[發明專利]一種高速列車關鍵系統的魯棒間歇傳感器故障診斷方法

在審

• 申請號: 201710554307.X
• 申請日: 2017-07-10
• 公開（公告）號: CN107703740A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 周東華;張峻峰;何瀟;盧曉
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司37252
• 代理人: 種艷麗

1.一種高速列車關鍵系統的魯棒間歇傳感器故障診斷方法，其特征在于：具體包括如下步驟：

步驟1：建立高速列車關鍵系統離散時間狀態空間模型并辨識模型參數

x(k+1)=(Ac(k)+Aδ(k))x(k)+(Bc(k)+Bδ(k))u(k)+w(k),y(k)=(Cc(k)+Cδ(k))x(k)+v(k)+f(k),---(1);]]>

其中，分別為系統狀態，控制輸入，測量輸出；分別為過程噪聲，測量噪聲；為傳感器故障；為系統參數；為參數不確定性；滿足下列條件：初始狀態x(0)的均值，協方差，二階矩分別為P₀，Σ₀；噪聲w(k)，v(k)的均值為零，協方差矩陣分別為Σ_w(k)，Σ_v(k)；參數不確定性A_δ(k),B_δ(k),C_δ(k)的均值為零，協方差矩陣分別為

步驟2：設計高速列車關鍵系統魯棒殘差生成器，具體包括如下步驟：

步驟2.1：離線計算增益矩陣K(k)

K(k)＝G(k)C_c(k)^TQ(k)^-1,(2)；

其中，

G(k)=Ac(k-1)P(k-1)Ac(k-1)T+ΣAδ(k-1)x(k-1)+ΣBδ(k-1)u(k-1)+Σw(k-1),---(3);]]>

Q(k)=Cc(k)G(k)Cc(k)T+ΣCδ(k)Σx(k)+Σv(k),---(4);]]>

P(k)=(Inx×nx-K(k)Cc(k))G(k),---(5);]]>

驟2.2：在線計算魯棒殘差r(k)

r(k)=y(k)-Cc(k)x^(k),---(6);]]>

其中，

x^(0)=x‾0,---(7);]]>

x^(k|k-1)=Ac(k-1)x^(k-1)+Bc(k-1)u(k-1),---(8);]]>

r(k|k-1)=y(k)-Cc(k)x^(k|k-1),---(9);]]>

x^(k)=x^(k|k-1)+K(k)r(k|k-1),---(10);]]>

步驟3：設計高速列車關鍵系統魯棒間歇傳感器故障檢測方法，具體包括如下步驟：

步驟3.1：計算間歇故障檢測統計量T_D(k)

TD(k)=r(k)T(Cc(k)P(k)Cc(k)T+ΣCδ(k)x(k)+Σv(k))-1r(k),---(11);]]>

步驟3.2：設定間歇故障檢測誤報率P_fa

P_fa＝α_fa,(12)；

步驟3.3：設計間歇故障檢測閾值J_D

JD=χαfa2,---(13);]]>

其中，

P{TD(k)>χαfa2|r(k)~N(0ny×1,Cc(k)P(k)Cc(k)T+ΣCδ(k)x(k)+Σv(k))}=αfa,---(14);]]>

步驟3.4：根據下述準則進行間歇故障檢測

若T_D(k-1)≤J_D,T_D(k)＞J_D，則k時刻發生故障，故障警報指示量I_a＝1；

若T_D(k-1)＞J_D,T_D(k)≤J_D，則k時刻故障消失，故障解除指示量I_r＝1；

相應地，第i個間歇故障的故障警報時間和故障解除時間分別為

k_alarm,i＝min(k|T_D(k)＞J_D,k≥k_release,i-1+1),(15)；

k_release,i＝min(k|T_D(k)≤J_D,k≥k_alarm,i+1),(16)；

步驟4：設計高速列車關鍵系統魯棒間歇傳感器故障分離及估計方法，具體包括如下步驟：

步驟4.1：計算間歇故障分離統計量T_I(i,j)

TI(i,j)=(d(i,j)1-L(i,j)12L(i,j)22-1d(i,j)2)T×(L(i,j)11-L(i,j)12L(i,j)22-1L(i,j)21)-1×(d(i,j)1-L(i,j)12L(i,j)22-1d(i,j)2),---(17);]]>

其中，

L(i,j)₁₁＝G(i,j)₁₁^TT(i)^-1G(i,j)₁₁,(18)；

L(i,j)₁₂＝G(i,j)₁₁^TT(i)^-1G(i,j)₁₂,(19)；

L(i,j)₂₁＝G(i,j)₁₂^TT(i)^-1G(i,j)₁₁,(20)；

L(i,j)₂₂＝G(i,j)₁₂^TT(i)^-1G(i,j)₁₂,(21)；

d(i,j)₁＝G(i,j)₁₁^TT(i)^-1r(k_alarm,i,k_release,i-1), (22)；

d(i,j)₂＝G(i,j)₁₂^TT(i)^-1r(k_alarm,i,k_release,i-1), (23)；

r(k_alarm,i,k_release,i-1)＝[r(k_alarm,i)^T r(k_alarm,i+1)^T…r(k_release,i-1)^T],(24)；

G(i,j)=ecol(Iny×ny+Cc(kalarm,i)Z(kalarm,i),j,1)ecol(Iny×ny+Cc(kalarm,i+1)Z(kalarm,i+1),j,1)...ecol(Iny×ny+Cc(krelease,i-1)Z(krelease,i-1),j,1),---(25);]]>

T(i)＝diag(S(k_alarm,i) S(k_alarm,i+1) … S(k_release,i-1)),(26)；

G(i,j)₁₁＝G(i,j){1:n_y(k_release,i-k_alarm,i),1}, (27)；

G(i,j)₁₂＝G(i,j){1:n_y(k_release,i-k_alarm,i),2:n_y}, (28)；

步驟4.2：設定間歇故障分離誤分率

Pfi(j)=αfi(j),---(29);]]>

步驟4.3：設計間歇故障分離閾值J_I(j)

P{TI(i,j)>χαfa2|fi(j)=0}=αfi(j),---(30);]]>

其中，

JI(j)=αfi(j),---(31);]]>

步驟4.4：根據下述準則進行間歇故障分離

若T_I(i,j)＞J_I(j)，則傳感器j有故障；

若T_I(i,j)≤J_I(j)，則傳感器j無故障；

步驟4.5：計算間歇故障估計值

f^i=diag{1R+(ξ(i,1)-JI(1))1R+(ξ(i,2)-JI(2))...1R+(ξ(i,ny)-JI(ny))T}×argmaxβln(p(r(kalarm,i),r(kalarm,i+1),...,r(krelease,i-1)|fi=β))=diag{1R+(ξ(i,1)-JI(1))1R+(ξ(i,2)-JI(2))...1R+(ξ(i,ny)-JI(ny))T}×S(kalarm,i,krelease,i-1)-1h(kalarm,i,krelease,i-1),---(32);]]>

其中，

S(kalarm,i,krelease,i-1)=Σl=kalarm,ikrelease,i-1(Iny×ny+Cc(l)Z(l))TQ(l)-1(Iny×ny+Cc(l)Z(l)),---(33);]]>

h(kalarm,i,krelease,i-1)=Σl=kalarm,ikrelease,i-1(Iny×ny+Cc(l)Z(l))TQ(l)-1r(l),---(34).]]>