（控制理论与控制工程专业论文）磁浮列车运行控制系统相关性质及辅助停车区特性研究.pdf

浙江大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 站以及辅助停车区设置供电轨。 如果列车故障时停在辅助停车区以外的地方，那么即使维修人员将故障排除 以后，列车也会因为供电不足而无法悬浮，造成列车无法启动的状况。 所以，要保证磁悬浮列车顺利、安全的运行，需要合理的选择线路，并根据 线路特点确定理想的运行速度曲线，并实时对列车的运行速度进行监控，以保证 列车在出现故障的时候，能够准确的停靠在辅助停车区上。 而对于我们的研究，需要更深入的了解辅助停车区的特性，结合线路特点来 确定辅助停车区的长度以及两个辅助停车区之间的距离，在保证列车安全运行的 情况下，尽量的减少辅助停车区的长度，增加两个辅助停车区之间的间隔距离， 以减少花费在辅助停车区上的建设费用。 辅助停车区设置的一般原则： 辅助停车区应设置在适合疏散和安全停留( 地面或平台) 的区域： 辅助停车区的布置应满足运行组织的要求( 组织方式及间隔要求) ； 辅助停车区的布置应保证车辆正常运行的速度曲线与牵引系统的设计 运行曲线一致； 在大坡道地形的坡底及坡顶附近应设置辅助停车区； 在道岔、桥梁、大坡道坡面以及恶劣地形等区域不应设置辅助停车区： 除h o p 点外，辅助停车区一般不能跨越分区。 除了上述的辅助停车区设置原则外，辅助停车区的设置还要考虑如下一些因 素： 运行控制系统 如：列车安全运行的步进控制方式： 牵引系统及车辆系统 如：正常运行速度曲线、最小速度曲线、正常制动曲线、最大制动曲线、 列车长度及分区布置等； 运输组织 如：站停、通过、限速、单双向运行等； 线路配置数据 如：纵坡、地形、桥梁、隧道等； 其他特殊要求 浙江大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 如：限速区域、必须停靠区域等。1 4 问题的提出 日本超导磁浮系统与德国transrapid磁浮系统是当今世界两个最先进的高速 磁浮铁路系统，它们代表着磁浮铁路技术的最高水平。 两种高速磁浮系统有着各自的特点和优势。相对来说，德国transrapid系统 的安全速度防护对我国来说更适合更符合我国的国情。德国t r a n s r a p i d 系统在铁 本要比日本超导磁浮系统低。另外，在故障紧急制动时，德国transrapid系统采 用涡流制动，这相对于日本超导磁浮系统的空气动力制动来说，在制动效率和维 护上都有一定的优势。同时，涡流制动技术是当今机车制动技术的一个发展方向， 对这方面的研究可以带动我们机车基础技术的发展。 但是德国transrapid磁浮铁路是一个非常封闭的技术系统，它采用的各项技 术都是对外保密的。我国要发展高速磁浮铁路。首先着力研究磁浮列车运行的安 全性和可靠性。同时需要研究的还有如何避免或故障发生时的人身伤亡和财产损 失。所以磁浮列车运行控制系统设计以及运行安全研究是目前我国高速磁浮铁路控制系统研究的一个热点。 而我们对磁悬浮列车线路特性的研究，对列车的速度曲线进行优化。在此基 的磁浮列车线路的造价。使得磁悬浮技术在国内的应用前景更加广阔。目前国内对辅助停车区方面的研究还比较少，尤其是对辅助停车区的诸多特 性我们尚不清楚，从而导致设计上的盲目性。而我们的研究可以在这方面进行优 化，以达到降低磁浮线路造价，更好的保证列车安全的目的。 磁浮列车辅助停车区需要研究几个问题： 1 ) 研究磁浮列车辅助停车区的特性，了解各影响因素辅助停车区设置的影 响。 2 ) 结合线路特征，提出一个合理的辅助停车区设置方法。 6 浙江大学硕士研究生学位论文 第二章磁悬浮列车速度曲线监控 第二章磁悬浮列车速度曲线监控 2 1 磁浮列车运行控制系统 磁浮列车运行控制系统是与磁浮交通系统的车辆、牵引供电、线路以及道岔 等设备或系统协同配合，为实现列车运行控制、安全防护，并为车辆、牵引供电、 线路提供指挥、控制及通信的平台。 t r a n s r a p i d 运行控制系统作为一个安全控制与防护系统，其基本任务是控制 列车的运行，确保列车运行的安全，提高运输组织的效率，实现列车运行的自动 化，所以，磁浮列车的运行控制系统不仅仅是实现列车运行的安全控制和防护， 它还兼有列车运行的管理和列车运行的调度等功能，其基本功能有： 1 操作与显示 指在操作员终端系统的控制台上接受操作员指令和显示整个系统的运行状 态。 2 驾驶顺序控制 对列车自动运行功能以及操作与显示功能所发出的命令进行检查，如果检查 通过，则发送给相应的功能模块。 3 进路防护 给列车分配轨道。并对其进行防护。 4 道岔防护 监控道岔状态，并将该状态安全地在中央控制系统的操作员控制台上显示。 5 牵引切断 在必要时切断牵引供电。保证在任何运行模式下执行切断后，都不会再有牵 引电流或制动电流流向轨旁电缆。当列车运行中出现需要进行安全牵引切断的情 况时，分区安全计算机撤回牵引供电释放命令，分区牵引切断立即安全地切断牵 引供电。这个动作是通过两部分实现的，即电子切断和电气切断。 6 列车防护 系统中列车的登录、列车的状态、列车的安全悬浮、列车的运行模式和列车 的安全制动等内容。 