針對(duì)難以進(jìn)行實(shí)物測(cè)試的大型被控對(duì)象(如重載列車)，西南交通大學(xué)的科研人員采用 MATLAB/Simulink 的基于模型設(shè)計(jì)流程，在半實(shí)物平臺(tái)進(jìn)行控制算法的快速驗(yàn)證。亮點(diǎn)包括：

MATLAB/Simulink 建模與算法開發(fā)

基于 STM32 的 HIL平臺(tái)實(shí)時(shí)測(cè)試

| 本文作者：西南交通大學(xué) 張吉烈博士

“通過(guò)桌面仿真和隨后的 HIL 測(cè)試快速驗(yàn)證控制實(shí)現(xiàn)和更改的能力，使我們的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程比傳統(tǒng)方法更快、更高效、更具成本效益?！?/p>

——張吉烈博士，西南交通大學(xué)

幾十年前，當(dāng)電子控制氣動(dòng) (ECP) 鐵路制動(dòng)系統(tǒng)被提出時(shí)，它解決了傳統(tǒng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)的幾個(gè)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)依賴于列車制動(dòng)管傳播的空氣壓力產(chǎn)生制動(dòng)力，這種方式存在制動(dòng)延遲、制動(dòng)力不均勻和顯著的縱向沖擊等問(wèn)題，這些問(wèn)題增加了車鉤力并延長(zhǎng)了制動(dòng)距離。ECP 制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)使用電子信號(hào)同時(shí)激活所有車廂的制動(dòng)器來(lái)解決這些問(wèn)題。

通過(guò)電子信號(hào)同時(shí)激活所有車廂的制動(dòng)器標(biāo)志著一個(gè)重大進(jìn)步，但 ECP 也有其自身的缺點(diǎn)。它缺乏自適應(yīng)性，無(wú)論車廂載重和地形如何變化，均施加相同的制動(dòng)力。一種稱為圍欄控制的策略——將列車分成多個(gè)分組(或“圍欄”)并對(duì)每個(gè)分組獨(dú)立施加不同的制動(dòng)力——這種方式可以有所幫助，但需要大量通信帶寬來(lái)管理發(fā)送到不同列車分組的信號(hào)。綜合來(lái)看，這些挑戰(zhàn)不僅限制了速度和載重量，還可能影響重載列車的可靠性和安全性。

在西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，我們開發(fā)了一種新型分布式協(xié)同制動(dòng)控制系統(tǒng)，解決了 ECP 系統(tǒng)的許多基本限制。通過(guò)這種分布式設(shè)計(jì)，每個(gè)車廂都配備了自己的微控制器，解決了帶寬和通信問(wèn)題，并能夠根據(jù)特定車廂特性和當(dāng)前地形計(jì)算自適應(yīng)制動(dòng)力。由于在重達(dá) 80 噸或以上的真實(shí)列車上測(cè)試該系統(tǒng)既不安全又成本高昂，我們使用 MATLAB 和 Simulink 通過(guò)仿真和硬件在環(huán) (HIL) 測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)的控制算法(圖1)。通過(guò)桌面仿真和隨后的 HIL 測(cè)試快速驗(yàn)證控制實(shí)現(xiàn)和更改的能力，使我們的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程比傳統(tǒng)方法更快、更高效、更具成本效益。

圖1. HIL 測(cè)試設(shè)置，包括示波器、氣缸、進(jìn)氣和排氣閥以及 STM32 控制板。

建立列車動(dòng)力學(xué)模型并運(yùn)行桌面仿真

在使用我們的控制算法運(yùn)行任何閉環(huán)仿真之前，我們首先需要一個(gè)列車動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)于項(xiàng)目的這一部分，一開始我們使用了一個(gè)第三方計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE) 軟件包進(jìn)行列車動(dòng)力學(xué)建模。我們發(fā)現(xiàn)該軟件包不便于控制算法開發(fā)、硬件部署和 HIL 測(cè)試，隨后更換使用 MATLAB 實(shí)現(xiàn)。

在 MATLAB 中，我們使用 200 多個(gè)常微分方程 (ODE) 進(jìn)行列車動(dòng)力學(xué)建模。這些 ODE 的關(guān)鍵參數(shù)包括列車速度和每節(jié)車廂的載重。為了驗(yàn)證我們的 MATLAB 實(shí)現(xiàn)，我們將該結(jié)果與 CAE 軟件包產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行了比較。

