ハードウェア・イン・ザ・ループ・テストによる重量貨物列車向けの新しい分散ブレーキアルゴリズムの検証

数十年前に電子制御空気圧 (ECP) 鉄道ブレーキが導入されたとき、従来の空気ブレーキ システムのいくつかの欠点が解決されました。列車のブレーキパイプを通じた空気圧の伝播に依存する旧式のブレーキ システムでは、ブレーキの作動が遅れたり、制動力が不均一になったり、縦方向の衝撃が大きくて連結器にかかるストレスが増大し、停止距離が長くなったりといった問題がありました。ECP ブレーキ システムは、電子信号を使用してすべての車両で同時にブレーキを作動させることにより、これらの問題に対処します。

電子信号を介してすべての車両で同時にブレーキを作動させることができるのは大きな進歩ですが、ECP にも独自の欠点があります。車両の積載量や地形に関係なく同じ制動力をかけるため、適応性に欠けます。フェンシング制御として知られる戦略は、列車をセグメント (または「フェンス」) に分割し、各セグメントに独立したブレーキを適用する方法です。これは効果的ですが、異なる列車セグメントに送信される独立した信号の数が増加するため、それを管理するための大容量の通信帯域幅が必要になります。これらの課題を総合すると、速度と重量容量が制限されるだけでなく、重量貨物列車の信頼性と安全性が損なわれる可能性があります。

西南交通大学 情報科学技術学院では、ECP システムの基本的な制約の多くに対処する新しい分散協調ブレーキ制御システムを開発しました。この分散設計により、各車両に独自のマイクロコントローラが装備され、帯域幅と通信の問題が解決され、特定の車両特性と現在の地形に基づいて適応制動力を計算できるようになります。このようなシステムを 80 トン以上の実際の列車でテストするには、安全性の問題やとてつもなく高額な費用が発生するため、MATLAB^® と Simulink^® を用いて、シミュレーションとハードウェアインザループ (HIL) テストの両方でシステムの制御アルゴリズムを検証しました (図1)。最初にデスクトップ シミュレーションで、制御の実装アイデアや変更を迅速に検証した後、HIL テストで確認できるようになったことで、従来の方法に比べて、設計プロセス全体が大幅に加速し、さらに効率的かつコスト効果の高いものになりました。

列車の動特性モデリングとデスクトップ シミュレーションの実行

制御アルゴリズムを使用して閉ループ シミュレーションを実行する前に、まず列車の動特性モデルが必要でした。プロジェクトのこの部分では、当初、列車の動特性モデリングにサードパーティのコンピューター支援エンジニアリング (CAE) パッケージを使用しました。このパッケージは制御アルゴリズムの開発、ハードウェアの展開、HIL テストには不便であることがわかったため、その後MATLABに切り替えました。

MATLAB で作業し、200 以上の常微分方程式 (ODE) を使用して列車の動特性をモデル化しました。これらの ODE の主なパラメーターには、列車の速度と各車両の荷重が含まれます。MATLAB の実装を検証するために、その結​​果を CAE パッケージによって生成された結果と比較しました。

次に、MATLAB Function ブロックを使用して、列車の動特性モデルと制御アルゴリズムを組み込み、Simulink でシステムのモデルを作成しました。Simulink Coder™ を介して STM32 Nucleo 制御ボードに制御アルゴリズムを展開することに成功しました。このシステム モデルを使用して、列車の速度や車両の荷重などの内部パラメーター、線路の傾斜や曲率などの外部条件を変えながら、デスクトップ上で広範なシミュレーションを実行しました。MATLABを使用して、制御アルゴリズムによって生成される実際の牽引力と制動力 (図 2)、ブレーキ時の速度 (図 3)、カップラー力 (図 4) などのシミュレーション結果を可視化しました。シミュレーション結果は、アルゴリズムの機能ロジックを検証しただけでなく、制御設計の改良にも役立ちました。実際、MATLAB を使用して ODE プロットやその他のグラフを一括で生成する機能が、全体の効率を 80% 向上させるのに役立ちました。

HIL テストによるリアルタイム パフォーマンスの検証

デスクトップ シミュレーションの検証どおりに、制御アルゴリズムの基本機能が達成されたら、リアルタイム HIL テストを開始する準備が整います。プロジェクトのこの段階では、Simulink Desktop Real-Time ™ を使用して、ラップトップ上で組み込み MATLAB Function ブロックを含む Simulink の列車モデルを実行しました。STMicroelectronics^® Nucleo サポートパッケージを使用して、制御モデルを STMicroelectronics STM32 Nucleo ボードに展開しました。ラップトップと STM32 ボードはシリアル USB 接続を介してリンクされ、ボードはブレーキ シリンダー用のソレノイド作動式空気吸気バルブと排気バルブに直接接続されました。

この HIL セットアップを使用してテストを実行し、さまざまなシナリオでの制動プロセス中のブレーキ シリンダーの空気圧の変化を監視し、吸気バルブと排気バルブの作動を観察しました。デスクトップ シミュレーションは主にコントローラーの基本機能と制動力の出力に重点を置いていましたが、HIL テストはコントローラーのリアルタイム パフォーマンスと実際のハードウェアとの統合、具体的にはソレノイド作動バルブのスイッチ状態の設定に重点を置いていました。列車運行のシミュレーションで、圧力の変化とバルブ作動の様子をリアルタイムで観察できるようになると、実際の状況下でコントローラーがどのように機能するかを判断する重要な知見が得られました。

次のステップ

MATLAB、Simulink、Simulink Desktop Real-Time を使用して構築した HIL テスト プラットフォームにより、分散協調ブレーキ アルゴリズムがリアルタイムの動作環境で機能的に健全であることを証明できました。アルゴリズムの改良と改善を継続するとともに、シミュレーションと HIL 環境の改善も計画しています。たとえば、私たちはSimscape™でSimulinkの使用を拡張して列車のモーターをモデル化し、最終的には列車の動きをシミュレーションするための物理的なテストベンチを構築する方法を検討しています。