一种清筛车半物理仿真试验台及其仿真方法与流程

本发明涉及一种清筛车半物理仿真试验台及其仿真方法，用于代替清筛机实物实验。

背景技术：

铁路运输是我国最主要的交通运输方式之一。当碎石道床的不洁度(按重量计算)超过30％时，道床弹性降低，使车辆与铁轨间的冲击增大，如此会降低车辆运行平稳性。为了保证行车安全，就应该周期性地进行清筛作业。清筛机此时便发挥作用：它在清理道砟的同时，将废砟和污土输送到线路以外，并回填清洁的道砟。

目前，清筛机作业采用“天窗”模式：即在清筛机作业过程中，该段铁路停止通车。在约180分钟的天窗时间中，清筛机作业时间只有100分钟，而剩余的80分钟被用于清筛机从停放点至工作点以及反向路程的行驶。由于只占总时间的56％，所以天窗利用率有待提高。在停放点与工作点中运行时的工况称之为高速走行工况，而实际工作时的工况称为工作工况。由此可以看出，区间高速走行作为辅助作业的重要组成部分，会直接影响天窗的利用率乃至铁路线路安全，需进一步深入研究。然而尽管对于高速走行系统有更新的需求，因清筛机的大体积和复杂液压系统，其实验条件苛刻且难以满足，高速走行系统的发展一直处于停滞状态。

在实验条件苛刻的现状下，半物理仿真系统的应用大量涌现。半物理仿真(Hardware-in-the-loop，HIL)是指在仿真回路中接入一部分实物用来代替数学模型的实时仿真，是目前可信度较高的仿真技术。一般而言，判断仿真好坏的直接因素是仿真系统曲线能否和实际系统曲线一致，但这种判断方式无法判断仿真系统的实时性能，因为“一致”性一般是基于仿真系统的离线数据。此外，大部分半物理仿真系统都不提供实时视觉图像，而在大型养路机械的设计中，需要引入实时视频对其监控，从而得到更直观的图像感受。

综上，一种能够代替清筛机实物实验，从而进行简易、高效，能够提供图像的实时新型半物理仿真平台亟待开发。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是提供一种针对大型铁路机械(如清筛车)，能够实时采集传导数据，且具备实时图像显示的半物理仿真平台。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种清筛车半物理仿真试验台包括三维实时显示计算机、实时仿真计算机、仿真管理计算机和硬件平台，所述的三维实时显示计算机、实时仿真计算机、仿真管理计算机用以太网构成局域网，实时仿真计算机通过UDP通信方式将模型的位置信息和速度信息传输给三维实时显示计算机，所述的实时仿真计算机与仿真管理计算机之间通过TCP/IP通信，仿真管理计算机包括自主操作界面、显示模块和保存模块，实时仿真计算机将仿真结果实时传给自主操作界面，显示模块进行曲线的显示，保存模块保存仿真数据便于后期处理，所述的硬件平台包括控制器，控制器通过数据采集卡与实时仿真计算机连接。自主操作界面由C#Winform搭建，实时仿真计算机中的清筛车仿真模型由xPC运行。

优选的，所述的实时仿真计算机中的清筛车仿真模型包括采集模块、发动机、插装阀组、排量控制模块、变量泵、变量马达、压力容器、机械系统和溢流阀；

所述的控制器控制采集模块；采集模块采集发动机转速、发动机和变量泵的负载转矩；排量控制模块分别控制变量泵和变量马达的排量，采集模块控制发动机油门开度、控制插装阀组，并通过排量控制模块间接控制变量泵的排量。

优选的，所述的实时仿真计算机将变量马达总效率、变量泵总效率、发动机耗油量、机械系统的加速度、速度和位移通过TCP/IP通信方式发送给仿真管理计算机的显示模块进行显示。

优选的，所述的硬件平台还包括操作手柄和信号输入端，操作手柄和信号输入端向控制器发送控制信号实现主动控制。

优选的，所述的硬件平台还包括传感器和液压系统，所述的传感器包括压力传感器、流量传感器、位移传感器，传感器与液压系统相连构成闭环控制，采集液压系统的压力、流量和位移。

