CN105628406B - 高速列车牵引传动控制系统故障注入方法及仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法及仿真系统，该方法包括步骤：确定故障注入点的位置，生成被测对象所需注入/模拟故障的特定故障信号；将特定故障信号与注入前正常信号进行信号调理生成故障注入信号；将故障注入信号注入到被测对象的故障注入点，实现对对象的故障注入/模拟。该系统包括牵引传动控制系统和故障注入基准，用于对高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法在仿真环境下的实现。本发明可根据需要完成对高速列车牵引传动控制系统中牵引变流器、牵引电机、传感器和牵引控制器各子系统不同类型故障及其传播、并发的故障注入/模拟，提供安全、可靠、接近真实的故障注入/模拟/仿真与测试，具有较强的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法及仿真系统，属于高速列车牵引传动控制系统故障注入和信号处理等领域。
背景技术
高速列车的安全运行是高铁运行与发展的首要问题，关乎国计民生，牵动全国人民的心。我国高速铁路发展迅速,形成了具有中国特色的高铁技术体系，总体技术水平和应用水平居世界领先，但由于高速列车运行时速高、运行环境恶劣以及长期运行可能导致的元器件老化等为高铁的安全运行带来严重的安全隐患。
高速列车牵引传动控制系统，由牵引变压器、牵引变流器、牵引电机和牵引控制器等子系统构成，属于高速列车运行安全的关键系统之一，也是高速列车高发故障的主要来源之一。正因为如此，高速列车牵引传动控制系统的任何故障或安全隐患若不能实时诊断并得到及时正确的处理，都有可能引发连锁事故，甚至导致灾难性后果，造成严重的社会影响。因此，高速列车牵引传动控制系统能否实现实时故障诊断是确保高速列车安全运行的关键。
故障诊断是一种重要的复杂系统可靠安全运行的监测技术，其理论研究成果丰富。但目前针对高速列车牵引传动控制系统故障诊断主要集中在对单个器件或子系统的单一故障的诊断研究，缺乏对单一故障传播机理、同一器件/子系统的多故障、不同器件/子系统间并发故障等问题的研究，因此，现有故障诊断理论成果难以直接应用于高速列车牵引控制系统，无法解决高速列车实际运行时可能出现的传播、并发等复杂故障的实时准确快速检测与诊断问题。其中关键原因之一，就是缺乏一个面向高速列车牵引传动控制系统能够实现对系统不同故障类型及其传播、并发等复杂故障模拟的子系统级故障诊断应用验证平台，致使大多研究成果进行实际车载应用验证时，会出现误报率高、实时性差和技术可移植性低等问题，而难以成功应用到实际高速列车运行监测中。
故障注入作为一种重要的安全测试和故障诊断验证的技术手段，其研究可以追溯到上世纪70年代，国内外对于故障注入的研究与应用随着技术的成熟逐渐扩展到各个领域。高速列车牵引传动系统作为一个集成度高、关联性强、多功能的复杂系统，所需电气设备种类较多，且可能发生的故障类型繁多机理复杂。现有的高速列车应用验证平台大多以模拟、仿真、验证高速列车正常运行行为为主要目标，可离线、手动简单模拟仿真某些子系统内或功能模块内的异常工况，以及“故障导向安全”机制下的故障-停车行为，缺少系统级/子系统级的故障注入和协同仿真机制，无法对各种异常或故障的演变、并发故障及其对整个牵引传动控制系统/子系统运行状况进行模拟。此外，对同一故障类型所采用故障注入方法的不尽相同，也给故障诊断技术的应用验证和比较带来了困难。因此，急需建立基于统一基准的牵引传动控制系统子系统级的故障注入方法及仿真系统。
针对上述情况，尚未见到合适的解决方案。
发明内容
本发明提供一种高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法及仿真系统，能为牵引传动控制系统各子系统不同类型故障的注入/模拟、诊断和容错等技术研究，提供安全、可靠、接近真实的故障注入/模拟/仿真与测试。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据被测对象发生特定故障时的电气信号特性，生成被测对象所需注入故障的特定故障信号；确定故障注入点的位置；
步骤二：将步骤一所生成的特定故障信号与注入点处的注入前正常信号进行信号调理；生成故障注入后的信号，即故障注入信号；
步骤三：将步骤二所生成的故障注入信号替换注入点处的正常信号，注入到步骤一确定的故障注入点，实现对被测对象的故障注入/模拟。
优选地，所述的步骤一中，生成被测对象所需注入故障的特定故障信号具体为：当启动故障注入时，由故障注入控制器(FIC)选择故障信号(内部)fIN或故障信号(外部)fOUT,作为特定故障信号f(·)。
优选地，所述的步骤二中，包括以下步骤：
步骤1：将步骤一所生成的特定故障信号与注入点处的注入前正常信号进行信号调理；具体地：
1.信号运算
根据用户需要，将步骤一所生成的特定故障信号f(·)与注入点处的注入前正常信号Xo进行信号叠加或信号相乘运算，生成中间故障注入信号为：
Xf1＝X0+f(·) (1)
或者：
Xf2＝X0*f(·) (2)
2.逻辑运算
将正常信号Xo、特定故障信号f(·)以及中间故障注入信号Xf1,Xf2，进行逻辑运算，选择所需的故障注入信号X′f：
X′f＝sel{X0,f(·),Xf1,Xf2} (3)
