控制系统模型库的构建系统及其构建方法

摘要

一种控制系统模型库的构建系统及其构建方法，包括：运行在处理终端上的设计模块、搭建模块以及构建模块；设计模块，所述设计模块用于针对牵引变流器进行控制系统设计,并将控制系统进行分解，得到控制算法架构；搭建模块，所述搭建模块用于根据所述控制算法架构来基于Modelica语言搭建控制算法架构的各个模块的模型；构建模块，所述构建模块用于基于控制算法架构，利用搭建的控制算法架构的各个模块的模型，构建完整的四象限整流器控制系统模型。有效避免了现有技术中牵引变流器的控制算法的建模效率太低、使得牵引变流器的控制算法的开发周期变长的缺陷。

说明书

技术领域

本发明提到模型库构建技术领域，具体涉及一种控制系统模型库的构建系统及其构建方法，尤其涉及一种基于Modelica语言的四象限整流器控制系统模型库的构建系统及其构建方法。

背景技术

动车组，又称“动车组列车”，中国内地新兴的交通术语，为现代火车的一种类型，由若干带动力的车辆(动车)和不带动力的车辆 (拖车)组成，列车在正常使用期限内以固定编组模式运行。《铁路技术管理规程》第208条内容规定：动车组列车为自走行固定编组列车。高速动车组是铁路电气化的重要载体，而牵引变流系统则是技术发展的重要环节。高速动车组的牵引变流器用于完成电能转换及传递，为了满足高速动车组运行的安全性和可靠性，牵引变流器的控制算法尤为关键。

而在实际应用中，现有技术的牵引变流器的控制算法的建模效率太低、使得牵引变流器的控制算法的开发周期变长。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种控制系统模型库的构建系统及其构建方法，有效避免了现有技术中牵引变流器的控制算法的建模效率太低、使得牵引变流器的控制算法的开发周期变长的缺陷。

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种控制系统模型库的构建系统及其构建方法的解决方案，具体如下：

一种控制系统模型库的构建系统，包括：

运行在处理终端上的设计模块、搭建模块以及构建模块；

设计模块，所述设计模块用于针对牵引变流器进行控制系统设计, 并将控制系统进行分解，得到控制算法架构；

搭建模块，所述搭建模块用于根据所述控制算法架构来基于 Modelica语言搭建控制算法架构的各个模块的模型；

构建模块，所述构建模块用于基于控制算法架构，利用搭建的控制算法架构的各个模块的模型，构建完整的四象限整流器控制系统模型。

进一步的，所述设计模块还用于设计出作为所述控制系统的两电平脉冲整流器瞬态电流控制策略，即采用电流内环和电压外环的双环控制，所述电压外环用于控制牵引变流器的三相直流侧电压，所述电流内环用于依据电压外环输出的电流指令进行电流控制，实现单位功率因数正弦波电流控制；这样经过分解后，就得到如下的控制算法架构：

所述电压外环控制，即通过控制实际的牵引变流器的直流侧电压跟随中间直流侧电压给定值，以保证直流侧电压稳定，所述电压外环控制的功能描述为：输入所述直流侧电压设定值U

所述电流内环控制，即通过对牵引变流器的网侧电流幅值和相位控制，达到单位功率因数控制的目的；所述电流内环控制的功能描述为：锁相环PLL模块根据输入电压，检测获得网侧电压的相位角和角频率ω作为电流给定值I

u

所述搭建模块，还用于根据所述锁相环PLL模块运用Modelica 语言来建立锁相环PLL模块的模型；所述锁相环PLL模块的模型基于自适应滤波理论，跟踪牵引变流器的网侧输入端电压的相位，输出的是检测对所述锁相环PLL模块的模型输入的正弦信号的相位角和角频率；根据所述低通滤波器模块运用Modelica语言来建立低通滤波器模块的模型，所述低通滤波器模块的模型基于低通滤波理论，输入的是直流侧电压原始测量信号U，输出的是滤波后得到的直流侧电压测量值U

