一種基于有限頻域的高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的故障檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種基于有限頻域 的高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的故障檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于高速列車高速性、安全性的特點，目前國家正在大力發(fā)展高速列車事業(yè)，至U 2015年底，中國高速鐵路營業(yè)里程達1.8萬公里W上，中國已經(jīng)擁有全世界最大規(guī)模W及最 高運營速度的高速鐵路網(wǎng)，而懸掛系統(tǒng)是高速列車的重要組成部分，按照作用方向可分為 高速列車垂向懸掛系統(tǒng)和橫向懸掛系統(tǒng)，其支撐著車體和轉(zhuǎn)向架，分別稱為二系和一系懸 掛系統(tǒng)，還起到緩沖由軌道不平順所引起的輪軌作用力，控制列車行駛方向，保持舒適性等 作用。因此，高速列車懸掛系統(tǒng)是監(jiān)控列車運行狀態(tài)的必要組成部分，而其故障檢測對保障 列車正常運行尤為重要，但由于其懸掛系統(tǒng)建模的復(fù)雜性或者模型的高維性使得對懸掛系 統(tǒng)的故障檢測研究比較少。
[0003] 由于存在擾動噪聲等干擾信號使得故障檢測系統(tǒng)會出現(xiàn)誤報的情況，而高速列車 在運行過程中必然遇到各種干擾信號，所W必須對其進行魯棒故障檢測從而減小誤報率。 另外，現(xiàn)在大多數(shù)高速列車懸掛系統(tǒng)的故障診斷方法是在全頻域下進行的，但微小漸變故 障由于變化緩慢一般屬于低頻段，且初始值通常很小，現(xiàn)有的基于全頻域的故障診斷方法 無法快速地檢測出故障，W上局限性也體現(xiàn)在高速列車垂向懸掛系統(tǒng)上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提出一種基于有限頻域的高速 列車垂向懸掛系統(tǒng)的故障檢測方法，能夠有效地克服高速列車在運行過程中的各種干擾信 號，并準確、快速地解決高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的低頻微小漸變故障的檢測問題。
[000引本發(fā)明具體采用W下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題：
[0006] 本發(fā)明一種基于有限頻域的高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的故障檢測方法，其特征在 于，包括W下步驟：
[0007] 1)采集高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程；
[0008] 2)構(gòu)造誤差方程和故障檢測觀測器增益矩陣；
[0009] 3)根據(jù)采集到的高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程W及構(gòu)造的誤差 方程和故障檢測觀測器增益矩陣，設(shè)計一種高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的故障檢測觀測器；
[0010] 4)為了使得被檢測的高速列車垂向懸掛系統(tǒng)對干擾具有魯棒性，并對故障具有敏 感性，引進Hoc范數(shù)和H-指標，求得故障檢測觀測器增益矩陣L同時為了保證得到的故障檢 測觀測器增益矩陣是最優(yōu)的結(jié)果，給出一種迭代算法；
[0011] 5)通過觀察高速列車垂向懸掛系統(tǒng)實際輸出向量y(t)和估計輸出向量東的的殘 差>''(〇=.噸')-/'(/)來判斷是否發(fā)生了故障；若ti時刻Hti)辛0,則說明ti發(fā)生了故障，能夠 及時檢測出故障。
[0012]在所述步驟2)中，所述的構(gòu)造誤差方程的過程是：
[001引通過定義e(t) = .x-(0--?(0，得到所述的構(gòu)造誤差方程為：
[0017]在所述步驟3)中，所述的設(shè)計一種連續(xù)時間高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的故障檢測觀 測器具體如下：
