基于多模型的高速列车悬架系统多执行器故障检测与隔离方法
【专利摘要】本发明提供一种基于多模型的高速列车悬架系统多执行器故障检测与隔离方法，包括1号动车、拖车和2号动车，该方法包括以下步骤：1)对列车两节动车一节拖车结构的悬架系统进行建模，获得悬架系统模型；2)两节动车一节拖车悬架系统各自的执行器分别建立故障模型；3)基于每个故障模型设置相匹配的滑模观测器，并生成相应的残差量；4)依据列车的运行环境和悬架系统的工况产生故障报警阈值，由逻辑控制器对各残差量进行决策，判断是否报警并指出故障发生位置。应用故障检测与隔离技术是提高系统可靠性的有效途径，故障发生时及时报警，特别是在多个执行器发生故障时指出故障的发生位置，可有利于故障的排查和系统维护。
【专利说明】基于多模型的高速列车悬架系统多执行器故障检测与隔离 方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉高速列车悬挂系统故障诊断领域，具体涉及基于多模型的高速列车悬架 系统多执行器故障检测与隔离方法。
【背景技术】
[0002] CRH(ChinaRailwayHigh-speed)高速列车，即"和谐号"动车组，在2007年4月 正式投入运营后，目前已在我国铁路主要干线上实现了时速200公里以上的动车组列车网 络。悬架系统是高速列车的重要组成部分，主要负责支撑车体和转向架，在轨道与车体间形 成缓冲以保证列车运行过程中的舒适性，因此其可靠性要求高。为了提升我国高速列车运 行的安全性，针对高速列车悬架系统的故障诊断研究不可或缺。
[0003] 高速列车悬架系统由一系悬架系统和二次悬架系统组成，一系悬架位于转向架与 轮对之间，二系悬架位于列车车体与转向架之间，包含有螺旋弹簧、空气弹簧、横向/垂向 阻尼器及主动作动器等部件。作为悬架系统的执行器，装载于转向架的主动作动器对于列 车运行的安全、可靠、平稳至关重要。
[0004] 通常执行器故障包括部分失效（损伤）和完全失效（卡死、松浮和饱和）。从建模 角度可分为加性故障和乘性故障；而根据故障性质，可分为突变故障和微小故障。目前，对 于高速列车悬架系统的多故障诊断的研究较少，如何对多故障进行检测与故障隔离，成为 了现有技术发展的重要方向。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了解决现有技术中，不能有效解决高速列车悬架系统执行器故障检 测和隔离的问题，本发明通过建立多模型，提出基于多模型的高速列车悬架系统多执行器 故障检测与隔离方法，解决了现有技术的不足。
[0006] 技术方案：基于多模型的高速列车悬架系统多执行器故障检测与隔离方法，包括 1号动车、拖车和2号动车，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0007] 步骤1)对列车两节动车一节拖车结构的悬架系统进行建模，获得悬架系统模型， 该模型包括列车轨道的不规则对于列车-轨道耦合系统的干扰；
[0008] 步骤2)两节动车一节拖车悬架系统分别包括一个执行器，对这三个执行器常见 的已知的故障分别建立故障模型；
[0009] 步骤3)基于每个故障模型设置相匹配的滑模观测器，并生成相应的残差量； [0010] 步骤4)依据列车的运行环境和悬架系统的工况产生故障报警阈值，由逻辑控制 器对各残差量进行决策，判断是否报警并指出故障发生位置。
[0011] 进一步的，步骤1)中的悬架系统模型包括悬架系统垂向动力学建模和步骤2)中 悬架系统的执行器故障建模，所述悬架系统状态空间方程为：
[0012]
【权利要求】
1. 基于多模型的高速列车悬架系统多执行器故障检测与隔离方法，包括1号动车、拖 车和2号动车，其特征在于，该方法包括以下步骤： 1) 对列车两节动车一节拖车结构的悬架系统进行建模，获得悬架系统模型，该模型包 括列车轨道的不规则对于列车-轨道耦合系统的干扰； 2) 两节动车一节拖车悬架系统分别包括一个执行器，对这三个执行器常见的已知的故 障分别建立故障模型； 3) 基于每个故障模型设置相匹配的滑模观测器，并生成相应的残差量； 4) 依据列车的运行环境和悬架系统的工况产生故障报警阈值，由逻辑控制器对各残差 量进行决策，判断是否报警并指出故障发生位置。
