基于动态执行器的列车悬挂系统故障诊断与容错控制方法
【专利摘要】本发明公布了一种基于动态执行器的列车主动悬挂系统故障诊断与容错控制装置及方法，属于自动控制【技术领域】。本发明的基于动态执行器的故障诊断与容错控制装置包括以下模块：动态执行器故障注入模块、平台控制模块、故障诊断模块、实时监控模块、数据采集模块，所述动态执行器为电磁作动器。所采用的动态执行器的在线参数估计和自适应鲁棒容错控制方法主要解决了存在外界扰动且多个执行器故障同步发生的情况下传统故障诊断装置的局限，操作简单，可实现性强，可用于列车主动悬挂系统执行机构的故障诊断和状态监控的可行性验证。
【专利说明】基于动态执行器的列车悬挂系统故障诊断与容错控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动控制【技术领域】，特别是一种基于动态执行器的列车主动悬挂系统 故障诊断与容错控制装置及方法。
【背景技术】
[0002] 列车悬挂系统对于支撑列车的车体和转向架，隔离由轨道不平顺产生的施加在车 轮上的力和控制与轨道表面有关的车体姿态以提供舒适的乘坐品质有重要的作用和意义。
[0003] 根据控制形式的不同，悬挂系统大体被分为三类：被动悬挂系统（固定弹簧、阻尼 结构），半主动悬挂系统（弹簧、变阻尼结构）和主动悬挂系统（弹簧、阻尼、执行器结构）。 被动悬挂结构简单、设计难度低、价格低廉、可靠性高，但由于其属于开环控制，不能通过信 号反馈进行误差校正，因此减振性能有限，不能适应多种轨道条件；半主动悬挂通过替换 阻尼元件为可调阻尼的减振器，使系统能量消耗小，结构简单，并对变化的轨道状况具有一 定的适应能力；主动悬挂通过增加有源的力发生装置和恰当的控制律使列车在不同行驶条 件下的乘坐舒适性和操纵稳定性折中达到性能最优，并主动抑制轨道不平顺带给车体的冲 击，因此其减振性能明显优于被动悬挂和半主动悬挂。
[0004] 列车主动悬挂系统在列车运行过程中不可避免地会受到外界扰动和执行器故障 等的干扰。故障是指系统至少一个特性或参数出现较大的偏差并超出了可接受的范围，导 致系统的性能明显低于其正常水平而难以完成预期的功能。故障的分类可根据故障发生的 部位分为传感器故障、执行器故障和元器件故障，根据故障性质分为突变故障和缓变故障， 根据建模角度分为乘性故障和加性故障。执行器故障通常包括三种运行状况：正常工作，此 时不考虑故障；执行器由于部件老化、外界干扰等原因而部分失效；以及执行器完全失效。
[0005] 为了保证列车运行过程中的乘坐舒适安全性和操纵稳定性，系统需要对外界扰动 或发生执行器故障等情况具有应急处理能力，所以对系统进行故障检测及识别是十分必要 的。
【发明内容】
[0006] 本发明所解决的技术问题在于提供一种基于动态执行器的列车主动悬挂系统故 障诊断与容错控制装置及方法，提高系统可靠性，保证列车运行过程中的乘坐舒适安全性 和操纵稳定性，当系统中某些信号或部件出现故障时能有效地估计出故障发生的时间和大 小并发出警报。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于动态执行器的列车主动悬挂系统故 障诊断与容错控制装置，包括动态执行器故障注入模块、平台控制模块、故障诊断模块、实 时监控模块和数据采集模块，所述动态执行器为电磁作动器，其中动态执行器故障注入模 块与平台控制模块相连接，将模拟的故障信息提供给平台控制模块，并通过平台控制模块 表现故障特性，平台控制模块通过数据采集模块将测得的位移信息、速度信息和加速度信 息传输给故障诊断模块，故障诊断模块与实时监控模块相连接，将检测的故障状态显示出 来，所述故障诊断模块同时与平台控制模块相连接，即对故障信号进行检测识别后将容错 控制律信息传输给平台控制模块。