优选的，所述的三维实时显示计算机是由3Dmax和Unity搭建的清筛机的实时三维显示模块，实时仿真计算机将机械系统的加速度、速度和位移信息发送给三维实时显示计算机，三维实时显示计算机实时显示模块，更新三维场景的地形地貌和轨道信息。

所述清筛车半物理仿真试验台的仿真方法包括如下步骤：

1)模型初始化，搭建清筛机模型，经过matlab自带的实时工具箱RTW生成可移植的dlm文件；

2)仿真管理计算机初始化，包括：

2.1)初始化操作界面，确保其正常工作；

2.2)初始化TCP/IP网络通信，与实时仿真计算机进行通信握手，确认网络畅通；

2.3)初始化二维曲线和仪表，在显示模块上绘制曲线和仪表；

3)实时仿真计算机始化，包括：

3.1)确保实时仿真计算机能够正常实时进行模型仿真；

3.2)初始化数据端口，确保其能采集控制器信号；

4)三维实时显示计算机初始化，初始化三维图形场景，在计算机显示器上绘制清筛机可视化模型和地貌轨道模型；

5)仿真管理计算机更新循环，包括：

5.1)接收实时仿真计算机的实时仿真结果数据；

5.2)更新二维曲线的数值；

6)三维实时显示计算机更新循环，包括：

6.1)接收实时仿真计算机发送的清筛机的位置和速度信息；

6.2)更新三维场景的地形地貌和轨道信息。

所述步骤5.1)中接收实时仿真计算机的实时仿真结果数据为清筛机的位置、运动信息，如位移、速度、加速度等。二维曲线以时间为横坐标，对数据进行实时显示，纵坐标为上述5.1所述的位置或运动信息。

所述步骤6.2)更新三维场景的地形地貌和轨道信息为：设置地形宽度，判断清筛机位移与1.5倍的地形宽度大小，一旦清筛机位移大于1.5倍的地形宽度，则该地形移动两个地形宽度，即移动至下一位置；如此，随着清筛机的移动，地形会持续更新。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

由C#Winform搭建的主操作界面，保证实时修改和交互数据，三维实时显示计算机、实时仿真计算机、仿真管理计算机三者之间用以太网构成局域网，能满足实时数据传递和交互，传递媒介分别为TCP/IP和UDP。

本系统在传统的半物理仿真系统的基础上，添加可视三维模型，交互界面友好，实时接收数据，且根据实时改变的清筛机运动参数，提供高真实度的仿真展示，在大型养路机械中具有广阔的应用前景。

本系统面向大型铁路设备高速走行系统，模块化程度高、实时性强、可视化程度高，利于混合编程和模块化组建，有效降低开发成本和运行成本，易于扩展，具有重要的工程实用价值。

附图说明

图1是本发明所述的仿真系统整体框架示意图；

图2是本发明所属的清筛机高速走行系统模型集成图；

图3是本发明所述的上位机控制流程图；

图4是本发明所述的实时内核功能框图；

图5是本发明所述的三维实时显示控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

如图1所示，一种清筛车半物理仿真试验台包括三维实时显示计算机、实时仿真计算机、仿真管理计算机和硬件平台，所述的三维实时显示计算机、实时仿真计算机、仿真管理计算机用以太网构成局域网，实时仿真计算机通过UDP通信方式将模型的位置信息和速度信息传输给三维实时显示计算机，所述的实时仿真计算机与仿真管理计算机之间通过TCP/IP通信，仿真管理计算机包括自主操作界面、显示模块和保存模块，实时仿真计算机将仿真结果实时传给自主操作界面，显示模块进行曲线的显示，保存模块保存仿真数据便于后期处理，所述的硬件平台包括控制器，控制器通过数据采集卡与实时仿真计算机连接。自主操作界面由C#Winform搭建。

如图2所示，优选的，所述的实时仿真计算机中的清筛车仿真模型包括采集模块、发动机、插装阀组、排量控制模块、变量泵、变量马达、压力容器、机械系统和溢流阀；

所述的控制器控制采集模块；采集模块采集发动机转速、发动机和变量泵的负载转矩；排量控制模块分别控制变量泵和变量马达的排量，采集模块控制发动机油门开度、控制插装阀组，并通过排量控制模块间接控制变量泵的排量。