所述构建模块，还用于按照控制算法架构，将各个模块的模型进行系统集成，即通过控制算法架构的模块间的连接关系来对应的把模块的模型间的接口连接起来，由此开发出完整的四象限整流器控制系统模型。

进一步的，所述控制系统模型库的构建系统，还包括：

运行在处理终端上的验证模块；

所述验证模块用于验证四象限整流器控制系统模型；还用于完成四象限控制系统模型构建后，根据给定的测试条件进行仿真分析，测试四象限控制系统模型的功能；设定直流电压预期输出值，四象限控制系统模型通过控制调节使中间直流电压稳定在预期值，并且幅值保持在合理的范围内，电压和电流相位基本相同，功率因数被校正。

一种控制系统模型库的构建系统的构建方法，包括：

步骤1：针对牵引变流器进行控制系统设计,并将控制系统进行分解，得到控制算法架构。

进一步的，所述针对牵引变流器进行控制系统设计,并将控制系统进行分解，得到控制算法架构的方法，包括：

设计出作为所述控制系统的两电平脉冲整流器瞬态电流控制策略，即采用电流内环和电压外环的双环控制，所述电压外环用于控制牵引变流器的三相直流侧电压，所述电流内环用于依据电压外环输出的电流指令进行电流控制，实现单位功率因数正弦波电流控制；

这样经过分解后，就得到如下的控制算法架构：

所述电压外环控制，即通过控制实际的牵引变流器的直流侧电压跟随中间直流侧电压给定值，以保证直流侧电压稳定，所述电压外环控制的功能描述为：输入所述直流侧电压设定值U

所述电流内环控制，即通过对牵引变流器的网侧电流幅值和相位控制，达到单位功率因数控制的目的；所述电流内环控制的功能描述为：锁相环PLL模块根据输入电压，检测获得网侧电压的相位角和角频率ω作为电流给定值I

u

步骤2：根据所述控制算法架构来基于Modelica语言搭建控制算法架构的各个模块的模型。

进一步的，根据所述控制算法架构来基于Modelica语言搭建控制算法架构的各个模块的模型的方法，具体包括：

根据所述锁相环PLL模块运用Modelica语言来建立锁相环PLL 模块的模型；所述锁相环PLL模块的模型基于自适应滤波理论，跟踪牵引变流器的网侧输入端电压的相位，输出的是检测对所述锁相环 PLL模块的模型输入的正弦信号的相位角和角频率；

根据所述低通滤波器模块运用Modelica语言来建立低通滤波器模块的模型，所述低通滤波器模块的模型基于低通滤波理论，输入的是直流侧电压原始测量信号U，输出的是滤波后得到的直流侧电压测量值U

根据所述PI模块运用Modelica语言来建立PI模块的模型，所述 PI模块的模型用于输入直流电压指令与测量直流电压，利用PI控制器输出电流控制指令，获得稳定的直流侧电压，完成电压外环控制；

根据所述PR模块运用Modelica语言来建立PR模块的模型，所述PR模块的模型基于正交变化后的电流，实现对网侧电流幅值和相位的控制，以实现网侧单位功率因数控制，经过PR控制器比例放大，输出相应电压调节信号，完成电流内环控制；

根据PWM发生器模块运用Modelica语言来建立PWM模块的模型，所述PWM模块的模型用于通过脉冲宽度调制将电压需求转换为功率桥的设定值，输入交流电压控制指令，在驱动桥路中基于PWM 来被转换为目标信号；

各模型的所述输入和输出就构成了各模型的接口。

步骤3：基于控制算法架构，利用搭建的控制算法架构的各个模块的模型，构建完整的四象限整流器控制系统模型。

所述基于控制算法架构，利用搭建的控制算法架构的各个模块的模型，构建完整的四象限整流器控制系统模型的方法，包括：

按照控制算法架构，将各个模块的模型进行系统集成，即通过控制算法架构的模块间的连接关系来对应的把模块的模型间的接口连接起来，由此开发出完整的四象限整流器控制系统模型。