式中sel{}表示在Xo、f(·)、Xf1和Xf2中选择任一所需的故障注入信号X′f作为信号调理的输出。
步骤2：确定生成的故障注入信号X′f是否需要叠加噪声，并生成故障注入信号Xf作为最终输出：
Xf＝X′f+(Ns) (4)
式中+(Ns)表示可根据实际情况和用户需要，选择是否叠加噪声信号Ns。
优选地，所述的步骤三中，信号调理输出的故障注入信号是通过串行接入的方式注入到被测对象的故障注入点。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种高速列车牵引传动控制系统的故障注入系统，包括基于仿真环境构建的牵引传动控制系统主电路和控制策略，以及故障注入基准所。其中，故障注入基准由牵引变流器故障注入模块(CFI)、牵引电机故障注入模块(MFI)、传感器故障注入模块(SFI)、牵引控制器TCU故障注入模块(TFI)组成。
优选地，所述的各故障注入模块均包括故障注入控制器(FIC)、信号调理器和噪声信号发生器三个部分。具体地：
(1)故障注入控制器(FIC)
包括用户指令分配器、信号选择器和故障信号生成器(内部)。
用户指令分配器：根据用户命令，确定故障注入点A，确定生成故障信号的来源，确定输出端A′的信号来源以及是否在其信号上叠加噪声，提供给信号选择器；如故障信号由内部生成器产生，则确定所需模拟的故障类型及其调理方式，提供给故障信号生成器。
信号选择器：根据用户指令分配器提供的命令，输出控制指令至信号调理器和噪声信号发生器中，控制信号调理器的故障信号输入通道和中间故障注入信号输出的选择，控制是否叠加噪声信号。
故障信号生成器(内部)：受用户指令分配器和信号选择器控制，确定是否经过信号调理以及如何生成基于信号调理的特定故障信号(内部)fIN(·)。
外部故障信号fOUT(·)是用户采用自行开发的故障信号生成器(外部)生成的自定义特定故障信号。
(2)信号调理器
包括信号运算器和逻辑运算器。信号运算器用于将特定故障信号f(·)与正常信号X0进行信号叠加生成Xf1，或进行信号相乘生成Xf2；逻辑运算器用于选择性输出故障注入信号X′f。
(3)噪声信号发生器
包括噪声信号选择器和噪声信号生成器。噪声信号选择器用于确定故障注入信号X′f是否需要叠加噪声。噪声信号生成器用于生成所需要的噪声信号Ns。
经噪声信号发生器后，故障注入模块输出所需的最终故障注入信号Xf。
优选地，所述的牵引变流器故障注入模块(CFI)的故障类型包括，功率器件(如IGBT模块和可控式晶闸管等)和无源元件(如电阻器和电容器等)的失效故障和电气外特性衰退现象，对应的故障注入信号Xf主要由信号叠加和恒值输出两种方式生成，具体为：
(1)对于功率器件失效故障，采用叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(·)为：
式中Pj表示第j组故障信号的子周期；μj表示第j组故障信号的触发时刻；τji表示第j组第i个故障信号的持续时间占整个第j组故障信号子周期Pj的百分比；csj为第j组故障信号的故障状态，当发生开路故障时csj＝0，当发生短路故障时csj＝1；nj表示第j组中注入信号的总个数，且nj＝ceil(μj-μ(j+1)/Pj)(ceil表示向正无穷大取整)。
(5)式用于模拟永久型、间歇型、瞬态型及其任意组合的故障信号，当τji→1时，式中阶跃函数的差值为无穷大，用于模拟永久型故障信号；当τji→0时，用于模拟瞬态型故障信号；当0＜τji＜1时，用于模拟间歇型故障信号。
(2)对于功率器件和无源元件出现电气特性衰退现象，采用叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(·)为：
f(·)＝f(ξ) (6)
式中f(ξ)为依据不同对象不同电气参数变化特点生成的特定故障信号，ξ表示某特定电气特性的衰退率；这种情况下无需考虑噪声。
(3)对于无源元件的失效故障，采用恒值输出方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f直接选择f(·)输出，特定故障信号f(·)为：
f(·)＝conts (7)
式中conts可取任意常数，这种情况下无需考虑噪声。
优选地，所述的牵引电机故障注入模块(MFI)的故障类型包括，转子断条故障、定子匝间短路故障、气隙偏心故障和端环断裂故障，对应的故障注入信号Xf均由信号叠加方式生成，具体为：
将(4)式中X′f选择Xf1作为输出，其中特定故障信号f(·)由三相定子电流产生某一特定频率的边频分量生成：
f(·)＝f(M,f1,s)＝A1cos(2πfs1t+θ1)+A2cos(2πfs2t+θ2) (8)
式中M为故障严重程度；f1为基波频率；s为牵引电机转差率；A1、A2为相应边频分量的幅值，由基频幅值和M可得；fs1、fs2为特定故障类型相应边频分量的故障特征频率，与转差率s和基频f1有关；θ1、θ2为相应边频分量的相位角，可任意取值。
(1)当发生转子断条故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为：
fs＝(1±2ks)f1 (9)
式中k为故障电流阶次，k＝1,2,3,…；此时，fs1＝(1+2ks)f1、fs2＝(1-2ks)f1。
(2)当发生定子匝间短路故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为：
