CN105043593A - 一种机车温度传感器故障诊断及容错估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，步骤包括：1)预先建立故障工况与温度测量值之间的对应关系、以及各故障工况下温度测量值与温度真实值之间的关系模型；2)机车运行时，实时采集当前温度测量值；判断当前温度测量值是否为有效检测值，如果是，则诊断为处于正常状态，将当前温度测量值作为温度真实值输出；否则诊断为处于故障状态，转入执行步骤3)；3)根据对应关系定位当前温度测量值所对应的故障工况，并根据关系模型重构或估计出当前温度真实值。本发明具有实现操作简单，能够自动诊断温度传感器的故障，同时实现对具体故障工况的准确定位以及温度真实值重构或估计的优点。

Description

一种机车温度传感器故障诊断及容错估计方法

技术领域

本发明涉及机车故障诊断技术领域，尤其涉及一种机车温度传感器故障诊断及容错估计方法。

背景技术

在机车传动控制系统中，温度是表征设备工作环境与状态的一个重要指标，如牵引变压器油温、牵引变流器水冷系统的水口温度传感器、牵引电机温度等。如果温度过高，机车需采取减功率运行、分主断等保护动作，以保证设备的安全运行。由于机车运行过程中的强烈振动甚至检修等原因，都有可能导致传感器故障(如断线、短路、反接等)情况。温度传感器发生故障时，传感器测量值将偏离真实值，如果该测量值与真实值相比偏高，则将会导致系统误动作，影响机车的正常运用；如果该测量值与真实值相比偏低，则将导致系统漏动作，也对机车设备造成损害。

目前对于温度传感器的故障诊断通常均是基于简单的超限判断原理，即当采集到的温度值不处于有效范围内则认为传感器发生故障。该类方法仅能实现简单的是否发生故障判断，而无法对所发生的具体故障进行准确定位，若需要获取温度真实值则需要在解除故障后重新进行测定，从而限制了故障诊断的有效性和系统的可用性。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现操作简单，能够自动诊断温度传感器的故障，同时实现故障工况的准确定位以及温度真实值的重构或估计的机车温度传感器故障诊断及容错估计方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，步骤包括：

1)预先在机车中待诊断温度传感器处于不同故障工况时检测预设范围内温度，分别获取通过温度采集电路采集到的温度测量值；根据各所述温度测量值建立故障工况与温度测量值之间的对应关系、以及各故障工况下温度测量值与温度真实值之间的关系模型；

2)实时获取待诊断温度传感器的当前温度测量值；判断当前温度测量值是否为有效检测值，如果是，则诊断为处于正常状态，将当前温度测量值作为温度真实值输出；否则诊断为处于故障状态，转入执行步骤3)；

3)根据所述对应关系定位当前温度测量值所对应的故障工况，并根据所述关系模型重构或估计出当前温度真实值。

作为本发明的进一步改进：所述故障工况包括所述待诊断温度传感器与温度采集电路之间的电源输入两端、温度信号传输两端中，一端故障或其中两端同时故障。

作为本发明的进一步改进：所述步骤1)中关系模型的建立时，若目标故障工况下所述温度测量值与温度真实值呈线性关系，则通过将目标故障工况下不同温度时的温度测量值进行曲线拟合，建立目标故障工况的线性关系模型。