[0008] 进一步的，所述平台控制模块包括计算机、功率放大器、信号编译及转换装置、带 电磁作动器控制系统的列车悬挂系统模拟平台，其中电磁作动器控制系统包括永磁直流无 刷电机、电机控制系统和滚珠丝杠传动机构，所述永磁直流无刷电机为动态执行器，动态执 行器分为一阶动态执行器和推广的二阶动态执行器，列车悬挂系统模拟平台包括转向架、 转向架综合测试柜和传感器，所述计算机通过功率放大器与列车悬挂系统模拟平台相连 接，所述列车悬挂系统模拟平台同时通过信号编译及转换装置与计算机相连接。
[0009] 进一步的，所述故障诊断模块包括分布的故障检测及识别模块和自适应鲁棒容错 控制器，所述分布的故障检测及识别模块包括分布在各动态执行器上的观测器和与之互相 作用的残差信号生成模块。
[0010] 本发明还提供一种基于权利要求1所述基于动态执行器的故障诊断与容错控制 装置的故障诊断与容错控制方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤1、列车悬挂系统模拟平台以列车主动悬挂系统的多体动态模型为研究对象， 所述模型由两辆动车和一辆拖车组成，两辆动车分别为车体1和车体3, 一辆拖车为车体2， 三辆车的车体和转向架之间的二级悬挂装置的被动力主要取决于车体和转向架的相对位 移，关节衔接处以弹簧模拟，主动悬挂系统的主动控制力由加在被动悬挂弹簧和阻尼减振 器基础上的电磁作动器控制系统产生，外加干扰为轨道不规则输入，将三辆车的车体和转 向架分别看作质心并对其进行受力分析，考虑车体的垂向和俯仰运动以及转向架的垂向运 动，将车体前进方向作为横向轴，将所受重力方向作为垂向轴，垂向位移为车体和转向架在 垂向轴上的位移，俯仰角为车体俯仰运动偏离横向轴的角度，根据每个质心的力平衡和力 矩平衡，得到列车主动悬挂系统多体动态模型的动力学方程为：
【权利要求】
1. 一种基于动态执行器的列车主动悬挂系统故障诊断与容错控制装置，其特征在于： 包括动态执行器故障注入模块、平台控制模块、故障诊断模块、实时监控模块和数据采集模 块，所述动态执行器为电磁作动器，其中动态执行器故障注入模块与平台控制模块相连接， 将模拟的故障信息提供给平台控制模块，并通过平台控制模块表现故障特性，平台控制模 块通过数据采集模块将测得的位移信息、速度信息和加速度信息传输给故障诊断模块，故 障诊断模块与实时监控模块相连接，将检测的故障状态显示出来，所述故障诊断模块同时 与平台控制模块相连接，即对故障信号进行检测识别后将容错控制律信息传输给平台控制 模块。
2. 根据权利要求1所述的基于动态执行器的列车主动悬挂系统故障诊断与容错控制 装置，其特征在于：所述平台控制模块包括计算机、功率放大器、信号编译及转换装置、带电 磁作动器控制系统的列车悬挂系统模拟平台，其中电磁作动器控制系统包括永磁直流无刷 电机、电机控制系统和滚珠丝杠传动机构，所述永磁直流无刷电机为动态执行器，动态执行 器分为一阶动态执行器和推广的二阶动态执行器，列车悬挂系统模拟平台包括转向架、转 向架综合测试柜和传感器，所述计算机通过功率放大器与列车悬挂系统模拟平台相连接， 所述列车悬挂系统模拟平台同时通过信号编译及转换装置与计算机相连接。
3. 根据权利要求1所述的基于动态执行器的列车主动悬挂系统故障诊断与容错控制 装置，其特征在于：所述故障诊断模块包括分布的故障检测及识别模块和自适应鲁棒容错 控制器，所述分布的故障检测及识别模块包括分布在各动态执行器上的观测器和与之互相 作用的残差信号生成模块。