8 浙江大学硕十研究生学位论文 第二章磁悬浮列车速度曲线监控 当列车速度低于最小速度曲线时，分区控制系统将实施牵引切断。 停车点步进控制。停车点步进控制由分区控制系统和车载控制系统共同完 成。分区控制系统接收车载控制系统传来的步进请求，检查分区控制系统对停车 点步进的条件是否满足。如果任意一个条件没有满足，则分区控制系统发出否定 的确认报文绘车载控制系统。如条牛全部满足，则分区控制系统完成自身的停车 点步进，同时，发出肯定的确认报文给车载控制系统。 人工强制停车控制。在系统运行过程中，操作员可以根据需要，利用强制停 车到当前或指定停车点操作命令要求列车立即强制停车到当前停车点或强刽停 车到指定停车点。人工强制停车的功能由分区控制系统和车载控制系统共同完 成，表现为禁止停车点步进。 2 1 2 速度曲线监控的概念 速度曲线监控功能对列车当前位置的速度进行监视，以确保列车速度在任何 时刻均处于所设定的速度范围内，即处于安全驾驶状态。 速度曲线监控功能监视线路允许的最高速度，以及到当前停车点所需的最小 速度。通过由最大允许速度和最小所需速度构成的速度范围，确保列车不进入危 险速度区域。在正常运行时，所允许的速度范围始终处于系统的安全监视之下。 线路的最高速度限制一般是由线路本身的状况决定的，比如在列车经过市区 的时候考虑到减少对居民的影响，需要把列车的速度限制在一个较小的范围。 或者在上坡、转弯以及过隧道的时候，都需要对列车的运行速度做一个限制，以 免列车出意外。 而列车的最小速度限制主要是因为磁悬浮列车本身的原因。只能停靠在车站 以及辅助停车区。所以为了保证列车在出故障( 如牵引系统出问题) 的时候，能 够依靠列车自身的势能运行到最近的辅助停车区，需要对列车的速度做一个限 制，一旦速度低于最小速度值，说明如果这时候列车的牵引系统出故障，那么列 车将没有足够的动力停靠到下一个辅助停车区，这种情况是不允许的。 我们的速度曲线监控正是为了保证列车运行在最大速度和最小速度之间的 一个速度允许范围内，以保证列车运行的安全。 为了更好的实现列车运行的速度曲线监控功能，运行控制系统对线路上的停 j 0 浙江大学硕士研究生学位论文 第二章磁悬浮列车速度曲线监控 车区定义了可达点和危险点的概念。 可达点是指在辅助停车区内系统设计的列车至4 达的目标停车地点。危险点是 运行控制系统从安全防护角度定义的线路上特定的停车区域极限边界点。停车点 和危险点之间保持一定的安全距离。 2 3 磁浮列车运行时的受力分析 为了定量计算磁悬浮列车的最大和最小运行速度曲线，我们有必要对磁悬浮 列车运行时的受力情况进行分析。 高速磁悬浮列车在正常运行的情况下主要受以下几个力的影响： 1 同步直线电机的牵引力或者制动力 牵引力由同步直线电机提供，根据不同的路况和速度曲线的要求，输出牵引 力或者制动力。 2 空气阻力 根据经验公式，空气阻力可以表示为： f a = w l v6 2 ( n ) 式中，v 表示列车的运行速度，单位m s ；w 1 为列车运行时的空气阻力系数。 w l 的计算公式为： w l = ( o 5 3 + 州2 + 0 3 ) + o 5 + p l + c x s f 其中： n 为列车的编组车辆数，一般为5 l o 节，在上海磁浮线中取8 节； p l 为空气密度； c x 为空气阻尼系数； s f 为列车前端部的面积。 根据德国t r 0 8 磁悬浮列车在标准大气条件下w l 的估算值及计算出的其他 列车编组数时的值w i 如下： n23 468 o l 弼( 刖s “n r ) 3 2 04 1 65 1 27 0 48 9 6- 。8 8 表2 1 列车不同编组对应的w 1 浙江大学硕士研究生学位论文 第二章磁悬浮誊莲羹喜耋要蠹霾 霎雾。塑鋈薹 埘嚣墅氍她日朔鹚雒删撒鐾力神翔州甄魏酢醣獒翟；蓁粪囊蚕蒌霎妻囊雾霎霪 攀漭j 吲冈j 带劐i 嘲舅叫霉裂瓮器捌引萎群搿剐鹭蛋出! 箍裳簏鲜乳瓣鹫耗鞴 豁臻螅一越挈i 羽嘤朗彳瓣瘩j 强i 撼淄游编溺舅矗耀霸垲。珀掣毳氆编滋港塌 鳌罐臻竣箍撇掩诧蛰搿掣蜘屠j 豁韩稚雌甜辨燃拍铺妊爵嚣耐罄! ；0 存在的一些不足之处做了 浙江大学硕士研究生学位论文第三章磁浮运行牵引控制仿真系统及其相关通讯特性分析 第三章磁浮运行牵引控制仿真系统及其相关通讯特性分析 3 - 1 磁浮运行牵引控制仿真系统概述 为了更好的研究磁悬浮运行控制系统的特点，我们建立了一个磁悬浮列车运 行牵引控制仿真系统。 该仿真系统设计采用面向对象的程序设计思想。软件设计根据功能要求实现 模块化。利用我们做好的磁悬浮列车直线电机运行的仿真模型，将列车的数据送 到电机模型中，让模型根据数据去运行。并可显示实时运行曲线图，实时运行地 理图模拟，铁路各路段列车运行速度和位置指示，模拟列车故障下紧急刹车过程 等功能。 通过我们建立的仿真模型，我们能更好的模拟列车的运行情况，并研究各种 异常状况下列车的运行情况。比如列车在运行过程中的参数变化，在理想计算中 一般将这些参数作为常数来计算，但是通过模型我们可以实时计算列车参数发生 变化时对列车的影响，并研究控制算法如何对这些参数的变化进行补偿，以保证 列车的平稳运行。另外，我们也可以通过这个系统模拟列车在故障状态下的运行 情况，这对我们研究列车的安全运行起到很大的作用。