作为本发明的进一步改进：所述曲线拟合具体采用最小二乘算法。

作为本发明的进一步改进，当所述待诊断温度传感器为检测机车牵引变流器水冷系统的温度传感器时，所述步骤1)中建立故障工况与温度测量值之间的对应关系包括：不同温度时温度测量值呈线性关系，对应为所述电源输入两端中负端断线故障，或对应为所述温度信号传输两端中负端断线故障，或对应为所述电源输入两端反接故障。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1)中建立故障工况与温度测量值之间的对应关系还包括：不同温度时温度测量值接近为最大温度模数转换正值，对应为所述电源输入两端中负端、温度信号传输两端中负端同时断线故障；不同温度时温度测量值接近为最大温度模数转换负值，对应为所述电源输入两端中负端、温度信号传输两端中正端同时断线故障。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1)中建立故障工况与温度测量值之间的对应关系还包括：不同温度时温度测量值接近为零值，对应为所述电源输入两端中正端断线故障，或对应为所述温度信号传输两端中正端断线故障，或对应为所述电源输入两端中负端、温度信号传输两端中正端同时断线故障，或对应为所述温度信号传输两端同时断线、短路中一种故障，或对应为所述电源输入两端短路故障。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2)中判断当前温度测量值是否为有效检测值的具体步骤为：

2.1)根据待诊断温度传感器所需检测的温度范围计算温度测量值的有效范围；

2.2)判断当前温度测量值是否在所述温度测量值的有效范围内，如果是，则判定为有效检测值，否则判定不是有效检测值。

作为本发明的进一步改进，所述步骤3)中根据所述关系模型重构或估计出对应的温度真实值的具体步骤为：

3.1)根据当前温度测量值所确定的故障工况获取对应的关系模型，判断所述关系模型是否为线性，如果是，转入执行步骤3.2)，否则转入执行步骤3.3)；

3.2)根据所述关系模型重构出当前温度测量值对应的温度真实值；

3.3)获取待诊断温度传感器在正常状态时的历史温度测量值，根据所述历史温度测量值估计出当前温度真实值。

作为本发明的进一步改进：所述步骤3.3)具体通过灰度模型估计出当前温度真实值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明中根据温度传感器所需检测的温度范围确定温度测量值的有效范围，在获取到温度测量值时首先进行有效性判断，以诊断温度传感器是否发生故障，若诊断为正常状态，则输出温度测量值；若诊断发生故障，则进行具体故障工况定位以及温度真实值的重构或估计，实现操作简单，不需要增加任何硬件成本即可实现温度传感器的故障诊断以及容错估计，提高了故障诊断的有效性以及可用性；

2)本发明预先获取不同故障工况下的故障样本数据，利用不同故障工况下的温度信号特性建立故障工况与温度测量值之间的对应关系，由对应关系建立每种故障工况的故障判定规则，在发生故障时，则可通过故障判定规则直接判断故障工况的类别，实现具体故障源的准确定位，从而提高故障诊断的准确性；

3)本发明通过对各故障工况下的故障样本数据进行分析，建立各故障工况下温度测量值与温度真实值之间的关系模型，由关系模型重构或估计出温度真实值以进行控制和保护，实现温度传感器故障的容错估计，从而提高系统的可用性；

4)本发明中当故障工况对应的温度测量值与温度真实值之间呈线性关系时，则可直接通过预先建立的线性关系模型重构出温度真实值；当不呈线性关系时，则利用温度传感器在正常状态下得到的历史数据估计出温度真实值，从而使得在各种故障工况下均能够通过重构或估计获得温度真实值，进一步提供系统的可用性。

附图说明

图1是本实施例机车温度传感器故障诊断及容错估计方法的实现流程示意图。

图2是本实施例机车温度传感器故障诊断及容错估计方法的实现原理示意图。

图3是本实施例中温度采集电路以及温度测量值获取的原理示意图。

图4是本发明具体实施例中不同温度时各工况下温度测量值的变化曲线结果示意图。

图5是本发明具体实施例中各工况下温度测量值范围的结果示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1、2所示，本实施例机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，步骤包括：

1)预先在机车中待诊断温度传感器处于不同故障工况时检测预设范围内温度，分别获取通过温度采集电路采集到的温度测量值；根据各温度测量值建立故障工况与温度测量值之间的对应关系、以及各故障工况下温度测量值与温度真实值之间的关系模型；

2)实时获取待诊断温度传感器的当前温度测量值；判断当前温度测量值是否为有效检测值，如果是，则诊断为处于正常状态，将当前温度测量值作为温度真实值输出；否则诊断为处于故障状态，转入执行步骤3)；