4. 一种基于权利要求1所述基于动态执行器的列车主动悬挂系统故障诊断与容错控 制装置的故障诊断与容错控制方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤1、列车悬挂系统模拟平台以列车主动悬挂系统的多体动态模型为研究对象，所述 模型由两辆动车和一辆拖车组成，两辆动车分别为车体1和车体3, 一辆拖车为车体2,三辆 车的车体和转向架之间的二级悬挂装置的被动力主要取决于车体和转向架的相对位移，关 节衔接处以弹簧模拟，主动悬挂系统的主动控制力由加在被动悬挂弹簧和阻尼减振器基础 上的电磁作动器控制系统产生，外加干扰为轨道不规则输入，将三辆车的车体和转向架分 别看作质心并对其进行受力分析，考虑车体的垂向和俯仰运动以及转向架的垂向运动，将 车体前进方向作为横向轴，将所受重力方向作为垂向轴，垂向位移为车体和转向架在垂向 轴上的位移，俯仰角为车体俯仰运动偏离横向轴的角度，根据每个质心的力平衡和力矩平 衡，得到列车主动悬挂系统多体动态模型的动力学方程为：
?p,,i：41 1 1 <-^y4--k,y, 1 kSii^x 1 (k, 1 = k^yi 1 {\}!i-ft m,tJh - cI-Yi + <C2 + c4) j5 - kI-vI + (k2 + kJy, = A4-vS + cJs - f-1 m^y6 ^ cih ^1 (fi 1 fJ?6 ^ ^kIdA + C*i + k^yt = -fcJ^t + cj#9 ^ f3 其中：!^、!^、!!^、!!^分别为动车质量肩车质量力车转向架质量肩车转向架质量，：^、 It分别为动车俯仰惯量、拖车俯仰惯量，屯、d2、d3分别为动车重心与悬挂位置距离、动车重 心与车后边缘距离、拖车重心与车前后边缘距离，k、ki、k2、k3、k4分别为关节衔接处弹簧、动 车的二级悬挂弹簧、拖车的二级悬挂弹簧、动车转向架的二级悬挂弹簧、拖车转向架的二级 悬挂弹簧的劲度系数，Cl、c2、c3、C4分别为动车二级悬挂、拖车二级悬挂、动车转向架二级悬 挂、拖车转向架二级悬挂的阻尼系数，f\、f2、f3为车体1、车体2、车体3的主动控制力， yi、 y2、y3分别为车体1、车体2、车体3重心的垂向位移，0:、0 2、03分别为三个车体重心的俯 仰角，y4、y5、y6分别为三个转向架重心的垂向位移，则列车的悬挂装置位移和关节衔接位移 可表不为： Yio - Yi-Cl1 9 y12 - Yi+Cl2 9 y13 - Y2 _d3 9 2? Y24 - y2+d3 9 2，y23 - y3_d2 9 3? Yn - Ys+Cl1 9 3 ； 其中：y1(l为车体i的悬挂装置位移，y12为车体i的关节衔接位移，y13和&为车体2 的关节衔接位移，y23为车体3的关节衔接位移，yn为车体3的悬挂装置位移； 上述方程在下述假设关系下确定： ① 所有列车结构均为刚性； ② 列车结构严格对称； ③ 列车车体中心就在结构中心即重心处； ④ 车体的俯仰角度变化小于5° ; 步骤2、确定所采用动态执行器模型的描述形式，即一阶动态执行器模型或二阶动态执 行器模型，再由电磁作动器控制系统的电机特性和控制特性得到列车主动悬挂系统的整体 状态空间方程； 当采用一阶动态执行器模型时，所述模型为电磁作动器的核心部件即永磁直流无刷电 机的一阶简化模型：
其中：u为每时刻永磁直流无刷电机的三相中起作用的两相电枢端电压，i为电流，Us和I分别为等效电源电压和反电动势，Ls为电感系数，R为相电阻，永磁直流无刷电机与电 机控制系统和滚珠丝杠传动机构共同组成电磁作动器控制系统，则由所述电磁作动器控制 系统的控制特性得到其实际输出的对悬挂系统的垂向作用力为：