再者，通过系统仿真列车 的实时性问题，研究在系统传输有时延的情况下对系统的影响等等。 图3 1 所示的为系统的基本结构框图。 p l c 控制模块 牵引仿真模型 图3 1 仿真系统基本结构框图 渐扛人学硕士研究生学位论文第三章磁浮运行牵弓l 控制仿真系统及其相关通讯特性分析 磁悬浮列车由于列车速度快、密度大，因此，对列车的安全运行提出了更高 的要求。磁悬浮列车的运行控制必须实现计算机集中调度控制。与传统铁路运输 相比，高速磁悬浮铁路运行系统具有以下特点： 1 列车运行集中调度和指挥。 中央控制系统负责磁悬浮铁路上列车运行的实时信息、安全信息的实时处 理，建立安全信息实时监测、传输、处理和决策的控制中心。能够保证在故障条 件下及时报警和紧急处理，给出必要的自动减速控制。以保证所有行车的安全。 2 磁悬浮列车与地面的快速信息交互。 高速磁悬浮列车的驾驶基本上无需司机干预。它完全可以的计算机控制下快 速安全运行。因此，列车上的状态和信息必须及时反应到地面控制系统上。由于 磁悬浮列车的加速、减速、制动、岔道控制都是由地面控制系统完成的。因此， 高速、大容量的实现地面和列车的信息实时传输与自动交换。 3 关键设备的实时状态自诊断。 列车、供电设备、通讯系统等关键设备必须具备自诊断功能，并能将信息及 时传送到列车运行指挥中心。以保证磁悬浮铁路列车的安全运行。 因此，我们的仿真系统也需要更多的考虑列车的安全以及实时性等方面的问 题。这一方面需要合理选择构成模型的硬件在冗余、运行速度等方面的性能，另 一方面，也要对系统通讯问题进行规划，采用合理的通讯方案以保证列车的实时 性性能。 3 2s o c k e t 通讯 模型中安全计算机和监控计算机之间的通讯采用s o c k e t 方式通讯。 这两者是磁悬浮列车运行控制系统的重要组成部分，保证这两者之间及时畅 通的通讯是列车安全运行的重要保证。 w i n d o w ss o c k e t ( 一般简称w i n s o c k ) ，是定义介于w i n d o w st c p i p 客户端 应用程序与t c p i p 的协议栈之间的项标准介面，程式设计者于w i n d o w s 上所 写的网络软件( 如t e l n e t ，f t p 等) ，只要支持w i n s o c k 的规格，他就不需要顾 虑所使用的网卡是哪家的产品，因为w i n s o c k 所提供的程式库w i n s o c k d l l 会负 起与网路底层沟通的工作，进而使得设计者能设计出更多功能或者更加贴近用户 浙江大学硕士研究生学位论文 第三章磁浮运行牵引控制仿真系统及其相关通讯特性分析 的网络软件。 s e n r e rc l i e n t w s a s t a r t u p ( ) s o c k e t ( ) b i n d ( ) i i s i e n ( ) a c c e p t ( ) c i o s e s o c k e t ( ) w s a s t a r t u p ( ) g e t h o s t b y n a m e ( ) s o c k e t ( ) c o n n e c t ( ) c i o s e s o c k e l ( ) 图3 2s o c k e t 连接建立的基本构架 在网络通讯中，由于网络拥挤或一次发送的数据量过大等原因，经常会发生 交换的数据在短时间内不能传送完，收发数据的函数因此不能返回，这种现象叫 作阻塞。w i n s o c k 对有可能阻塞的函数提供了两种处理方式，阻塞和非阻塞方式。 在阻塞方式下，收发数据的函数在被调用后一直要到传送完毕或者出错才能返 回。在阻塞期间，被阻的函数会不断调用系统函数g e t m e s s a g e ( ) 来保持消息 循环的正常进行。对于非阻塞方式，函数被调用后立即返回，当传送完成后由 w i n s o c k 给程序发一个事先约定好的消息。 在编程时，应尽量使用非阻塞方式。要实现非阻塞方式通讯，可以通过 w i n s o c k 的异步选择函数w s a a s y n c s e l e c t ( ) 来实现。方法是由该函数指定某种 网络事件( 如：有数据到达，可以发送数据，有程序请求连接等) ，当被指定的网 络事件发生时，由w i n s o c k 对程序发送由程序事先约定的消息。程序中就可以根 据这些消息做相应的处理。 使用w i n s o c k 的时候应该要注意，在程序开始时要调用函数w s a s t a r t u p ( ) 初始化w i n s o c k 的动态连接库。当程序退出时，要关闭所有的s o c k e t ，并用函 数w s a c l e a n u p ( ) 释放w i n s o c k 的资源。 另外，要使用w i n s o c k ，还需要在程序初始位置添加头文件”w i n s o c k 2 h ”， 并且在p r o j e c t 一 s e t t i n g - l i n k 里面的o b j e c t l i b r a r ym o d u l e s ：下面添加 浙江人学硕士研究生学位论文第三章磁浮运行牵引控制仿真系统及其相关通讯特性分析 w s 2 3 2 1 i b 。 