fs＝[n±2k(1-2s)]f1 (10)
式中n为正整数，可取1。此时，fs1＝[n+2k(1-2s)]f1、fs2＝[n-2k(1-2s)]f1。
(3)当发生气隙偏心故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为：
fs＝[n±k(1-s)]f1 (11)
此时，fs1＝[n+k(1-s)]f1、fs2＝[n-k(1-s)]f1。
(4)当发生端环断裂故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为：
fs＝(1±2ks)f1 (12)
此时，fs1＝(1+2ks)f1、fs2＝(1-2ks)f1。
优选地，所述的传感器故障注入模块的故障类型包括，电压、电流和速度传感器的偏差、漂移、冲击、精度下降、周期性干扰、增益、开路、短路、卡死和非线性死区等故障，对应的故障注入信号Xf由信号叠加、信号相乘和恒值输出三种方式生成，具体为：
(1)对于偏差、漂移、冲击、精度下降等故障，采用信号叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(·)为：
f(·)＝f(z,w) (13)
式中f(z,w)为特定偏差形式。当为恒偏差故障时，f(z,w)＝z是一个恒值信号，z取任意常数；当为漂移故障时，f(z,w)＝z*t+w是一阶线性时变信号，其中t为故障注入后的系统运行时间；当为冲击故障时，f(z,w)＝δ(t-z)是一个冲击信号；当精度等级下降时，f(z,w)＝f(z,0)＝N(0,z2)是一个均值为零、方差不为零的信号。
(2)对于周期性干扰故障，采用信号叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(·)由(5)式生成，在这种情况下，式中csj为随机扰动信号幅值。
(3)对于增益故障，采用信号相乘方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf2输出，其中特定故障信号f(·)为：
f(·)＝f(a) (14)
式中f(a)为特定增益形式，a为增益参数。
(4)对于开路、短路、卡死和非线性死区等故障，采用恒值输出的方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f直接选择f(·)输出，特定故障信号f(·)由(5)式生成：当发生开路与短路故障时，conts取零；当发生卡死故障时，conts取故障发生时刻信号的瞬时值；当发生非线性死区故障时，若信号幅值超出设定阈值，则conts取零。
优选地，所述的牵引控制器故障注入模块的故障类型包括，模拟信号I/O模块、数字信号I/O模块和存储模块的错误逻辑状态/硬损伤，对应的故障注入信号Xf由信号叠加和恒值输出两种方式生成，具体为：
(1)对于模拟信号I/O模块故障，采用信号叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(·)为瞬时脉冲，采用双指数模型描述：
f(p,q,A)＝A·(ep·t-eq·t) (15)
式中p,q为注入信号的时间系数，共同决定注入脉冲的宽度、上升沿时间与下降沿时间；A为注入信号的幅值系数，决定注入脉冲的幅值大小。
(2)对于数字信号I/O模块故障，采用恒值输出方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f直接选择f(·)输出，特定故障信号f(·)由(5)式生成：当外部干扰引起的瞬时脉冲信号大于引脚电平的阈值TH时，conts取1；反之，conts取0。
(3)对于存储模块故障，采用恒值输出方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f直接选择f(·)输出，特定故障信号f(·)由(5)式生成，conts取故障发生时刻传感器反馈的速度信号进行随机位翻转的值。
优选地，所述的高速列车牵引传动控制系统的故障注入系统各故障类型的注入、仿真/模拟实现的步骤为：
步骤1：根据用户指令，确定故障注入点，将所需故障注入模块串接至输入端点A与故障注入信号的输出端口A′点之间，设置相关故障注入参数；
步骤2：当启动故障注入时，由故障注入控制器选择故障信号(内部)fIN或故障信号(外部)fOUT,作为f(·)；如选择故障信号(内部)fIN作为特定故障信号f(·)，则按权利要求7至10，生成被测对象所需的特定故障注入模块中特定类型的f(·)信号；
步骤3：按权利要求7至10，对所需的特定类型故障，采用(1)或(2)式对正常信号Xo和特定故障信号f(·)进行信号叠加或信号相乘，生成中间故障注入信号Xf1或Xf2；按公式(3)在信号Xo、f(·)、Xf1和Xf2中，选择所需特定类型故障的注入信号X′f；
步骤4：根据公式(4)，生成最终故障注入信号Xf，并由故障注入模块的输出端A′输出；存储相关车载传感器注入前、注入后运行数据，完成被测对象所需的特定类型故障的注入/模拟。
本发明提出了一种高速列车牵引传动控制系统故障注入方法及仿真系统，实现对高速列车牵引传动控制系统中不同子系统不同类型故障以及故障传播、并发故障的故障注入/模拟，为高速列车牵引传动控制系统常见故障的注入/模拟、诊断和容错等理论方法及其实现技术研究，提供安全、可靠、接近真实的故障注入/模拟/仿真与测试，具有较强的适用性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例CRH2型高速列车牵引传动控制系统的主电路拓扑示意图；