优选的，所述的实时仿真计算机将变量马达总效率、变量泵总效率、发动机耗油量、机械系统的加速度、速度和位移通过TCP/IP通信方式发送给仿真管理计算机的显示模块进行显示。

优选的，所述的硬件平台还包括操作手柄和信号输入端，操作手柄和信号输入端向控制器发送控制信号实现主动控制。

优选的，所述的硬件平台还包括传感器和液压系统，所述的传感器包括压力传感器、流量传感器、位移传感器，传感器与液压系统相连构成闭环控制，采集液压系统的压力、流量和位移。

优选的，所述的三维实时显示计算机是由3Dmax和Unity搭建的清筛机的实时三维显示模块，实时仿真计算机将机械系统的加速度、速度和位移信息发送给三维实时显示计算机，三维实时显示计算机实时显示模块，更新三维场景的地形地貌和轨道信息。

仿真时需要建立相应的matlab清筛机仿真模型，如图2所示。打开由C#语言Winform搭建的仿真管理计算机(上位机)中自主建立的操作界面，完成前述模型dlm文件的载入，修改待仿真模型的参数(此时也可不进行更改，采用默认参数；或者调用参数；也可以进行参数设置的存储)，确定参数后，实时仿真计算机(xPC运行的实时内核)开始运行清筛机高速走行系统的仿真模型；如图4所示。实时仿真计算机(实时内核)在实时运行模型的过程中，得到的仿真结果可分别且同时通过1)TCP/IP传给仿真管理计算机(上位机)的自主操作界面，显示模块进行曲线的显示，此时提供保存模块使得数据便于后期处理；2)UDP通信方式将模型的位置信息传输给三维实时显示计算机，它是由3Dmax和Unity搭建的清筛机的实时三维显示模块。在显示过程中，控制器信号的改变能够被实时内核所捕捉，从而实时更改模型数据，得到相应的仿真结果进行数据交互。

如图3和5所示，所述清筛车半物理仿真试验台的仿真方法具体包括如下步骤：

1)模型初始化，搭建清筛机模型，经过matlab自带的实时工具箱RTW生成可移植的dlm文件；

2)仿真管理计算机初始化，包括：

2.1)初始化操作界面，确保其正常工作；

2.2)初始化TCP/IP网络通信，与实时仿真计算机进行通信握手，确认网络畅通；

2.3)初始化二维曲线和仪表，在显示模块上绘制曲线和仪表；

3)实时仿真计算机始化，包括：

3.1)确保实时仿真计算机能够正常实时进行模型仿真；

3.2)初始化数据端口，确保其能采集控制器信号；

4)三维实时显示计算机初始化，初始化三维图形场景，在计算机显示器上绘制清筛机可视化模型和地貌轨道模型；

5)仿真管理计算机更新循环，包括：

5.1)接收实时仿真计算机的实时仿真结果数据；

5.2)更新二维曲线的数值；

6)三维实时显示计算机更新循环，包括：

6.1)接收实时仿真计算机发送的清筛机的位置和速度信息；

6.2)更新三维场景的地形地貌和轨道信息。

所述步骤5.1)中接收实时仿真计算机的实时仿真结果数据为清筛机的位置、运动信息，如位移、速度、加速度等。二维曲线以时间为横坐标，对数据进行实时显示，纵坐标为上述5.1所述的位置或运动信息。

如图5所示，所述步骤6.2)更新三维场景的地形地貌和轨道信息为：设置地形宽度，判断清筛机位移与1.5倍的地形宽度大小，一旦清筛机位移大于1.5倍的地形宽度，则该地形移动两个地形宽度，即移动至下一位置；如此，随着清筛机的移动，地形会持续更新。

如图5所示，对清筛机模型的走行状态进行更新采用多线程方法，保证平台的实时性，主线程进行赋值，接受线程进行从UDP协议中接收数据。