进一步的，所述控制系统模型库的构建系统的构建方法，还包括：

验证四象限整流器控制系统模型。

进一步的，所述验证四象限整流器控制系统模型的方法，包括：

完成四象限控制系统模型构建后，根据给定的测试条件进行仿真分析，测试四象限控制系统模型的功能；设定直流电压预期输出值，四象限控制系统模型通过控制调节使中间直流电压稳定在预期值，并且幅值保持在合理的范围内，电压和电流相位基本相同，功率因数被校正。

本发明的有益效果为：

本发明可以实现四象限整流器控制系统的研发与验证，采用 Modelica语言，可以实现多层级建模仿真，模型重用性强，模型易扩展。基于模块化可以快速调整算法模型，降低了控制算法模型开发的难度，提高建模效率，缩短算法开发周期。有效避免了现有技术中牵引变流器的控制算法的建模效率太低、使得牵引变流器的控制算法的开发周期变长的缺陷。

附图说明

图1是本发明的控制系统模型库的构建系统的构建方法的整体流程图。

图2是本发明的所述控制算法架构的示意图。

图3是本发明的所述PI模块的示意图。

图4是本发明的低通滤波器模块的模型与PI模块的模型的连接图。

图5是本发明的验证四象限整流器控制系统模型的原理图。

具体实施方式

高速动车组的网侧牵引变流器为单相脉冲整流器，机车在牵引状态下为整流器，在电制动状态下为逆变器(再生制动)，在两种不同的状态下，功率电子可以使电压与电流在四个象限内，根据需要调节，故也可称为四象限脉冲整流器。四象限脉冲整流器，简称为四象限整流器，其具有能量双向流动、谐波小、直流侧电压可调、高功率因素等诸多优点，可以改善动车组的功率因数和谐波干扰。基于模型的四象限整流器控制算法设计与开发的方法，可以为牵引控制系统的性能带来革命性的提升。

Modelica语言是一种面向对象、多物理多领域的描述性建模语言，支持因果和非因果建模。其组件模块化，基于延展机制和无因果方程的特性使其十分适合大型复杂物理系统模型的建立、维护和重用。基于对象的天然模块化特性，使得系统模型具有不同层级和不同细节精度，以适应产品研发周期不同阶段的要求。

相较于传统的数学建模方法，面向对象的方法更加简便，通过模块化和层次化建模方式，更易于理解系统组成和原理。同时，模型与实际控制系统架构一致，将系统组成单独划分为一个基础单元进行建模，然后通过图形化的方式连接各个模块接口，进行完整控制系统开发，使得建模工作更加简单和易于理解。基于无因果方程的模型使建模工程师进行系统的直观物理建模，有效减轻建立算法模型的工作负担，使其集中精力于相关专业而无需担心模型的求解。

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地表示。

如图1-图5所示，控制系统模型库的构建系统，包括：

运行在处理终端上的设计模块、搭建模块以及构建模块；

设计模块，所述设计模块用于针对牵引变流器进行控制系统设计, 并将控制系统进行分解，得到控制算法架构；

搭建模块，所述搭建模块用于根据所述控制算法架构来基于 Modelica语言搭建控制算法架构的各个模块的模型；

构建模块，所述构建模块用于基于控制算法架构，利用搭建的控制算法架构的各个模块的模型，构建完整的四象限整流器控制系统模型。所述处理终端能够是笔记本电脑或者PC机。

所述设计模块还用于设计出作为所述控制系统的两电平脉冲整流器瞬态电流控制策略，即采用电流内环和电压外环的双环控制，所述电压外环用于控制牵引变流器的三相直流侧电压，所述电流内环用于依据电压外环输出的电流指令进行电流控制，实现单位功率因数正弦波电流控制；这样经过分解后，就得到如下的控制算法架构：