通过以上设置和步骤，我们便在安全计算机和控制计算机之间建立了通讯连 接。采用s o c k e t 通讯，其通讯实时性好，通讯效率高。并且在v c 环境下与后面 所介绍的通讯完全兼容。能满足仿真系统的要求 3 3 以太网通讯 以太网通讯用于模拟系统中解决p l c 与安全、监控计算机的数据传输问题。 基于磁悬浮列车系统的特点，仿真系统要求很高的安全性能，在列车设备故 障的情况下依然能保证列车的安全运行。所以在确定p l c 模块的时候选择高性能 的p l c ，可以保证系统不但在正常情况下能够实现快速、准确的高效率通讯，而 且即使在恶劣条件下，在设备出故障的条件下，依然能最大限度的保证通讯的正 常，保证列车上旅客的安全。在这里，我们选择了西门子的s 7 4 0 0 hp l c 。 1 西门子s 7 4 0 0 hp l c 简介 工业设备对自动化程度的要求不断在提高，这种现象导致系统的可用性越来 越重要。由于维护工作不够健全而导致故障甚至停机所付出的代价是昂贵的。特 别是在我们磁悬浮列车运行系统中。因为列车的运行速度非常快( 普通运行时 4 3 0 k m h ) ，在这么高的速度下，一旦出故障而系统的容错性不好，那么其后果是 相当严重的。而这正是我们选择s 7 4 0 0 h 的最重要的一个原因。 s 7 4 0 0 hp l c 是一款容错控制器，容错控制器能显著地降低所不希望地停止 生产或者事故地风险。与降低风险和潜在地节省相比，这种系统地高成本就显得 微不足道。而磁悬浮系统这样一个特殊地应用场合里，容错和故障安全系统是必 须的。 其次，在磁悬浮列车运行系统中，通讯的数据量很大，这就需要我们的p l c 控制模块具有响应时间短、通讯速度快、效率高的特点。s 7 4 0 0 h 适用于下列应 用： 需要有强大功能的c p u 需要短的切换时间( l o o m s 的热备时问) 满足附加的容错要求 对于s 7 4 0 0 hp l c 的配置为：配置有2 个标准的子机架( u r l 和u r 2 ) ，为了 浙江大学硕士研究生学位论文 第三章磁浮运行牵引控制仿真系统及其相关通讯特性分析 可用性子机架必须完全地彼此隔离，这种结构能很好的适应可用性的要求。在每 一个中央控制器内插入一个c p u 和一个电源模块。 每种c p u 类型有4 个不同的接口：1 个p r o f i b u sd p 接口，将s i m a t i cs 7 4 0 0 h 作为主站连接到p r o f i b u sd p ；2 个用于安置同步模块的接口( 用于实现两个c p u 之间的同步) ；1 个可用作p r o f i b u sd p 接口或m p i ( 多点接口) 。其中，上述的 最后一个接口接口可以用作程序或制定参数；控制或可视化( 操作员接口) ；建 立起一个简单的网络结构。 $ 7 - 4 0 0 h 集成了高可用性的通讯功能，当发生故障时，高可用性的通讯能自 动的继续进行，但对用户是透明的。 图3 3 高可用性的通讯示意图 综合以上考虑，选择s 7 4 0 0 hp l c 完全可以满足系统需求。 2 s 7 4 0 0 hp l c 容错功能的实现 s 7 4 0 0 hp l c 使用冗余的方式来获得较高的容错性功能。$ 7 - 4 0 0 h 是按冗余 方式设计的，可以在任何事件发生后继续使用。这牵涉到一个冗余节点的概念。 冗余节点代表了带有容错器件的系统的容错性，节点内一个元件发生故障时 不会影响和它相连的其他节点或者整个系统的可靠性，这就是冗余节点的独立 性。冗余节点链接中最薄弱的环节决定了整个系统的可用性。冗余节点链中的最 弱链路决定了整个系统的可用性。 冗余系统具有以下特点： 平滑的转换。在容错模式下，2 个子单元均处于激活状态，当发生故障时， 从中断点，由未受损坏，保持良好的单元以不丢失任何数据的方式接替后续过程 1 9 浙江大学硕士研究生学位论文 第三章磁浮运行牵引控制仿真系统及其相关通讯特性分析 的控制。 集成的出错检测和局部化功能使用自诊断功能。在错误没有影响过程之前， 系统能检测并发送出错信号。因此可以获得更好的容错性，并且可以根据出错信 号更换有故障的部件以明显缩短修复时间。 $ 7 - 4 0 0 h 设计作为s i m a t i cs 7 系列中功能最强大的成员之一，因而能充分利 用全继承自动化的优势。即大多数有关冗余的功能对用户时透明的。而这一点的 好处是十分明显的：与通常的冗余系统有根本的不同，我们可以把所有的经历集 中与我们实际要处理的事务，可以忽略冗余专用的功能。也就是说，我们在使用 s 7 4 0 0 hp l c 的时候，不需要为哪些数据应传送给后备单元，哪些命令是允许的 等等问题所困扰。 对于s 7 4 0 0 hp l c ，要实现容错的功能需要进行以下设置： 1 ) 在s i m a t i cs 7 中配置好相关硬件 2 ) 连接好两个冗余c p u 之间的光纤 3 ) 运行系统，让两个c p u 都处于运行模式 设置好以后，系统会在p l c 出故障的时候，自动切断当前的故障设备，把冗 余设备切换到工作状态。