力强； l e m 模块的高灵敏度，使之能够区分“高分量”上的弱信号， 例如在几百a 的电流分量上区分几m a 的交流分量。 系统选用的l e m 电压模块为k v 2 0 p 型，即输入o 1 5 0 v 电压， 通过输入电阻转换o 2 0 m a 的电流，再进入模块。通过外接输出电 阻，可得到0 5 v 电压。电压模块的连接图如下。 v m g n d 图2 5u 泓电压棚崩涟接图 第三节本章小结 对于机车来说，电器稳定可靠地工作是保证列车正常运行的自u 提。机车电器特别是系统中所研究的半导体电器对内燃机车的牵引 功率、牵引力、速度、制动力的控制都起到关键作用。一旦半导体 电器在检修过程中发生任何失误，都将直接影响机车的j 下常运行。 为了确保半导体电器的检修质量，沈阳铁路局和赤峰机务段提出修 验分丌的方法。机车电器测试与管理系统的设计目标是对机车半导 体装置进行检修后的整体测试，在电器入库前确保电器的检修质 量。 系统测试对象是机4 ：一 ：的半导体电器如过渡装置、步进l 乜机驰 z 饥器、i u 阻制动箱、i u 【i 渊整器等，系统对电器提供进行整体测试 的模拟最和l 数字量信号。但是大部分模拟量信号刁i 是山实际信q 源 如牵引电动机、励磁机、直流电机等提供的，而是由仿真系统根捌 仿真模型汁算后输出的，在系统中共使用三块p c l 7 2 8 模拟量输 忙，铒块一输脯路信号。系统还输出1 0 路数字景控制竹l j ，je 笫一章机1 - u 器测试o 管理系统的结构和功能 中有的数字量信号还需经接口箱的驱动电路后才能使用。整个系统 共采集1 2 路模拟量信号和1 4 路数字量信号。系统能实时采集电器 输出的模拟量和数字量信号，供专家系统进行故障诊断。专家系统 通过推理，对整体测试时电器性能做出评价，并通过人机接口通矢 测试员，同时故障诊断的结论反作用于仿真信号的输出。测试数据 管理作为修验分离的一部分，是必不可少的。以往的试验台基本不 具备数据管理的功能，新研制的自动测试台如北京空军研究所研制 的“电子恒功励磁调节器”也不具有保存数据的能力，只是在测试 中给予提示。本系统可在测试结束后将数据自动保存、分类管理， 以便于查询、打印和故障发生率的统计。 据以上所述，本文所完成的工作是围绕机车电器的整体测试和 数据管理而进行的。工作内容包括： 1 熟悉系统测试对象的电路原理和接口 2 对微机系统和被测对象之间的硬件连接进行方案论证、硬件设 计，并对硬件模块进行购买、制作、组装、调试及抗干扰设计。 3 被测电器所需测试信号的仿真和电器状态信息的测试与获取。 。 通过接口箱，将仿真输出的信号送到被测电器中，并将电器状 态采集到工业微机中。 4 被测电器的故障诊断。根据采入微机的电器状态参数，通过推 理并得出结论。 5 完成系统管理软件的设计。 箱二章仿真投术j 专家系统发jl d 埘l 下电= ； 测试，管埋系统中的成用 第三章仿真技术与专家系统及其在机车电器测试 与管理系统中的应用 仿真技术综述 第一节仿真技术 计算机仿真作为一门新兴的高技术，随着计算机技术的不断 发展而迅速地发展，其应用领域和作用也越来越大。尤其在航空、 航天、国防及其它复杂系统的研制开发过程中，计算机仿真一直 是一种必不可少的工具，并在减少损失、节约经费、缩短丌发周 期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。欧洲航天局阿丽娅娜5 型火箭首发失败，损失高达几十亿美元，其失败原因是由于惯性 制导软件存在设计问题，该问题可以通过仿真试验得到解决；我 国1 8 个月研制成“长二捆”火箭，其中仿真技术起了举足轻重的 作用1 ”。 我国的仿真技术的研究与应用丌展较早，发展也较迅速。f i 五十年代开始，自行研制的三轴模拟转台的自动飞行控制系统的 半实物仿真试验已丌始应用于飞机、导弹的工程型号研制l ，。八 十年代，开始对离散事件系统( 如交通管理) 的仿真进行研究。匕 十年代，我国训练仿真器获得迅速发展，我国自行设计的飞行模 拟器、舰艇模拟器、汽车模拟器等相继研制成功，并形成一定市 场，在操作人员培训中起了很大作用。八十年代以来，由于数字 计算机技术的迅猛发展，我国建设了一批水平高、规模大的半实 物仿真系统，如红外制导导弹半实物仿真系统等，这些! 卜实物仿 6 第二幸仿真技术i ，象系统发jl 柏机下i 也器测试i 管删系统中的应用 真系统在武器型号研制中发挥了重大作用。 各个应用领域的需求是仿真技术发展的原动力，特别是在经 费预算不断减少的情况下，更刺激了仿真技术的应用和发展。当 前仿真技术正以日新月异的面貌呈现在世人面前，并深入到工作 和生活的各个领域，从科学研究、工程设计、辅助决策直到教育 培训等各个方面，无不显示仿真技术的突出而奇妙的作用。 