[发明专利]针对高速列车牵引电机非线性系统传感器的故障诊断方法

说明书

本发明公开一种针对高速列车牵引电机非线性系统传感器的故障诊断方法，首先建立牵引电机状态方程和输出方程,并将状态向量和故障向量扩充为一个增广向量,得到增广系统状态空间描述方程；针对所建立的增广系统状态空间描述方程，设计在未知输入观测器基础上的区间观测器，构造增广系统误差动态方程；根据增广系统状态空间描述方程，得到基于未知输入观测器和区间观测器的高速列车牵引电机故障诊断观测器增益矩阵；对增广系统进行等价线性变换，使得系统误差分布矩阵满足Metzler矩阵，根据所设计的观测器得到状态估计值以完成在线故障诊断和故障估计。此种方法可提升故障诊断的性能，实现对牵引电机系统传感器进行实时的故障诊断和故障估计。

技术领域

本发明属于高速列车牵引电机非线性系统故障诊断技术领域，涉及一种针对 高速列车牵引电机系统传感器的故障诊断方法，特别涉及一种基于鲁棒未知输入 观测器与区间观测器相结合故障估计方法。

背景技术

随着科学技术的进步和生活水平的需求，电力电子技术和电子控制技术不断 发展带动着铁路技术的快速发展，自2009年10月我国第一条高速铁路武广高铁 运营以来，标志着我国铁路向现代化技术迈进的动车组被广泛运用到我国各铁路 干线，高速列车给我们的出行提供了很大便利，在考虑机车的快速性、舒适性、 适用经济性等性能指标中，机车的安全可靠性是不容忽视的，它是铁路系统的重 要指标，机车的安全可靠运行关系着铁路事业的发展前景，其中牵引电机作为动 车组的核心设备，更是与列车的安全运行息息相关。随着动车组新车型的不断增 加、运营速度的不断提高，对牵引电机的安全性能也提出了越来越高的要求。因 此，研究牵引电机故障诊断具有十分重要的现实意义。感应电动机在工业中扮演 重要角色，一旦电动机发生故障，不仅会造成经济损失，也有可能带来人员的伤 亡。因此，近几年感应电机故障诊断研究的热点偏向于如何对感应电机进行在线 状态监测及时发现电机的早期异常进而避免电机故障和失效。

现代控制系统已经变得一体化和复杂化。随着运行时间的增长，控制系统中 的执行器和传感器品质随着时间的推移而降低，因此故障检测和诊断(Fault Detection andDiagnosis，FDD)和容错技术已被广泛研究和广泛应用于实际应 用。同时，这些疲劳的部件可能会有各种微小的故障(即初期故障)，这将增加 整个系统中严重事故的风险。控制系统中的传感器用于收集不直接影响系统性能 的系统信息，因此传感器故障的FDD比执行器故障要困难得多，关于普通传感器 故障报告只有少数研究成果。

区间观测器有很强的工程应用背景，该概念最初的提出也是源于解决一类生 化系统中的状态监测问题。存在一大类实际系统，非常难、甚至不可能获得对象 的准确、哪怕是实际可用的确定性模型，例如一些生化反应、电网系统等，这类 系统可能存在统计规律未知的外界扰动，且输入是不确定的。这种情形下，如果 按照传统方法构造观测器必然含有不确定输入，其观测误差一般不会趋向零。如 构造未知输入观测器，一般要求满足很强的“匹配条件”，但实际系统未必满足。 因此，传统的观测器在处理上述不确定系统时会遇到瓶颈问题，很难获得精确状 态估计。然而大多数实际场合我们并不需要知道系统任意时刻的精确状态，或者 在某些情形下知道系统状态运行的区间比知道系统的精确状态更有意义。通常， 只要能确定此类系统状态运行的区间，对于相应的控制或故障诊断也已经足够 了，因此在大多数场合区间观测器是能满足工程实际需要的。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种针对高速列车牵引电机非线性系统传感器的故 障诊断方法，借助未知输入观测器干扰解耦的特性，可在理论层面上彻底消除外 界干扰对故障诊断的不利影响，利用鲁棒性抑制故障导数对故障估计的影响，提 升故障诊断的性能并利用区间观测器高效处理高速列车牵引电机非线性系统，实 现对牵引电机系统传感器进行实时的故障诊断和故障估计。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种针对高速列车牵引电机非线性系统传感器的故障诊断方法，包括如下步 骤：