图2为本发明实施例基于Simulink仿真环境的CRH2型高速列车牵引传动控制系统仿真平台；
图3为本发明基于Simulink仿真环境的高速列车牵引传动控制系统故障注入平台系统结构图；
图4为本发明基于信号调理的牵引传动控制系统故障注入原理框图；
图5为本发明基于信号调理的牵引传动控制系统故障注入模块Simulink模型搭建图；
图6为本发明基于信号调理的牵引传动控制系统故障注入实现流程图；
图7为本发明实施例牵引变流器注入模块的串接方式、位置以及功率器件开路故障的故障注入点；
图8为本发明实施例牵引变流器故障注入模块参数设置界面；
图9为本发明实施例中正常信号X0与故障注入信号Xf的波形图；
图10为本发明实施例牵引电机机械参数(行驶速度和电磁转矩)注入前(左)、注入后(右)波形图；
图11为本发明实施例牵引电机电气参数(牵引电机定子侧三相电流)注入前(左)、注入后(右)波形图；
图12为本发明实施例中间直流电路上下侧支撑电容电压注入前(左)、注入后(右)波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。本实施例以CRH2型高速列车为例进行说明。
图1是本实施例中所称的CRH2型高速列车牵引传动控制系统的主电路拓扑示意图，主要由牵引变压器、牵引变流器、牵引电动机等组成。高速列车经受电弓从接触网获得25KV/50Hz高压交流电，经由变压器转化为1500V/50Hz变压器二次侧交流电压供给牵引变流器；经过牵引变流器的整流环节将中间直流电路支撑电容器上下侧电压稳定到期望值；接着经过逆变过程输出电压/频率可调的三相交流电压/电流，用于驱动牵引电动机；最后，牵引电动机的转矩和转速通过齿轮变速箱传递给轮对，从而驱动列车运行，使其运行时速保持在指定时速附近。为了满足高速列车牵引特性的要求，由牵引控制器分别向牵引变流器的三电平脉冲整流器和三电平逆变器的功率器件输出正弦脉宽调制(Sinusoidal PulseWidth Modulation,SPWM)和空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)的脉冲控制信号，实现对牵引变流器工作状态的控制，从而实现高速列车动力单元的稳定运行。
图2是本实施例中所称的CRH2型高速列车牵引传动控制系统在虚拟仿真平台Simulink环境下的仿真平台，其中牵引传动控制系统的控制策略由S函数搭建，牵引传动控制系统的主电路电气环境由Simpower-System提供的模块搭建。
基于信号调理的牵引传动控制系统故障注入平台系统结构图如图3所示，由基于Simpower的牵引传动系统、基于Simulink的控制策略以及故障注入基准组成，前两部分即为图2所示的牵引传动控制系统正常运行行为仿真平台。其中的故障注入基准由牵引变流器、牵引电机、传感器、牵引控制器TCU四个故障注入模块组成，各模块采用信号调理的方式构建，其原理框图及Simulink模型搭建图，分别如图4、图5所示。
本实施例将对牵引变流的功率器件开路故障的故障注入进行仿真测试，设定：系统仿真时间为6s，列车的给定运行速度为200Km/h，故障注入时间在第1秒钟处。选取CRH2型高速列车牵引传动控制系统的主要车载传感器作为观测点，采集并存储各观测点仿真运行状态数据，包括牵引电机的机械参数(行驶速度v和机械转矩Te)和电气参数(牵引电机定子侧三相电流Isa/Isb/Isc)和中间直流电路的电气参数(上下侧支撑电容电压Ucd1/Ucd2)等。
如图6所示，本发明基于信号调理的牵引传动控制系统故障注入实现包括如下步骤。
步骤1：根据用户指令，确定故障注入点，将所需故障注入模块串接至A与A′点之间，设置相关故障注入参数；(如图4所示，依据被测对象所需模拟的故障类型确定故障注入点A后，将相应的故障注入模块串接到故障注入点的信号线上，在串接时会在原有的故障注入点处产生两个端点，其中左侧端点是正常信号的输入端点A，右侧端点是由故障注入模块生成的故障注入信号的输出端口A′)
本实施例中设置的故障注入对象为三电平逆变器的功率器件Tu2，故障注入点为牵引控制器TCU对功率器件Tu2的控制信号线上A点处。
本实施例是将用于生成故障注入信号的牵引变流器故障注入模块以串行接入的方式放置至A与A′点之间，如图7所示。牵引变流器故障注入模块所生成的故障注入信号替换了注入点A处的正常信号，由A′点输出注入到功率器件Tu2的控制信号线上。
本实施例中需要对牵引变流器故障注入模块的参数设置界面，将根据公式(16)给出的参数变量进行设置，选择不加入常见的高斯噪声、随机噪声等噪声干扰信号。具体地，本实施例的参数设置及其界面如图8所示。
步骤2：当启动故障注入时，由故障注入控制器(FIC)选择故障信号(内部)fIN或故障信号(外部)fOUT,作为f(·)。外部故障信号fOUT(·)是用户采用自行开发的故障信号生成器(外部)生成的自定义特定故障信号。
如选择故障信号(内部)fIN作为特定故障信号f(·)，则按权利要求7至10，生成被测对象所需的特定故障注入模块中特定类型的f(·)信号；
本实施例选择故障信号(内部)fIN作为特定故障信号f(·)，根据牵引变流器功率器件开路故障时的电气信号特性变化，生成功率器件开路故障所需注入故障的特定故障信号；
