一种基于有限频域的高速列车垂向悬挂系统的故障检测方法技术方案

本发明专利技术一种基于有限频域的高速列车垂向悬挂系统的故障检测方法，包括以下步骤：1)采集高速列车垂向悬挂系统的状态方程和输出方程；2)构造误差方程；3)设计一种高速列车垂向悬挂系统的故障检测观测器；4)为了使得高速列车垂向悬挂系统对干扰具有鲁棒性，并对故障具有敏感性，引进H∞范数和H-指标，同时给出一种迭代算法，保证得到的故障检测观测器增益矩阵L为最优结果；5)通过观察高速列车垂向悬挂系统实际输出向量y(t)和估计输出向量的残差判断是否发生故障；若t1时刻r(t1)≠0，则说明t1时刻发生故障，能及时检测出故障。本发明专利技术能够有效地克服高速列车在运行过程中的各种干扰信号，并准确、快速地解决高速列车垂向悬挂系统的低频微小渐变故障的检测问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高速列车垂向悬挂系统的故障诊断
，设及一种基于有限频域 的高速列车垂向悬挂系统的故障检测方法。
技术介绍
基于高速列车高速性、安全性的特点，目前国家正在大力发展高速列车事业，至U 2015年底，中国高速铁路营业里程达1.8万公里W上，中国已经拥有全世界最大规模W及最 高运营速度的高速铁路网，而悬挂系统是高速列车的重要组成部分，按照作用方向可分为 高速列车垂向悬挂系统和横向悬挂系统，其支撑着车体和转向架，分别称为二系和一系悬 挂系统，还起到缓冲由轨道不平顺所引起的轮轨作用力，控制列车行驶方向，保持舒适性等 作用。因此，高速列车悬挂系统是监控列车运行状态的必要组成部分，而其故障检测对保障 列车正常运行尤为重要，但由于其悬挂系统建模的复杂性或者模型的高维性使得对悬挂系 统的故障检测研究比较少。 由于存在扰动噪声等干扰信号使得故障检测系统会出现误报的情况，而高速列车 在运行过程中必然遇到各种干扰信号，所W必须对其进行鲁棒故障检测从而减小误报率。 另外，现在大多数高速列车悬挂系统的故障诊断方法是在全频域下进行的，但微小渐变故 障由于变化缓慢一般属于低频段，且初始值通常很小，现有的基于全频域的故障诊断方法 无法快速地检测出故障，W上局限性也体现在高速列车垂向悬挂系统上。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提出一种基于有限频域的高速 列车垂向悬挂系统的故障检测方法，能够有效地克服高速列车在运行过程中的各种干扰信 号，并准确、快速地解决高速列车垂向悬挂系统的低频微小渐变故障的检测问题。[000引本专利技术具体采用W下技术方案解决上述技术问题： 本专利技术，其特征在 于，包括W下步骤： 1)采集高速列车垂向悬挂系统的状态方程和输出方程； 2)构造误差方程和故障检测观测器增益矩阵； 3)根据采集到的高速列车垂向悬挂系统的状态方程和输出方程W及构造的误差 方程和故障检测观测器增益矩阵，设计一种高速列车垂向悬挂系统的故障检测观测器； 4)为了使得被检测的高速列车垂向悬挂系统对干扰具有鲁棒性，并对故障具有敏 感性，引进Hoc范数和H-指标，求得故障检测观测器增益矩阵L同时为了保证得到的故障检 测观测器增益矩阵是最优的结果，给出一种迭代算法； 5)通过观察高速列车垂向悬挂系统实际输出向量y(t)和估计输出向量東的的残 差>''(〇=.吨')-/'(/)来判断是否发生了故障；若ti时刻Hti)辛0,则说明ti发生了故障，能够 及时检测出故障。在所述步骤2)中，所述的构造误差方程的过程是：[001引通过定义e(t) = .x-(0--?(0，得到所述的构造误差方程为：在所述步骤3)中，所述的设计一种连续时间高速列车垂向悬挂系统的故障检测观 测器具体如下：其中，A，B，C为高速列车垂向悬挂系统的系统矩阵；《(OeRP是系统输入向量， J(Oe吸"，>'(Oe]r·分别表示系统的状态向量和输出向量，文的E吸。，j：'的e肢^^^分别表示状 态和输出的估计向量;r(t)是残差信号，L是待设计的观测器增益矩阵。 进一步的，在所述步骤4)中，为了使得被检测的高速列车垂向悬挂系统对干扰具 有鲁棒性，对故障具有敏感性，引进Hoc范数和H-指标，求得故障检测观测器增益矩阵，其具 体过程为：[002引401)通过巧义e(t) = .、-W-.;-(i)，得到如下误差动态方程：基于对干扰鲁棒，对故障敏感的设计原则，引入Hoc范数和H-指数，使得下式成立：〇min表不矩阵Grf(jω)的最小奇异 值，Omax表示矩阵Grd(jW)的最大奇异值，采用Η-指数描述故障对残差信号的最小影响，Hoc范 数描述故障对残差信号的最大影响，瑪，瑪分别为故障信号和干扰信号的频率。 