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高速列车牵引电机闭环系统故障诊断研究
| 论文题名： | 高速列车牵引电机闭环系统故障诊断研究 |
| 关键词： | 高速列车;牵引电机;闭环系统;故障诊断;PI控制器 |
| 摘要： | 高速列车作为客运和货运的重要交通方式之一，伴随着其快速发展，对其安全性和可靠性要求越来越高，如何及时地诊断出牵引电机的故障，并采取相关措施，对保证整个列车的安全性具有重要的意义。牵引电机是高速列车的直接动力来源，一旦发生故障，可能造成列车晚点，甚至中途停车，重则导致重大事故。因此，本文针对牵引电机闭环控制系统，考虑电机运行过程中的谐波干扰情况，对传感器故障诊断方法展开研究。 首先，结合课题的研究背景，阐述了高速列车牵引电机故障诊断的研究现状。在此基础上结合高速列车电机发生的故障和容易受到的干扰，对高速列车电机故障进行需求分析，并给出了本文的主要的研究工作和内容安排。接着介绍了研究工作中运用到的数学基础知识，包括线性矩阵不等式和离散域鲁棒控制理论，这为后面观测器收敛性证明，进行系统鲁棒性分析提供理论支持。 考虑电机闭环控制系统，将电机输出端到输入端闭环反馈转化为转速的比例-积分(PI)控制器，通过对电机定子端电压的等效控制，实现恒定转速的控制目标。在此等效控制下，引入静止两相坐标下定子电流、转子电流的恒转速动态状态方程模型。进一步，为方便数字控制器设计和使用，对动态方程进行了离散化。并依据电机运行实际情况和工作环境，建立了高次谐波干扰以及传感器温度漂移和零点漂移故障模型。 为解决高次谐波干扰下的传感器故障诊断问题，将传感器故障状态增广到状态向量中，得到增广奇异系统，通过设计观测器，使得观测误差与故障解耦，实现了定子、转子电流和传感器故障的估计，利用李雅普诺夫稳定性理论，证明了观测器误差的收敛性。基于线性矩阵不等式(LMI)方法给出观测器增益矩阵设计方法，接着，利用误差方程对观测器进行鲁棒性分析。 基于观测器的估计结果，本文提出两种故障检测的方法。一种是直接利用故障估计值设计残差，通过对观测器的鲁棒性分析得到的观测误差收敛范围设计故障诊断阈值，进行故障决策。另一种利用增广系统输出(被控对象输出)与观测器输出设计残差，通过计算从干扰到残差的脉冲传递函数的H∞范数，给出相应的阈值进行诊断。通过比较得知，基于故障估计的方法计算简单，但可检测故障范围较小；基于观测器与增广系统输出的方法可检测故障范围较大，不过需要LMI求解工具，计算量较大。之后，提出了利用故障信息进行输出重构，这对于减少故障在闭环系统下传播，进行故障定位，具有重要意义。 文章的最后对以上研究进行总结和展望，概括了创新点和亟待完善的工作，以便开展进一步研究。 |
| 作者： | 刘恒伯 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 冒泽慧 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 南京航空航天大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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