[0021]其中，A，B，C為高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的系統(tǒng)矩陣；《(OeRP是系統(tǒng)輸入向量， J(Oe吸"，>'(Oe]r·分別表示系統(tǒng)的狀態(tài)向量和輸出向量，文的E吸。，j：'的e肢^^^分別表示狀 態(tài)和輸出的估計向量;r(t)是殘差信號，L是待設(shè)計的觀測器增益矩陣。
[0022] 進一步的，在所述步驟4)中，為了使得被檢測的高速列車垂向懸掛系統(tǒng)對干擾具 有魯棒性，對故障具有敏感性，引進Hoc范數(shù)和H-指標，求得故障檢測觀測器增益矩陣，其具 體過程為：
[002引401)通過巧義e(t) = .、-W-.;-(i)，得到如下誤差動態(tài)方程：
[0027]基于對干擾魯棒，對故障敏感的設(shè)計原則，引入Hoc范數(shù)和H-指數(shù)，使得下式成立：
〇min表不矩陣Grf(jω)的最小奇異 值，Omax表示矩陣Grd(jW)的最大奇異值，采用Η-指數(shù)描述故障對殘差信號的最小影響，Hoc范 數(shù)描述故障對殘差信號的最大影響，瑪，瑪分別為故障信號和干擾信號的頻率。
[0031] 402)求取故障檢測觀測器增益矩陣，從而故障檢測觀測器滿足上面的設(shè)計原則， 給出定理如下：
[0032]給定性能指標&，，系統(tǒng)矩陣A，Bi，B2，B3，C，Di，化，〇3具有合適維數(shù)，如果存在對稱 正定矩陣Po，Ql，化，對稱矩陣Pi，P2和適合維數(shù)的矩陣X，Y，Vl，V2，V3，V4，Vl'，V2 '，V3 '，V4 '使得 下面線性矩陣不等式成立：
[0044] 其中，Υ= 17Χ，即故障檢測觀測器增益L= (ΥΧ-1)Τ，巧兩是已知的實數(shù)，代表故障 和干擾信號的頻率范圍；在低頻故障和干擾信號的情況下，則存在故障檢測觀測器使得誤 差方程穩(wěn)定并且滿足下面有限頻性能指標：
[0047] 進一步的，在所述步驟4)中，所述的為了使得到的故障檢測觀測器增益是最優(yōu)的 結(jié)果，給出一種迭代算法，其過程是：
[0048] 403)給定性能指標&，&，系統(tǒng)矩陣A，Bi，Β2，Β3，C，Di，，〇3具有合適維數(shù)，如果存在 對稱正定矩陣P〇，Qi，Q2,對稱矩陣Pl，P2和適合維數(shù)的矩陣X，Y，Vl，V2，V3，V4，V'l，V'2，V'3，V'4 使得下面線性矩陣不等式成立；
[0049]

[0060] 其中，γ=?7χ，即故障檢測觀測器增益L=(YX^1)T，巧，是已知的實數(shù)，代表故障 和干擾信號的頻率范圍；在低頻故障和干擾信號的情況下，則存在故障檢測觀測器使得誤 差方程穩(wěn)定并且滿足下面有限頻性能指標：
[0063] 404)求故障檢測觀測器增益時，為了使J= &/&盡可能小，按照下面步驟進行：
[0064] 404-1)求解線性矩陣不等式(1)(2)得到可行性解執(zhí)，
[0065] 404-2)選擇合適的參數(shù)ε，δ，使得βι=βι+ε，β2 =β2-δ，重新代入線性矩陣不等式 (1)(2)中看是否有可行解，若有可行解迭代繼續(xù)進行本步驟；
[0066] 404-3)若步驟404-2)無可行解，則輸出L，那么可W保證求得的故障檢測觀測器增 益L即為使得性能最優(yōu)的增益。
[0067] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明含有W下優(yōu)點和有益效果：
[0068] 1.由于微小漸變故障變化范圍屬于低頻域，干擾有各種頻域范圍，目前常用的故 障檢測觀測器是針對全頻域范圍設(shè)計的，沒有考慮故障和干擾信號的頻率范圍，運就會存 在很大的保守性問題，針對運個問題，本發(fā)明提出一種基于有限頻域的高速列車懸掛系統(tǒng) 的故障檢測方法，尤其給出了低頻故障情況下的公式，同時為了增強對故障檢測的靈敏性 和對干擾信號的魯棒性，通過最優(yōu)化方法找到最優(yōu)指數(shù)，更好地滿足性能要求，使得對微小 漸變故障的檢測更加準確和快速。
[0069] 2 .引入兩個指標βι，β2，提出一種最優(yōu)化方法使其滿足最優(yōu)性能，使得對高速列車 懸掛系統(tǒng)的微小漸變故障檢測更快速、更準確。
【附圖說明】
[0070] 圖1為本發(fā)明的一種基于有限頻域的高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的故障檢測方法的流 程框圖。
[00川圖2為本發(fā)明所述的一種高速列車垂向懸掛系統(tǒng)模型示意圖。其中：變量(Η為車 體點頭角位移，Zb,zi，zt分別表示車體和前后轉(zhuǎn)向架質(zhì)屯、垂向位移，山，ut為控制力，其余參 數(shù)詳見表1.