所述电压外环控制，即通过控制实际的牵引变流器的直流侧电压跟随中间直流侧电压给定值，以保证直流侧电压稳定，所述电压外环控制的功能描述为：输入所述直流侧电压设定值U

所述电流内环控制，即通过对牵引变流器的网侧电流幅值和相位控制，达到单位功率因数控制的目的；所述电流内环控制的功能描述为：锁相环PLL模块根据输入电压，检测获得网侧电压的相位角和角频率ω作为电流给定值I

u

所述搭建模块，还用于根据所述锁相环PLL模块运用Modelica 语言来建立锁相环PLL模块的模型；所述锁相环PLL模块的模型基于自适应滤波理论，跟踪牵引变流器的网侧输入端电压的相位，输出的是检测对所述锁相环PLL模块的模型输入的正弦信号的相位角和角频率；根据所述低通滤波器模块运用Modelica语言来建立低通滤波器模块的模型，所述低通滤波器模块的模型基于低通滤波理论，输入的是直流侧电压原始测量信号U，输出的是滤波后得到的直流侧电压测量值U

所述构建模块，还用于按照控制算法架构，将各个模块的模型进行系统集成，即通过控制算法架构的模块间的连接关系来对应的把模块的模型间的接口连接起来，由此开发出完整的四象限整流器控制系统模型。

所述控制系统模型库的构建系统，还包括：

运行在处理终端上的验证模块；

所述验证模块用于验证四象限整流器控制系统模型；还用于完成四象限控制系统模型构建后，根据给定的测试条件进行仿真分析，测试四象限控制系统模型的功能；设定直流电压预期输出值，四象限控制系统模型通过控制调节使中间直流电压稳定在预期值，并且幅值保持在合理的范围内，电压和电流相位基本相同，功率因数被校正。

一种控制系统模型库的构建系统的构建方法，包括：

步骤1：针对高速动车组的牵引变流器进行控制系统设计,并将控制系统进行分解，得到控制算法架构。

其中，针对高速动车组的牵引变流器进行控制系统设计,并将控制系统进行分解，得到控制算法架构，也即控制系统设计与分解，根据控制系统功能，设计系统架构，而针对高速动车组的牵引变流器的作为所述控制系统的四象限控制器的功能作用在于，在满足给高速动车组的牵引变流器提供直流负载需求功率条件下，达到网侧功率因数为最优的目的，保持网侧交流电的电源品质。通过一阶或二阶滤波器进行降低电压抖动。所述针对高速动车组的牵引变流器进行控制系统设计,并将控制系统进行分解，得到控制算法架构的方法，包括：

设计出作为所述控制系统的两电平脉冲整流器瞬态电流控制策略，如图2所示，即采用电流内环和电压外环的双环控制，所述电压外环用于控制高速动车组的牵引变流器的三相直流侧电压，所述电流内环的作用主要是用于依据电压外环输出的电流指令进行电流控制，实现单位功率因数正弦波电流控制；

这样经过分解后，就得到如下的控制算法架构：

所述电压外环控制，即通过控制实际的高速动车组的牵引变流器的直流侧电压跟随中间直流侧电压给定值，以保证直流侧电压稳定，所述电压外环控制的功能描述为：输入所述直流侧电压设定值U

所述电流内环控制，即通过对高速动车组的牵引变流器的网侧电流幅值和相位控制，达到单位功率因数控制的目的；所述电流内环控制的功能描述为：锁相环PLL模块根据输入电压，检测获得网侧电压的相位角和角频率ω作为电流给定值I

