：受用户指令分配器和信号选择器控制，确定是否经过信号调理 以及如何生成基于信号调理的内部特定故障信号fIN( ·); 信号调理器包括信号运算器和逻辑运算器，信号运算器用于将特定故障信号f( ·)与 正常信号X〇进行信号叠加生成Xfl，或进行信号相乘生成Xf2;逻辑运算器用于选择性输出故 障注入信号X' f; 噪声信号发生器包括噪声信号选择器和噪声信号生成器，噪声信号选择器用于确定故 障注入信号X、是否需要叠加噪声，噪声信号生成器用于生成所需要的噪声信号Ns;经噪声 信号发生器后，故障注入模块输出所需的最终故障注入信号Xf。7.根据权利要求5所述的仿真系统，其特征在于，所述的牵引变流器故障注入模块的故 障类型包括功率器件和无源元件的失效故障和电气外特性衰退现象，对应的故障注入信号 Xf主要由信号叠加和恒值输出两种方式生成，具体为： (1) 对于功率器件失效故障，采用叠加方式生成故障注入信号Xf，g卩（4)式中X、选择Xfl 输出，其中特定故障信号f( ·)为：式中P谦示第j组故障信号的子周期训表示第j组故障信号的触发时刻；W表示第j组 第i个故障信号的持续时间占整个第j组故障信号子周期h的百分比；为第j组故障信号 的故障状态，当发生开路故障时csj = 0,当发生短路故障时csj = l;nj表示第j组中注入信号 的总个数，且11」=06；[1(以」4〇+1)/^)，其中06；[1表示向正无穷大取整 ； (5)式用于模拟永久型、间歇型、瞬态型及其任意组合的故障信号，当时，式中阶 跃函数的差值为无穷大，用于模拟永久型故障信号；当时，用于模拟瞬态型故障信号； 当0<τ^< 1时，用于模拟间歇型故障信号； (2) 对于功率器件和无源元件出现电气特性衰退现象，采用叠加方式生成故障注入信 号Xf，即(4)式中X、选择Χη输出，其中特定故障信号f( ·)为： f( · )=f(C) (6) 式中fU)为依据不同对象不同电气参数变化特点生成的特定故障信号，ξ表示某特定 电气特性的衰退率;这种情况下无需考虑噪声； (3) 对于无源元件的失效故障，采用恒值输出方式生成故障注入信号Xf，即（4)式中X、 直接选择f( ·)输出，特定故障信号f( ·)为： f( · ) = conts (7) 式中conts可取任意常数，这种情况下无需考虑噪声。8. 根据权利要求5所述的仿真系统，其特征在于，所述的牵引电机故障注入模块的故障 类型包括转子断条故障、定子匝间短路故障、气隙偏心故障和端环断裂故障，对应的故障注 入信号Xf均由信号叠加方式生成，具体为： 将(4)式中X、选择XfHt为输出，其中特定故障信号f( ·)由三相定子电流产生某一特 定频率的边频分量生成： f( · )=f(M,fl,s)=AlCOs(23Tfslt+9l)+A2COs(23Tfs2t+02) (8) 式中Μ为故障严重程度;fi为基波频率;s为牵引电机转差率;Ai、A2为相应边频分量的幅 值，由基频幅值和Μ可得;fsl、fs2为特定故障类型相应边频分量的故障特征频率，与转差率s 和基频有关;θ:、θ2为相应边频分量的相位角，可任意取值； (1) 当发生转子断条故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为： fs=(l±2ks)fi (9) 式中k为故障电流阶次，k=l，2,3，···;此时，fsi=(l+2ks)fi、fS2=(l-2ks)fi; (2) 当发生定子匝间短路故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为： fs=[n±2k(l_2s)]fi (10) 式中 η为正整数;此时，fsi= [n+2k(l_2s) ]fi、fS2= [n_2k(l_2s) ]fi; (3) 当发生气隙偏心故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为： fs=[n±k(l_s)]fi (11) 此时，fsi= [n+k(l_s) ]fi、fS2= [n-k(l-s) ]fi; (4) 当发生端环断裂故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为： fs=(l±2ks)fi (12) 此时，fsi= (l+2ks)fi、fS2= (l-2ks)fi。9. 根据权利要求5所述的仿真系统，其特征在于，所述的传感器故障注入模块的故障类 型包括电压、电流和速度传感器的偏差、漂移、冲击、精度下降、周期性干扰、增益、开路、短 路、卡死和非线性死区故障，对应的故障注入信号Xf由信号叠加、信号相乘和恒值输出三种 方式生成，具体为： (1) 对于偏差、漂移、冲击、精度下降故障，采用信号叠加方式生成故障注入信号Xf，即 (4)式中X、选择Xfl输出，其中特定故障信号f( ·)为： f( · )=f(z,w) (13) 式中f (z,w)为特定偏差形式；当为恒偏差故障时，f (z,w) = z是一个恒值信号，z取任意 常数;当为漂移故障时，f(z，w) = z*t+w是一阶线性时变信号，其中t为故障注入后的系统运 行时间；当为冲击故障时，：?