保证了系统在故障的时候仍然能正常工作，实现了容错 的功能。 3 s 7 - 4 0 0 hp l c 与计算机之间的通讯 西门子公司的p l c 具有极高的可靠性，在工业控制中被大量用来执行现场的 控制任务，但是它的人机接口功能远不及p c 。常常把p l c 和p c 通过通信接口连 接起来，用p c 作为上位机，实现系统的监控、人机接口、与上一级网络( 如工 业以太网) 的通信等功能，可以使二者优势互补，组成一个功能强大、可靠性高、 成本低的控制系统。因此在工业控制系统中，p c 和p l c 之间的通信是最常见的 又是最重要的通信之一。 目前模块化s 7 系列p l c 在工业控制中应用很广，但s 7 4 0 0p l c 与计算机之 间的通讯协议并未公开，研究数据通讯过程中的软硬件配置方法和软件层次结构 对于指导过程控制系统的开发具有实际意义。 p c 和p l c 之间进行数据通信时可以采用多点接口( m p i ) 、p r o f i b u s 或是以 太网。其中，多点接口( m p i ) 和p r o f i b u s 的物理层是r s - 4 8 5 ，传输速率最大 2 0 浙江大学硕十研究生学位论文第三章磁浮运行牵引控制仿真系统及其相关通讯特性分析 只有1 2 m b i t s ，当需要传输大量数据时，通信速度肯定跟不上需求。而交互式 以太网、全双工以太网和虚拟局域网技术的出现以及自适应的l o o m b i t s 快速以 太网的成功运行降低了以太网相应时间过长、吞吐量低、冲突率高的不利影响， 使得以太网也可以应用于实时性要求较高的工业控制领域。因此，我们考虑通过 以太网实现p c 和p l c 之间的数据通信。 西门子公司通过s i m a t i cn e t 提供了开放的、适用于工业环境下的以太网通 信系统。 s i m a t i cn e t 支持i s o 传输协议和t c p i p 协议。在实际应用中我们采用了 s a p i ( s i m p l ea p p li c a t i o np r o g r a m m e r si n t e r f a c e ) s 7 编程接口。s a p is 7 编 程接口可以内嵌在编程设备、p c 或工作站的用户程序中，使之可以通过工业以 太网访阀s i m a t i cs 7 系统。它是一个简单的c 编程接口，可以作为c 函数库被 应用程序调用。s 7 通信属于o s i 参考模型第七层应用层的协议，它通过不断地 重复接收数据来保证网络报文的正确。 s i m a t i cn e t 提供了大量函数用于将p c 机接人工业以太网。s i m a t i cn e t 软 件可以集成到用户开发的任何应用程序中来处理工业以太网的通讯事务。可以应 用与西门子的s i m a t i c 编程设备和个人计算机。 在p c 上，s 7 通信需要通过s a p i s 7 接口函数来实现。s i m a t i cn e t 中集成 了这种接口函数，因此p l c 和普通网卡间通信就可以通过统一的接口进行。通过 s i m a t i cn e t 和s t e p 7 配置好o p c ，建立起p c 和p l c 之间的s 7 连接，并将其下 载到p l c 和p c 上。o p c 的基本功能是数据访问，为服务器客户端结构。在p c 上编写客户端程序，就可以通过接口程序访问服务器，从而与服务器另一端的 p l c 进行数据交换。 3 4v c 与磁浮牵引仿真系统模型的接口 我们的仿真模型是基于m a t t a bs i m u l i n k 环境的，而前面所介绍的s o c k e t 通讯和以太网都是在v c 环境下的，所以要想把列车数据送到电机模型，就需要 一个能联系v c 和m a t l a b 的接口。 在这里。我们采用c o m 控件来实现。 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d u l e 组件对象模型) 是w i n d o w s 对象的二进制标 浙江人学硕士研究生学位论文第三章磁浮运行牵引控制仿真系统及其相关通讯蹙兰! 坌塑 准。为w i n d o w s 提供了统一的，面向对象的，可扩充的通讯协议。这意味着描述 一个对象的可执行代码( d l l 或。e x e 文件的代码) 可以被其它对象执行。即使两 个对象使用不同语言来编写的，他4 f n 以用c o m 标准来进行通信。m a t h w o r k s 公 司在m a t l a b 6 5 中推出了将m a t l a b 中的i l l 函数编译为c o m 组件的工具c o m b u i l d e r ，使用这个工具可以制作出想要的t o m 组件，以供其它支持c o m 的编程 语言调用，实现m a t l a b 和其他编程语言的整合。 要完成调用，需要做以下几步工作： 1 设置m a t l a b 编译环境 需要做的是设置m a t l a bc o mb u i l d e r 所使用的外部编译器。并根据提示选 择合适的编译器。