針對難以進(jìn)行實物測試的大型被控對象(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)計流程，在半實物平臺進(jìn)行控制算法的快速驗證。亮點包括：

MATLAB/Simulink 建模與算法開發(fā)

基于 STM32 的 HIL平臺實時測試

| 本文作者：西南交通大學(xué) 張吉烈博士

“通過桌面仿真和隨后的 HIL 測試快速驗證控制實現(xiàn)和更改的能力，使我們的整個設(shè)計過程比傳統(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 (ECP) 鐵路制動系統(tǒng)被提出時，它解決了傳統(tǒng)空氣制動系統(tǒng)的幾個缺點。傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)依賴于列車制動管傳播的空氣壓力產(chǎn)生制動力，這種方式存在制動延遲、制動力不均勻和顯著的縱向沖擊等問題，這些問題增加了車鉤力并延長了制動距離。ECP 制動系統(tǒng)通過使用電子信號同時激活所有車廂的制動器來解決這些問題。

通過電子信號同時激活所有車廂的制動器標(biāo)志著一個重大進(jìn)步，但 ECP 也有其自身的缺點。它缺乏自適應(yīng)性，無論車廂載重和地形如何變化，均施加相同的制動力。一種稱為圍欄控制的策略——將列車分成多個分組(或“圍欄”)并對每個分組獨立施加不同的制動力——這種方式可以有所幫助，但需要大量通信帶寬來管理發(fā)送到不同列車分組的信號。綜合來看，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)同制動控制系統(tǒng)，解決了 ECP 系統(tǒng)的許多基本限制。通過這種分布式設(shè)計，每個車廂都配備了自己的微控制器，解決了帶寬和通信問題，并能夠根據(jù)特定車廂特性和當(dāng)前地形計算自適應(yīng)制動力。由于在重達(dá) 80 噸或以上的真實列車上測試該系統(tǒng)既不安全又成本高昂，我們使用 MATLAB 和 Simulink 通過仿真和硬件在環(huán) (HIL) 測試驗證了系統(tǒng)的控制算法(圖1)。通過桌面仿真和隨后的 HIL 測試快速驗證控制實現(xiàn)和更改的能力，使我們的整個設(shè)計過程比傳統(tǒng)方法更快、更高效、更具成本效益。

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

建立列車動力學(xué)模型并運行桌面仿真

在使用我們的控制算法運行任何閉環(huán)仿真之前，我們首先需要一個列車動力學(xué)模型。對于項目的這一部分，一開始我們使用了一個第三方計算機輔助工程 (CAE) 軟件包進(jìn)行列車動力學(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 測試，隨后更換使用 MATLAB 實現(xiàn)。

在 MATLAB 中，我們使用 200 多個常微分方程 (ODE) 進(jìn)行列車動力學(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。為了驗證我們的 MATLAB 實現(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，我們在 Simulink 中創(chuàng)建了一個系統(tǒng)模型，使用 MATLAB Function 模塊將MATLAB 列車動力學(xué)模型和控制算法結(jié)合起來。我們通過 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)生的牽引力和制動力(圖2)，以及制動時的速度(圖3)和車鉤力(圖4)。仿真結(jié)果不僅驗證了算法的功能邏輯，還為控制設(shè)計的改進(jìn)提供了信息。事實上，通過 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力控制曲線。

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

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

通過 HIL 測試驗證實時性能

一旦我們對控制算法的基本功能感到滿意，并通過桌面仿真進(jìn)行了驗證，我們就準(zhǔn)備開始實時HIL 測試。在項目的這個階段，我們使用 Simulink Desktop Real-Time 在筆記本電腦上運行嵌入 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 板通過串行 USB 連接，板子直接連接到制動氣缸的電磁進(jìn)氣和排氣閥。

使用此 HIL 設(shè)置運行測試時，我們監(jiān)測了制動過程中在各種場景下制動氣缸空氣壓力的變化，并觀察了進(jìn)氣和排氣閥的動作。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力輸出，但我們的 HIL 測試則專注于控制器的實時性能及其與真實硬件的集成，特別是 k 控制電磁閥的開關(guān)狀態(tài)。在模擬列車運行期間觀察壓力變化和實時閥門動作的能力為控制器在現(xiàn)實條件下的表現(xiàn)提供了物理級驗證洞察。

下一步

我們使用 MATLAB、Simulink 和 Simulink Desktop Real-Time 構(gòu)建的 HIL 測試平臺，使我們能夠證明我們的分布式協(xié)同制動算法在實時操作環(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，我們也計劃改進(jìn)仿真和 HIL 環(huán)境。例如，我們正在探索如何擴展 Simulink 與 Simscape 的使用，利用電慣量模擬列車運動狀態(tài)，并最終建立一個物理臺架來模擬列車運動。

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控制。