本实施例中功率器件开路故障的故障信号包含有3个不同周期，由公式(5)得功率器件开路故障的故障信号f(·)为：
式中，故障信号的3个子周期P1＝1、P2＝0.2、P3＝2；μ1＝1、μ2＝3、μ3＝5；τ11＝…＝τ1n1＝10、τ21＝…＝τ2n2＝60、τ31＝…＝τ3n3＝90；cs1＝0、cs2＝0、cs3＝0；n1＝2、n2＝10、n3＝1。
步骤3：对所需的特定类型故障，生成基于信号调理的特定故障信号(内部)fIN(·)，具体为：
牵引变流器故障注入模块(CFI)的故障类型包括，功率器件(如IGBT模块和可控式晶闸管等)和无源元件(如电阻器和电容器等)的失效故障和电气外特性衰退现象，对应的故障注入信号Xf主要由信号叠加和恒值输出两种方式生成，具体为：
(1)对于功率器件失效故障，采用叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(·)为：
式中Pj表示第j组故障信号的子周期；μj表示第j组故障信号的触发时刻；τji表示第j组第i个故障信号的持续时间占整个第j组故障信号子周期Pj的百分比；csj为第j组故障信号的故障状态，当发生开路故障时csj＝0，当发生短路故障时csj＝1；nj表示第j组中注入信号的总个数，且nj＝ceil(μj-μ(j+1)/Pj)，其中ceil表示向正无穷大取整；
(5)式用于模拟永久型、间歇型、瞬态型及其任意组合的故障信号，当τji→1时，式中阶跃函数的差值为无穷大，用于模拟永久型故障信号；当τji→0时，用于模拟瞬态型故障信号；当0＜τji＜1时，用于模拟间歇型故障信号；
(2)对于功率器件和无源元件出现电气特性衰退现象，采用叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(·)为：
f(·)＝f(ξ) (6)
式中f(ξ)为依据不同对象不同电气参数变化特点生成的特定故障信号，ξ表示某特定电气特性的衰退率；这种情况下无需考虑噪声；
(3)对于无源元件的失效故障，采用恒值输出方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f直接选择f(·)输出，特定故障信号f(·)为：
f(·)＝conts (7)
式中conts可取任意常数，这种情况下无需考虑噪声。
牵引电机故障注入模块(MFI)的故障类型包括，转子断条故障、定子匝间短路故障、气隙偏心故障和端环断裂故障，对应的故障注入信号Xf均由信号叠加方式生成，具体为：
将(4)式中X′f选择Xf1作为输出，其中特定故障信号f(·)由三相定子电流产生某一特定频率的边频分量生成：
f(·)＝f(M,f1,s)＝A1cos(2πfs1t+θ1)+A2cos(2πfs2t+θ2) (8)
式中M为故障严重程度；f1为基波频率；s为牵引电机转差率；A1、A2为相应边频分量的幅值，由基频幅值和M可得；fs1、fs2为特定故障类型相应边频分量的故障特征频率，与转差率s和基频f1有关；θ1、θ2为相应边频分量的相位角，可任意取值；
(1)当发生转子断条故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为：
fs＝(1±2ks)f1 (9)
式中k为故障电流阶次，k＝1,2,3,…；此时，fs1＝(1+2ks)f1、fs2＝(1-2ks)f1；
(2)当发生定子匝间短路故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为：
fs＝[n±2k(1-2s)]f1 (10)
式中n为正整数；此时，fs1＝[n+2k(1-2s)]f1、fs2＝[n-2k(1-2s)]f1；
(3)当发生气隙偏心故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为：
fs＝[n±k(1-s)]f1 (11)
此时，fs1＝[n+k(1-s)]f1、fs2＝[n-k(1-s)]f1；
(4)当发生端环断裂故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为：
fs＝(1±2ks)f1 (12)
此时，fs1＝(1+2ks)f1、fs2＝(1-2ks)f1。
传感器故障注入模块的故障类型包括，电压、电流和速度传感器的偏差、漂移、冲击、精度下降、周期性干扰、增益、开路、短路、卡死和非线性死区等故障，对应的故障注入信号Xf由信号叠加、信号相乘和恒值输出三种方式生成，具体为：
(1)对于偏差、漂移、冲击、精度下降等故障，采用信号叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(·)为：
f(·)＝f(z,w) (13)
式中f(z,w)为特定偏差形式。当为恒偏差故障时，f(z,w)＝z是一个恒值信号，z取任意常数；当为漂移故障时，f(z,w)＝z*t+w是一阶线性时变信号，其中t为故障注入后的系统运行时间；当为冲击故障时，f(z,w)＝δ(t-z)是一个冲击信号；当精度等级下降时，f(z,w)＝f(z,0)＝N(0,z2)是一个均值为零、方差不为零的信号；
(2)对于周期性干扰故障，采用信号叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(·)由(5)式生成，在这种情况下，式中csj为随机扰动信号幅值；
