[發明專利]一種基于數據驅動ToMFIR的高速列車懸掛系統故障診斷方法

在審

• 申請號: 202111347424.1
• 申請日: 2021-11-15
• 公開（公告）號: CN114115184A
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 吳云凱;蘇宇;周揚;朱志宇
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 徐澍

本發明公開了一種基于數據驅動ToMFIR的高速列車懸掛系統故障診斷方法，包括：對高速列車懸掛系統的實際模型和標稱模型進行數據建模，得到隱含懸掛系統的輸入輸出關系的實際模型的輸入輸出數據模型和標稱模型的輸入輸出數據模型；利用所得實際模型的輸入輸出數據矩陣和標稱模型的輸入輸出數據矩陣，設計基于數據驅動的故障信息全度量殘差；采用故障信息全度量殘差構造評價函數，結合故障檢測報警閾值，在檢測指標達到報警閾值時進行報警；利用基于數據驅動的故障信息全度量殘差，進行懸掛系統傳感器微小故障的幅值估計。本發明對高速列車懸掛系統的微小故障具有較高的靈敏度，可實時檢測并準確估計出故障的動態特性。

技術領域

本發明屬于高速列車懸掛系統故障診斷技術領域，涉及一種基于數據驅動ToMFIR(Total Measurable Fault Information Residual，故障信息全度量殘差)的高速列車懸掛系統故障診斷方法。

背景技術

中國自2008年在主要干線上開通了時速200公里以上的CRH(China RailwayHigh-speed)動車組列車以來，經過10多年的發展，中國已經建成全世界規模最大、運營速度最快的高速鐵路網。

高速列車懸掛系統支撐車體和轉向架，同時隔離由軌道不平順所引起的輪軌作用力，保證列車在高速運行時的穩定性和安全性，因此對其有高可靠性的要求。高速列車懸掛系統分為主動懸掛和半主動懸掛，采用閉環控制結構。懸掛系統采用兩系懸掛裝置，一系懸掛裝置設在軸箱和轉向架構架之間，二系懸掛裝置設在轉向架構架和車體之間；包含有大量的部件，包括螺旋彈簧、橫向/垂向阻尼器、空氣彈簧、主動式作動器以及傳感器。其中主動式作動器作為重要的執行器部件，對于高速列車的安全運行和乘坐舒適性至關重要。主動式作動器是根據傳感器測得的車輛輸出信號計算出主動懸掛系統所需的主動控制力。

懸掛系統故障可分為執行器故障、傳感器故障和機械部件故障。隨著列車在軌運行時間的增長，懸掛系統中的一些部件，例如螺旋彈簧、避震器、空氣彈簧、主動/半主動式作動器、傳感器都會產生一定程度的性能衰退，誘發諸如螺旋彈簧細微開裂、避震器輕微漏油/漏液、空氣彈簧輕度漏氣、作動器小幅度作動效能喪失、傳感器偏差漂移等微小故障，給列車的行車安全帶來潛在的危險。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在的缺陷，提供一種基于數據驅動ToMFIR的高速列車懸掛系統故障診斷方法。該方法針對高速列車閉環控制結構的懸掛系統，以主動式作動器、傳感器、機械部件為故障診斷對象，在懸掛系統發生故障、甚至是微小故障時就可實時檢測到并準確估計出故障的動態特性。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案。

本發明的一種基于數據驅動ToMFIR的高速列車懸掛系統故障診斷方法，包括以下步驟：

步驟1.對高速列車懸掛系統的實際模型和標稱模型進行數據建模，得到隱含懸掛系統的輸入輸出關系的實際模型的輸入輸出數據模型和標稱模型的輸入輸出數據模型；

步驟2.利用位移傳感器、陀螺儀獲取高速列車運行時列車車廂質心的垂向位移、角速度信號及轉向架構架質心的垂向位移信號，所述傳感器及陀螺儀的信號即為系統輸出；所得實際模型輸入輸出信號用于構造實際模型的輸入輸出數據矩陣，所得標稱模型的輸入輸出信號用于構造標稱模型的輸入輸出數據矩陣；

步驟3.利用步驟2中所得實際模型的輸入輸出數據矩陣和標稱模型的輸入輸出數據矩陣，設計基于數據驅動的故障信息全度量殘差；

步驟4.利用步驟3中設計的基于數據驅動的故障信息全度量殘差構造評價函數J，結合故障檢測報警閾值，在檢測指標達到報警閾值時進行報警；

步驟5.利用步驟3中設計的基于數據驅動的故障信息全度量殘差，進行懸掛系統傳感器微小故障的幅值估計。

進一步地，在所述步驟1中，對實際模型和標稱模型進行數據建模的具體過程包括：