402)求取故障检测观测器增益矩阵，从而故障检测观测器满足上面的设计原则， 给出定理如下：给定性能指标&，，系统矩阵A，Bi，B2，B3，C，Di，化，〇3具有合适维数，如果存在对称 正定矩阵Po，Ql，化，对称矩阵Pi，P2和适合维数的矩阵X，Y，Vl，V2，V3，V4，Vl'，V2 '，V3 '，V4 '使得 下面线性矩阵不等式成立： 其中，Υ= 17Χ，即故障检测观测器增益L= (ΥΧ-1)Τ，巧两是已知的实数，代表故障 和干扰信号的频率范围；在低频故障和干扰信号的情况下，则存在故障检测观测器使得误 差方程稳定并且满足下面有限频性能指标： 进一步的，在所述步骤4)中，所述的为了使得到的故障检测观测器增益是最优的 结果，给出一种迭代算法，其过程是： 403)给定性能指标&，&，系统矩阵A，Bi，Β2，Β3，C，Di，，〇3具有合适维数，如果存在 对称正定矩阵P〇，Qi，Q2,对称矩阵Pl，P2和适合维数的矩阵X，Y，Vl，V2，V3，V4，V'l，V'2，V'3，V'4 使得下面线性矩阵不等式成立； 其中，γ=?7χ，即故障检测观测器增益L=(YX^1)T，巧，是已知的实数，代表故障 和干扰信号的频率范围；在低频故障和干扰信号的情况下，则存在故障检测观测器使得误 差方程稳定并且满足下面有限频性能指标： 404)求故障检测观测器增益时，为了使J= &/&尽可能小，按照下面步骤进行： 404-1)求解线性矩阵不等式(1)(2)得到可行性解执， 404-2)选择合适的参数ε，δ，使得βι=βι+ε，β2 =β2-δ，重新代入线性矩阵不等式 (1)(2)中看是否有可行解，若有可行解迭代继续进行本步骤； 404-3)若步骤404-2)无可行解，则输出L，那么可W保证求得的故障检测观测器增 益L即为使得性能最优的增益。 相比现有技术，本专利技术含有W下优点和有益效果： 1.由于微小渐变故障变化范围属于低频域，干扰有各种频域范围，目前常用的故 障检测观测器是针对全频域范围设计的，没有考虑故障和干扰信号的频率范围，运就会存 在很大的保守性问题，针对运个问题，本专利技术提出一种基于有限频域的高速列车悬挂系统 的故障检测方法，尤其给出了低频故障情况下的公式，同时为了增强对故障检测的灵敏性 和对干扰信号的鲁棒性，通过最优化方法找到最优指数，更好地满足性能要求，使得对微小 渐变故障的检测更加准确和快速。 2 .引入两个指标βι，β2，提出一种最优化方法使其满足最优性能，使得对高速列车 悬挂系统的微小渐变故障检测更快速、更准确。【附图说明】 图1为本专利技术的的流 程框图。[00川图2为本专利技术所述的一种高速列车垂向悬挂系统模型示意图。其中：变量(Η为车 体点头角位移，Zb,zi，zt分别表示车体和前后转向架质屯、垂向位移，山，ut为控制力，其余参 数详见表1. 图3为本专利技术所述的一种高速列车垂向悬挂系统故障检测观测器结构图。 图4为本专利技术所述的一种高速列车垂向悬挂系统的故障检测报警示意图。 图5为本专利技术的一种实施例的(A-LC)特征根的分布图。 图6(a)、6(b)为本专利技术的一种实施例的两个输出向量的故障检测仿真曲线图，其 中报警阔值是0.2。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细说明：本专利技术的原理是：W高速列车垂向悬挂系统为研究对象，针对低频故障，提出了一 种基于有限频的故障检测方法，引进两个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有限频域的高速列车垂向悬挂系统的故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采集高速列车垂向悬挂系统的状态方程和输出方程；2)构造误差方程和故障检测观测器增益矩阵；3)根据采集到的高速列车垂向悬挂系统的状态方程和输出方程以及构造的误差方程和故障检测观测器增益矩阵，设计一种高速列车垂向悬挂系统的故障检测观测器；4)为了使得被检测的高速列车垂向悬挂系统对干扰具有鲁棒性，并对故障具有敏感性，引进H∞范数和H‑指标，求得故障检测观测器增益矩阵L；同时为了保证得到的故障检测观测器增益矩阵是最优的结果，给出一种迭代算法；5)通过观察高速列车垂向悬挂系统实际输出向量y(t)和估计输出向量的残差来判断是否发生了故障；若t1时刻r(t1)≠0，则说明t1发生了故障，能够及时检测出故障。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于晓庆，姜斌，张柯，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32