一种针对高速列车悬架系统执行器的微小故障诊断方法
【专利摘要】本发明公开了一种针对高速列车悬架系统执行器的微小故障诊断方法，主要针对CRH高速列车悬架系统的执行器故障，包括以下几个主要步骤：(1)针对高速列车悬架系统执行器的运行工况，对执行器易发的失效型故障建立统一的故障模型；(2)考虑轨道不平顺对于车辆-轨道耦合系统的影响，以动-拖-动的结构建立高速列车悬架系统的模型；(3)针对闭环控制系统下的微小故障诊断问题，提出了一种故障信息全度量残差的概念，并根据一定的决策准则判定故障有无发生以及故障的大小。该诊断方法在悬架系统发生微小故障时可以实现实时的检测报警和故障参数的估计，同时降低闭环控制系统故障检测中误报、漏报的可能性。
【专利说明】一种针对高速列车悬架系统执行器的微小故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种针对高速列车悬架系统执行器的微小故障诊断方法，特别是涉 及基于故障信息全度量残差的闭环控制系统微小故障的检测与估计方法。属于高速列车悬 挂系统故障诊断【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 高速列车悬架系统负责支撑车体和转向架，还起到缓冲由轨道不平顺所引起的 轮轨作用力、控制列车行驶方向以及保证列车运行舒适性的作用，因此对其有高可靠性 的要求。2008年，我国在主要干线上开通了时速200公里以上的CRH(China Railway High-speed)动车组列车，到目前为止，已经建成世界上规模最大、运营速度最快的高速铁 路网。为了提高我国高铁运行的安全性，针对高速列车悬架系统故障诊断的研究势在必行。
[0003] 高速列车悬架系统分为主动悬架和半主动悬架，采用闭环控制结构。悬架系统位 于列车车体与转向架之间（二系悬架）以及转向架与轮对之间（一系悬架），包含有大量的 部件，包括螺旋弹簧、横向/垂向阻尼器、空气弹簧以及主动式作动器。其中主动式作动器 作为重要的执行器部件，对于高速列车的安全运行和乘坐舒适性至关重要。目前，国内外针 对高速列车悬架系统故障诊断的研究主要集中在螺旋弹簧、阻尼器件，也包括车轮、轴承和 转向架构架等部件，但是几乎没有针对二系悬挂中主动式作动器故障诊断的研究。
[0004] 主动悬架采用闭环控制结构，主动式作动器是其中重要的执行器部件。通常执行 器故障包括以下两种状况：失效型（乘性）故障、漂移型（加性）故障，其中又以失效型故 障最为常见。当故障特征不明显时，由于列车运行过程中受环境噪声等影响，容易使高速列 车悬架系统执行器部件的微小故障被噪声掩盖而不易检测。由于闭环结构的影响，故障更 容易在系统内部传播，再加上闭环系统中控制器对于故障有一定的"容错"作用，使得微小 故障的定位和诊断在闭环控制结构的悬架系统中十分困难。
[0005] 故障信息全度量残差包括两个部分：其一是输出残差，用以表征闭环系统中控制 器未补偿的那部分故障信息；其二是控制器残差，用以表征闭环控制系统中控制器补偿了 的那部分故障信息。该技术可以充分利用故障的全面信息，从而更加准确地对闭环结构下 的微小故障进行实时检测和准确诊断。目前，一方面对于主动悬架故障诊断的研究很少，另 外针对高速列车闭环控制结构的悬架系统微小故障诊断的研究以及其工程实用的研究尚 属空白。。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种针对高速列车悬 架系统执行器的微小故障诊断方法。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] -种针对高速列车悬架系统执行器的微小故障诊断方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤一、依据轨道的不平顺性对于轨道-车辆耦合系统的动态影响，对高速列车 悬架系统进行建模；
[0010] 步骤二、在列车运行过程中，通过加速度传感器、陀螺仪分别获得动车/拖车车体 与动车/拖车转向架的加速度信号、角加速度信号；
[0011] 步骤三、利用故障信息全度量残差，对所述高速列车悬架系统的系统输出进行处 理，获得故障检测所需的残差量；