二、仿真技术中的建模和验模 数学模型是仿真的基础。对被仿真的对象或系统，应根据其运 动定律、约束条件和物理特性建立数学模型。数学模型有定性和 定量的，可采用微分方程、代数方程、逻辑关系式等表达形式来 描述连续、离散事件系统或混合系统。数学模型中的数据有多种 表示形式，例如飞机的飞行速度，可以用具体数值表示( 如：v = 2 0 0 米秒) ，可以用定性的模糊表示( 如：快、中等速度、慢) ，可以 用数值表格表示( 如：飞行速度随发动机推力变化的数据表格) ， 还可以用单变量或多变量函数表示( 如：v = f ( x l ，x 2 ) ) 。本系统 中，数据多以单变量或多变量函数表示。 数学模型的正确与否和精确度直接影响到仿真的置信度。验模 过程是对模型的评估过程，它包含校核、验证和确认三个步骤。 确认是最关键的，它指的是根据专家评审和经验，证明模型在特 定的应用领域使用是可接受的一种过程。 可见，数学模型的建立必须针对特定的应用领域和预期的使_ | ! j 目的。同一客观事物的描述可以建立不同形式和不同精度的数学 模型。模型和仿真的评估过程的一般形式如图3 1 所示。在本系 统中，测试信号的仿真模型是经过实际或现场验证的，如过渡装 置中机车速度与直流电压的函数关系是在现场大量试验后得到的 经验公式，通过过渡装置测试模块的数十次试验，结果与使用现 筘二帝仿真投术rj 专家系统及j l n 机下【u 测试j 管理系统中的心用 场过渡装置试验台的试验结果一致。 三仿真技术分类 图3 2 模型和仿真的评估过程 从不同的角度出发，可以对仿真系统进行不同的分类。按被仿 真对象的性质划分，可分为连续系统仿真、离散事件系统仿真、 混合系统仿真；按仿真系统的结构和实现手段不同可分为数学仿 真、半实物仿真( 硬件在回路仿真) 、物理仿真；按仿真应用可分 为训练仿真和工程仿真。本文中主要对按仿真结构进行分类的仿 真类型进行讨论。 1 物理仿真 物理仿真是在物理模型上进行的仿真。物理模型与系统之间有 相似的物理属性。机车电机电器综合测试系统中实物部分如操纵 台、电器柜和电机电器装置的仿真就是物理仿真。测试员通过操 纵实物部分，来仿真电机电器实际工作时的各种操作和信号。物 理仿真生动形象，真耍感强，但缺乏灵活方便性，需要特定实验 场地，且一旦成形难于修改。 2 数学仿真 祚计算机l ：通过数学模型进行仿真试验称之为数学仿真。刈 第三帝仿真技术1 。专家系统发其在机车电= | 测试i 管删系统中的应用 复杂系统的数学模型，通常在计算机上构造仿真模型来进行试验。 数学仿真的三个基本要素是：系统、模型、计算机，联系着它们 的有三个基本活动：模型建立、仿真模型建立和仿真试验。这种 仿真方式无需配备昂贵的用于模拟产生真实世界环境的各种物理 效应设备，而是用计算机来再现真实世界、评价其性能特性，任 务成本小。这种仿真方法灵活方便，易于修改，所以它特别适用 于科研项目的前期论证和预测及模拟实际中难以再现的系统。其 缺点是不够形象，不能给人以直观的感觉。如本系统中测试信号 仿真部分，就是一种数学仿真，通过对电器的类型、工作状念和 动态特性建模后在仿真机中完成电器测试信号仿真。 3 数学物理仿真 数学物理仿真是把系统数学模型和物理模型联合起来使之其 同运转的一种仿真方法。它利用数学仿真和物理仿真的优势，克 服了相互的缺陷，使之既生动形象，又方便灵活，是一种效果显 著、应用广泛的仿真方式。这种仿真又称半实物仿真，除计算机 外，它要求配备与模拟操作密切相关的各种物理效应设备，使操 作人员有直接的真实感。计算机通过输入输出接口与实物相联， 保持同步，进行各种动、静特性的数学仿真。如图3 2 所示，本 教学系统就是典型的数学物理仿真系统。一方面，它根据需要配 图3 2 机车电器测试与管理系统原理框图 第一二章仿真技术，专家系统及j e 卉机乍电器测试j 管删系统中的j 虹用 备不同程度的各种物理效应设备，如测试操纵台、电器柜、被测 电器等实物，用于提高实际操作时的真实感；另一方面，用计算 机进行数学仿真，方便灵活地实现实际中难以实现的各种测试项 目。工作时，它通过计算机和实物设备的有机组合，模拟机车电 器测试时仪表和各种指示灯的指示、曲线的绘制和电器设备的动 作等，使测试员在操作本系统时如同操作普通试验台。同时，使 用数学仿真，减少了使用的分离器件和电子装置的数量，提供了 更高的可靠性，是一种贴近现实的测试方法。 四仿真技术在系统中的应用 由于被测电器的电器结构复杂，很难对其内部电路进行仿真， 因此系统保留了电器实物，仅对电器测试所需的信号进行仿真。 