3)根据对应关系定位当前温度测量值所对应的故障工况，并根据关系模型重构或估计出当前温度真实值。

本实施例预先获取不同故障工况下的故障样本数据，由故障样本数据的温度信号特征分析得到故障工况与温度测量值之间的对应关系，则由该对应关系可建立用于判断故障工况的故障样本知识库，故障样本知识库中包含有不同故障工况的判断规则，在发生故障时，通过基于判断规则的专家诊断来判断故障工况的类别，实现具体故障源的准确定位，从而提高故障诊断的准确性；同时通过对各故障工况下的故障样本数据分析，建立各故障工况下温度测量值与温度真实值之间的关系模型，由关系模型即可重构或估计出温度真实值以进行控制和保护，从而实现有效的温度传感器故障诊断、定位及容错估计TSDEM(TemperatureSensorDiagnosisandfault-tolerantEvaluationModule)。

如图3所示，本实施例所采用的温度信号采集电路包括恒流源、电压跟随器以及同相比例运算放大电路，待诊断温度传感器PT100的电源输入两端分别为A1、A2端，温度信号传输两端分别为B1、B2端，待诊断温度传感器PT100通过A1、A2端接入电流源，输出U_in的温度信号；温度采集电路通过B1、B2端接入U_in温度信号作为差分输入电压，U_in温度信号经过电压跟随器生成单端电压信号U_in'，由同比例运算放大电路生成满足传动控制单元TCU(TractionControlUnit，传动控制单元)中模数转换单元ADC(AnalogDigitalConvertor，模数转换单元)采样所需的电压信号U，电压信号U经过模数转换单元ADC转换后即得到所需的温度测量值。

若设同相比例运算放大电路的放大倍数为K，则温度传感器PT100采集的温度值T与温度信号采集电路输出电压值U之间的关系如式(1)所示：

U＝(0.385*T+100)*0.0049*K(1)

其中系数(本实施例为0.385、0.0049)由具体采用的温度信号采集电路结构确定。

则实际温度值T可根据温度采样电路输出电压值U推导得出，计算公式如下所示：

$T=\frac{1}{0.385}*(\frac{U}{0.0049*K}-100)---\left(2\right)$

传统的温度传感器故障诊断中仅是设定温度值T的有效范围[T_min,T_max]，若采集到的温度不在有效范围内，则判定发生故障。相比于传统的温度传感器故障诊断方法，本实施例上述方法，由温度信号采集电路当前输出的输出电压值U可判断待诊断温度传感器是否处于故障状态，同时还能够定位具体故障工况类型以及重构或估计出温度真实值，有效提高故障诊断的有效性以及系统的可用性。

本实施例中，故障工况包括待诊断温度传感器与温度采集电路之间的电源输入两端、温度信号传输两端中，一端故障或其中两端同时故障，具体为一端或两端断线，或两端短路，或两端反接等。每种故障工况下所得到的温度测量值特征不同，因而可根据温度信号特征分析故障工况与温度测量值之间的关系。

如图3所示，本实施例由电源输入两端A1、A2，以及温度信号传输两端B1、B2具体划分为以下十种故障工况：

表1：十种故障工况

预先在上述十种故障工况下获取不同温度时温度采集电路输出的温度测量值进行分析，即可分别得到十种故障工况与温度测量值之间的对应关系，由对应关系建立每种故障工况的故障判定规则。

本实施例中，通过对每种故障工况下温度测量值与温度真实值之间关系进行分析，来建立温度测量值与温度真实值之间的关系模型，由建立的关系模型即可重构或估计出温度测量值所对应的温度真实值。关系模型建立中，若目标故障工况下温度测量值与温度真实值呈线性关系，则通过将目标故障工况下不同温度时的温度测量值进行曲线拟合，建立目标故障工况的线性关系模型，则由线性关系模型可直接重构出对应故障工况下的温度真实值；若目标故障工况下温度测量值与温度真实值不呈线性关系，则可通过建立温度真实值估计模型得到关系模型，由温度测量值与温度真实值估计模型确定温度测量值与温度真实值之间的关系。温度真实值估计模型具体可采用灰度模型。

