CN107479362A - 一种永磁电磁混合悬浮系统的容错控制方法 - Google Patents
一种永磁电磁混合悬浮系统的容错控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种永磁电磁混合悬浮系统的容错控制方法,包括基于边界特性的两点式跟踪微分器、基于贝耶斯估计的加速度计故障诊断单元以及基于切换策略的信号选择单元。跟踪微分器能够根据间隙传感器的输出信号实时获取间隙微分信号,故障诊断单元计算间隙传感器信号经跟踪微分器得到的微分信号与加速度计信号经积分得到的微分信号之间的差值,再经过贝耶斯决策理论得到故障诊断信号。信号切换单元根据故障诊断信号的值在跟踪微分器输出与加速度计积分输出之间做出切换,保证了悬浮系统在加速度计出现故障的情况下保持系统稳定。本发明具有故障诊断准确迅速、切换过程平稳、传感器故障后系统动态特性能依旧良好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮列车领域,特别是一种适用于永磁电磁混合悬浮系统加速度计故障情况下的故障检测及容错控制方法。
背景技术
基于状态反馈的永磁电磁混合悬浮控制将电磁铁悬浮间隙、电磁铁运动速度以及通过电磁铁线圈的电流作为反馈量,电磁铁间隙值由间隙传感器获得,电磁铁线圈的电流由机箱内的电流互感器获得,而电磁铁的运动速度是无法直接由传感器测量得到的。电磁铁运动速度可以通过对电磁铁间隙信号进行微分来获取,也可以通过对加速度信号进行积分得到,两种方法构成了信号获取方式的冗余性。在列车正常运行情况下,由于受电磁干扰的影响间隙信号中会夹杂着噪声信号,对间隙信号进行微分会放大间隙信号中的噪声,降低间隙微分信号的信噪比,因此选择将加速度信号的积分进行反馈。
与一般控制系统类似,磁浮列车悬浮系统的传感器也是相对较容易发生故障的部件。传感器故障会导致悬浮系统失稳,从而造成安全事故。因此研究悬浮系统的传感器故障诊断和容错问题,对提高磁浮列车系统的安全可靠性具有十分重要的意义。悬浮系统采用的反馈信号分别由间隙传感器、加速度计和电流互感器提供。电流互感器安装在机箱内部,运行条件较好,在实际使用中故障率较低。为了解决过接缝问题,间隙传感器采用了三模冗余配置,单个间隙传感器故障不会导致间隙信号异常。但是由于加速度计需要测量悬浮电磁铁的振动信号,因此直接安装在电磁铁上,其运行环境恶劣,比较容易发生故障。因此针对加速度计故障设计容错控制方法问题具有一定的工程意义。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种故障诊断准确迅速、切换过程平稳、传感器故障后系统动态特性能依旧良好的加速度计容错控制算法。
本发明采用的技术方案是:
一种永磁电磁混合悬浮系统的容错控制方法,所述永磁电磁混合悬浮系统包括加速度计、间隙传感器、电流传感器、控制器,间隙传感器与控制器通讯连接以反馈电磁铁悬浮间隙,电流传感器与控制器通讯连接以反馈电磁铁线圈电流,所述永磁电磁混合悬浮系统还包括基于边界特性的两点式跟踪微分器、加速度积分器、基于贝耶斯估计的加速度计故障诊断单元以及基于切换策略的信号选择单元;该容错控制方法包括以下步骤:所述两点式跟踪微分器与间隙传感器连接以实时获取间隙微分信号,加速度积分器与加速度计连接以实时获取加速度积分信号;故障诊断单元根据所述间隙微分信号与加速度积分信号的差值,经过贝耶斯决策理论得到故障诊断信号;信号选择单元根据故障诊断信号的值,在跟踪微分器与加速度积分器之间切换输出电磁铁运动速度给控制器。
本发明的有益效果:
1、充分考虑了永磁电磁混合悬浮系统信号的冗余性,以间隙微分信号作为标准来判断加速度计是否发生故障,故障诊断结果可信度高。
2、所采用的新型跟踪微分器形式简单,便于硬件实现,计算量少,实时性高。
3、所采用的新型跟踪微分器能够较准确地得到间隙信号的微分信号,且对于信号中的噪声放大效果不明显,这样保证了信号切换后系统的动态效果良好。
4、采用贝耶斯决策理论获取决策量和阈值,故障检测的可靠性得到了提高,同时不影响故障检测的快速性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
图1是加速度计容错控制系统结构图;
图2是基于边界特性的两点式跟踪微分器对输入状态的划分;
图3是最速系统综合函数计算流程。
具体实施方式
本发明旨在保护应用在永磁电磁混合悬浮系统的容错控制方法,如图1所示,该永磁电磁混合悬浮系统包括加速度计、间隙传感器、电流传感器、控制器,间隙传感器与控制器通讯连接以反馈电磁铁悬浮间隙,电流传感器与控制器通讯连接以反馈电磁铁线圈电流,所述永磁电磁混合悬浮系统还包括基于边界特性的两点式跟踪微分器、加速度积分器、基于贝耶斯估计的加速度计故障诊断单元以及基于切换策略的信号选择单元;
