高速列车牵引系统闭环结构下的故障诊断与容错控制研究

Traction drive system is one of the critical systems that ensures the safe operation of high-speed-trains.This system is nonlinear with multiple closed-loops and experiences strong coupling. Thus the associated existing technologies and theories for fault diagnosis and fault-tolerant control cannot be applied in the traction drive systems. In this proposed project, a number of safety challenges for traction drive systems under the closed-loop case will be identified. Novel approaches will be developed to provide practical but rigorous solutions to these challenging problems. The objective of this project includes: 1) to consider the effect induced by modeling the faults and disturbances under the close-loop structure and analyze the fault diagnosability; 2) to investigate the fault diagnosis problem for incipient faults with strong disturbances in the traction drive system; 3)to develop the passive and active fault-tolerant control techniques for different fault periods; 4) to establish the fault-tolerant control strategy with passive and active fault-tolerant control methods for the closed-looptraction drive system; 5) to conduct real-time experimentsto test the safety issues of thetraction drive system. This project is of great importancein both theory and practical engineering. It is believed that the proposed research will have great potential to enhanceeconomic efficiency in high speed train systems.

高速列车牵引系统是保证高速列车运行安全的关键系统之一，牵引系统为非线性系统，且具有多闭环、强耦合的特点，加之运行环境复杂恶劣，使得由机械设备疲劳磨损、电气元件性能退化等造成的微小故障多发。系统及故障的特点使得针对传统系统开发的故障诊断与容错控制理论与方法在高速列车牵引系统中不再适用。本项目主要研究牵引系统在闭环结构下的微小故障诊断与容错控制问题，综合考虑闭环结构和外界强干扰给故障诊断和容错控制带来的影响，对系统干扰和微小故障进行建模，分析闭环结构和干扰下微小故障的可诊断性，构造合适的故障诊断与容错控制方案，有效地解决干扰对微小故障诊断的影响；并在主动和被动容错控制分别设计的基础上，针对系统闭环结构和微小故障的特点，从定量的角度将两种容错控制形式结合。本项目的研究成果将在实验室搭建的半物理仿真平台上进行实验验证，本项目不仅具有重要的理论意义，对提高高速列车牵引系统的可靠性还具有应用参考价值。

高速列车牵引系统是保证高速列车运行安全的关键系统之一，牵引系统为非线性系统，且具有多闭环、强耦合的特点，加之运行环境复杂恶劣，使得故障多发。本项目主要研究了牵引系统在故障诊断与容错控制方法，对系统干扰和微小故障进行了建模，分析了干扰下故障的可诊断性，构造了合适的故障诊断与容错控制方案，并将理论方法在半实物仿真平台上和车载系统上进行实验验证，获得的结果对提高高速列车牵引系统的可靠性具有重要的应用参考价值。本项目执行以来，主要创新性成果有：1、针对电机的匝间短路故障，提出了基于小波包变换与随机森林的微小故障诊断技术，已在中车株洲电力机车研究所有限公司面向高速试验车的车载试验验证系统上逐步测试应用。2、针对存在未知外界干扰与随机振动噪声的非线性悬挂系统，建立了具有随机噪声的残差、故障检测阈值与故障误报、漏报率之间的等式关系，分析了满足检测性能的故障幅值条件，导出故障可检测的必要条件。3、针对系统参数未知和输入矩阵不确定，提出了一种新的高速列车位置自适应容错跟踪控制方案。全面地讨论了，未知干扰界已知，故障完全参数化和不完全参数化情况下的容错跟踪控制设计方法，保证列车的位置跟踪。.在此项目资助下，发表和录用相关论文39篇，其中SCI检索论文17篇，在IEEE Trans. on Vehicular Technology, IEEE Trans. on Intelligent Transportation Systems, IEEE Trans. on Industrial Electronics等上发表和录用8篇；授权与受理发明专利13项。获国家自然科学奖二等奖和教育部自然科学奖一等奖各一项。