另外，如果是第一次设置编译环境的话还需要通过输入命令行 来为m a t l a b 注册会m w c o m u t i l d l l 和m w c o m m g r d l l 文件，这两个d l l 文件是 m a t l a bc o mg u i l d e r 生成的c o m 组件的基础，所有生成的c o m 组件都会使用到 这两个d l l 。 2 使用m a t l a bc o mb u i i d e r 制作需要的t o m 组件 使用m a t i a b 的c o mb u i l d e r 制作c o m 组件非常的容易，在c o n _ n a n dw i n d o w s 里面输入c o m t o o l ：就能打开m a t l a bt o mb u i l d e r ，新建一个工程并将要在v c 中调用的函数添加进去，然后编译就可以了。编译完成以后可以在当前目录的 d i s t r i b 文件夹里找到我们需要的链接文件。 3 在v c 中使用生成的t o m 用m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 的工具o l e v i e w e r 打开刚才编译生成的链接文 件，并分别另存为h 和c 文件，并将这两个文件包含到我们的v c 工程里面就可 以了。要注意的是，我们的工程必须要支持m f ca p p l i c a t i o n 。方法是在新建工 程的时候把工程类型选择为m f ca p p w i z a r d ( e x e ) 。 接下来的任务就是在v c 里调用m a t i a b 函数了，要调用m a t l a b 的函数需要 在程序中完成一下几个步骤： 1 ) 包含必要的头文件 2 ) 初始化c o m 库：c o i n i t i a l i z e ( n u l l ) 3 ) 创建组件实例使用函数c o c r e a t e i n s t a n c e 4 ) 使用相应的类中 浙江大学硕士研究生学位论文第三章磁浮运行牵引控制仿真系统及其相关通讯壁丝坌塑 5 ) 析构组件实例使用类的方法r e l e a s e 6 ) 释放c 0 ) 4 库：c o u n i n i t i a l i z e0 ： 经过以上的几个步骤以后，我们成功的建立了v c 和m a t l a b 的数据连接。 3 5 牵引控制系统仿真模型 前面几节完成了整个仿真系统的数据通讯的工作，之后我们就可以将模拟磁 悬浮列车运行控制系统和牵引控制系统的数据流向情况，将数据送到我们的牵引 控制系统的电机模型中，让电机模型根据我们给定的线路情况以及速度曲线运 行。 图3 4s i m u l i n k f 的电机仿真模型结构图 该模型采用最常规的p i 调节器作为速度和电流回路的控制器；t r 0 8 模块是 长定子直线电机模型；包含风阻，涡流阻力，以及发电机产生的阻力等模拟列车 所受阻力的模块；采用s v p w m 算法来生成电流调节的逆变器的脉冲。通过对 模型中列车的运行速度与我们输入的速度曲线等数据进行运算，模拟来实现列车 的运行速度的控制。 通过模型的运行表明，整个系统的数据传输的速率比较高，能满足模拟仿真 的高数据传输速率的要求。 浙江大学硕士研究生学位论文第四章磁悬浮列车线路特性分析及沪杭线线路规划 第四章磁悬浮列车线路特性分析及沪杭线线路规划 4 1 磁悬浮列车线路结构的特点 磁悬浮列车能够在离开地面一定的高度高速运行，但不能象飞机一样以空气 为依托，因而在地面上必须有一个坚实可靠的支承和导向系统，即列车的线路系 统。它包括轨道设备及其支承结构。轨道设备包括轨道结构两侧磁性导向板、顶 部滑行板、定子铁芯和线圈、供电轨等，磁悬浮列车的无接触支承、导向和驱动 就是依靠上述轨道设备和磁悬浮列车支承导向系统相互作用来实现的。轨道结构 在构造上应能满足轨道设备的安装、悬浮和驱动等受力要求。此外，还必须满足 磁浮列车在不同环境条件下运行的舒适性和安全性的要求。 1 线路主要特点 优弧磁浮列车系统车辆与轨道之间的无接触、无磨损的支承和导向，无接触 的牵引和制动特性，对线路的曲线半径和爬坡能力有了极大的改善，为线路的选 线提供了较大的灵活性。 首先，转弯半径小。在曲线地段，为平衡侧向自由加速度，不论是公路还是 铁路，均设置横坡( 很高) 。速度越快，转弯半径越小，横坡值要求越大。由于 不存在轮轨接触，不会脱轨，磁悬浮列车在高速时也不会对轨道造成磨损，因此， 有可能采用较大的横坡：缓和曲线和横坡的线形，采用正弦曲线，其线形变化时 圆顺的，动力学特性比较好，不产生突变点，而且其横坡角度变化完全以舒适度 作为控制，不再受脱轨的制约。 其次，爬坡能力强。列车在坡道上运行时，除了其他阻力以外，回增加一个 沿坡道向下的重力分量。坡度越陡，载客越多，重力分量越大，对列车的牵引能 力的要求就越高。法国t g v 的最大爬坡能力为3 5 。磁悬浮列车的牵引能力和 轨道上供电能力较强，再加上没有轮轨黏着的限制，列车的爬坡能力可达1 0 。 2 磁悬浮列车轨道结构主要特点 磁悬浮列车轨道结构是将轨道设备安装在轨道梁上。轨道设备的主要部分是 轨道功能区，位于轨道结构的顶部两侧。 