[发明专利]高速列车系统动力学耦合仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿真控制，尤其是多变量子系统实现耦合控制仿真技术领域。

背景技术

在高速运行环境下，高速列车的运行安全性是需要关注的主要目标之一，而这又取决于高速列车动力学决定的高速列车性能本身。高速列车运行环境复杂，动力学性能受到轨道线路、接触网、周边气流等的复杂耦合作用影响。然而在现有的高速铁路研究体系中，研究者们主要开展单子系统或局部耦合的仿真研究，单子系统的研究如高速列车动力学、高速弓网动力学、高速列车空气动力学等，对于高速列车耦合系统的研究多是基于两个系统的，比较典型的有高速列车和轨道线路(含桥梁)之间的车-线(桥)耦合动力学，高速列车与周边流场间的流固耦合动力学，这些研究都只部分考虑了高速列车运行性能相关的影响因素，不能全面反映高速列车的运行品质。因此，为全面反映高速列车的运行品质，必须把高速列车与高速铁路其他相关子系统耦合起来进行作为整体进行高速列车耦合系统动力学仿真研究。而目前没有成熟的商业软件可以进行高速列车系统动力学的仿真计算研究，因此必须构建一种考虑多子系统相互作用的、且适合于当前高速列车性能仿真研究的耦合系统动力学仿真计算方法。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是研究提供一种高速列车系统动力学耦合仿真方法，使之克服现有技术的以上缺点。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

高速列车系统动力学耦合仿真方法，在基于接口的多设备参数、多领域间的相互作用关系及控制参数的环境中实现协同仿真基于仿真步长级的多向耦合控制，采用如下的手段，协调仿真步长不一致的各子系统实现耦合控制仿真：

(1)根据子系统的仿真步长，将子系统划分为三层，第一层包括列车子系统、线路子系统和弓网子系统，该层的仿真步长记为S=5×10^-5s，耦合仿真控制步长记为SI1=5×10^-5s，第二层为空气动力学子系统，该层的耦合仿真控制步长记为SI2=1×10^-3s，第三层为牵引供电子系统，该层的耦合仿真控制步长记为SI3=1×10^-1s，并设置耦合仿真结束条件；

(2)为每个层次设置一个累积仿真步长，第一层累积仿真步长记为SA1，第二层累积仿真步长记为SA2，第三层累积仿真步长记为SA3，并初始化SA1=0，SA2=0，SA3=0；

(3)初始化各子系统间的耦合关系接口数据；

(4)加载各子系统仿真模型，初始化各子系统；

(5)各层累积仿真步长值增加第一层仿真步长值，并作如下判别：

1)如果第一层累积仿真步长值大于等于第一层耦合仿真控制步长值，即SA1>=SI1，则更新第一层子系统间的耦合关系接口数据，激活第一层子系统进行单步长仿真计算，否则仿真退出并告警(告警是因为第一层是最小计算单元，如果该层无法计算，说明程序存在异常)；

2)如果第二层累积仿真步长值大于等于第二层耦合仿真控制步长值，即SA2>=SI2，则更新第一和第二层子系统间的耦合关系接口数据，激活第二层子系统进行单步长仿真计算，否则跳到(7)，判别程序是否结束；

3)如果第三层累积仿真步长值大于等于第三层耦合仿真控制步长值，即SA3>=SI3，则更新第一、第二和第三层子系统间的耦合关系接口数据，激活第三层子系统进行单步长仿真计算，否则跳到(7)，判别程序是否结束；

(6)子系统被激活进行单步长仿真，各子系统被激活进行单步长仿真计算时，其计算流程相同，以列车子系统为例，其流程如下：

1)激活列车子系统仿真计算；

2)获取系统输入数据，系统输入数据是指该子系统上一次仿真计算结果中需要作为本次仿真的输入条件的数据，在第一步仿真计算时，系统输入数据为该子系统的初始化数据；

3)获取耦合输入数据，系统耦合数据是指有耦合关系的相关子系统作用于该子系统的数据，作为该子系统的边界输入条件，由有耦合关系的相关子系统在上一次仿真计算时生成，在第一步仿真计算时，耦合输入数据为相关子系统的耦合关系接口数据的初始化数据；

4)列车子系统单步长仿真计算，列车子系统利用给定的仿真步长、输入条件和边界条件，进行一次仿真计算，SA1的值增加列车子系统的仿真步长值；

5)输出系统单步仿真结果数据，该结果数据包含两部分内容：系统中间数据和系统分析数据，系统中间数据是指该子系统本次仿真计算结果中需要作为下一次仿真的输入条件的数据，系统分析数据是指该子系统本次仿真计算结果中用于后处理应用分析的数据；