(3)对于增益故障，采用信号相乘方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf2输出，其中特定故障信号f(·)为：
f(·)＝f(a) (14)
式中f(a)为特定增益形式，a为增益参数；
(4)对于开路、短路、卡死和非线性死区等故障，采用恒值输出的方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f直接选择f(·)输出，特定故障信号f(·)由(5)式生成：当发生开路与短路故障时，conts取零；当发生卡死故障时，conts取故障发生时刻信号的瞬时值；当发生非线性死区故障时，若信号幅值超出设定阈值，则conts取零。
牵引控制器故障注入模块的故障类型包括模拟信号I/O模块、数字信号I/O模块和存储模块的错误逻辑状态/硬损伤，对应的故障注入信号Xf由信号叠加和恒值输出两种方式生成，具体为：
(1)对于模拟信号I/O模块故障，采用信号叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(·)为瞬时脉冲，采用双指数模型描述：
f(p,q,A)＝A·(ep·t-eq·t) (15)
式中p,q为注入信号的时间系数，共同决定注入脉冲的宽度、上升沿时间与下降沿时间；A为注入信号的幅值系数，决定注入脉冲的幅值大小；
(2)对于数字信号I/O模块故障，采用恒值输出方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f直接选择f(·)输出，特定故障信号f(·)由(5)式生成：当外部干扰引起的瞬时脉冲信号大于引脚电平的阈值TH时，conts取1；反之，conts取0；
(3)对于存储模块故障，采用恒值输出方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f直接选择f(·)输出，特定故障信号f(·)由(5)式生成，conts取故障发生时刻传感器反馈的速度信号进行随机位翻转的值。
然后，采用(1)或(2)式对正常信号Xo和特定故障信号f(·)进行信号叠加或信号相乘，生成中间故障注入信号Xf1或Xf2；按公式(3)在信号Xo、f(·)、Xf1和Xf2中，选择所需特定类型故障的注入信号X′f；
本实施例中的功率器件开路故障，采用(1)式对正常信号Xo和(16)式的特定故障信号f(·)进行信号叠加，生成中间故障注入信号Xf1；按公式(3)在信号Xo、f(·)、Xf1和Xf2中，选择所需特定类型故障的Xf1作为注入信号X′f；
步骤4：根据公式(4)，生成最终故障注入信号Xf，并由故障注入模块的输出端A′输出；存储相关车载传感器注入前、注入后运行数据，完成被测对象所需的特定类型故障的注入/模拟。
本实施例中不考虑涉及噪声干扰信号的故障注入问题，故生成的最终故障注入信号Xf即为中间故障注入信号X′f。本实施例中A点处正常信号X0与A′点处故障注入信号Xf的波形图，如图9所示。
将本实施例生成的最终故障注入信号Xf，由故障注入模块的输出端A′输出；进行注入仿真；存储相关车载传感器注入前、注入后运行数据，完成被测对象牵引变流器所需的功率器件开路的注入/模拟。
本实施例中车载传感器观测点数据：牵引电机的机械参数(行驶速度和电磁转矩)注入前(左)、注入后(右)波形图，如图10所示；牵引电机的电气参数(牵引电机定子侧三相电流)注入前(左)、注入后(右)波形图，如图11所示；牵引变流器中间直流电路上下侧支撑电容电压注入前(左)、注入后(右)波形图，如图12所示。
综上可知，本发明通过基于信号调理的CRH2型高速列车牵引传动系统故障注入方法构建的故障注入基准，可以根据实际需要完成对牵引传动控制系统不同子系统不同类型故障以及故障传播、并发故障的故障注入/模拟，为高速列车牵引传动控制系统常见故障的注入/模拟、诊断和容错等理论方法及其实现技术研究，提供安全、可靠、接近真实的故障注入/模拟/仿真与测试，具有较强的适用性。
以上所述仅为本发明的其一子系统中某一故障类型模拟的简单实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法，其特征在于，包括以下步骤：
预处理步骤：搭建高速列车牵引传动控制系统的仿真系统，所述仿真系统包括基于仿真环境构建的牵引传动控制系统主电路、控制策略、以及故障注入基准；所述故障注入基准包括牵引变流器故障注入模块、牵引电机故障注入模块、传感器故障注入模块、牵引控制器TCU故障注入模块；且各所述的故障注入模块均包括故障注入控制器、信号调理器和噪声信号发生器三个部分，其中，各所述故障注入器都能选择内部故障信号或外部故障信号进行调理，各所述信号调理器之间根据各自的故障类型设置差异化的故障注入信号生成方式，以及各所述信号调理器都能根据正常信号、特定故障信号以及中间故障注入信号进行逻辑运算以选择所需的注入信号；
步骤一：根据所述高速列车牵引传动控制系统被测对象发生特定故障时的电气信号特性，经对应的故障注入器选择内部故障信号或外部故障信号生成被测对象所需注入故障的特定故障信号；确定故障注入点的位置；
步骤二：将步骤一所生成的特定故障信号与注入点处的注入前正常信号进行信号调理；生成故障注入后的信号，即故障注入信号；
