基于多模型的高速列車懸架系統(tǒng)多執(zhí)行器故障檢測與隔離方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于多模型的高速列車懸架系統(tǒng)多執(zhí)行器故障檢測與隔離方法，包括1號(hào)動(dòng)車、拖車和2號(hào)動(dòng)車，該方法包括以下步驟：1)對列車兩節(jié)動(dòng)車一節(jié)拖車結(jié)構(gòu)的懸架系統(tǒng)進(jìn)行建模，獲得懸架系統(tǒng)模型；2)兩節(jié)動(dòng)車一節(jié)拖車懸架系統(tǒng)各自的執(zhí)行器分別建立故障模型；3)基于每個(gè)故障模型設(shè)置相匹配的滑模觀測器，并生成相應(yīng)的殘差量；4)依據(jù)列車的運(yùn)行環(huán)境和懸架系統(tǒng)的工況產(chǎn)生故障報(bào)警閾值，由邏輯控制器對各殘差量進(jìn)行決策，判斷是否報(bào)警并指出故障發(fā)生位置。應(yīng)用故障檢測與隔離技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性的有效途徑，故障發(fā)生時(shí)及時(shí)報(bào)警，特別是在多個(gè)執(zhí)行器發(fā)生故障時(shí)指出故障的發(fā)生位置，可有利于故障的排查和系統(tǒng)維護(hù)。
【專利說明】基于多模型的高速列車懸架系統(tǒng)多執(zhí)行器故障檢測與隔離 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉高速列車懸掛系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域，具體涉及基于多模型的高速列車懸架 系統(tǒng)多執(zhí)行器故障檢測與隔離方法。

【背景技術(shù)】
[0002] CRH(ChinaRailwayHigh-speed)高速列車，即"和諧號(hào)"動(dòng)車組，在2007年4月 正式投入運(yùn)營后，目前已在我國鐵路主要干線上實(shí)現(xiàn)了時(shí)速200公里以上的動(dòng)車組列車網(wǎng) 絡(luò)。懸架系統(tǒng)是高速列車的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)支撐車體和轉(zhuǎn)向架，在軌道與車體間形 成緩沖以保證列車運(yùn)行過程中的舒適性，因此其可靠性要求高。為了提升我國高速列車運(yùn) 行的安全性，針對高速列車懸架系統(tǒng)的故障診斷研究不可或缺。
[0003] 高速列車懸架系統(tǒng)由一系懸架系統(tǒng)和二次懸架系統(tǒng)組成，一系懸架位于轉(zhuǎn)向架與 輪對之間，二系懸架位于列車車體與轉(zhuǎn)向架之間，包含有螺旋彈簧、空氣彈簧、橫向/垂向 阻尼器及主動(dòng)作動(dòng)器等部件。作為懸架系統(tǒng)的執(zhí)行器，裝載于轉(zhuǎn)向架的主動(dòng)作動(dòng)器對于列 車運(yùn)行的安全、可靠、平穩(wěn)至關(guān)重要。
[0004] 通常執(zhí)行器故障包括部分失效（損傷）和完全失效（卡死、松浮和飽和）。從建模 角度可分為加性故障和乘性故障；而根據(jù)故障性質(zhì)，可分為突變故障和微小故障。目前，對 于高速列車懸架系統(tǒng)的多故障診斷的研究較少，如何對多故障進(jìn)行檢測與故障隔離，成為 了現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展的重要方向。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中，不能有效解決高速列車懸架系統(tǒng)執(zhí)行器故障檢 測和隔離的問題，本發(fā)明通過建立多模型，提出基于多模型的高速列車懸架系統(tǒng)多執(zhí)行器 故障檢測與隔離方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0006] 技術(shù)方案：基于多模型的高速列車懸架系統(tǒng)多執(zhí)行器故障檢測與隔離方法，包括 1號(hào)動(dòng)車、拖車和2號(hào)動(dòng)車，其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0007] 步驟1)對列車兩節(jié)動(dòng)車一節(jié)拖車結(jié)構(gòu)的懸架系統(tǒng)進(jìn)行建模，獲得懸架系統(tǒng)模型， 該模型包括列車軌道的不規(guī)則對于列車-軌道耦合系統(tǒng)的干擾；
