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原文传递中低速磁浮列车悬浮控制系统故障诊断与容错控制研究

论文题名：	中低速磁浮列车悬浮控制系统故障诊断与容错控制研究
关键词：	中低速磁浮列车;悬浮控制系统;故障诊断;容错控制
摘要：	我国中低速磁浮交通即将进入商业运营阶段，系统运行的可靠性已成为这一新型交通体系能否在我国生存和继续发展的关键要素。实现磁浮列车的可靠性设计，尤其是常规轨道交通不存在的悬浮控制的间隙传感器和电磁铁的故障诊断和容错控制系统，是实现磁浮列车可靠运行的必要保证。本文针对系统的传感器，以磁悬浮非线性不确定系统模型为基础，设计了基于非线性状态观测器的故障诊断算法，实现了对传感器的故障诊断。设计了基于悬浮控制系统传感器的状态信息库，并在此基础上设计了传感器容错控制算法，保证了传感器故障前后悬浮控制系统具有一致的性能。设计了基于非线性扰动观测器的电磁铁故障诊断算法，在检测到电磁铁故障后，该算法能够自适应重构控制律以保证在故障前后控制系统的稳定性。论文的主要工作包括：　　（1）基于相关度分析算法处理三路间隙信号，使得间隙在对过接缝扰动不敏感的同时正确识别出间隙传感器的故障，并获得高可靠性的间隙信号；然后，基于系统的不确定性和扰动有界前提下，提出了一种非线性自适应阻尼状态观测器，采用Lyapunov方法保证了观测器是全局一致有界的，其能够以任意精度实现对系统状态信息的估计。把状态观测器与物理传感器的输出残差作为传感器的故障指示，如果传感器发生了故障就会导致该残差发生变化，从而可以检测和诊断出该故障的发生。　　（2）在假设悬浮控制系统模型不确定性有界的基础上，设计了一种自适应滑模非线性观测器作为系统的虚拟传感器，并结合系统的物理传感器构建系统的状态信息库，实现对系统状态的多重测量。以信息库内状态的相关度为指标，检测相关状态的偏离度，如果某一个状态量与其他状态的相关度大幅偏离，则确认相关的传感器发生了故障，并在控制策略中采用其他传感器作为控制系统的输入完成系统的闭环反馈运算。文中证明，在信息库内输入到控制器的状态量切换过程中，系统具备不变的稳定性和性能。　　（3）探讨了悬浮系统电磁铁匝间短路故障的故障诊断与容错控制问题。本文提出了基于电磁铁特征参数增益观测的故障诊断算法和相应的容错控制方案。首先设计和提出了一种扰动观测器，实现了对系统不确定性和未知扰动的实时估计与观测，进而基于该扰动观测器设计了一种观测电磁铁特征参数的自适应观测器。该自适应观测器能够在参数具有较大不确定性的情况下实现系统的参数估计，如果该估计的参数发生了明显的波动，则意味着电磁铁发生了故障。根据参数估计的波动大小自适应调节容错控制器，该方案基本能够保证在电磁铁故障前后悬浮系统具有较为一致的性能。　　本文提出的研究方法和研究思路，已经被用于北京S1线磁浮列车故障诊断系统的设计。
作者：	李云
专业：	控制科学与工程
导师：	常文森;李杰
授予学位：	博士
授予学位单位：	国防科学技术大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文