2. 如权利要求1所述的基于多模型的高速列车悬架系统多执行器故障检测与隔离方 法，其特征在于，步骤1)中的悬架系统模型包括悬架系统垂向动力学建模和步骤2)中悬架 系统的执行器故障建模，所述悬架系统状态空间方程为：
其中： x(t) e R18xi为列车运动状态变量，包括车体和转向架的垂向位移与速度，以及车体的 俯仰角与角加速度； u(t) e R3xi为主动控制力； g(t)eR18xi为系统非线性部分，且满足Lipschitz条件； d(t) e R6xi为轨道不规则激励； f(t) e R3xi为故障信号； y(t) e R9xi为系统的输出信号，包括车体和转向架的垂向速度和俯仰角； A，B，G，D，E，C状态空间方程相应的系数矩阵。
3. 如权利要求1所述的基于多模型的高速列车悬架系统多执行器故障检测与隔离方 法，其特征在于，所述两节动车一节拖车各自包括转向架部分，所述转向架部分执行器分别 建立转向架故障模型： y(t) =Cx(t)
其中： Ej为矩阵E的第j列的列向量； (t)，f2 (t)，f3 (t)分别为1号动车、拖车和2号动车的执行器故障； 当第i个执行器无故障时fi(t) = 0,健康系统模型记为Mtl ;而当第i个执行器发生故 障时（i= 1，2, 3)，即有A(t)尹0且E/」=0 (j尹i)，则系统故障模型记为Mi,表述为：
4. 如权利要求1所述的基于多模型的高速列车悬架系统多执行器故障检测与隔离方 法，其特征在于，所述每个滑模观测器生成的残差只对某一个故障不敏感，而对所其他的故 障都敏感；即滑模观测器与其中一个故障模型匹配，该滑模观测器如下：
其中： f(0，义(0分别为第i个执行器故障发生时系统状态量X(t)和输出y(t)的估计值； L为待设计的观测器增益矩阵，满足P(A-LC) + (A-LC)tP= -Q，式中P> 0,Q>O与w/为滑模信号（i= 1，2, 3); 定义：第i个执行器故障发生时的输出误差信号< 则w/与 < 分别表述为：
其中： F1,F/ 为待设计矩阵，满足条件F1C=DTP，F2C=ETP，F2 = [F21F22F23]T;Pi，P2i分别 为系统干扰d(t)和第i个故障& (t)的有界值； 定义：第i个执行器故障发生时的状态估计误 根据Lyapunov稳定理论，当第i个执行器故障发生时，该误差动态方程渐进稳定即 =0;而发生其他执行器故障时，由于E矩阵为列满秩而有?设计第i个观测 器的残差信号为ri=IIeyiIU
5. 如权利要求1所述的基于多模型的高速列车悬架系统多执行器故障检测与隔离方 法，其特征在于，步骤4)具体包括：逻辑控制器依据各个模型匹配观测器生成的残差信号 进行故障判断与故障定位，给出故障是否发生的判断信号、第i个执行器故障是否发生的 判断信号，实现多故障检测与隔离。
6. 如权利要求5所述的基于多模型的高速列车悬架系统多执行器故障检测与隔离方 法，其特征在于，所述逻辑控制器部分具体包括以下步骤： 4. 1)选择故障报警阈值为J，J取系统无故障时残差的±5% ; 4. 2)选择故障是否发生的判断信号Fal_°，以及第i个执行器故障是否发生的判断信 号Falm/(i= 1，2, 3);判断准则如下： Fal_° = 1 :至少一种故障发生； Fal_° = 〇 :没有发生故障； Falan/ = 1 :第i个执行器发生故障； Falm/ = 〇 :第i个执行器没有发生故障； 4.3)逻辑决策，判定原则如下： 如果A<J且 r2 < J且r3 <J，则Fala"° =O ;否则FalaM° = 1 ; 如果FalOT° = 1 且A 彡 J,则 Falmi1 = O ;否则 Falmi1 = 1 ; 如果Falarm° = 1 且;r2 > J,则 Falarm2 = O ;否则 Falarm2 = 1 ; 如果FalOT° = 1 且r3 彡 J,则 Falmi3 = O ;否则 Falmi3 = 1 ; 4. 4)依据步骤4. 3)的判定原则，给出相应的故障提示信号，即Fala"°和Falm/为1或 0,通过步骤4. 2)的判断准则而判断是否发生故障和具体发生故障的执行器。
【文档编号】G01M17/10GK104458298SQ201410748466
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月9日 优先权日:2014年12月9日
【发明者】冒泽慧, 顾欣欣, 姜斌 申请人:南京航空航天大学