轨道功能区有三个功能面，包括顶板滑行轨面、两侧磁性导向板面及定子铁 浙江大学硕士研究生学位论文第叫章磁悬浮列车线照壁堡坌塑墨鲨堕垡堡堕塑型 芯底面。 定子铁芯底面，也称为定子面，是长定子直线同步电机的组成部分。电机的 定子沿整个线路铺设，电机的转子安装在车上。列车的牵引和制动，由地面固定 设备调节频率、电压、电流及相位角，通过长定子直线同步电机来实施控制。 磁性导向板面，也称侧面导向轨面，起控制列车方向的作用。 滑行轨面，则起在车站或辅助停车区等停车区域支承落下列车的作用。 图4 1 德国t r 高速磁悬浮列车原理简图 4 2 实际沪杭线线路规划 根据沪杭线线路特征，给出了一条具体磁浮列车运行线路的规划。考虑实际 的地形等因素，该磁浮线路数据如下：线路全长1 7 5 公里，其中： 共有弯道3 3 个，其中r 3 0 0 0 m 的1 4 个总长5 k m ，3 0 0 0 = r 6 5 0 0 m 的1 4 个，总长3 4 7 4 k m 。坡道t1 3 处，最大坡度为 7 3 ，其中最长的坡长9 5 6 0 m ，最短的坡长3 5 0 m ，平均的坡长为1 5 1 5 m 。 整条线路从上海龙阳站到杭州站，全程1 7 5 公里，中途停靠嘉兴站或不停靠， 直接从上海直达杭州。沿线分别在龙阳站，从上海出发沿线1 5 k m 处，5 4 k m 处， 9 4 k m ( 嘉兴站) 处，1 3 5 k m 处，1 7 1 k m 处设置变电站，共6 处。 其中龙阳站到上海南站，临平到杭州站两段路程之间因为都是市区，所以限 速2 0 0 k m h 。 塑垩查兰堡圭堕塞生兰篁堡苎 笙婴兰垡量堡! ! 主堡堕萱堡坌塑墨鲨蔓垡些塑i ! 裂 2 0 普通 9 5 4 3 0o 2 3 0 6 2 1 上坡道( 2 1 ) 0 3 54 0 0 o 3 2o 6 5 2 2 普通 2 2 1 5 4 3 0o 2 3 o 6 2 3 市区 52 0 0 o 9 5o 6 表4 1 磁悬浮列车沪杭线线路数据 根据表4 1 中的线路数据，画出沪杭线线路的平面图图下所示： 图4 2 沪杭线线路平砥图 根据表4 1 中的线路数据，画出沪杭线线路各路段最大运行速度值如下图所 图4 3 各路段最大运彳亍速度限制值 浙江大学硕士研究生学位论文 第五章列车理想速度曲线分析及优化 合理的运行方式是需要给定的时问内完成运行全程的，因此不可能降低平均运行 速度以此来降低克服阻力所做的功。 但是我们可以通过减小速度的波动来节约能源。很显然的，在平坦的区段上 运行时，降低运行速度的不均匀度，有利于节约能源。 另外选取合适的加速减速点，也有利于减少牵引力做功。比如在列车进入 下坡道之前，提前减速，避免下坡时制动，也有利于节约能源。 接下来，我们根据乘客舒适度的参数来设计列车的运行方案。 1 舒适度的定义。 舒适度与车辆中乘客区域的振动有关，是由线路各方向的加速度和冲击 x 浙江大学硕士研究生学位论文第五章列车理想速度曲线分析及优化 分项指标 牵引和制动加速度 = 1 0m s 2 = 1 0m s 2 ( 指向外侧) 自由侧向加速度 = 0 5m s 2 ( 指向内侧) 一0 5m s 2 ( 凸曲线) 法向加速度 = 1 0m s 2 ( t m 曲线) 表5 ，1 上海磁浮示范线列车加速度指标 因此，我们采用下表中所列的列车加减速度能乘客在舒适度方面感觉不到 太大的不适。 速度 k m h ) 加速度( m s 2 )制动减速度 m s 2 ) 1 0 0 0 9 50 9 1 2 0 0 o 9 1o 9 1 2 5 0o 8 8 o 8 3 0 0 o 6 80 7 5 3 5 00 4 90 6 5 4 0 0 o 3 2o 6 5 4 3 0o 2 3 o 6 5 0 0 0 0 40 。5 表5 2 实际列车n 减速度值 表5 2 提供的数据就是我们后面在软件生成列车理想速度曲线时实际采用的 列车在各个速度段时的加减速度值。这个结果在提供较大的列车平均运行速度的 同时，考虑了节能因素，并且对列车上乘客的舒适度问题进行了考虑，保证了列 车上的乘客不会有太大的不适感。 在这种运行方式下列车运行的特点可以总结如下； 1 以合理范围内的最大牵引加速度启动 2 在需要减速时，尽量采用惰行，通过列车运行的阻力来实现减速 3 通过合适的速度控制方式避免下坡道制动，尽可能少实施制动 浙江大学硕士研究生学位论文 第五章列车理想速度曲线分析及优化 4 在制动实施阶段尽可能大的制动减速度制动 5 。运行时减少速度的波动程度 5 2 理想速度曲线的生成 通过我们前面介绍的软件，我们可以根据规划好的沪杭线线路状况，生成理 想的速度曲线。 软件根据输入的路况信息，输出理想的速度益线，运行过程中进行如下步骤： 1 输入路况信息 2 寻找路况改变点 3 计算实际速度改变点 4 计算实际运行速度曲线 这里所说的路况改变点以及实际速度改变点都是我在软件计算理想速度曲 线过程中定义的两个概念。 步骤2 所说的路况改变点，指的是磁悬浮列车线路设定时，路况限速发生改 变的点。如表3 1 沪杭线线路数据所示的在距离上海站5 公里处市区路段和普通 磁浮路段的交界点。 下面给出了两种不同的路况改变点的情况。如图5 1 在5 0 0 m 以及1 5 0 0 m 处 所示。 