高速磁浮列车悬浮系统故障诊断与容错控制研究
发布时间：2021-02-10 22:35
高速磁浮列车作为一种设计时速超过500公里的地面交通运输工具,主要用于解决大城市间快速交通运输问题。悬浮系统是高速磁浮列车的核心关键系统,其性能好坏直接影响到高速磁浮列车的安全可靠运行。在电磁悬浮型高速磁浮列车悬浮系统结构基础上,国防科技大学提出了一种新型的永磁电磁混合悬浮型高速磁浮列车悬浮系统结构,具有悬浮能耗低、承载能力强、电磁铁不易发热等优点。本文以永磁电磁混合型高速磁浮列车为背景,以基于搭接结构的悬浮控制系统为研究对象,对搭接结构悬浮系统的故障诊断与容错控制问题展开研究。在建立系统模型并设计标称控制器的基础上,分析研究了悬浮系统故障影响以及永磁电磁混合悬浮系统的故障特点。利用控制器参数化理论,提出了针对高速磁浮列车悬浮系统的故障诊断与分级容错控制设计方案。结合悬浮系统机理模型与输入输出数据,提出了一种基于残差与数据联合驱动的悬浮系统故障诊断方法。针对悬浮系统的微小故障,提出了基于在线更新控制参数的容错控制策略。针对悬浮系统的严重故障,采用了基于信号重构与基于控制律切换策略的主动容错控制方法。本文主要成果和创新如下:（1）针对永磁电磁混合悬浮型高速磁浮列车悬浮系统,以搭接结构为基...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
永磁电磁混合型高速磁浮列车推进高速磁浮列车的商业化进程，需要确保高速磁浮列车悬浮系统的安全可
国防科技大学研究生院博士学位论文第12页第二章高速磁浮列车悬浮系统建模与标称控制器设计为开展永磁电磁混合型高速磁浮列车悬浮系统的故障诊断与容错控制理论和实验研究，本章主要进行系统建模、控制器设计和故障分析，为后续章节开展奠定基矗首先介绍高速磁浮列车悬浮系统的基本组成结构并建立悬浮系统的数学模型。为方便对比永磁电磁混合悬浮系统与常导电磁悬浮系统，提出一种悬浮系统统一模型，通过设置线圈匝数和永磁体厚度这两个参数可以方便地实现两种系统模型之间的转换。在此基础上以搭接结构整体为对象设计标称控制器，作为故障诊断与容错控制的基矗最后通过对比仿真，分析永磁电磁混合悬浮系统与常导悬浮系统在相同条件下的故障特性。2.1高速磁浮列车悬浮系统建模与分析2.1.1高速磁浮列车悬浮系统结构高速磁浮列车采用三至五节编组，图2.1给出了位于端部的一节车的结构示意图。按照功能划分可将单节磁浮列车分为上下两部分，上半部分为车体，下半部分为列车悬涪导向、涡流制动系统，其中悬浮系统是本文研究故障诊断与容错控制问题的对象。为了便于观察悬浮电磁铁，图2.1中只画出了一侧的导向电磁铁及涡流制动电磁铁。图2.1高速磁浮列车结构示意图在高速磁浮列车中，悬浮电磁铁之间通过悬浮框首尾相连，构成柔性悬浮结构。这种相邻电磁铁通过悬浮框共同起支撑作用的结构通常被称作搭接结构。每节高速磁浮列车由四个悬浮架支撑，每个悬浮架包含四个悬浮框，即四个搭接结车体搭接结构悬浮架悬浮电磁铁轨道搭接后面车厢导向电磁铁制动电磁铁
国防科技大学研究生院博士学位论文第13页构，每个悬浮框通过一个空气弹簧提供一个支撑点。这样整个车厢由十六个悬浮框支撑起来。十六个悬浮框之间是通过机械结构物理解耦的，以其中的一个悬浮框作为研究对象来研究磁浮列车的悬浮控制问题是合理的。在后文中，以搭接结构悬浮系统来代指由一个悬浮框及相应的控制器、传感器与轨道构成的悬浮系统。图2.2中上半部分为单节高速磁浮列车的侧视结构示意图。把由一个悬浮控制器机箱、两套悬浮传感器及相应电磁铁与轨道构成的悬浮系统称为单点悬浮系统。位于车身端部的电磁铁模块对应三个悬浮点，其余电磁铁模块对应两个悬浮点，整节车单侧共十六个悬浮点。车箱尾部的电磁铁模块用于连结另一节车厢。图2.2中下半部分为搭接结构的局部放大示意图。电磁铁通过碟片弹簧连接悬浮框中托臂的底部，这与低速磁浮列车中电磁铁与托臂直接固连是不同的。从该示意图中可以看出，端部电磁铁模块对应的两个搭接结构是不同的。其中左侧为一般搭接结构，搭接结构内部两个电磁铁之间由于碟片弹簧的作用存在着一定限度的自由度。右侧搭接结构中两个悬浮点对应的电磁铁是固连在一个电磁铁模块上的，把这种搭接结构称作端部搭接结构。在本文研究范围内，忽略电磁铁模块的俯仰运动与侧滚运动，认为端部搭接结构中两个悬浮点的垂向运动是一致的。