[0008] 步驟2)兩節(jié)動(dòng)車一節(jié)拖車懸架系統(tǒng)分別包括一個(gè)執(zhí)行器，對這三個(gè)執(zhí)行器常見 的已知的故障分別建立故障模型；
[0009] 步驟3)基于每個(gè)故障模型設(shè)置相匹配的滑模觀測器，并生成相應(yīng)的殘差量； [0010] 步驟4)依據(jù)列車的運(yùn)行環(huán)境和懸架系統(tǒng)的工況產(chǎn)生故障報(bào)警閾值，由邏輯控制 器對各殘差量進(jìn)行決策，判斷是否報(bào)警并指出故障發(fā)生位置。
[0011] 進(jìn)一步的，步驟1)中的懸架系統(tǒng)模型包括懸架系統(tǒng)垂向動(dòng)力學(xué)建模和步驟2)中 懸架系統(tǒng)的執(zhí)行器故障建模，所述懸架系統(tǒng)狀態(tài)空間方程為：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 基于多模型的高速列車懸架系統(tǒng)多執(zhí)行器故障檢測與隔離方法，包括1號(hào)動(dòng)車、拖 車和2號(hào)動(dòng)車，其特征在于，該方法包括以下步驟： 1) 對列車兩節(jié)動(dòng)車一節(jié)拖車結(jié)構(gòu)的懸架系統(tǒng)進(jìn)行建模，獲得懸架系統(tǒng)模型，該模型包 括列車軌道的不規(guī)則對于列車-軌道耦合系統(tǒng)的干擾； 2) 兩節(jié)動(dòng)車一節(jié)拖車懸架系統(tǒng)分別包括一個(gè)執(zhí)行器，對這三個(gè)執(zhí)行器常見的已知的故 障分別建立故障模型； 3) 基于每個(gè)故障模型設(shè)置相匹配的滑模觀測器，并生成相應(yīng)的殘差量； 4) 依據(jù)列車的運(yùn)行環(huán)境和懸架系統(tǒng)的工況產(chǎn)生故障報(bào)警閾值，由邏輯控制器對各殘差 量進(jìn)行決策，判斷是否報(bào)警并指出故障發(fā)生位置。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于多模型的高速列車懸架系統(tǒng)多執(zhí)行器故障檢測與隔離方 法，其特征在于，步驟1)中的懸架系統(tǒng)模型包括懸架系統(tǒng)垂向動(dòng)力學(xué)建模和步驟2)中懸架 系統(tǒng)的執(zhí)行器故障建模，所述懸架系統(tǒng)狀態(tài)空間方程為：
其中： x(t) e R18xi為列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變量，包括車體和轉(zhuǎn)向架的垂向位移與速度，以及車體的 俯仰角與角加速度； u(t) e R3xi為主動(dòng)控制力； g(t)eR18xi為系統(tǒng)非線性部分，且滿足Lipschitz條件； d(t) e R6xi為軌道不規(guī)則激勵(lì)； f(t) e R3xi為故障信號(hào)； y(t) e R9xi為系統(tǒng)的輸出信號(hào)，包括車體和轉(zhuǎn)向架的垂向速度和俯仰角； A，B，G，D，E，C狀態(tài)空間方程相應(yīng)的系數(shù)矩陣。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于多模型的高速列車懸架系統(tǒng)多執(zhí)行器故障檢測與隔離方 法，其特征在于，所述兩節(jié)動(dòng)車一節(jié)拖車各自包括轉(zhuǎn)向架部分，所述轉(zhuǎn)向架部分執(zhí)行器分別 建立轉(zhuǎn)向架故障模型： y(t) =Cx(t)
其中： Ej為矩陣E的第j列的列向量； (t)，f2 (t)，f3 (t)分別為1號(hào)動(dòng)車、拖車和2號(hào)動(dòng)車的執(zhí)行器故障； 當(dāng)?shù)趇個(gè)執(zhí)行器無故障時(shí)fi(t) = 0,健康系統(tǒng)模型記為Mtl ;而當(dāng)?shù)趇個(gè)執(zhí)行器發(fā)生故 障時(shí)（i= 1，2, 3)，即有A(t)尹0且E/」=0 (j尹i)，則系統(tǒng)故障模型記為Mi,表述為：