接下來(lái)，我們?cè)?Simulink 中創(chuàng)建了一個(gè)系統(tǒng)模型，使用 MATLAB Function 模塊將MATLAB 列車動(dòng)力學(xué)模型和控制算法結(jié)合起來(lái)。我們通過(guò) Simulink Coder 成功地將控制算法部署在 STM32 Nucleo 控制板上。我們使用該系統(tǒng)模型進(jìn)行了大量的仿真，改變內(nèi)部參數(shù)，如列車車廂載重，以及外部條件，如軌道坡度和曲率。我們用 MATLAB 可視化仿真結(jié)果，包括控制算法產(chǎn)生的牽引力和制動(dòng)力(圖2)，以及制動(dòng)時(shí)的速度(圖3)和車鉤力(圖4)。仿真結(jié)果不僅驗(yàn)證了算法的功能邏輯，還為控制設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了信息。事實(shí)上，通過(guò) MATLAB 批量生成 ODE 圖和其他圖表的能力使我們的整體效率提高了80%。

圖2. 重載列車在起伏條件下的制動(dòng)力控制曲線。

圖3. 長(zhǎng)距離下坡制動(dòng)速度(載重：30,000噸，初始速度80 km/h)。

圖4. 長(zhǎng)距離下坡制動(dòng)的車鉤力(載重：20,000噸，初始速度120 km/h)。

通過(guò) HIL 測(cè)試驗(yàn)證實(shí)時(shí)性能

一旦我們對(duì)控制算法的基本功能感到滿意，并通過(guò)桌面仿真進(jìn)行了驗(yàn)證，我們就準(zhǔn)備開始實(shí)時(shí)HIL 測(cè)試。在項(xiàng)目的這個(gè)階段，我們使用 Simulink Desktop Real-Time 在筆記本電腦上運(yùn)行嵌入 MATLAB Function 模塊的 Simulink 列車模型。我們使用 STMicroelectronics Nucleo 支持包(https://ww2.mathworks.cn/hardware-support/stm32.html#stm32-nucleo)將控制模型部署到 STMicroelectronics STM32 Nucleo 板上。筆記本電腦和 STM32 板通過(guò)串行 USB 連接，板子直接連接到制動(dòng)氣缸的電磁進(jìn)氣和排氣閥。

使用此 HIL 設(shè)置運(yùn)行測(cè)試時(shí)，我們監(jiān)測(cè)了制動(dòng)過(guò)程中在各種場(chǎng)景下制動(dòng)氣缸空氣壓力的變化，并觀察了進(jìn)氣和排氣閥的動(dòng)作。雖然我們的桌面仿真主要關(guān)注控制器的基本功能及其制動(dòng)力輸出，但我們的 HIL 測(cè)試則專注于控制器的實(shí)時(shí)性能及其與真實(shí)硬件的集成，特別是 k 控制電磁閥的開關(guān)狀態(tài)。在模擬列車運(yùn)行期間觀察壓力變化和實(shí)時(shí)閥門動(dòng)作的能力為控制器在現(xiàn)實(shí)條件下的表現(xiàn)提供了物理級(jí)驗(yàn)證洞察。

下一步

我們使用 MATLAB、Simulink 和 Simulink Desktop Real-Time 構(gòu)建的 HIL 測(cè)試平臺(tái)，使我們能夠證明我們的分布式協(xié)同制動(dòng)算法在實(shí)時(shí)操作環(huán)境中功能上是可靠的。隨著我們繼續(xù)完善和改進(jìn)算法，我們也計(jì)劃改進(jìn)仿真和 HIL 環(huán)境。例如，我們正在探索如何擴(kuò)展 Simulink 與 Simscape 的使用，利用電慣量模擬列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并最終建立一個(gè)物理臺(tái)架來(lái)模擬列車運(yùn)動(dòng)。

關(guān)于作者

張吉烈博士(https://faculty.swjtu.edu.cn/zhangjilie/zh_CN/index.htm)是西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的副教授。他在東北大學(xué)獲得了控制理論與控制工程博士學(xué)位。他的研究興趣包括多智能體協(xié)同控制和重載列車制動(dòng)控制。