(2，《〇=5(1：-2)是一个冲击信号 ；当精度等级下降时，；^2，'\￥)=€ (2,0)=叭0,22)是一个均值为零、方差不为零的信号； (2) 对于周期性干扰故障，采用信号叠加方式生成故障注入信号Xf，g卩（4)式中X、选择 Xfl输出，其中特定故障信号f( ·)由（5)式生成，在这种情况下，式中CSj为随机扰动信号幅 值； (3) 对于增益故障，采用信号相乘方式生成故障注入信号Xf，即⑷式中f f选择Xf2输出， 其中特定故障信号f( ·)为： f( · )=f(a) (14) 式中f(a)为特定增益形式，a为增益参数； (4)对于开路、短路、卡死和非线性死区故障，采用恒值输出的方式生成故障注入信号 Xf，即（4)式中X、直接选择f( ·)输出，特定故障信号f( ·)由（5)式生成：当发生开路与短路 故障时，conts取零；当发生卡死故障时，conts取故障发生时刻信号的瞬时值；当发生非线 性死区故障时，若信号幅值超出设定阈值，则conts取零。10. 根据权利要求5所述的仿真系统，其特征在于，所述的牵引控制器故障注入模块的 故障类型包括模拟信号I/O模块、数字信号I/O模块和存储模块的错误逻辑状态/硬损伤，对 应的故障注入信号X f由信号叠加和恒值输出两种方式生成，具体为： (1) 对于模拟信号I/O模块故障，采用信号叠加方式生成故障注入信号Xf，即（4)式中f f 选择Xh输出，其中特定故障信号f( ·)为瞬时脉冲，采用双指数模型描述： f(p,q,A)=A · (ep"t-eq，t) (15) 式中P，q为注入信号的时间系数，共同决定注入脉冲的宽度、上升沿时间与下降沿时 间;A为注入信号的幅值系数，决定注入脉冲的幅值大小； (2) 对于数字信号I/O模块故障，采用恒值输出方式生成故障注入信号Xf，即（4)式中X、 直接选择f( ·)输出，特定故障信号f( ·)由（5)式生成：当外部干扰引起的瞬时脉冲信号大 于引脚电平的阈值TH时，conts取1;反之，conts取0; (3) 对于存储模块故障，采用恒值输出方式生成故障注入信号Xf，即（4)式中X、直接选 择f( ·)输出，特定故障信号f( ·)由（5)式生成，conts取故障发生时刻传感器反馈的速度 信号进行随机位翻转的值。11. 根据权利要求5至10中任一所述的仿真系统，其特征在于，对牵引传动控制系统各 故障类型的注入、仿真/模拟的步骤为： 步骤1:根据用户指令，确定故障注入点，将所需故障注入模块串接至输入端点A与故障 注入信号的输出端口A'点之间，设置相关故障注入参数； 步骤2:当启动故障注入时，由故障注入控制器选择内部故障信号fIN或外部故障信号 foiiT，作为f( ·);如选择内部故障信号作为特定故障信号f( ·)，生成被测对象所需的特 定故障注入模块中的特定类型f( ·)信号； 步骤3:对所需的特定类型故障，采用（1)或(2)式对正常信号X。和特定故障信号f( ·)进 行信号叠加或信号相乘，生成中间故障注入信号XflSXf2;按公式(3)在信号X〇、f( · )、Xfl和 Xf2中，选择所需特定类型故障的注入信号f f; 步骤4:根据公式(4)，生成最终故障注入信号Xf，并由故障注入模块的输出端#输出；存 储相关车载传感器注入前、注入后运行数据，完成被测对象所需的特定类型故障的注入/模 拟。
【专利摘要】本发明公开了一种高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法及仿真系统，该方法包括步骤：确定故障注入点的位置，生成被测对象所需注入/模拟故障的特定故障信号；将特定故障信号与注入前正常信号进行信号调理生成故障注入信号；将故障注入信号注入到被测对象的故障注入点，实现对对象的故障注入/模拟。该系统包括牵引传动控制系统和故障注入基准，用于对高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法在仿真环境下的实现。本发明可根据需要完成对高速列车牵引传动控制系统中牵引变流器、牵引电机、传感器和牵引控制器各子系统不同类型故障及其传播、并发的故障注入/模拟，提供安全、可靠、接近真实的故障注入/模拟/仿真与测试，具有较强的适用性。
【IPC分类】G01M17/08
【公开号】CN105628406
【申请号】CN201510996427
【发明人】彭涛, 阳春华, 杨超, 史露, 赵帅, 贺泽洲, 杨笑悦, 刘博 , 尹进田, 陶宏伟, 李晟
【申请人】中南大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2015年12月28日