本实施例中，曲线拟合具体采用最小二乘算法，拟合实现简单且拟合精度高，也可以根据实际需求采用其他曲线拟合方法。

本实施例当需要对待诊断温度传感器进行故障诊断及容错估计时，实时获取温度采集电路输出的当前温度测量值，对当前温度测量值首先进行有效性判断，以诊断有无故障发生。机车中温度传感器根据不同测量功能，通常所需检测的温度会在一定范围值内，因而根据该范围即可确定温度测量值的有效范围，由温度测量值的有效性判断诊断温度传感器是否发生故障。

本实施例中，步骤2)中判断当前温度测量值是否为有效检测值的具体步骤为：

2.1)根据待诊断温度传感器所需检测的温度范围计算温度测量值的有效范围；

2.2)判断当前温度测量值是否在温度测量值的有效范围内，如果是，则判定为有效检测值，否则判定不是有效检测值。

若诊断温度传感器处于正常状态时，则直接由当前温度测量值作为温度真实值输出；若诊断为处于故障状态，则进行具体故障工况的定位以及温度真实值的重构或估计。由基于故障工况判断规则的专家诊断判断当前温度测量值所对应的故障工况，即可确定故障工况的类型，确定故障工况类型后由故障工况对应的关系模型来重构或估计温度真实值。

本实施例步骤3)中根据关系模型重构或估计出对应的温度真实值的具体步骤为：

3.1)根据当前温度测量值所确定的故障工况获取对应的关系模型，判断关系模型是否为线性，如果是，转入执行步骤3.2)，否则转入执行步骤3.3)；

3.2)根据关系模型重构出当前温度测量值对应的温度真实值；

3.3)获取待诊断温度传感器在正常状态时的历史温度测量值，根据历史温度测量值估计出当前温度真实值。

本实施例当故障工况对应的温度测量值与温度真实值之间关系模型为线性时，即温度测量值与温度真实值呈线性关系，则可直接通过预先建立的线性关系模型重构出温度真实值；当关系模型不为线性时，即温度测量值与温度真实值之间不呈线性关系时，则不能直接通过关系模型重构出温度真实值，本实施例则利用温度传感器在正常状态下得到的温度测量值作为历史数据，由历史数据来估计出温度真实值，从而使得在各种故障工况下均能够通过重构或估计获得温度真实值，提高系统的可用性。

本实施例中，步骤3.3)具体通过灰度模型估计出当前温度真实值，通过灰度模型能够准确的实现温度真实值的估计。本实施例具体是以温度传感器在正常状态下时得到的历史温度测量值作为输入，通过GM(2,1)灰度模型估计出当前温度真实值，可进一步提高估计精度。

以下以机车传动系统中牵引变流器水冷系统的温度传感器故障诊断及容错估计为例，进一步说明本发明。

由于机车传动系统牵引变流器水冷系统中的入温信号正常范围为-60℃～80℃，即待诊断温度传感器的温度值T的有效范围为-60℃～80℃，取入口水温信号采集电路的比例运算放大器倍数K为14，则根据公式(1)即可得到入口水温信号采集电路输出的温度测量值U的理论有效范围为5.275～8.973V。

步骤1：对应关系及关系模型预先建立

步骤1.1)故障样本数据库建立以及故障样本数据变化特性确定

预先通过待诊断温度传感器分别在各种故障工况下(如表1所示F1～F10故障工况)检测机车传动系统牵引变流器水冷系统中不同入温(-60℃～80℃)，获取入口水温信号采集电路输出的温度测量值U，得到不同温度下各种故障工况时温度采集电路输出的温度测量值U建立故障样本数据库，故障样本数据库如表2所示；由故障样本数据库得到如图4所示正常工况与故障工况下温度测量值U的变化曲线，确定不同故障工况时故障样本数据变化特性，其中横坐标为真实温度值(实际温度值)、纵坐标为输出电压，图中正常工况的温度计算值与实测值基本重合，表明为有效值。