4. 如權(quán)利要求1所述的基于多模型的高速列車懸架系統(tǒng)多執(zhí)行器故障檢測與隔離方 法，其特征在于，所述每個(gè)滑模觀測器生成的殘差只對某一個(gè)故障不敏感，而對所其他的故 障都敏感；即滑模觀測器與其中一個(gè)故障模型匹配，該滑模觀測器如下：
其中： f(0，義(0分別為第i個(gè)執(zhí)行器故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)量X(t)和輸出y(t)的估計(jì)值； L為待設(shè)計(jì)的觀測器增益矩陣，滿足P(A-LC) + (A-LC)tP= -Q，式中P> 0,Q>O與w/為滑模信號(hào)（i= 1，2, 3); 定義：第i個(gè)執(zhí)行器故障發(fā)生時(shí)的輸出誤差信號(hào)< 則w/與 < 分別表述為：
其中： F1,F/ 為待設(shè)計(jì)矩陣，滿足條件F1C=DTP，F(xiàn)2C=ETP，F(xiàn)2 = [F21F22F23]T;Pi，P2i分別 為系統(tǒng)干擾d(t)和第i個(gè)故障& (t)的有界值； 定義：第i個(gè)執(zhí)行器故障發(fā)生時(shí)的狀態(tài)估計(jì)誤 根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定理論，當(dāng)?shù)趇個(gè)執(zhí)行器故障發(fā)生時(shí)，該誤差動(dòng)態(tài)方程漸進(jìn)穩(wěn)定即 =0;而發(fā)生其他執(zhí)行器故障時(shí)，由于E矩陣為列滿秩而有?設(shè)計(jì)第i個(gè)觀測 器的殘差信號(hào)為ri=IIeyiIU
5. 如權(quán)利要求1所述的基于多模型的高速列車懸架系統(tǒng)多執(zhí)行器故障檢測與隔離方 法，其特征在于，步驟4)具體包括：邏輯控制器依據(jù)各個(gè)模型匹配觀測器生成的殘差信號(hào) 進(jìn)行故障判斷與故障定位，給出故障是否發(fā)生的判斷信號(hào)、第i個(gè)執(zhí)行器故障是否發(fā)生的 判斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多故障檢測與隔離。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于多模型的高速列車懸架系統(tǒng)多執(zhí)行器故障檢測與隔離方 法，其特征在于，所述邏輯控制器部分具體包括以下步驟： 4. 1)選擇故障報(bào)警閾值為J，J取系統(tǒng)無故障時(shí)殘差的±5% ; 4. 2)選擇故障是否發(fā)生的判斷信號(hào)Fal_°，以及第i個(gè)執(zhí)行器故障是否發(fā)生的判斷信 號(hào)Falm/(i= 1，2, 3);判斷準(zhǔn)則如下： Fal_° = 1 :至少一種故障發(fā)生； Fal_° = 〇 :沒有發(fā)生故障； Falan/ = 1 :第i個(gè)執(zhí)行器發(fā)生故障； Falm/ = 〇 :第i個(gè)執(zhí)行器沒有發(fā)生故障； 4.3)邏輯決策，判定原則如下： 如果A<J且 r2 < J且r3 <J，則Fala"° =O ;否則FalaM° = 1 ; 如果FalOT° = 1 且A 彡 J,則 Falmi1 = O ;否則 Falmi1 = 1 ; 如果Falarm° = 1 且;r2 > J,則 Falarm2 = O ;否則 Falarm2 = 1 ; 如果FalOT° = 1 且r3 彡 J,則 Falmi3 = O ;否則 Falmi3 = 1 ; 4. 4)依據(jù)步驟4. 3)的判定原則，給出相應(yīng)的故障提示信號(hào)，即Fala"°和Falm/為1或 0,通過步驟4. 2)的判斷準(zhǔn)則而判斷是否發(fā)生故障和具體發(fā)生故障的執(zhí)行器。
【文檔編號(hào)】G01M17/10GK104458298SQ201410748466
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】冒澤慧, 顧欣欣, 姜斌 申請人:南京航空航天大學(xué)