步骤三：将步骤二所生成的故障注入信号替换注入点处的正常信号，注入到步骤一确定的故障注入点，实现对被测对象的故障注入/模拟。
2.根据权利要求1所述的高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法，其特征在于，所述的步骤三中，信号调理输出的故障注入信号是通过串行接入的方式注入到被测对象的故障注入点。
3.根据权利要求1至2中任一所述的高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法，其特征在于，所述的步骤二中，包括以下步骤：
步骤1：将步骤一所生成的特定故障信号与注入点处的注入前正常信号进行信号调理；具体包括如下步骤：
步骤1.1信号运算
根据用户需要，将步骤一所生成的特定故障信号f(g)与注入点处的注入前正常信号Xo进行信号叠加或信号相乘运算，生成中间故障注入信号为：
Xf1＝X0+f(g) (1)
或者：
Xf2＝X0*f(g) (2)
步骤1.2逻辑运算
将正常信号Xo、特定故障信号f(g)以及中间故障注入信号Xf1,Xf2，进行逻辑运算，选择所需的故障注入信号X′f：
X′f＝sel{X0,f(g),Xf1,Xf2} (3)
式中sel{}表示在Xo、f(g)、Xf1和Xf2中选择任一所需的故障注入信号X′f作为信号调理的输出；
步骤2：确定生成的故障注入信号X′f是否需要叠加噪声，并生成故障注入信号Xf作为最终输出：
Xf＝X′f+(Ns) (4)
式中+(Ns)表示可根据实际情况和用户需要，选择是否叠加噪声信号Ns。
4.一种实现权利要求1至3任一所述的高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法的仿真系统，其特征在于，包括基于仿真环境构建的牵引传动控制系统主电路、控制策略，以及故障注入基准；其中，故障注入基准包括牵引变流器故障注入模块、牵引电机故障注入模块、传感器故障注入模块、牵引控制器TCU故障注入模块；且各所述的故障注入模块均包括故障注入控制器、信号调理器和噪声信号发生器三个部分，其中，各所述故障注入器都能选择内部故障信号或外部故障信号进行调理，各所述信号调理器之间根据各自的故障类型设置差异化的故障注入信号生成方式，以及各所述信号调理器都能根据正常信号、特定故障信号以及中间故障注入信号进行逻辑运算以选择所需的注入信号。
5.根据权利要求4所述的仿真系统，其特征在于，故障注入控制器包括用户指令分配器、信号选择器和内部故障信号生成器；
用户指令分配器：根据用户命令，确定故障注入点A，确定生成故障信号的来源，确定输出端A′的信号来源以及是否在其信号上叠加噪声，提供给信号选择器；如故障信号由内部故障信号生成器产生，则确定所需模拟的故障类型及其调理方式，提供给故障信号生成器；
信号选择器：根据用户指令分配器提供的命令，输出控制指令至信号调理器和噪声信号发生器中，控制信号调理器的故障信号输入通道和中间故障注入信号输出的选择，控制是否叠加噪声信号；
内部故障信号生成器：受用户指令分配器和信号选择器控制，确定是否经过信号调理以及如何生成基于信号调理的内部特定故障信号fIN(g)；
信号调理器包括信号运算器和逻辑运算器，信号运算器用于将特定故障信号f(g)与正常信号X0进行信号叠加生成Xf1，或进行信号相乘生成Xf2；逻辑运算器用于选择性输出故障注入信号X′f；
噪声信号发生器包括噪声信号选择器和噪声信号生成器，噪声信号选择器用于确定故障注入信号X′f是否需要叠加噪声，噪声信号生成器用于生成所需要的噪声信号Ns；经噪声信号发生器后，故障注入模块输出所需的最终故障注入信号Xf。
6.根据权利要求4或5所述的仿真系统，其特征在于，所述的牵引变流器故障注入模块的故障类型包括功率器件和无源元件的失效故障和电气外特性衰退现象，对应的故障注入信号Xf主要由信号叠加和恒值输出两种方式生成，具体为：
(1)对于功率器件失效故障，采用叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(g)为：
式中Pj表示第j组故障信号的子周期；μj表示第j组故障信号的触发时刻；τji表示第j组第i个故障信号的持续时间占整个第j组故障信号子周期Pj的百分比；csj为第j组故障信号的故障状态，当发生开路故障时csj＝0，当发生短路故障时csj＝1；nj表示第j组中注入信号的总个数，且nj＝ceil(μj-μ(j+1)/Pj)，其中ceil表示向正无穷大取整；
(5)式用于模拟永久型、间歇型、瞬态型及其任意组合的故障信号，当τji→1时，式中阶跃函数的差值为无穷大，用于模拟永久型故障信号；当τji→0时，用于模拟瞬态型故障信号；当0＜τji＜1时，用于模拟间歇型故障信号；
(2)对于功率器件和无源元件出现电气特性衰退现象，采用叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(g)为：
f(g)＝f(ξ) (6)
式中f(ξ)为依据不同对象不同电气参数变化特点生成的特定故障信号，ξ表示某特定电气特性的衰退率；这种情况下无需考虑噪声；
(3)对于无源元件的失效故障，采用恒值输出方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f直接选择f(g)输出，特定故障信号f(g)为：
f(g)＝conts (7)
