基于動態(tài)執(zhí)行器的列車懸掛系統(tǒng)故障診斷與容錯控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種基于動態(tài)執(zhí)行器的列車主動懸掛系統(tǒng)故障診斷與容錯控制裝置及方法，屬于自動控制【技術(shù)領域】。本發(fā)明的基于動態(tài)執(zhí)行器的故障診斷與容錯控制裝置包括以下模塊：動態(tài)執(zhí)行器故障注入模塊、平臺控制模塊、故障診斷模塊、實時監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，所述動態(tài)執(zhí)行器為電磁作動器。所采用的動態(tài)執(zhí)行器的在線參數(shù)估計和自適應魯棒容錯控制方法主要解決了存在外界擾動且多個執(zhí)行器故障同步發(fā)生的情況下傳統(tǒng)故障診斷裝置的局限，操作簡單，可實現(xiàn)性強，可用于列車主動懸掛系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)控的可行性驗證。
【專利說明】基于動態(tài)執(zhí)行器的列車懸掛系統(tǒng)故障診斷與容錯控制方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及自動控制【技術(shù)領域】，特別是一種基于動態(tài)執(zhí)行器的列車主動懸掛系統(tǒng) 故障診斷與容錯控制裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 列車懸掛系統(tǒng)對于支撐列車的車體和轉(zhuǎn)向架，隔離由軌道不平順產(chǎn)生的施加在車 輪上的力和控制與軌道表面有關(guān)的車體姿態(tài)以提供舒適的乘坐品質(zhì)有重要的作用和意義。
[0003] 根據(jù)控制形式的不同，懸掛系統(tǒng)大體被分為三類：被動懸掛系統(tǒng)（固定彈簧、阻尼 結(jié)構(gòu)），半主動懸掛系統(tǒng)（彈簧、變阻尼結(jié)構(gòu)）和主動懸掛系統(tǒng)（彈簧、阻尼、執(zhí)行器結(jié)構(gòu)）。 被動懸掛結(jié)構(gòu)簡單、設計難度低、價格低廉、可靠性高，但由于其屬于開環(huán)控制，不能通過信 號反饋進行誤差校正，因此減振性能有限，不能適應多種軌道條件；半主動懸掛通過替換 阻尼元件為可調(diào)阻尼的減振器，使系統(tǒng)能量消耗小，結(jié)構(gòu)簡單，并對變化的軌道狀況具有一 定的適應能力；主動懸掛通過增加有源的力發(fā)生裝置和恰當?shù)目刂坡墒沽熊囋诓煌旭倵l 件下的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性折中達到性能最優(yōu)，并主動抑制軌道不平順帶給車體的沖 擊，因此其減振性能明顯優(yōu)于被動懸掛和半主動懸掛。
[0004] 列車主動懸掛系統(tǒng)在列車運行過程中不可避免地會受到外界擾動和執(zhí)行器故障 等的干擾。故障是指系統(tǒng)至少一個特性或參數(shù)出現(xiàn)較大的偏差并超出了可接受的范圍，導 致系統(tǒng)的性能明顯低于其正常水平而難以完成預期的功能。故障的分類可根據(jù)故障發(fā)生的 部位分為傳感器故障、執(zhí)行器故障和元器件故障，根據(jù)故障性質(zhì)分為突變故障和緩變故障， 根據(jù)建模角度分為乘性故障和加性故障。執(zhí)行器故障通常包括三種運行狀況：正常工作，此 時不考慮故障；執(zhí)行器由于部件老化、外界干擾等原因而部分失效；以及執(zhí)行器完全失效。