本系统是典型的数学物理仿真系统，测试操作台、被测电器和接 口电路构成物理仿真部分，计算机通过数学仿真输出测试信号。 下面以过渡装置中机车速度信号的仿真过程为例来说明仿真信 号的产生。传统过渡装置试验台是用直流电机来提供机车速度的； 速度信号是正弦波电压信号，它通过桥式整流电路变成直流信号， 再送入过渡装置。而本系统中用一个d a 卡发出的经放大电路放 大后得到的直流电压信号来模拟机车速度的。我们采用的方式是 直接提供与正弦波电压信号经整流电路转换后相当的直流电压信 号，使它经过整流电路后进入过渡装置。假设直流电压信号为y ， 机车速度为x ，则所采用的模型是： y = k x 其中k 为0 2 1 ( vh k m ) ，k 是经过现场大量试验后总结得出的。 在测试过程中，机车速度变化范围是0 9 0 k m h ，对应若0 1 8 2 v 的直流电压信号。过渡装簧接收到机车速度信号后，工作状 态逐渐发生变化，反过来将作用于速度信号的仿真( 见本章第”u 第二幸仿真投术。j 专家系统发jc 托机下l b 器测试j 管理系统中的心用 节) 。从工控机输出的直流电压信号越大，加在过渡装置上的速度 信号就越高。 第二节专家系统 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 也称为基于知识的系统，是人工 智能的一个最为重要的应用领域。自从s t a n d f o r d 大学于1 9 6 8 年 开发第一个专家系统d e n d r a l 以来，经过了近三十年的科学研究， 理论和技术同臻成熟，其应用得到了飞速发展。数以力计的专家 系统相继出现，被广泛地应用在国民经济的各个领域，如：医学、 农业、军事、法律、科学技术、教育等方面，已经产生或f 在产 生巨大的经济效益和社会影响“”。 专家系统是一个( 一组) 计算机程序，它能借助人类的知识 采取一定的搜索策略并通过推理的手段去解决某一特定领域的困 难问题。目前，专家系统已成为世界各国最热门的竞争性研究目 标，开本把专家系统作为第五代计算机研究的核心内容，英国已 将专家系统智能数据库列为国家四大重点项目。我国对于专家系 统的研究工作起步较晚，但经过了十几年的艰苦努力，已经在理 论研究和应用丌发方面取得了很大进展，在中医治疗、油井记录 分析、地震预测、气象预报、军事指挥、作战模拟等方面研制了 一批专家系统，取得了明显的经济效益和社会影响。 在现实生活中，各个领域的专家能够依据他们的学识，依捌 他们积累起来的经验和练就的本领，解决现实中的许多问题。那 么，如何应用人工智能同趋成熟的各种技术，将专家的知识和经 验以适当的形式存入训算机，利用类似专家的思维规则，对事例 的原始数据，进行逻辑或可能性的推理、演绎，并作出判断和决 第二章仿真技术- i 专家系统发j l ：d 计jl 下电器测试j 管理系统中的心用 策，这就是专家系统的任务。专家系统通常是要完成那些需要捌 有专门知识的领域专家在几分钟或几个小时内完成的量大而性质 相对重要的任务，如诊断、规划、决策等等。专家系统通常要考 察大量的可能性，或者况动念地建立解决问题的方法。 二专家系统的功能 根据定义，专家系统应具备以下几个功能： 存储问题求解所需的知识； 存储具体问题求解的初始数据和推理过程中涉及到的各种 信息，如中间结果、目标、子目标以及假设等： 根据当前输入的数据，利用已有知识，按照一定的推理策 略，去解决当i j 问题，并能控制和协调整个系统： 能够对推理过程、结论或系统自身行为作出必要的解释， 如解题步骤、处理策略、系统求解某种问题的能力、系统如何组 织和管理自身知识等； 提取知识获取，机器学习以及知识库的修改、扩充和完善 等维护手段； 提供一种用户接口，既便于用户使用，又便于分析和理解 用户的各种要求和请求。 这罩强调指出，存放知识和运用知识进行问题求解是专家系 统的两个最基本功能。 三专家系统的结构 从结构组织的角度来看，专家系统是一个由存放专门领域知 识的知识库，以及一个能获取和运用知识的机构组成的解释程序 系统。专家系统的一般结构包括六个部分：知识库、推理机构、 综合数据库、人机接h 、解释程序以及知识获取程序，如矧： 第二章仿真技术j 专家系统及j c 札机车i 邑器测试与管理系统中的心用 所示。其中知识库、推理机构和综合数据库是目前大多数专家系 统的主要内容，而知识获耿程序、解释程序和专门的人机接口是 所有专家系统都期望具有的三个模块，但它们并不是都得到了实 现。 图3 3 专家系统的一般结构 冷知识库用以存放领域专家提供的专门知识( 包含与领域相关 的事实及启发性知识) ，一般常识和普适规则等等。专家系统的 问题求解是运用专家提供的专门