基于随机模型的高速列车悬挂系统故障检测方法研究

摘要

本课题来源于国家自然科学基金面上项目与国家自然科学基金重大项目，针对高速列车悬挂系统开展故障诊断研究。列车悬挂系统在运行过程中会遭遇恶劣环境、轨道不平顺以及随机振动等因素易引发故障。本文针对悬挂系统的执行器故障与传感器故障，研究了在基于随机模型下的故障检测问题，为提高车体姿态控制的稳定性及列车乘坐舒适性提供了有效的理论途径。
　　文中首先给出了悬挂系统被动与主动结构下的动力学随机模型及其相关参数，其中考虑了轨道不平顺对悬挂系统的未知干扰及随机振动噪声的影响。随后描述了悬挂系统中存在的故障类型与等级，并分析车载传感器种类及其相关测量对象，为列车悬挂系统状态监控与故障诊断提供了信号采集渠道。
　　针对非线性被动悬挂系统存在未知干扰与随机噪声的情况下，研究了其在随机环境中的传感器故障检测问题。将系统状态与未知干扰进行重构，通过设计一组全维状态观测器，对系统状态与干扰同时估计，并生成一组对干扰信号鲁棒对故障信号敏感的残差。分析残差的随机分布，并进行假设检验，得出故障要被检测出需满足的幅值条件，同时定量分析系统的误报率与漏报率，完成故障检测任务。
　　针对主动悬挂系统中直流电机故障与二级阻尼器故障，研究了其在闭环结构下的执行器故障检测问题。在被动悬挂系统中加入直流无刷电机作为主动作动器成为主动悬挂系统，当电机发生故障时，无法调节可调阻尼器以主动控制车体姿态变化。考虑负载转矩与振动噪声对电机的影响，在随机模型的基础上设计基于观测器的故障检测方法，得出的残差在随机环境下进行假设检验分析，分析出故障要被检测出需满足的条件，达到故障检测目的。当直流电机健康而悬挂系统阻尼器故障时，在闭环结构下首先引用Kalman滤波器对系统状态与干扰进行估计，然后根据闭环系统残差生成器ToMFIR(Total Measurable Fault Information Residual)生成残差，根据此残差不仅能够检测闭环系统中的故障，而且可以分辨出系统中干扰与故障的影响。最后，分析残差的随机分布进行假设检验，以定量分析系统误报率与漏报率完成故障检测。
　　以上故障检测方法通过仿真试验验证了悬挂系统执行器故障与传感器故障检测的有效性与可行性。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2论文所涉及问题的研究背景

1.3国内外研究现状

1.4论文主要工作及章节安排

第二章 列车悬挂系统随机模型及故障分析

2.1引言

2.2列车悬挂系统随机模型

2.3 轨道不平顺随机信号

2.4列车悬挂系统故障分析

2.5车载传感器及其应用

2.6本章小结

第三章 主动悬挂系统直流电机故障检测

3.1引言

3.2随机数学基础

3.3主动悬挂系统直流无刷电机故障检测

3.4本章小结

第四章 非线性被动悬挂系统传感器故障检测

4.1引言

4.2系统描述

4.3故障检测观测器设计

4.4基于假设检验的故障检测方法

4.5非线性悬挂系统仿真分析

4.6本章小结

第五章 主动悬挂系统闭环故障检测

5.1引言

5.2关于Kalman滤波的基础

5.3系统描述

5.4 Kalman滤波估计

5.5故障检测

5.6仿真分析

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文