基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法
2023-06-26 11:33:46
基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法，其包括如下步驟：(a)對列車車輛懸架系統進行建模，同時考慮外界幹擾等建模不確定性對於系統的動態影響；(b)在列車運行過程中，獲得動車/拖車車體與動車/拖車轉向架的垂直位移，垂直加速度，俯仰角，俯仰角加速度信號；(c)將系統狀態與未知幹擾進行重構，形成新的閉環控制系統；(d)設計未知輸入觀測器，對新的閉環控制系統的狀態進行估計，同時構造包含故障信息的殘差信號；(e)根據接受區域生成故障報警閾值，依據假設檢驗決策判斷是否報警，並構造置信區間，得到故障要可被檢測到應滿足的條件，控制故障檢測的誤報率與漏報率。
【專利說明】基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法，尤其涉及 基於未知輸入觀測器假設檢驗的故障檢測方法。
【背景技術】：
[0002] 高速列車懸架系統負責支撐車體和轉向架，還起到緩衝由軌道不平順所引起的輪 軌作用力、控制列車行駛姿態以保證列車運行舒適性的作用，因此對其有高可靠性的要求。 CRH型列車是指2007年4月18日起在中國鐵路第六次鐵路大提速後開行的動車組列車。到 目前為止，已經建成世界上規模最大、運營速度最快的高速鐵路網。隨著高速列車的提速， 列車的測速定位問題顯得越來越重要，而傳感器在高速鐵路的測速和定位技術中成為當前 的主流。為了提高我國高鐵運行的安全性，針對高速列車懸架系統傳感器故障診斷的研究 勢在必行。
[0003] 高速列車懸架系統分為主動懸架和半主動懸架，採用閉環控制結構。懸架系統位 於列車車體與轉向架之間的二系懸架系統以及轉向架與輪對之間的一系懸架系統，其中包 含有大量的部件，包括螺旋彈簧、橫向/垂向阻尼器、空氣彈簧以及傳感器。牽引控制單元 中最關心的就是傳感器故障，但目前鑑別和處理控制迴路中的傳感器故障技術匱乏，因此 對於能夠快速準確診斷傳感器故障的技術有迫切的需求。而更深層次的是電機、電調短路、 絕緣、噪聲振動等。列車行駛時噪聲、振動信號很大，但在目前對這些信號本身的關注較少， 如能進行採集分析，這對故障診斷是有意義的。
【發明內容】
：
[0004] 為避免以上現有技術的不足，本發明提出一種基於非線性隨機模型的列車懸架系 統傳感器故障檢測方法。
[0005] 本發明採用如下技術方案：一種基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障 檢測方法，其特徵在於：包括如下步驟
[0006] (a)對列車車輛懸架系統進行建模，同時考慮外界幹擾等建模不確定性對於系統 的動態影響；
[0007] (b)在列車運行過程中，獲得動車/拖車車體與動車/拖車轉向架的垂直位移，垂 直加速度，俯仰角，俯仰角加速度信號；
[0008] (C)將系統狀態與未知幹擾進行重構，形成新的閉環控制系統；
[0009] (d)設計未知輸入觀測器，對新的閉環控制系統的狀態進行估計，同時構造包含故 障信息的殘差信號；
[0010] (e)根據接受區域生成故障報警閾值，依據假設檢驗決策判斷是否報警，並構造置 信區間，得到故障要可被檢測到應滿足的條件，控制故障檢測的誤報率與漏報率。
[0011] 本發明具有如下有益效果：
[0012] (1)本發明基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法主要包括兩 個部分：其一是設計未知輸入觀測器，以此構造能夠將幹擾完全解耦並包含故障信息的殘 差信號；其二是構造置信區間，再依據假設檢驗方法檢測系統故障，以控制故障檢測中的誤 報率與漏報率，從而更加準確地對閉環結構下的傳感器故障進行實時檢測；
[0013] (2)針對高速列車閉環控制結構的懸架系統，以傳感器為故障診斷對象，該診斷方 法對於外界幹擾有很好的魯棒性能，在懸架系統發生故障的時候可以實時檢測到並且控制 故障檢測的誤報率與漏報率；
[0014] (3)本發明可以用於基於MATLAB-SMULINK仿真架構的傳感器故障分析和系統可 靠性分析。
【專利附圖】
【附圖說明】：
[0015] 圖1為車輛垂向懸架系統示意圖。
[0016] 圖2(a)為1號動車車體重心的垂向位移觀測器估計誤差。
[0017] 圖2(b)為1號動車轉向架重心的垂向位移觀測器估計誤差。
[0018] 圖2 (C)為1號動車車體重心的俯仰角觀測器估計誤差。
[0019] 圖2(d)為拖車車體重心的垂向位移觀測器估計誤差。
[0020] 圖2 (e)為拖車車體重心的俯仰角觀測器估計誤差。