表2：不同温度下各种故障工况时温度采集电路输出电压值(故障样本数据库)

步骤1.2)故障工况与温度测量值对应关系获取

对步骤1.1)得到的故障样本数据库以及故障样本数据变化状况进行分析，得到如图5所示的正常工况以及故障工况时温度测量值U的范围，建立故障工况与温度测量值之间的对应关系。由图4、5可知，正常工况和各种故障工况下的温度测量值范围相互独立，因此可利用测量值范围与故障工况类型间的关系建立故障样本知识库。

由图4、5可以看出，F2、F4和F8故障工况时，温度测量值将偏离正常值且与实际温度成线性关系，即对应关系包括不同温度时温度测量值呈线性关系，对应为电源输入两端中负端断线故障，或对应为温度信号传输两端中负端断线故障，或对应为电源输入两端反接故障。

当F5或F6故障工况时，其输出测量值恒为-10V或10V，10V即对应为经过模数转换单元ADC进行模数转换输出的最大值，利用此特性即可识别出F5或F6两种故障工况，即对应关系还包括：不同温度时温度测量值接近为最大温度模数转换正值(最大AD模数转换输出值)，对应为电源输入两端中负端、温度信号传输两端中负端同时断线故障；不同温度时温度检测值接近为最大温度模数转换负值，对应为电源输入两端中负端、温度信号传输两端中正端同时断线故障。

当温度测量值为0时，则可以为F1、F3、F7、F9或F10故障工况中一种，即对应关系还包括：不同温度时温度测量值接近为零值，对应为电源输入两端中正端断线故障，或对应为温度信号传输两端中正端断线故障，或对应为电源输入两端中负端、温度信号传输两端中正端同时断线故障，或对应为温度信号传输两端同时断线、短路中一种故障，或对应为电源输入两端短路故障。

步骤1.3)故障工况的关系模型建立

由于F2、F4、F8故障工况时，温度测量值与温度真实值呈线性关系，则将步骤1.1)得到的故障样本数据库通过最小二乘曲线拟合分别建立F2、F4、F8故障工况时温度测量值与温度真实值之间的关系模型，并作为温度真实值的重构模型，其中：

F2故障工况时温度真实值重构模型公式为：

F4故障工况时温度真实值重构模型公式为：

F8故障工况时温度真实值重构模型公式为：

其余故障工况时，由温度真实值估计模型作为关系模型。

步骤1.4)专家知识库建立

将F2、F4、F8故障工况对应的关系模型作为温度真值值的重构模型，由对应关系以及关系模型建立得到如表3所示的专家知识库，专家知识库中对应每种故障工况的判断规则以及F2、F4、F8故障工况时重构模型，其中ε为测量误差(本实施例取0.1)。

表3：专家知识库

步骤2：故障诊断

步骤2.1)有效性判断规则建立

根据温度检测电压值U的理论有效范围5.275～8.973V建立如表4所示的有效性判断规则，其中ε为测量误差(本实施例取0.1)。

表4：有效性判断规则

步骤2.2)故障实时判断

机车运行时，获取入口水温信号采集电路输出的当前温度测量值U’；根据步骤2.1)建立的有效性判断规则判断当前温度测量值U’是否为有效值，如果是，则诊断当前温度传感器处于正常状态，将当前温度测量值对应的温度值作为温度真实值输出；否则诊断当前温度传感器处于故障状态，转入执行步骤3)，进行故障类型定位及容错估计。

