高速列車牽引系統的早期故障診斷

第1章緒論001
1.1研究的背景及意義001
1.2微小故障診斷研究狀004
1.2.1基於定性方法的微小故障診斷004
1.2.2基於定量方法的微小故障診斷005
1.2.3基於定性定量方法的微小故障診斷007
1.3閉環統故障診斷研究狀008
1.4複合故障診斷研究狀009
1.5高速列牽統故障診斷研究狀010
1.6本書的主要內容及結構安排011
 
第2章基於ToMFIR殘差的執行器早期故障檢測方法及應用013
2.1線性統ToMFIR殘差相關論014
2.1.1線性定常統的ToMFIR殘差論014
2.1.2線性定常統的觀測器殘差論015
2.1.3線性定常統ToMFIR殘差論的拓展及其相關性質016
2.2CRH懸掛統作動器微小故障檢測018
2.2.1CRH高速列懸掛統建模018
2.2.2軌道垂向不平順建模024
2.2.3仿驗證027
2.3小結032
 
第3章基於ToMFIR殘差T-S模糊統模型的執行器早期故障診斷方法及應用034
3.1統描述034
3.1.1正則統T-S模糊建模034
3.1.2實統(執行器微小故障)T-S模糊建模036
3.2主要結果037
3.2.1初步描述037
3.2.2微小故障檢測(情況1)037
3.2.3微小故障檢測(情況2)039
3.2.4微小故障隔離041
3.2.5微小故障估計047
3.3實例仿049
3.3.1CRH牽機模糊建模及分析049
3.3.2仿結果及分析053
3.4小結056
 
第4章基於ToMFIR殘差滑模觀測器論的感測器複合微小故障診斷方法及應用057
4.1統建模057
4.2故障檢測方案設計060
4.3複合微小故障隔離方案設計065
4.4應用仿驗證068
4.4.1CRH2型動組列牽機非線性建模分析068
4.4.2仿結果及分析070
4.5小結074
 
第5章基於廣義統的早期故障重構方法及應用075
5.1問題的提出及統描述076
5.2廣義故障/擾動觀測器設計078
5.3仿研究087
5.3.1CRH2型動組列三相PWM逆變器統非線性建模分析087
5.3.2仿結果089
5.4小結093
 
第6章基於魯棒觀測器的高速列牽機定子繞組早期故障檢測與隔離094
6.1統建模094
6.1.1三相籠式非同步機同步旋轉座標建模096
6.1.2三相籠式非同步機定子/轉子故障建模及分析097
6.1.3三相籠式非同步機狀態空間方程建模099
6.2繞組故障檢測與隔離102
6.2.1統變換102
6.2.2故障檢測觀測器設計103
6.2.3故障隔離觀測器設計103
6.2.4針對所有故障模態的魯棒觀測器設計106
6.2.5故障檢測/隔離設計110
6.3仿分析111
6.4小結114
 
第7章總結與展望115
7.1本書的主要工作115
7.2後續工作的展望116
參考文獻118

高速列車因其舒適、便捷、安全和準時，已成為主流的城際間交通工具。CRH（China Railway High-speed）動車組高速列車是一個大型複雜的機電耦合系統，作為其重要組成部分，牽引控制系統的可靠性對於高速列車的安全運營至關重要。隨著在軌執行時間的增長，牽引控制系統中的很多部件都會發生不同程度的性能衰退並引發早期微小故障。這些故障由於特徵微弱，不易被列車故障監控系統及時檢測出，但隨著故障的逐步加劇，有可能演變為重大的災難事故，給高速列車的安全運行帶來潛在危險。因此，針對動車組高速列車的牽引控制系統開展早期微小故障診斷的研究具有重要意義。

本書針對CRH動車組高速列車牽引控制系統中可能出現的早期微小故障開展檢測和診斷（故障的定位和重構）的理論研究，主要研究物件包括懸掛控制系統、感應電機驅動電路、感應電機感測器、變流器控制系統、感應電機本體（定子和轉子繞組）等。系統模型描述形式包括線性定常系統、T-S模糊系統、具有不確定性的非線性系統以及廣義非線性系統。本書主要包括以下5個方面。

①系統地論述了線性系統基於ToMFIR殘差的故障檢測機理，主要包括：線性定常系統的ToMFIR殘差理論、魯棒ToMFIR殘差理論、ToMFIR殘差的近似計算理論、觀測器殘差修正理論等。構造了動車組列車懸掛系統的動態模型，包含軌道的垂向不平順信號和多種類型的執行器早期微小故障。根據線性系統魯棒ToMFIR殘差理論和近似計算理論，實現懸掛系統執行器早期微小故障的檢測。模擬結果表明，所提故障檢測方案可以有效解決微小故障檢測問題，在即時性和準確性方面都明顯優於基於觀測器殘差的故障檢測方法。

②針對T-S模糊系統中早期微小故障的檢測和診斷問題，設計了基於T-S模糊ToMFIR殘差的故障檢測方案，進一步結合滑模觀測器和基於ToMFIR殘差的隔離閾值實現微小故障的隔離，最後基於自我調整觀測器估計出執行器的效能損失比例。所提方法不僅能消除原始的基於ToMFIR殘差的故障檢測對於系統結構的約束，而且給出了形式更為一般的基於ToMFIR殘差的故障診斷架構。該演算法成功應用於牽引電機控制系統中驅動電路微小故障的診斷，並獲得較好的模擬驗證效果。

③針對感測器早期微小故障往往呈現併發的特性，基於ToMFIR殘差理論的進一步研究結果，給出了具有不確定性的非線性系統複合感測器故障的檢測和定位方案，並應用於CRH2型動車組列車電機牽引控制系統的模擬中，成功實現了當電流感測器和轉速感測器早期微小故障併發時的及時檢測和精確定位。研究結果表明，基於ToMFIR殘差的故障檢測理論可以直接應用於非線性系統中，在解決實際系統（多為非線性系統）的早期故障診斷問題時，無需依賴繁瑣的線性化手段，並可直接使用非線性系統的觀測器設計方法。

④廣義系統可以用來描述許多大型複雜系統，並在電力系統、機電系統中有著廣泛的應用，因此本書針對廣義系統開展執行器/感測器早期微小故障重構的研究。首先通過參數化執行器和感測器的故障項，構造增廣的廣義系統模型，其次通過廣義估計器的設計，解耦系統中的擾動輸入和輸出測量雜訊，為了獲得最佳的故障重構效果，基於狀態估計誤差的數學表述提出了一個線性矩陣不等式優化問題，最終保證了在既定約束條件下的最優估計性能。以CRH2型動車組列車的三相逆變器控制系統為模擬應用物件，實現了對故障前後系統的狀態、執行器/感測器早期微小故障以及輸出測量雜訊的準確估計。

⑤牽引電機的本體故障（定/轉子繞組故障），是牽引電機控制系統中的主要故障類型。開展牽引電機早期本體故障的檢測和診斷研究，不僅可以提高電機本身的可靠性，而且可以避免高速列車牽引控制系統發生重大故障。首先對三相籠式非同步電機定/轉子繞組的早期故障進行數學建模和趨勢特性分析，構建了牽引電機d-q坐標系狀態空間方程（包括可能的繞組故障和負載擾動），並針對此單輸出系統提出了基於魯棒觀測器的故障檢測和隔離方案，實現了定子繞組小範圍絕緣層擊穿（5%絕緣層擊穿）故障下的檢測和定位，具有較強的工程參考應用價值。

編著者
2019年2月