浙江大学硕士研究生学位论文第五章列车理想速度曲线分析及优化 ： ；“ 誊捌j。j _ = _ ：叠曩 一 囊。 蓦i 薯罗 量 i 蔷 _ i j ； 蔓 砻薯。 曩j 蠹i i 蔷 z j j 蓦j 霄 左0 ；x 篝 嚣u 薹_ i 蒸i 一 麓 _ j _ i 瑚 ! ；i ；， 拶o 1 s o ；1 = j 一 j _ ”h _ j i 量伯0 算 、礁麟4 m 嬲瓣锐。一一攮曼垂鳓潮。臣埘鬻l 旗斛嚣肆l 曩_ i ；甜幻t 鬟：i i ：矧二盘 0 ： 。一，“5 。鼹蠢 “1 图5 1 两种路况改变点 步骤3 的所说的速度改变点，指的是列车在将运行到路况改变点时，需要根 据路况改变点的信息对车速进行调整，以保证： 1 列车的速度不超过路况的限速值 2 列车以尽可能大的速度运行，以节省时间 由于列车的加速度不可能无限大，所以我们需要在列车运行到路况改变点之 前就对列车的速度进行调整，从而满足我们这两个条件。 根据图5 1 中两种不同的路况改变点，我们分别做讨论。 1 从低限速段到高限速段 如图5 1 在5 0 ( b n 处所示，这种情况下的计算比较简单，软件中直接把当前 的路况改变点作为速度改变点，即从这个位置开始，以运行的最大加速度加速。 2 从高限速段到低限速段 如图5 1 在1 5 0 0 m 处所示，在这种情况下，列车必须提前开始减速，以保证 不会因为限速的减小而使得列车的当前速度超过路况的限制。 我们从路况改变点开始，反推列车的速度曲线，得到反推的速度曲线跟高限 速段限制速度值的交点，把这个交点作为我们的速度改变点。 浙江大学硕士研究生学位论文 第五章列车理想速度曲线分析及优化 图5 , 2 计算速度改变点的程序流程图 完成了2 ，3 两个步骤以后，我们就可以让列车开始计算实际的运行速度曲 线了，每当列车运行到速度改变点的时候，根据速度改变点的信息，确定的当前 列车加减速度，直到运彳亍到停靠站。 但是在实际软件运行过程中发现了这种算法的一些不足之处，在遇到以下情 况的时候将无法获得正确的速度曲线。 第一种情况，从高限速到低限速过渡时，由于限速区段太短，可能反推的制 动曲线跟高限速段的限制速度值没有交点，示意图如下： 3 5 浙江大学硕士研究生学位论文 第五章列车理想速度曲线分析及优化 3 0 0 2 8 0 2 6 0 2 如 、 莲2 2 要1 2 、 蓬2 0 0 、。 羲蔷 。 、 一一一 。 1 8 0 ! o 、 1 4 0 一i1 2 0 7 ，e 一 1 0 c 曩+ 一 卜盏蔚谶自，黛。巍粉。i 粤尬i n q o i 搿29 i 霉1 薄c l o i i i ! i l i ! 瞩目| 。誉2 1 8猢i 盘0 0 ； 距薄 i 忱一? ? 图5 3 反推制动曲线跟限速值无交点情况示意图 在正常情况下，图5 3 从1 5 0 0 m 反推回来的制动曲线应该跟2 0 0 k m h 的限速 值有一个交点的，现在因为2 0 0 k m h 限速值的限速区太短了，所以造成了这种错 误。 解决的方法： 1 错误的检测 在这种情况下，我们反推列车速度曲线，发现从2 0 0 k m h 减速到1 5 0 k m h 所 需要的减速距离大于2 0 0 k m h 限速区的长度。当出现这种现象的时候，就说明了 反推制动曲线跟限速值无交点这种错误的出现。 2 解决 正常情况计算下来，对1 4 0 0 m 处的路况改变点反推可以得到一个速度改变 点。然后在计算1 5 0 0 m 处速度改变点的时候发现出现了反推制动曲线跟限速值 无交点这种错误，这时候应该计算从1 5 0 0 m 处反推到2 5 0 k m h 限速值的速度改 变点，并且用这个计算得到的速度改变点替换之前由1 4 0 0 m 处路况改变点计算 得到的速度改变点。这样，列车在运行到1 5 0 0 m 反推的速度改变点的时候就开 始减速，能始终保持列车在限制速度范围内运行。 浙江大学顾士研究生学位论文 第五章列车理想速度曲线分析及优化 图5 4 反推制动曲线跟线路限速曲线无交点问题解决的程序流程图 第二种情况是由于限速段太短，反推的惰行曲线跟加速曲线产生交点。示意 图如下： 图5 5 制动与加速产生交点情况示意图 3 7 浙江大学硕士研究生学位论文第五章列车理想速度曲线分析及优化 如图5 5 所示，在正常情况下，从5 0 0 m 处列车加速的速度曲线跟1 5 0 0 m 处 反推的制动速度曲线是不会有交点的，但是因为图5 5 中3 0 0 k m h 限速区的限速 段太短，所以造成了两条曲线出现交点的情况。 1 错误的检测 计算列车从5 0 0 m 处加速需要的距离s 1 以及1 5 0 0 m 处反推制动需要的距离 s 2 ，如果s 1 与s 2 的和大于列车3 0 0 k m h 的限速区的长度，那么就认为错误出 现。 2 解决方法 在正常程序运行中计算得到5 0 0 m 处路况改变点的速度改变点。然后再计算 两条曲线：加速曲线和反推制动曲线的交点，把这个交点作为1 5 0 0 m 处路况改 变点的速度改变点。通过这两个速度改变点，使得列车在遇到这种错误的情况下 依然能顺利运行。 图5 6 制动与加速产生交点问题解决的程序流程图 图5 7 所示的就是在我们设定的沪杭线线路情况下，把实际的路况信息