[0005] 為了保證列車運行過程中的乘坐舒適安全性和操縱穩(wěn)定性，系統(tǒng)需要對外界擾動 或發(fā)生執(zhí)行器故障等情況具有應急處理能力，所以對系統(tǒng)進行故障檢測及識別是十分必要 的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種基于動態(tài)執(zhí)行器的列車主動懸掛系統(tǒng)故 障診斷與容錯控制裝置及方法，提高系統(tǒng)可靠性，保證列車運行過程中的乘坐舒適安全性 和操縱穩(wěn)定性，當系統(tǒng)中某些信號或部件出現(xiàn)故障時能有效地估計出故障發(fā)生的時間和大 小并發(fā)出警報。
[0007] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于動態(tài)執(zhí)行器的列車主動懸掛系統(tǒng)故 障診斷與容錯控制裝置，包括動態(tài)執(zhí)行器故障注入模塊、平臺控制模塊、故障診斷模塊、實 時監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，所述動態(tài)執(zhí)行器為電磁作動器，其中動態(tài)執(zhí)行器故障注入模 塊與平臺控制模塊相連接，將模擬的故障信息提供給平臺控制模塊，并通過平臺控制模塊 表現(xiàn)故障特性，平臺控制模塊通過數(shù)據(jù)采集模塊將測得的位移信息、速度信息和加速度信 息傳輸給故障診斷模塊，故障診斷模塊與實時監(jiān)控模塊相連接，將檢測的故障狀態(tài)顯示出 來，所述故障診斷模塊同時與平臺控制模塊相連接，即對故障信號進行檢測識別后將容錯 控制律信息傳輸給平臺控制模塊。
[0008] 進一步的，所述平臺控制模塊包括計算機、功率放大器、信號編譯及轉(zhuǎn)換裝置、帶 電磁作動器控制系統(tǒng)的列車懸掛系統(tǒng)模擬平臺，其中電磁作動器控制系統(tǒng)包括永磁直流無 刷電機、電機控制系統(tǒng)和滾珠絲杠傳動機構(gòu)，所述永磁直流無刷電機為動態(tài)執(zhí)行器，動態(tài)執(zhí) 行器分為一階動態(tài)執(zhí)行器和推廣的二階動態(tài)執(zhí)行器，列車懸掛系統(tǒng)模擬平臺包括轉(zhuǎn)向架、 轉(zhuǎn)向架綜合測試柜和傳感器，所述計算機通過功率放大器與列車懸掛系統(tǒng)模擬平臺相連 接，所述列車懸掛系統(tǒng)模擬平臺同時通過信號編譯及轉(zhuǎn)換裝置與計算機相連接。
[0009] 進一步的，所述故障診斷模塊包括分布的故障檢測及識別模塊和自適應魯棒容錯 控制器，所述分布的故障檢測及識別模塊包括分布在各動態(tài)執(zhí)行器上的觀測器和與之互相 作用的殘差信號生成模塊。
[0010] 本發(fā)明還提供一種基于權(quán)利要求1所述基于動態(tài)執(zhí)行器的故障診斷與容錯控制 裝置的故障診斷與容錯控制方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟1、列車懸掛系統(tǒng)模擬平臺以列車主動懸掛系統(tǒng)的多體動態(tài)模型為研究對象， 所述模型由兩輛動車和一輛拖車組成，兩輛動車分別為車體1和車體3, 一輛拖車為車體2， 三輛車的車體和轉(zhuǎn)向架之間的二級懸掛裝置的被動力主要取決于車體和轉(zhuǎn)向架的相對位 移，關(guān)節(jié)銜接處以彈簧模擬，主動懸掛系統(tǒng)的主動控制力由加在被動懸掛彈簧和阻尼減振 器基礎上的電磁作動器控制系統(tǒng)產(chǎn)生，外加干擾為軌道不規(guī)則輸入，將三輛車的車體和轉(zhuǎn) 向架分別看作質(zhì)心并對其進行受力分析，考慮車體的垂向和俯仰運動以及轉(zhuǎn)向架的垂向運 動，將車體前進方向作為橫向軸，將所受重力方向作為垂向軸，垂向位移為車體和轉(zhuǎn)向架在 