[0021] 圖2(f)為拖車轉向架重心的垂向位移觀測器估計誤差。
[0022] 圖2 (g)為2號動車車體重心的垂向位移觀測器估計誤差。
[0023] 圖2 (h)為2號動車車體重心的俯仰角觀測器估計誤差。
[0024] 圖2 (i)為2號動車轉向架重心的垂向位移觀測器估計誤差。
[0025] 圖3為故障檢測報警示意圖。
【具體實施方式】：
[0026] 下面結合說明書附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0027] 本發明基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法主要包括如下 步驟：
[0028] (a)對列車車輛懸架系統進行建模，同時考慮外界幹擾等建模不確定性對於系統 的動態影響；
[0029](b)在列車運行過程中，獲得動車/拖車車體與動車/拖車轉向架的垂直位移，垂 直加速度，俯仰角，俯仰角加速度信號；
[0030](C)將系統狀態與未知幹擾進行重構，形成新的閉環控制系統；
[0031](d)設計未知輸入觀測器，對新的閉環控制系統的狀態進行估計，同時構造包含故 障信息的殘差信號；
[0032] (e)根據接受區域生成故障報警閾值，依據假設檢驗決策判斷是否報警，並構造置 信區間，得到故障要可被檢測到應滿足的條件，控制故障檢測的誤報率與漏報率。
[0033] 步驟（a)中對列車車輛懸架系統的建模包括懸架系統垂向動力學建模，外界幹擾 等不確定性建模以及懸架傳感器故障建模，其中系統空間狀態方程為：
[0034] x(k+l) = Ax (k)+Dd (k)+Bg (x, u, k) + δ (k)
[0035] z (k) = Cx (k) +Fsf (k) + η (k)
[0036] 其中x(k)eRn是車輛運動狀態變量，包括車體和轉向架的垂向位移以及車體和 轉向架的俯仰角；d(k)eRq為外界幹擾等建模不確定性；g(x,u,k)是基於x(k)和u(k) 的非線性向量函數；S(k)，η(k)分別為過程噪聲和測量噪聲，且為獨立的高斯白噪聲 序列，分別滿足分布巧和,其方差可分別表示為：Q(k)= diag{q2(l),q2⑵，…，q2(i)}和R(k) = diag{r2(l)，r2⑵，...，r2(j)} ;z(k)eRr是系 統的測量信號，包括車體和轉向架的垂向位移和俯仰角；f(k)eRs為常值傳感器故障；AeRnXn，BeRnXn，CelfXn，DeRnxtl為狀態空間方程相應的係數矩陣。
[0037] 步驟（b)中通過硬體裝置獲取所需的狀態信號，在列車運行過程中通過位移傳感 器獲得動車/拖車車體與動車/拖車轉向架的垂直位移，通過加速度傳感器獲得動車/拖 車車體與動車/拖車轉向架的垂直加速度與俯仰角加速度，通過陀螺儀獲得動車/拖車車 體與動車/拖車轉向架的俯仰角。
[0038] 步驟（a)中，根據圖2所示的垂向懸掛系統，建立其狀態空間方程：
【權利要求】
1. 一種基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法，其特徵在於：包括 如下步驟 (a) 對列車車輛懸架系統進行建模，同時考慮外界幹擾等建模不確定性對於系統的動 態影響； (b) 在列車運行過程中，獲得動車/拖車車體與動車/拖車轉向架的垂直位移，垂直加 速度，俯仰角，俯仰角加速度信號； (c) 將系統狀態與未知幹擾進行重構，形成新的閉環控制系統； (d) 設計未知輸入觀測器，對新的閉環控制系統的狀態進行估計，同時構造包含故障信 息的殘差信號； (e) 根據接受區域生成故障報警閾值，依據假設檢驗決策判斷是否報警，並構造置信區 間，得到故障要可被檢測到應滿足的條件，控制故障檢測的誤報率與漏報率。
2. 如權利要求1所述的基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法，其 特徵在於：所述步驟（a)中對列車車輛懸架系統的建模包括懸架系統垂向動力學建模，夕卜 界幹擾等不確定性建模以及懸架傳感器故障建模，所述系統空間狀態方程為： x(k+l) =Ax(k)+Dd(k)+Bg(x,u,k) +δ(k)z(k) =Cx(k)+Fsf(k)+n(k) 其中x(k)eRn是車輛運動狀態變量，包括車體和轉向架的垂向位移以及車體和轉向 架的俯仰角；d(k)eRq為外界幹擾等建模不確定性；g(x，u，k)是基於x(k)和u(k)的非 線性向量函數；S(k)，η(k)分別為過程噪聲和測量噪聲，且為獨立的高斯白噪聲序列， 分別滿足分布S(k)?N(0，Q(k))和η(k)?N(0，R(k))，其方差可分別表示為：Q(k)= diag{q2(l)，q2⑵，…，q2(i)}和R(k) =diag{r2(l)，r2⑵，...，r2(j)} ;z(k)eRr是系 統的測量信號，包括車體和轉向架的垂向位移和俯仰角；f(k)eRs為常值傳感器故障；AeRnXn，BeRnXn，CelfXn，DeRnxtl為狀態空間方程相應的係數矩陣。