其中：TY为电机实际输出的转矩，Ph为滚珠丝杠导程，Tm为电机输出转矩，为电机转 子的惯性矩，Jn为滚珠丝杠的螺母惯性矩，《为电机转子转速，Kt为电机转矩常数，i为控 制电流，W为电磁作动器伸缩速度即悬挂装置行程速度；
上述方程在下述假设关系下确定： ① 电枢绕组完全对称，磁路不饱和，忽略齿槽、换相和电枢反应的影响； ② 只考虑每时刻永磁直流无刷电机的三相中起作用的两相电枢端电压； ③ 不考虑永磁直流无刷电机的电磁损耗； ④ 绕组电感系数Ls < 0. 005 ; 步骤3、根据电磁作动器的故障类型建立动态执行器故障模型； 所述一阶动态执行器故障模型为： ^ -a Ji 其中为考虑作动器发生电机过载甚至堵转故障时的故障参数，当作动器电机正常 运转时，a j(t) = 1 ;当电机过载甚至堵转时，a j(t) = 0 ;此时由于电机控制系统中电流控 制器的作用，) = ^ = k为故障发生时间；P」为考虑作动器发生输入部分失效故障 时的故障参数，当作动器输入正常时，(t) =1，当作动器部分增益衰减时，馬⑴eP-1)， g 巾 < << I ; 同理建立二阶动态执行器故障模型为：
其中Ilj可由电流传感器测量得到； 步骤4、在步骤3确定的动态执行器故障模型的基础上构造分布的故障检测及识别模 块针对各执行器的故障进行在线参数估计； 采用一阶动态执行器则构造如下观测器： A A ^ A 其中爲分别为ij，ctj，@」的观测值，为使参数估计在已知取值范围内，采 用射影算子设计自适应律，对所述一阶故障模型中的参数给出如下自适应律以保证误差eiJ. G L°°n L2 ：
据 Lyapunov 稳定理论，G L °° fl L2 ; 采用二阶动态执行器则构造观测器如下：
量，A w > 〇为滤波器时间常数，和^为用于保证系统稳定的待设计参数，为使参数估 计在已知取值范围内，同样采用射影算子设计自适应律，对二阶故障模型和观测器中各参 数给出如下自适应律以保证误差e2j e Lco n L2 :
步骤5、通过步骤4估计出的执行器故障参数确定自适应鲁棒容错控制律，使系统在存 在外界扰动的情况下具有对故障的容错能力和鲁棒性，完成基于动态执行器的故障诊断和 容错控制；具体为：
的执行器输出； (2)构造实现抗干扰的LQG控制器= Gx,其中G'= -i? 4S7/*+ M7)为控制器的反馈 增益矩阵，P 为以下 Riccati 方程的解J?Z+P>-+ + = 0， Q = C1QC , M = y R = ]Jrg-jj + j f = t' - - JNB、' JNA，D = D(1 + JNB、,
中0为适当维数的零矩阵，I为适当维数的单位矩阵，
5.根据权利要求4所述的一种基于动态执行器的列车主动悬挂系统故障诊断与容错 控制方法，其特征在于：由于二阶动态执行器模型对于观测&动态的观测器设计存在不 便，因此当作动器电机过载甚至堵转时，建立以下二阶故障模型：
其中X 2j+p」>> 1 ;当电机正常运转时，a j(t) = 1,当电机过载甚至堵转时，a j(t) =0, iijUpj) = iy且i2j将以X 2j+p」的速率渐近收敛于零，通过选择p」的值，使故障发 生后的Ilj和i2j均能以任意的速率快速收敛到零；而当作动器输入部分失效时，建立以下 二阶故障模型：
并假设在故障存在条件下，Au足够大以保证&能够快速收敛到零，则令= 得 到二阶动态执行器故障整体模型。
【文档编号】G05B23/02GK104360679SQ201410564557
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月21日 优先权日:2014年10月21日
【发明者】冒泽慧, 王玥, 陶钢, 周东华, 姜斌 申请人:南京航空航天大学