垂向軸上的位移，俯仰角為車體俯仰運動偏離橫向軸的角度，根據(jù)每個質(zhì)心的力平衡和力 矩平衡，得到列車主動懸掛系統(tǒng)多體動態(tài)模型的動力學方程為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于動態(tài)執(zhí)行器的列車主動懸掛系統(tǒng)故障診斷與容錯控制裝置，其特征在于： 包括動態(tài)執(zhí)行器故障注入模塊、平臺控制模塊、故障診斷模塊、實時監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)采集模 塊，所述動態(tài)執(zhí)行器為電磁作動器，其中動態(tài)執(zhí)行器故障注入模塊與平臺控制模塊相連接， 將模擬的故障信息提供給平臺控制模塊，并通過平臺控制模塊表現(xiàn)故障特性，平臺控制模 塊通過數(shù)據(jù)采集模塊將測得的位移信息、速度信息和加速度信息傳輸給故障診斷模塊，故 障診斷模塊與實時監(jiān)控模塊相連接，將檢測的故障狀態(tài)顯示出來，所述故障診斷模塊同時 與平臺控制模塊相連接，即對故障信號進行檢測識別后將容錯控制律信息傳輸給平臺控制 模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)執(zhí)行器的列車主動懸掛系統(tǒng)故障診斷與容錯控制 裝置，其特征在于：所述平臺控制模塊包括計算機、功率放大器、信號編譯及轉(zhuǎn)換裝置、帶電 磁作動器控制系統(tǒng)的列車懸掛系統(tǒng)模擬平臺，其中電磁作動器控制系統(tǒng)包括永磁直流無刷 電機、電機控制系統(tǒng)和滾珠絲杠傳動機構(gòu)，所述永磁直流無刷電機為動態(tài)執(zhí)行器，動態(tài)執(zhí)行 器分為一階動態(tài)執(zhí)行器和推廣的二階動態(tài)執(zhí)行器，列車懸掛系統(tǒng)模擬平臺包括轉(zhuǎn)向架、轉(zhuǎn) 向架綜合測試柜和傳感器，所述計算機通過功率放大器與列車懸掛系統(tǒng)模擬平臺相連接， 所述列車懸掛系統(tǒng)模擬平臺同時通過信號編譯及轉(zhuǎn)換裝置與計算機相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)執(zhí)行器的列車主動懸掛系統(tǒng)故障診斷與容錯控制 裝置，其特征在于：所述故障診斷模塊包括分布的故障檢測及識別模塊和自適應魯棒容錯 控制器，所述分布的故障檢測及識別模塊包括分布在各動態(tài)執(zhí)行器上的觀測器和與之互相 作用的殘差信號生成模塊。
4. 一種基于權(quán)利要求1所述基于動態(tài)執(zhí)行器的列車主動懸掛系統(tǒng)故障診斷與容錯控 制裝置的故障診斷與容錯控制方法，其特征在于：包括以下步驟： 步驟1、列車懸掛系統(tǒng)模擬平臺以列車主動懸掛系統(tǒng)的多體動態(tài)模型為研究對象，所述 模型由兩輛動車和一輛拖車組成，兩輛動車分別為車體1和車體3, 一輛拖車為車體2,三輛 車的車體和轉(zhuǎn)向架之間的二級懸掛裝置的被動力主要取決于車體和轉(zhuǎn)向架的相對位移，關(guān) 節(jié)銜接處以彈簧模擬，主動懸掛系統(tǒng)的主動控制力由加在被動懸掛彈簧和阻尼減振器基礎 上的電磁作動器控制系統(tǒng)產(chǎn)生，外加干擾為軌道不規(guī)則輸入，將三輛車的車體和轉(zhuǎn)向架分 別看作質(zhì)心并對其進行受力分析，考慮車體的垂向和俯仰運動以及轉(zhuǎn)向架的垂向運動，將 車體前進方向作為橫向軸，將所受重力方向作為垂向軸，垂向位移為車體和轉(zhuǎn)向架在垂向 軸上的位移，俯仰角為車體俯仰運動偏離橫向軸的角度，根據(jù)每個質(zhì)心的力平衡和力矩平 衡，得到列車主動懸掛系統(tǒng)多體動態(tài)模型的動力學方程為：
