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內容簡介： 本书针对CRH动车组列车牵引系统中可能出现的微小故障展开检测和诊断故障的定位和重构的理论研究。主要解决如下问题：在故障特征微弱的情况下，增强残差内的故障信息，并有效抑制系统扰动对于微小故障检测的影响;针对闭环控制对微小故障有补偿作用提出有效的解决方案;解决多故障并发下的微小故障检测和诊断。所提理论运用于列车悬挂控制系统、电机牵引控制系统以及逆变器控制系统中，均取得了较好的仿真效果，从而给动车组的工程实际应用提供可借鉴的理论研究成果。本书适合高等院校、科研院所等从事自动化、电气以及轨道交通等领域的人员参考。 目錄： 第1章绪论001 1.1研究的背景及意义001 1.2微小故障诊断研究现状004 1.2.1基于定性方法的微小故障诊断004 1.2.2基于定量方法的微小故障诊断005 1.2.3基于半定性半定量方法的微小故障诊断007 1.3闭环系统故障诊断研究现状008 1.4复合故障诊断研究现状009 1.5高速列车牵引系统故障诊断研究现状010 1.6本书的主要内容及结构安排011 第2章基于ToMFIR残差的执行器早期故障检测方法及应用013 2.1线性系统ToMFIR残差相关理论014 2.1.1线性定常系统的ToMFIR残差理论014 2.1.2线性定常系统的观测器残差理论015 2.1.3线性定常系统ToMFIR残差理论的拓展及其相关性质016 2.2CRH悬挂系统作动器微小故障检测018 2.2.1CRH高速列车悬挂系统建模018 2.2.2轨道垂向不平顺建模024 2.2.3仿真验证027 2.3小结032 第3章基于ToMFIR残差和T-S模糊系统模型的执行器早期故障诊断方法及应用034 3.1系统描述034 3.1.1正则系统T-S模糊建模034 3.1.2真实系统 含执行器微小故障T-S模糊建模036 3.2主要结果037 3.2.1初步描述037 3.2.2微小故障检测情况1037 3.2.3微小故障检测情况2039 3.2.4微小故障隔离041 3.2.5微小故障估计047 3.3实例仿真049 3.3.1CRH牵引电机模糊建模及分析049 3.3.2仿真结果及分析053 3.4小结056 第4章基于ToMFIR残差和滑模观测器理论的传感器复合微小故障诊断方法及应用057 4.1系统建模057 4.2故障检测方案设计060 4.3复合微小故障隔离方案设计065 4.4应用仿真验证068 4.4.1CRH2型动车组列车牵引电机非线性建模和分析068 4.4.2仿真结果及分析070 4.5小结074 第5章基于广义系统的早期故障重构方法及应用075 5.1问题的提出及系统描述076 5.2广义故障扰动观测器设计078 5.3仿真研究087 5.3.1CRH2型动车组列车三相PWM逆变器系统非线性建模和分析087 5.3.2仿真结果089 5.4小结093 第6章基于鲁棒观测器的高速列车牵引电机定子绕组早期故障检测与隔离094 6.1系统建模094 6.1.1三相笼式异步电机同步旋转坐标系建模096 6.1.2三相笼式异步电机定子转子故障建模及分析097 6.1.3三相笼式异步电机状态空间方程建模099 6.2绕组故障检测与隔离102 6.2.1系统变换102 6.2.2故障检测观测器设计103 6.2.3故障隔离观测器设计103 6.2.4针对所有故障模态的鲁棒观测器设计106 6.2.5故障检测隔离设计110 6.3仿真分析111 6.4小结114 第7章总结与展望115 7.1本书的主要工作115 7.2后续工作的展望116 参考文献118 內容試閱： 高速列车因其舒适、便捷、安全和准时，已成为我国主流的城际间交通工具。