JointStructure轨道空气弹簧托臂电磁铁搭接结构碟片弹簧图2.2高速磁浮列车悬浮搭接结构示意图2.1.2基于搭接结构的悬浮系统模型2.1.2.1基于搭接结构的悬浮系统建模悬浮系统是典型的机电运动系统，可以根据基本的电磁学原理和动力学定律获得搭接结构悬浮系统的机理模型。搭接结构悬浮系统的运动机理为：在电磁铁线圈绕组两端施加电压，使得线圈内产生电流，通电电磁铁产?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Data-Driven Process Monitoring and Fault Tolerant Control in Wind Energy Conversion System with Hydraulic Pitch System[J]. 王凯,罗浩,KRUEGER M,DING S X,杨旭,JEDSADA S. Journal of Shanghai Jiaotong University（Science）. 2015(04)
[2]一种基于边界特征的简易非线性二阶离散跟踪微分器的设计[J]. 谢云德,李晓龙,佘龙华,窦峰山,戴春辉. 控制与决策. 2014(06)
[3]低速磁浮列车竖曲线电磁力计算[J]. 张耿,李杰. 中国电机工程学报. 2012(03)
[4]磁浮列车悬浮控制系统电磁铁故障诊断技术研究[J]. 龙志强,李云,贺光. 控制与决策. 2010(07)
[5]动态系统的故障诊断技术[J]. 周东华,胡艳艳. 自动化学报. 2009(06)
[6]磁浮列车悬浮系统的分布式主动容错控制[J]. 龙志强,薛松,佘龙华,常文森. 铁道学报. 2009(02)
[7]基于搭接结构的磁浮列车同时镇定容错控制[J]. 李晓龙,张志洲,龙志强,佘龙华,常文森. 控制工程. 2008(06)
[8]基于反馈增益重构的传感器主动容错控制[J]. 李晓龙,张志洲,龙志强. 兵工自动化. 2008(04)
[9]考虑电磁铁故障的磁浮列车单悬浮模块的容错控制[J]. 龙志强,陈慧星,常文森. 控制理论与应用. 2007(06)
[10]混合EMS型磁浮列车的悬浮磁铁设计与分析[J]. 李云钢,闫宇壮,程虎. 国防科技大学学报. 2006(05)
博士论文
[1]非预期故障的数据驱动诊断方法研究[D]. 何章鸣.国防科学技术大学 2015
硕士论文
[1]高速磁浮列车悬浮搭接结构的冗余控制问题研究[D]. 黄今辉.国防科学技术大学 2013
[2]高速磁浮列车悬浮系统的滤波及容错控制研究[D]. 严伟.兰州交通大学 2011
[3]中低速磁浮列车传感器故障检测[D]. 翟毅涛.国防科学技术大学 2009
[4]低速磁浮列车悬浮系统的故障诊断与容错控制技术研究[D]. 薛松.国防科学技术大学 2007
[5]高速磁浮列车单铁悬浮系统的容错控制问题研究[D]. 张志洲.国防科学技术大学 2006
本文编号：3028087
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
永磁电磁混合型高速磁浮列车推进高速磁浮列车的商业化进程，需要确保高速磁浮列车悬浮系统的安全可
国防科技大学研究生院博士学位论文第12页第二章高速磁浮列车悬浮系统建模与标称控制器设计为开展永磁电磁混合型高速磁浮列车悬浮系统的故障诊断与容错控制理论和实验研究，本章主要进行系统建模、控制器设计和故障分析，为后续章节开展奠定基矗首先介绍高速磁浮列车悬浮系统的基本组成结构并建立悬浮系统的数学模型。为方便对比永磁电磁混合悬浮系统与常导电磁悬浮系统，提出一种悬浮系统统一模型，通过设置线圈匝数和永磁体厚度这两个参数可以方便地实现两种系统模型之间的转换。在此基础上以搭接结构整体为对象设计标称控制器，作为故障诊断与容错控制的基矗最后通过对比仿真，分析永磁电磁混合悬浮系统与常导悬浮系统在相同条件下的故障特性。2.1高速磁浮列车悬浮系统建模与分析2.1.1高速磁浮列车悬浮系统结构高速磁浮列车采用三至五节编组，图2.1给出了位于端部的一节车的结构示意图。按照功能划分可将单节磁浮列车分为上下两部分，上半部分为车体，下半部分为列车悬涪导向、涡流制动系统，其中悬浮系统是本文研究故障诊断与容错控制问题的对象。为了便于观察悬浮电磁铁，图2.1中只画出了一侧的导向电磁铁及涡流制动电磁铁。图2.1高速磁浮列车结构示意图在高速磁浮列车中，悬浮电磁铁之间通过悬浮框首尾相连，构成柔性悬浮结构。这种相邻电磁铁通过悬浮框共同起支撑作用的结构通常被称作搭接结构。每节高速磁浮列车由四个悬浮架支撑，每个悬浮架包含四个悬浮框，即四个搭接结车体搭接结构悬浮架悬浮电磁铁轨道搭接后面车厢导向电磁铁制动电磁铁