[0012] 步骤四、根据步骤三所得的故障信息全度量残差进一步得出闭环控制结构悬挂系 统的故障残差，再结合列车实时工况、线路条件、负载情况所生成的故障检测报警阈值，判 断检测指标是否达到报警阈值，在检测指标达到报警阈值时进行报警；
[0013] 步骤五、构造基于故障信息全度量残差的故障估计观测器，对悬架系统执行器所 发生的微小故障进行实时估计。
[0014] 作为本发明的进一步优选方案，步骤一中，所述对高速列车悬架系统的建模包括： 悬架系统垂向动力学建模、轨道不平顺建模、悬架易发故障建模，所述高速列车悬架系统的 空间状态方程为：
[0015]
【权利要求】
1. 一种针对高速列车悬架系统执行器的微小故障诊断方法，其特征在于，包括如下步 骤： 步骤一、依据轨道的不平顺性对于轨道-车辆耦合系统的动态影响，对高速列车悬架 系统进行建模； 步骤二、在列车运行过程中，通过加速度传感器、陀螺仪分别获得动车、拖车车体与动 车、拖车转向架的加速度信号、角加速度信号； 步骤三、利用故障信息全度量残差，对所述高速列车悬架系统的系统建模输出进行处 理，获得故障检测所需的残差量； 步骤四、根据故障信息全度量残差进一步得出闭环控制结构悬挂系统的故障残差，再 结合列车实时工况、线路条件、负载情况所生成的故障检测报警阈值，判断检测指标是否达 到报警阈值，在检测指标达到报警阈值时进行报警； 步骤五、构造基于故障信息全度量残差的故障估计观测器，对悬架系统执行器所发生 的微小故障进行实时估计。
2. 如权利要求1所述的一种针对高速列车悬架系统执行器的微小故障诊断方法，其特 征在于，步骤一中，对高速列车悬架系统的建模包括：悬架系统垂向动力学建模、轨道不平 顺建模、悬架易发故障建模，建立高速列车悬架系统的空间状态方程为：
z (t) = Gx (t) +Hu (t) +Hd (t) 其中，x(t)表示车辆运动状态变量，包括车体和转向架的垂向位移以及车体和转向架 的俯仰角；是状态变量x(t)的导数；u(t)是主动悬架中作动器的控制输出量；d(t)为 轨道激励；z(t)是系统的输出信号，包括车体和转向架的垂向加速度和角加速度；A、B、G、H 分别为空间状态方程相应的系数矩阵。
3. 如权利要求2所述的一种针对高速列车悬架系统执行器的微小故障诊断方法，其特 征在于，步骤三中所述的故障信息全度量残差，包括输出残差和控制器残差，其设计步骤如 下： 步骤1、根据高速列车悬架系统空间状态方程获得系统的标称模型&和实际模型匕：
其中，X(l(t)，Z(l(t)分别是标称模型的状态变量和输出变量，4?是状态变量 X(l(t)的 导数；叫⑴是标称模型中控制器的输出；uf(t)是实际模型中控制器的输出； 步骤2、定义输出残差rz(t)用于表征实际模型和标称模型的输出差异： rz(t) =z(t)-z〇(t) = G!Uf (t)-G〇u〇 (t) 步骤3、定义控制器残差ru(t)用于表征实际模型和标称模型中控制器的输出差异： ru(t) = uf (t)-u〇(t) 步骤4、定义闭环控制结构下的故障信息全度量残差： 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)，表征的是标称模型在实时输入信号uf(t)驱动下的系统输出； 步骤5、利用所设计的故障信息全度量残差，针对高速列车悬架系统执行器的微小故 障，设定其故障检测机制为：
其中，λ为故障检测的阈值。
4.如权利要求1所述的一种针对高速列车悬架系统执行器的微小故障诊断方法，其特 征在于，步骤五中所述的基于故障信息全度量残差的故障估计观测器具体表示为：
其中，i|)是观测器状态向量，i的是观测器状态向量的导数，i的是所设计观测 器的输出，15/(〇是1^(〇的估计值，L是观测器增益矩阵，I是适维的单位阵； 定义：状态误差匕W =玢)-雄)*· 故障估计误差= ⑴，其中，户⑴表征故障的估计值，F(t)表征真实的故 障； 观测器输出误差e: W =却)-雄)；
则自适应故障估计策略可以表示为： 其中，Γ表示自适应律； f 则
将增广系统描述为：'-(/) = (^5)^.(/)+^(1) 其中：
【文档编号】G06F19/00GK104155968SQ201410341675
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】吴云凯, 姜斌, 陆宁云, 周东华 申请人:南京航空航天大学