CRHChina Railway High-speed动车组高速列车是一个大型复杂的机电耦合系统，作为其重要组成部分，牵引控制系统的可靠性对于高速列车的安全运营至关重要。随着在轨运行时间的增长，牵引控制系统中的很多部件都会发生不同程度的性能衰退并引发早期微小故障。这些故障由于特征微弱，不易被列车故障监控系统及时检测出，但随着故障的逐步加剧，有可能演变为重大的灾难事故，给高速列车的安全运行带来潜在危险。因此，针对动车组高速列车的牵引控制系统开展早期微小故障诊断的研究具有重要意义。 本书针对CRH动车组高速列车牵引控制系统中可能出现的早期微小故障开展检测和诊断故障的定位和重构的理论研究，主要研究对象包括悬挂控制系统、感应电机驱动电路、感应电机传感器、变流器控制系统、感应电机本体定子和转子绕组等。系统模型描述形式包括线性定常系统、T-S模糊系统、具有不确定性的非线性系统以及广义非线性系统。本书主要包括以下5个方面。 ① 系统地论述了线性系统基于ToMFIR残差的故障检测机理，主要包括：线性定常系统的ToMFIR残差理论、鲁棒ToMFIR残差理论、ToMFIR残差的近似计算理论、观测器残差修正理论等。构造了动车组列车悬挂系统的动态模型，包含轨道的垂向不平顺信号和多种类型的执行器早期微小故障。根据线性系统鲁棒ToMFIR残差理论和近似计算理论，实现悬挂系统执行器早期微小故障的检测。仿真结果表明，所提故障检测方案可以有效解决微小故障检测问题，在实时性和准确性方面都明显优于基于观测器残差的故障检测方法。 ② 针对T-S模糊系统中早期微小故障的检测和诊断问题，设计了基于T-S模糊ToMFIR残差的故障检测方案，进一步结合滑模观测器和基于ToMFIR残差的隔离阈值实现微小故障的隔离，最后基于自适应观测器估计出执行器的效能损失比例。所提方法不仅能消除原始的基于ToMFIR残差的故障检测对于系统结构的约束，而且给出了形式更为一般的基于ToMFIR残差的故障诊断架构。该算法成功应用于牵引电机控制系统中驱动电路微小故障的诊断，并获得较好的仿真验证效果。 ③ 针对传感器早期微小故障往往呈现并发的特性，基于ToMFIR残差理论的进一步研究结果，给出了具有不确定性的非线性系统复合传感器故障的检测和定位方案，并应用于CRH2型动车组列车电机牵引控制系统的仿真中，成功实现了当电流传感器和转速传感器早期微小故障并发时的及时检测和精确定位。研究结果表明，基于ToMFIR残差的故障检测理论可以直接应用于非线性系统中，在解决实际系统多为非线性系统的早期故障诊断问题时，无需依赖繁琐的线性化手段，并可直接使用非线性系统的观测器设计方法。 ④ 广义系统可以用来描述许多大型复杂系统，并在电力系统、机电系统中有着广泛的应用，因此本书针对广义系统开展执行器传感器早期微小故障重构的研究。首先通过参数化执行器和传感器的故障项，构造增广的广义系统模型，其次通过广义估计器的设计，解耦系统中的扰动输入和输出测量噪声，为了获得最佳的故障重构效果，基于状态估计误差的数学表述提出了一个线性矩阵不等式优化问题，最终保证了在既定约束条件下的最优估计性能。以CRH2型动车组列车的三相逆变器控制系统为仿真应用对象，实现了对故障前后系统的状态、执行器传感器早期微小故障以及输出测量噪声的准确估计。 ⑤ 牵引电机的本体故障定转子绕组故障，是牵引电机控制系统中的主要故障类型。开展牵引电机早期本体故障的检测和诊断研究，不仅可以提高电机本身的可靠性，而且可以避免高速列车牵引控制系统发生重大故障。首先对三相笼式异步电机定转子绕组的早期故障进行数学建模和趋势特性分析，构建了牵引电机d-q坐标系状态空间方程包括可能的绕组故障和负载扰动，并针对此单输出系统提出了基于鲁棒观测器的故障检测和隔离方案，实现了定子绕组小范围绝缘层击穿5%绝缘层击穿故障下的检测和定位，具有较强的工程参考应用价值。 编著者 2019年2月

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