?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：!^、!^、!!^、!!^分別為動車質(zhì)量肩車質(zhì)量力車轉(zhuǎn)向架質(zhì)量肩車轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，：^、 It分別為動車俯仰慣量、拖車俯仰慣量，屯、d2、d3分別為動車重心與懸掛位置距離、動車重 心與車后邊緣距離、拖車重心與車前后邊緣距離，k、ki、k2、k3、k4分別為關(guān)節(jié)銜接處彈簧、動 車的二級懸掛彈簧、拖車的二級懸掛彈簧、動車轉(zhuǎn)向架的二級懸掛彈簧、拖車轉(zhuǎn)向架的二級 懸掛彈簧的勁度系數(shù)，Cl、c2、c3、C4分別為動車二級懸掛、拖車二級懸掛、動車轉(zhuǎn)向架二級懸 掛、拖車轉(zhuǎn)向架二級懸掛的阻尼系數(shù)，f\、f2、f3為車體1、車體2、車體3的主動控制力， yi、 y2、y3分別為車體1、車體2、車體3重心的垂向位移，0:、0 2、03分別為三個車體重心的俯 仰角，y4、y5、y6分別為三個轉(zhuǎn)向架重心的垂向位移，則列車的懸掛裝置位移和關(guān)節(jié)銜接位移 可表不為： 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為車體i的懸掛裝置位移，y12為車體i的關(guān)節(jié)銜接位移，y13和&為車體2 的關(guān)節(jié)銜接位移，y23為車體3的關(guān)節(jié)銜接位移，yn為車體3的懸掛裝置位移； 上述方程在下述假設關(guān)系下確定： ① 所有列車結(jié)構(gòu)均為剛性； ② 列車結(jié)構(gòu)嚴格對稱； ③ 列車車體中心就在結(jié)構(gòu)中心即重心處； ④ 車體的俯仰角度變化小于5° ; 步驟2、確定所采用動態(tài)執(zhí)行器模型的描述形式，即一階動態(tài)執(zhí)行器模型或二階動態(tài)執(zhí) 行器模型，再由電磁作動器控制系統(tǒng)的電機特性和控制特性得到列車主動懸掛系統(tǒng)的整體 狀態(tài)空間方程； 當采用一階動態(tài)執(zhí)行器模型時，所述模型為電磁作動器的核心部件即永磁直流無刷電 機的一階簡化模型：
其中：u為每時刻永磁直流無刷電機的三相中起作用的兩相電樞端電壓，i為電流，Us和I分別為等效電源電壓和反電動勢，Ls為電感系數(shù)，R為相電阻，永磁直流無刷電機與電 機控制系統(tǒng)和滾珠絲杠傳動機構(gòu)共同組成電磁作動器控制系統(tǒng)，則由所述電磁作動器控制 系統(tǒng)的控制特性得到其實際輸出的對懸掛系統(tǒng)的垂向作用力為：
其中：TY為電機實際輸出的轉(zhuǎn)矩，Ph為滾珠絲杠導程，Tm為電機輸出轉(zhuǎn)矩，為電機轉(zhuǎn) 子的慣性矩，Jn為滾珠絲杠的螺母慣性矩，《為電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，Kt為電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)，i為控 制電流，W為電磁作動器伸縮速度即懸掛裝置行程速度；