国防科技大学研究生院博士学位论文第13页构，每个悬浮框通过一个空气弹簧提供一个支撑点。这样整个车厢由十六个悬浮框支撑起来。十六个悬浮框之间是通过机械结构物理解耦的，以其中的一个悬浮框作为研究对象来研究磁浮列车的悬浮控制问题是合理的。在后文中，以搭接结构悬浮系统来代指由一个悬浮框及相应的控制器、传感器与轨道构成的悬浮系统。图2.2中上半部分为单节高速磁浮列车的侧视结构示意图。把由一个悬浮控制器机箱、两套悬浮传感器及相应电磁铁与轨道构成的悬浮系统称为单点悬浮系统。位于车身端部的电磁铁模块对应三个悬浮点，其余电磁铁模块对应两个悬浮点，整节车单侧共十六个悬浮点。车箱尾部的电磁铁模块用于连结另一节车厢。图2.2中下半部分为搭接结构的局部放大示意图。电磁铁通过碟片弹簧连接悬浮框中托臂的底部，这与低速磁浮列车中电磁铁与托臂直接固连是不同的。从该示意图中可以看出，端部电磁铁模块对应的两个搭接结构是不同的。其中左侧为一般搭接结构，搭接结构内部两个电磁铁之间由于碟片弹簧的作用存在着一定限度的自由度。右侧搭接结构中两个悬浮点对应的电磁铁是固连在一个电磁铁模块上的，把这种搭接结构称作端部搭接结构。在本文研究范围内，忽略电磁铁模块的俯仰运动与侧滚运动，认为端部搭接结构中两个悬浮点的垂向运动是一致的。JointStructure轨道空气弹簧托臂电磁铁搭接结构碟片弹簧图2.2高速磁浮列车悬浮搭接结构示意图2.1.2基于搭接结构的悬浮系统模型2.1.2.1基于搭接结构的悬浮系统建模悬浮系统是典型的机电运动系统，可以根据基本的电磁学原理和动力学定律获得搭接结构悬浮系统的机理模型。搭接结构悬浮系统的运动机理为：在电磁铁线圈绕组两端施加电压，使得线圈内产生电流，通电电磁铁产?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Data-Driven Process Monitoring and Fault Tolerant Control in Wind Energy Conversion System with Hydraulic Pitch System[J]. 王凯,罗浩,KRUEGER M,DING S X,杨旭,JEDSADA S. Journal of Shanghai Jiaotong University（Science）. 2015(04)
[2]一种基于边界特征的简易非线性二阶离散跟踪微分器的设计[J]. 谢云德,李晓龙,佘龙华,窦峰山,戴春辉. 控制与决策. 2014(06)
[3]低速磁浮列车竖曲线电磁力计算[J]. 张耿,李杰. 中国电机工程学报. 2012(03)
[4]磁浮列车悬浮控制系统电磁铁故障诊断技术研究[J]. 龙志强,李云,贺光. 控制与决策. 2010(07)
[5]动态系统的故障诊断技术[J]. 周东华,胡艳艳. 自动化学报. 2009(06)
[6]磁浮列车悬浮系统的分布式主动容错控制[J]. 龙志强,薛松,佘龙华,常文森. 铁道学报. 2009(02)
[7]基于搭接结构的磁浮列车同时镇定容错控制[J]. 李晓龙,张志洲,龙志强,佘龙华,常文森. 控制工程. 2008(06)
[8]基于反馈增益重构的传感器主动容错控制[J]. 李晓龙,张志洲,龙志强. 兵工自动化. 2008(04)
[9]考虑电磁铁故障的磁浮列车单悬浮模块的容错控制[J]. 龙志强,陈慧星,常文森. 控制理论与应用. 2007(06)
[10]混合EMS型磁浮列车的悬浮磁铁设计与分析[J]. 李云钢,闫宇壮,程虎. 国防科技大学学报. 2006(05)
博士论文
[1]非预期故障的数据驱动诊断方法研究[D]. 何章鸣.国防科学技术大学 2015
硕士论文
[1]高速磁浮列车悬浮搭接结构的冗余控制问题研究[D]. 黄今辉.国防科学技术大学 2013
[2]高速磁浮列车悬浮系统的滤波及容错控制研究[D]. 严伟.兰州交通大学 2011
[3]中低速磁浮列车传感器故障检测[D]. 翟毅涛.国防科学技术大学 2009
[4]低速磁浮列车悬浮系统的故障诊断与容错控制技术研究[D]. 薛松.国防科学技术大学 2007
[5]高速磁浮列车单铁悬浮系统的容错控制问题研究[D]. 张志洲.国防科学技术大学 2006
本文编号：3028087
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