一種針對高速列車懸架系統執行器的微小故障診斷方法
【專利摘要】本發明公開了一種針對高速列車懸架系統執行器的微小故障診斷方法，主要針對CRH高速列車懸架系統的執行器故障，包括以下幾個主要步驟：(1)針對高速列車懸架系統執行器的運行工況，對執行器易發的失效型故障建立統一的故障模型；(2)考慮軌道不平順對于車輛-軌道耦合系統的影響，以動-拖-動的結構建立高速列車懸架系統的模型；(3)針對閉環控制系統下的微小故障診斷問題，提出了一種故障信息全度量殘差的概念，并根據一定的決策準則判定故障有無發生以及故障的大小。該診斷方法在懸架系統發生微小故障時可以實現實時的檢測報警和故障參數的估計，同時降低閉環控制系統故障檢測中誤報、漏報的可能性。
【專利說明】一種針對高速列車懸架系統執行器的微小故障診斷方法
【技術領域】
[0001] 本發明公開了一種針對高速列車懸架系統執行器的微小故障診斷方法，特別是涉 及基于故障信息全度量殘差的閉環控制系統微小故障的檢測與估計方法。屬于高速列車懸 掛系統故障診斷【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 高速列車懸架系統負責支撐車體和轉向架，還起到緩沖由軌道不平順所引起的 輪軌作用力、控制列車行駛方向以及保證列車運行舒適性的作用，因此對其有高可靠性 的要求。2008年，我國在主要干線上開通了時速200公里以上的CRH(China Railway High-speed)動車組列車，到目前為止，已經建成世界上規模最大、運營速度最快的高速鐵 路網。為了提高我國高鐵運行的安全性，針對高速列車懸架系統故障診斷的研究勢在必行。
[0003] 高速列車懸架系統分為主動懸架和半主動懸架，采用閉環控制結構。懸架系統位 于列車車體與轉向架之間（二系懸架）以及轉向架與輪對之間（一系懸架），包含有大量的 部件，包括螺旋彈簧、橫向/垂向阻尼器、空氣彈簧以及主動式作動器。其中主動式作動器 作為重要的執行器部件，對于高速列車的安全運行和乘坐舒適性至關重要。目前，國內外針 對高速列車懸架系統故障診斷的研究主要集中在螺旋彈簧、阻尼器件，也包括車輪、軸承和 轉向架構架等部件，但是幾乎沒有針對二系懸掛中主動式作動器故障診斷的研究。
[0004] 主動懸架采用閉環控制結構，主動式作動器是其中重要的執行器部件。通常執行 器故障包括以下兩種狀況：失效型（乘性）故障、漂移型（加性）故障，其中又以失效型故 障最為常見。當故障特征不明顯時，由于列車運行過程中受環境噪聲等影響，容易使高速列 車懸架系統執行器部件的微小故障被噪聲掩蓋而不易檢測。由于閉環結構的影響，故障更 容易在系統內部傳播，再加上閉環系統中控制器對于故障有一定的"容錯"作用，使得微小 故障的定位和診斷在閉環控制結構的懸架系統中十分困難。
[0005] 故障信息全度量殘差包括兩個部分：其一是輸出殘差，用以表征閉環系統中控制 器未補償的那部分故障信息；其二是控制器殘差，用以表征閉環控制系統中控制器補償了 的那部分故障信息。該技術可以充分利用故障的全面信息，從而更加準確地對閉環結構下 的微小故障進行實時檢測和準確診斷。目前，一方面對于主動懸架故障診斷的研究很少，另 外針對高速列車閉環控制結構的懸架系統微小故障診斷的研究以及其工程實用的研究尚 屬空白。。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是：針對現有技術的缺陷，提供一種針對高速列車懸 架系統執行器的微小故障診斷方法。
[0007] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0008] -種針對高速列車懸架系統執行器的微小故障診斷方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟一、依據軌道的不平順性對于軌道-車輛耦合系統的動態影響，對高速列車 懸架系統進行建模；
[0010] 步驟二、在列車運行過程中，通過加速度傳感器、陀螺儀分別獲得動車/拖車車體 與動車/拖車轉向架的加速度信號、角加速度信號；
[0011] 步驟三、利用故障信息全度量殘差，對所述高速列車懸架系統的系統輸出進行處 理，獲得故障檢測所需的殘差量；
[0012] 步驟四、根據步驟三所得的故障信息全度量殘差進一步得出閉環控制結構懸掛系 統的故障殘差，再結合列車實時工況、線路條件、負載情況所生成的故障檢測報警閾值，判 斷檢測指標是否達到報警閾值，在檢測指標達到報警閾值時進行報警；