式中conts可取任意常数，这种情况下无需考虑噪声。
7.根据权利要求4或5所述的仿真系统，其特征在于，所述的牵引电机故障注入模块的故障类型包括转子断条故障、定子匝间短路故障、气隙偏心故障和端环断裂故障，对应的故障注入信号Xf均由信号叠加方式生成，具体为：
将(4)式中X′f选择Xf1作为输出，其中特定故障信号f(g)由三相定子电流产生某一特定频率的边频分量生成：
f(g)＝f(M,f1,s)＝A1cos(2πfs1t+θ1)+A2cos(2πfs2t+θ2) (8)
式中M为故障严重程度；f1为基波频率；s为牵引电机转差率；A1、A2为相应边频分量的幅值，由基频幅值和M可得；fs1、fs2为特定故障类型相应边频分量的故障特征频率，与转差率s和基频f1有关；θ1、θ2为相应边频分量的相位角，可任意取值；
(1)当发生转子断条故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为：
fs＝(1±2ks)f1 (9)
式中k为故障电流阶次，k＝1,2,3,L；此时，fs1＝(1+2ks)f1、fs2＝(1-2ks)f1；
(2)当发生定子匝间短路故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为：
fs＝[n±2k(1-2s)]f1 (10)
式中n为正整数；此时，fs1＝[n+2k(1-2s)]f1、fs2＝[n-2k(1-2s)]f1；
(3)当发生气隙偏心故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为：
fs＝[n±k(1-s)]f1 (11)
此时，fs1＝[n+k(1-s)]f1、fs2＝[n-k(1-s)]f1；
(4)当发生端环断裂故障时，牵引电机定子电流故障特征频率为：
fs＝(1±2ks)f1 (12)
此时，fs1＝(1+2ks)f1、fs2＝(1-2ks)f1。
8.根据权利要求4或5所述的仿真系统，其特征在于，所述的传感器故障注入模块的故障类型包括电压、电流和速度传感器的偏差、漂移、冲击、精度下降、周期性干扰、增益、开路、短路、卡死和非线性死区故障，对应的故障注入信号Xf由信号叠加、信号相乘和恒值输出三种方式生成，具体为：
(1)对于偏差、漂移、冲击、精度下降故障，采用信号叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(g)为：
f(g)＝f(z,w) (13)
式中f(z,w)为特定偏差形式；当为恒偏差故障时，f(z,w)＝z是一个恒值信号，z取任意常数；当为漂移故障时，f(z,w)＝z*t+w是一阶线性时变信号，其中t为故障注入后的系统运行时间；当为冲击故障时，f(z,w)＝δ(t-z)是一个冲击信号；当精度等级下降时，f(z,w)＝f(z,0)＝N(0,z2)是一个均值为零、方差不为零的信号；
(2)对于周期性干扰故障，采用信号叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(g)由(5)式生成，在这种情况下，式中csj为随机扰动信号幅值；
(3)对于增益故障，采用信号相乘方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf2输出，其中特定故障信号f(g)为：
f(g)＝f(a) (14)
式中f(a)为特定增益形式，a为增益参数；
(4)对于开路、短路、卡死和非线性死区故障，采用恒值输出的方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f直接选择f(g)输出，特定故障信号f(g)由(5)式生成：当发生开路与短路故障时，conts取零；当发生卡死故障时，conts取故障发生时刻信号的瞬时值；当发生非线性死区故障时，若信号幅值超出设定阈值，则conts取零。
9.根据权利要求4或5所述的仿真系统，其特征在于，所述的牵引控制器故障注入模块的故障类型包括模拟信号I/O模块、数字信号I/O模块和存储模块的错误逻辑状态/硬损伤，对应的故障注入信号Xf由信号叠加和恒值输出两种方式生成，具体为：
(1)对于模拟信号I/O模块故障，采用信号叠加方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f选择Xf1输出，其中特定故障信号f(g)为瞬时脉冲，采用双指数模型描述：
f(p,q,A)＝A·(ep·t-eq·t) (15)
式中p,q为注入信号的时间系数，共同决定注入脉冲的宽度、上升沿时间与下降沿时间；A为注入信号的幅值系数，决定注入脉冲的幅值大小；
(2)对于数字信号I/O模块故障，采用恒值输出方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f直接选择f(g)输出，特定故障信号f(g)由(5)式生成：当外部干扰引起的瞬时脉冲信号大于引脚电平的阈值TH时，conts取1；反之，conts取0；
(3)对于存储模块故障，采用恒值输出方式生成故障注入信号Xf，即(4)式中X′f直接选择f(g)输出，特定故障信号f(g)由(5)式生成，conts取故障发生时刻传感器反馈的速度信号进行随机位翻转的值。
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