上述方程在下述假設關(guān)系下確定： ① 電樞繞組完全對稱，磁路不飽和，忽略齒槽、換相和電樞反應的影響； ② 只考慮每時刻永磁直流無刷電機的三相中起作用的兩相電樞端電壓； ③ 不考慮永磁直流無刷電機的電磁損耗； ④ 繞組電感系數(shù)Ls < 0. 005 ; 步驟3、根據(jù)電磁作動器的故障類型建立動態(tài)執(zhí)行器故障模型； 所述一階動態(tài)執(zhí)行器故障模型為： ^ -a Ji 其中為考慮作動器發(fā)生電機過載甚至堵轉(zhuǎn)故障時的故障參數(shù)，當作動器電機正常 運轉(zhuǎn)時，a j(t) = 1 ;當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，a j(t) = 0 ;此時由于電機控制系統(tǒng)中電流控 制器的作用，) = ^ = k為故障發(fā)生時間；P」為考慮作動器發(fā)生輸入部分失效故障 時的故障參數(shù)，當作動器輸入正常時，(t) =1，當作動器部分增益衰減時，馬⑴eP-1)， g 巾 < << I ; 同理建立二階動態(tài)執(zhí)行器故障模型為：
其中Ilj可由電流傳感器測量得到； 步驟4、在步驟3確定的動態(tài)執(zhí)行器故障模型的基礎上構(gòu)造分布的故障檢測及識別模 塊針對各執(zhí)行器的故障進行在線參數(shù)估計； 采用一階動態(tài)執(zhí)行器則構(gòu)造如下觀測器： A A ^ A 其中爲分別為ij，ctj，@」的觀測值，為使參數(shù)估計在已知取值范圍內(nèi)，采 用射影算子設計自適應律，對所述一階故障模型中的參數(shù)給出如下自適應律以保證誤差eiJ. G L°°n L2 ：
據(jù) Lyapunov 穩(wěn)定理論，G L °° fl L2 ; 采用二階動態(tài)執(zhí)行器則構(gòu)造觀測器如下：
量，A w > 〇為濾波器時間常數(shù)，和^為用于保證系統(tǒng)穩(wěn)定的待設計參數(shù)，為使參數(shù)估 計在已知取值范圍內(nèi)，同樣采用射影算子設計自適應律，對二階故障模型和觀測器中各參 數(shù)給出如下自適應律以保證誤差e2j e Lco n L2 :
步驟5、通過步驟4估計出的執(zhí)行器故障參數(shù)確定自適應魯棒容錯控制律，使系統(tǒng)在存 在外界擾動的情況下具有對故障的容錯能力和魯棒性，完成基于動態(tài)執(zhí)行器的故障診斷和 容錯控制；具體為：
的執(zhí)行器輸出； (2)構(gòu)造實現(xiàn)抗干擾的LQG控制器= Gx,其中G'= -i? 4S7/*+ M7)為控制器的反饋 增益矩陣，P 為以下 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為適當維數(shù)的零矩陣，I為適當維數(shù)的單位矩陣，

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于動態(tài)執(zhí)行器的列車主動懸掛系統(tǒng)故障診斷與容錯 控制方法，其特征在于：由于二階動態(tài)執(zhí)行器模型對于觀測&動態(tài)的觀測器設計存在不 便，因此當作動器電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，建立以下二階故障模型：
其中X 2j+p」>> 1 ;當電機正常運轉(zhuǎn)時，a j(t) = 1,當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，a j(t) =0, iijUpj) = iy且i2j將以X 2j+p」的速率漸近收斂于零，通過選擇p」的值，使故障發(fā) 生后的Ilj和i2j均能以任意的速率快速收斂到零；而當作動器輸入部分失效時，建立以下 二階故障模型：
并假設在故障存在條件下，Au足夠大以保證&能夠快速收斂到零，則令= 得 到二階動態(tài)執(zhí)行器故障整體模型。
【文檔編號】G05B23/02GK104360679SQ201410564557
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】冒澤慧, 王玥, 陶鋼, 周東華, 姜斌 申請人:南京航空航天大學