[0013] 步驟五、構造基于故障信息全度量殘差的故障估計觀測器，對懸架系統執行器所 發生的微小故障進行實時估計。
[0014] 作為本發明的進一步優選方案，步驟一中，所述對高速列車懸架系統的建模包括： 懸架系統垂向動力學建模、軌道不平順建模、懸架易發故障建模，所述高速列車懸架系統的 空間狀態方程為：
[0015]
【權利要求】
1. 一種針對高速列車懸架系統執行器的微小故障診斷方法，其特征在于，包括如下步 驟： 步驟一、依據軌道的不平順性對于軌道-車輛耦合系統的動態影響，對高速列車懸架 系統進行建模； 步驟二、在列車運行過程中，通過加速度傳感器、陀螺儀分別獲得動車、拖車車體與動 車、拖車轉向架的加速度信號、角加速度信號； 步驟三、利用故障信息全度量殘差，對所述高速列車懸架系統的系統建模輸出進行處 理，獲得故障檢測所需的殘差量； 步驟四、根據故障信息全度量殘差進一步得出閉環控制結構懸掛系統的故障殘差，再 結合列車實時工況、線路條件、負載情況所生成的故障檢測報警閾值，判斷檢測指標是否達 到報警閾值，在檢測指標達到報警閾值時進行報警； 步驟五、構造基于故障信息全度量殘差的故障估計觀測器，對懸架系統執行器所發生 的微小故障進行實時估計。
2. 如權利要求1所述的一種針對高速列車懸架系統執行器的微小故障診斷方法，其特 征在于，步驟一中，對高速列車懸架系統的建模包括：懸架系統垂向動力學建模、軌道不平 順建模、懸架易發故障建模，建立高速列車懸架系統的空間狀態方程為：
z (t) = Gx (t) +Hu (t) +Hd (t) 其中，x(t)表示車輛運動狀態變量，包括車體和轉向架的垂向位移以及車體和轉向架 的俯仰角；是狀態變量x(t)的導數；u(t)是主動懸架中作動器的控制輸出量；d(t)為 軌道激勵；z(t)是系統的輸出信號，包括車體和轉向架的垂向加速度和角加速度；A、B、G、H 分別為空間狀態方程相應的系數矩陣。
3. 如權利要求2所述的一種針對高速列車懸架系統執行器的微小故障診斷方法，其特 征在于，步驟三中所述的故障信息全度量殘差，包括輸出殘差和控制器殘差，其設計步驟如 下： 步驟1、根據高速列車懸架系統空間狀態方程獲得系統的標稱模型&和實際模型匕：
其中，X(l(t)，Z(l(t)分別是標稱模型的狀態變量和輸出變量，4?是狀態變量 X(l(t)的 導數；叫⑴是標稱模型中控制器的輸出；uf(t)是實際模型中控制器的輸出； 步驟2、定義輸出殘差rz(t)用于表征實際模型和標稱模型的輸出差異： rz(t) =z(t)-z〇(t) = G!Uf (t)-G〇u〇 (t) 步驟3、定義控制器殘差ru(t)用于表征實際模型和標稱模型中控制器的輸出差異： ru(t) = uf (t)-u〇(t) 步驟4、定義閉環控制結構下的故障信息全度量殘差： ToMFIR(t) =z(t)_z*(t) =Gpf (t) -G0uf (t) =(G!Uf (t) -G〇u〇 (t)) - (G〇uf (t) -G〇u〇 (t)) =rz(t)-G〇ru(t) 其中，z?(t) =G(iUf(t)，表征的是標稱模型在實時輸入信號uf(t)驅動下的系統輸出； 步驟5、利用所設計的故障信息全度量殘差，針對高速列車懸架系統執行器的微小故 障，設定其故障檢測機制為：
其中，λ為故障檢測的閾值。
4.如權利要求1所述的一種針對高速列車懸架系統執行器的微小故障診斷方法，其特 征在于，步驟五中所述的基于故障信息全度量殘差的故障估計觀測器具體表示為：
其中，i|)是觀測器狀態向量，i的是觀測器狀態向量的導數，i的是所設計觀測 器的輸出，15/(〇是1^(〇的估計值，L是觀測器增益矩陣，I是適維的單位陣； 定義：狀態誤差匕W =玢)-雄)*· 故障估計誤差= ⑴，其中，戶⑴表征故障的估計值，F(t)表征真實的故 障； 觀測器輸出誤差e: W =卻)-雄)；
則自適應故障估計策略可以表示為： 其中，Γ表示自適應律； f 則
將增廣系統描述為：'-(/) = (^5)^.(/)+^(1) 其中：
【文檔編號】G06F19/00GK104155968SQ201410341675
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月17日 優先權日:2014年7月17日
【發明者】吳云凱, 姜斌, 陸寧云, 周東華 申請人:南京航空航天大學