[0072] 圖3為本發(fā)明所述的一種高速列車垂向懸掛系統(tǒng)故障檢測觀測器結(jié)構(gòu)圖。
[0073] 圖4為本發(fā)明所述的一種高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的故障檢測報警示意圖。
[0074] 圖5為本發(fā)明的一種實施例的(A-LC)特征根的分布圖。
[0075] 圖6(a)、6(b)為本發(fā)明的一種實施例的兩個輸出向量的故障檢測仿真曲線圖，其 中報警闊值是0.2。
【具體實施方式】
[0076] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明：
[OOW]本發(fā)明的原理是：W高速列車垂向懸掛系統(tǒng)為研究對象，針對低頻故障，提出了一 種基于有限頻的故障檢測方法，引進兩個指標&，&，通過優(yōu)化指標使得J= 盡可能小， 從而使得故障檢測更加快速和準確。
[0078] 本發(fā)明一種基于有限頻域的高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的故障檢測方法，其特征在 于，包括W下步驟：
[0079] 1)采集高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程；
[0080] 2)構(gòu)造誤差方程和故障檢測觀測器增益矩陣；
[0081] 3)根據(jù)采集到的高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程W及構(gòu)造的誤差 方程和故障檢測觀測器增益矩陣，設(shè)計一種高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的故障檢測觀測器；
[0082] 4)為了使得被檢測的高速列車垂向懸掛系統(tǒng)對干擾具有魯棒性，并對故障具有敏 感性，引進Hoc范數(shù)和H-指標，求得故障檢測觀測器增益矩陣L同時為了保證得到的故障檢 測觀測器增益矩陣是最優(yōu)的結(jié)果，給出一種迭代算法；
[0083] 5)通過觀察高速列車垂向懸掛系統(tǒng)實際輸出向量y(t)和估計輸出向量興?)的殘差 /'(/)二>'(〇--部)來判斷是否發(fā)生了故障;若ti時刻Hti)辛0,則說明ti發(fā)生了故障，能夠及 時檢測出故障。
[0084] 在所述步驟2)中，所述的構(gòu)造誤差方程的過程是：
[008引通過定義e(t)二·得到所述的構(gòu)造誤差方程為：
[0089]在所述步驟3)中，所述的設(shè)計一種連續(xù)時間高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的故障檢測觀 測器具體如下：
[0093]其中，A，B，C為高速列車垂向懸掛系統(tǒng)的系統(tǒng)矩陣；WOERP是系統(tǒng)輸入向量， T的e股"，吸。1分別表示系統(tǒng)的狀態(tài)向量和輸出向量，.啼)e吸"，列吸"'分別表示狀 態(tài)和輸出的估計向量;r(t)是殘差信號，L是待設(shè)計的觀測器增益矩陣。
[0094]進一步的，在所述步驟4)中，為了使得被檢測的高速列車垂向懸掛系統(tǒng)對干擾具 有魯棒性，對故障具有敏感性，引進Hoc范數(shù)和H-指標，求得故障檢測觀測器增益矩陣，其具 體過程為：
[009引401)通過定義e(t) = 40-雌)，得到如下誤差動態(tài)方程：
[0099]基于對干擾魯棒，對故障敏感的設(shè)計原則，引入Hoc范數(shù)和H-指數(shù)，使得下式成立：
[0102] 其中
Omin表示矩陣Grf(jω)的最小奇異 值，Omax表示矩陣Grd(jW)的最大奇異值，采用Η-指數(shù)描述故障