3. 如權利要求1所述的基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法，其 特徵在於：所述步驟（b)中通過硬體裝置獲取所需的狀態信號，在列車運行過程中通過位 移傳感器獲得動車/拖車車體與動車/拖車轉向架的垂直位移，通過加速度傳感器獲得動 車/拖車車體與動車/拖車轉向架的垂直加速度與俯仰角加速度，通過陀螺儀獲得動車/ 拖車車體與動車/拖車轉向架的俯仰角。
4. 如權利要求1所述的基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法，其 特徵在於：所述步驟（c)中，將未知輸入與狀態量進行擴張，形成新的閉環控制系統：
其中，ω〇〇 = [xT(k)dT(k)]T為重構的狀態向量，〇_]，D]， 互〇,,J，為新的狀態空間方程對應的係數矩陣。
5. 如權利要求1所述的基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法，其 特徵在於：所述步驟（d)中，基於設計的未知輸入觀測器，所構造的殘差信號能夠將幹擾完 全解耦而對故障有魯棒性，而且不含有原系統中的非線性項，其設計步驟如下： 步驟1、根據系統空間狀態方程獲得列車懸架系統的實際模型：x(k+l) =Ax(k)+Dd(k)+Bg(x,u,k) +δ(k) z(k) =Cx(k)+Fsf(k)+n(k) 其中，x(k)，z(k)是實際模型的狀態變量和輸出變量，f(k)是實際模型中傳感器故障 信號； 步驟2、為新的閉環控制系統設計未知輸入觀測器，對其狀態進行估計：
其中，ξ(k)eC為觀測器狀態向量，?⑷為觀測器輸出向量，N，G，L，M為待設計的 觀測器係數矩陣； 步驟3、定義狀態估計誤差，(*) =?(*)-?(&)，則有：
根據Lyapunov穩定理論，得到無故障時觀測器狀態估計誤差指數收斂有界； 步驟4、求得觀測器矩陣的解：
存在矩陣P=Ρτ> 0,使得NtPN-P< 0 ; 步驟5、構造包含故障信息的殘差信號：r(k) =SieQiH(S2-S1M)FsfQiH(S2-S1M)η(k) 其中，e(k)為觀測器狀態估計誤差，S1, &為待設計的係數矩陣。
6.如權利要求1所述的基於非線性隨機模型的列車懸架系統傳感器故障檢測方法，其 特徵在於：所述步驟（e)中，構造置信區間，運用假設檢驗方法檢測系統故障，得到故障可 被檢測到的條件，控制故障檢測中的誤報率與漏報率，其設計步驟如下： 步驟1、由誤差狀態方程，得到誤差的期望與方差量：
步驟2、根據殘差滿足的高斯分布r(k)?N(Nke(0)，〇2)，得到故障檢測假設：
其中，Htl表不系統無故障發生，H 1表不系統已發生故障； 步驟3、選擇殘差均值估計μ (k) =r(k)，得到接受區域B(k)，並有均值估計在區間的 概率為：Ρ(μ (k) e B(k)/HQ) = l-λ，經計算得B(k)可表示為：
其中，Cov { μ (k)/H。} = σ LsiPGO Sj+(S2-S1M) RGO(S2-S1M)τ，而hA/2表示有λ/2的 概率在區間[hA/2, +…]中，則可得出k時刻假設檢驗決策為： 若有^ ⑷0⑷丨，則在時刻1^發生故障，即為D test(Td) = H1; 步驟4、構造置信區間A(k)，並有此時的估計均值μ (k)在區間的概率為：?&〇〇￡4〇〇/!11)=1-^，1^>1'(|，類似計算接受區域8(1〇，得出置信區間4(1〇可 表示為
其中，Cov {μ (k)/HJ = σ2= S1PQO Sj+(S2-S1M)RQO (S2-S1MV則對於故障f(k)有I f(k) I彡ε，> 7；，故障能夠被檢測的充分條件是：
步驟5、得到故障檢測的誤報率與漏報率 其誤報率為：P(Dtest(k) = H1IHtl) = I-P(μ (k) e B(k) IHtl) = λ 其中，Dtest (k)表不k時刻的檢驗決策，則可得出故障檢出率Θ以及漏報率1-Θ，其可 以定義為： 1- Θ = I-P (Dtest (k) = H11H1) = P (μ (k) e B (k) | H1) _有：
因此，漏報率大小可限定為：
【文檔編號】G01M17/10GK104458297SQ201410637676
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月12日 優先權日:2014年11月12日
【發明者】冒澤慧, 詹彥豪, 姜斌, 周東華 申請人:南京航空航天大學