步骤2：根据所述控制算法架构来基于Modelica语言搭建控制算法架构的各个模块的模型。

其中，根据控制算法架构来基于Modelica语言搭建各个控制算法架构的模块的模型，即基于Modelica语言构建基础单元模型；根据步骤1获得的控制算法架构，通过Modelica模块化、图形化、层次化建模方式，开发各个基础控制单元模型。根据控制算法架构采用块图建模方式，建模过程需要对信号流的输入以及输出进行建模。块图建模由大量基础的控制模块，如比例模块、积分模块、微分模块等，每个模块都由表达输入/输出关系的传递函数组成并采用Modelica语言开发来构建各个模块的模型，就如得到的图3所示的控制算法架构的PI模块的模型。根据所述控制算法架构来基于Modelica语言搭建控制算法架构的各个模块的模型的方法，具体包括：

根据所述锁相环PLL模块运用Modelica语言来建立一阶锁相环 PLL模块的模型；所述锁相环PLL模块的模型基于自适应滤波理论，跟踪牵引变流器的网侧输入端电压的相位，输出的是检测对所述锁相环PLL模块的模型输入的正弦信号的相位角和角频率；

根据所述低通滤波器模块运用Modelica语言来建立低通滤波器模块的模型，所述低通滤波器模块的模型基于低通滤波理论，输入的是直流侧电压原始测量信号U，输出的是滤波后得到的直流侧电压测量值U

根据所述PI模块运用Modelica语言来建立PI模块的模型，所述 PI模块的模型用于输入直流电压指令与测量直流电压，利用PI控制器输出电流控制指令，获得稳定的直流侧电压，完成电压外环控制；

根据所述PR模块运用Modelica语言来建立PR模块的模型，所述PR模块的模型基于正交变化后的电流，实现对网侧电流幅值和相位的控制，以实现网侧单位功率因数控制，经过PR控制器比例放大，输出相应电压调节信号，完成电流内环控制；

根据PWM发生器模块运用Modelica语言来建立PWM模块的模型，所述PWM模块的模型用于通过脉冲宽度调制将电压需求转换为功率桥的设定值，输入交流电压控制指令，在驱动桥路中基于PWM 来被转换为目标信号；

各模型的所述输入和输出就构成了各模型的接口。

步骤3：基于控制算法架构，利用步骤2搭建的控制算法架构的各个模块的模型，构建完整的四象限整流器控制系统模型。

所述基于控制算法架构，利用步骤2搭建的控制算法架构的各个模块的模型，构建完整的四象限整流器控制系统模型，即通过模型连接与集成，构建四象限整流器控制系统模型；所述基于控制算法架构，利用步骤2搭建的控制算法架构的各个模块的模型，构建完整的四象限整流器控制系统模型的方法，包括：

按照步骤1的控制算法架构，将各个模块的模型进行系统集成，即通过控制算法架构的模块间的连接关系来对应的把模块的模型间的接口连接起来，由此开发出完整的四象限整流器控制系统模型，就如图4所示将低通滤波器模块的模型与PI模块的模型按照控制算法架构的低通滤波器模块的模型与PI模块间的连接关系而连接起来。

所述控制系统模型库的构建系统的构建方法，还包括：

验证四象限整流器控制系统模型。

所述验证四象限整流器控制系统模型的方法，如图5所示，包括：

对于控制算法架构的四象限控制系统模型，其仿真结果的准确性和真实性是十分重要的。完成四象限控制系统模型构建后，根据给定的测试条件进行仿真分析，测试四象限控制系统模型的功能。测试场景包含电源模型，四象限变流器模型，四象限控制系统模型，以及简单负载模型。电源模型用于提供电力输出。四象限变流器模型基于输入PWM控制信号，完成整流功能，提供满足负载需求的直流电。四象限控制模型用于实现变流器控制，保证直流侧电压稳定，网侧功率因数为1，提供满足负载需求的电流。负载模型为简单的直流电阻，用于消耗电能，构成完整测试回路。

测试通过设定直流电压预期值U

以上以用实施例表示的方式对本发明作了描述，本领域的维修员工应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，能够做出各种变化、改变和替换。