步骤3：故障类型定位及容错估计

根据专家知识库中判断规则定位当前温度测量值所对应的故障工况，若为F2、F4或F8故障工况，根据式(3)、(4)或(5)所示的重构模型重构出对应的温度真实值；若为F1、F3、F5、F6、F7或F9故障工况时，由于不能基于故障样本数据重构温度真实值，则利用灰度模型根据故障前的正常历史数据来估计当前温度真实值。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，其特征在于，步骤包括：

1)预先在机车中待诊断温度传感器处于不同故障工况时检测预设范围内温度，分别获取通过温度采集电路采集到的温度测量值；根据各所述温度测量值建立故障工况与温度测量值之间的对应关系、以及各故障工况下温度测量值与温度真实值之间的关系模型；

2)实时获取待诊断温度传感器的当前温度测量值；判断当前温度测量值是否为有效检测值，如果是，则诊断为处于正常状态，将当前温度测量值作为温度真实值输出；否则诊断为处于故障状态，转入执行步骤3)；

3)根据所述对应关系定位当前温度测量值所对应的故障工况，并根据所述关系模型重构或估计出当前温度真实值。

2.根据权利要求1所述的机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，其特征在于：所述故障工况包括所述待诊断温度传感器与温度采集电路之间的电源输入两端、温度信号传输两端中，一端故障或其中两端同时故障。

3.根据权利要求2所述的机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，其特征在于，所述步骤1)中关系模型的建立时，若目标故障工况下所述温度测量值与温度真实值呈线性关系，则通过将目标故障工况下不同温度时的温度测量值进行曲线拟合，建立目标故障工况的线性关系模型。

4.根据权利要求3所述的机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，其特征在于：所述曲线拟合具体采用最小二乘算法。

5.根据权利要求4所述的机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，其特征在于，当所述待诊断温度传感器为检测机车牵引变流器水冷系统的温度传感器时，所述步骤1)中建立故障工况与温度测量值之间的对应关系包括：不同温度时温度测量值呈线性关系，对应为所述电源输入两端中负端断线故障，或对应为所述温度信号传输两端中负端断线故障，或对应为所述电源输入两端反接故障。

6.根据权利要求5所述的机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，其特征在于，所述步骤1)中建立故障工况与温度测量值之间的对应关系还包括：不同温度时温度测量值接近为最大温度模数转换正值，对应为所述电源输入两端中负端、温度信号传输两端中负端同时断线故障；不同温度时温度测量值接近为最大温度模数转换负值，对应为所述电源输入两端中负端、温度信号传输两端中正端同时断线故障。

7.根据权利要求6所述的机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，其特征在于，所述步骤1)中建立故障工况与温度测量值之间的对应关系还包括：不同温度时温度测量值接近为零值，对应为所述电源输入两端中正端断线故障，或对应为所述温度信号传输两端中正端断线故障，或对应为所述电源输入两端中负端、温度信号传输两端中正端同时断线故障，或对应为所述温度信号传输两端同时断线、短路中一种故障，或对应为所述电源输入两端短路故障。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，其特征在于，所述步骤2)中判断当前温度测量值是否为有效检测值的具体步骤为：

2.1)根据待诊断温度传感器所需检测的温度范围计算温度测量值的有效范围；

2.2)判断当前温度测量值是否在所述温度测量值的有效范围内，如果是，则判定为有效检测值，否则判定不是有效检测值。

9.根据权利要求1～7中任意一项所述的机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，其特征在于，所述步骤3)中根据所述关系模型重构或估计出对应的温度真实值的具体步骤为：

3.1)根据当前温度测量值所确定的故障工况获取对应的关系模型，判断所述关系模型是否为线性，如果是，转入执行步骤3.2)，否则转入执行步骤3.3)；

3.2)根据所述关系模型重构出当前温度测量值对应的温度真实值；

3.3)获取待诊断温度传感器在正常状态时的历史温度测量值，根据所述历史温度测量值估计出当前温度真实值。

10.根据权利要求9所述的机车温度传感器故障诊断及容错估计方法，其特征在于：所述步骤3.3)具体通过灰度模型估计出当前温度真实值。