该容错控制方法包括以下步骤:所述两点式跟踪微分器与间隙传感器连接以实时获取间隙微分信号,加速度积分器与加速度计连接以实时获取加速度积分信号;故障诊断单元根据所述间隙微分信号与加速度积分信号的差值,经过贝耶斯决策理论得到故障诊断信号;信号选择单元根据故障诊断信号的值,在跟踪微分器与加速度积分器之间切换输出电磁铁运动速度给控制器。以下为本发明的具体三大架构机器算法:
(一)加速度计故障的容错控制系统结构
由于间隙信号是由三模冗余配置的间隙传感器组得到的,可以认为间隙信号能可靠的反映电磁铁的悬浮间隙。在微分器能够较好的提取间隙微分的情况下,可以将间隙微分作为判断加速度计是否工作正常的基准。根据这一思路设计的加速度计容错控制系统结构如图1所示。间隙传感器得到的间隙信号经过微分器得到间隙微分z′,加速度计得到的加速度信号经过积分器得到加速度积分信号∫a,故障诊断单元FDD根据z′与∫a的差值得到决策量d以及阈值thr,根据d以及thr的关系得出选择信号s,控制器根据s值的不同在z′与∫a之间做出选择,当系统正常运行时选择∫a作为速度反馈,当故障诊断单元识别出加速度计故障时,选择z′作为速度反馈,这样便实现了加速度计故障的容错控制,以牺牲控制效果为代价,保证了系统在加速度计故障情况下仍然能够稳定悬浮。在故障诊断单元能快速判断出故障并切换速度反馈信号且间隙微分信号准确的情况下加速度计故障对系统悬浮性能造成的影响是很小的。
(二)基于边界的两点式跟踪微分算法
基于边界特征的两点式跟踪微分器的形式为
u=f(x1-v,x2,r,h)
其中v为给定输入信号,x1为输入信号的滤波信号,x2为给定信号的微分信号,r为速度因子,h为采样步长,u为实现x1→v,x2=x1′→v′的最速系统综合函数,其取值的确定首先需要确定状态点(x1,x2)在相平面上所处的区域。在相平面上存在特征线:
开关线:用Γ-A表示,指的是在u=+r(或u=-r)下能够直接到达原点的状态点所在的一条曲线。
边界线:用Γ-B表示,指的是第一步取u=+r,而后全部取u=-r(或第一步取u=-r,而后全部取u=+r)最后能够到达原点的状态点所在的一条曲线。
如图2所示,基于边界特征的两点式跟踪微分器将相平面上的点分为如下区域:
可达区(也叫二等时区):用Ωr表示,指的是相平面上能在两步以内达到原点的点组成的集合,是一个平行四边形。
Ωr={(x1,x2)||x2+2hx2|≤h2r,|x1+hx2|≤h2r}(其中h为离散步长)
将Γ-A和Γ-B之间可达区之外的区域叫做线性区,记做Ωl,将相平面上右上角的区域记做Ω-,将平面上左下角的区域记做Ω+。这样就将像平面上的所有点分成了四个区域Ωr、Ωl、Ω+以及Ω-。
最速系统综合函数u的取值流程如图3所示。
(1)若P∈Ωr,取
(2)若P∈Ωl,
(3)若P∈Ω+,u=+r;
(4)若P∈Ω-,u=-r;
(5)算法结束。
(三)基于贝耶斯决策理论的故障诊断算法
故障诊断单元根据间隙微分与加速度积分的差值e=|z′-∫a|来对加速度计的工作状态做出判断。决策量的选取需要有科学的依据,阈值的判断本发明采用贝耶斯决策理论来获得决策量d以及阈值thr。
(1)、确定正常状态下残差e的均值μ0和方差σ2。
(2)、实时计算残差e的统计特性。
(3)、决策量d以及阈值thr
thr=2ln[NP/(1-P)](P为系统无故障的先验概率。)
当d>thr时可认为加速度计发生故障,当d≤thr时,认为加速度计工作正常。
这样可以取某次系统正常运行时的残差数据,求得μ0及σ0 2。在容错系统工作时,实时求取μ(k)、σ1 2、σ2 2,进而得到决策量d以及阈值thr,根据d和thr的大小关系在间隙微分信号与加速度积分信号之间做出选择。
本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见,本发明提供的各种实施例可根据需要以任意方式相互组合,通过这种组合得到的技术方案,也在本发明的范围内。显然,本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种永磁电磁混合悬浮系统的容错控制方法,所述永磁电磁混合悬浮系统包括加速度计、间隙传感器、电流传感器、控制器,间隙传感器与控制器通讯连接以反馈电磁铁悬浮间隙,电流传感器与控制器通讯连接以反馈电磁铁线圈电流,其特征在于:
所述永磁电磁混合悬浮系统还包括基于边界特性的两点式跟踪微分器、加速度积分器、基于贝耶斯估计的加速度计故障诊断单元以及基于切换策略的信号选择单元;
该容错控制方法包括以下步骤:所述两点式跟踪微分器与间隙传感器连接以实时获取间隙微分信号,加速度积分器与加速度计连接以实时获取加速度积分信号;故障诊断单元根据所述间隙微分信号与加速度积分信号的差值,经过贝耶斯决策理论得到故障诊断信号;信号选择单元根据故障诊断信号的值,在跟踪微分器与加速度积分器之间切换输出电磁铁运动速度给控制器。
2.根据权利要求1所述的一种永磁电磁混合悬浮系统的容错控制方法,其特征在于:所述间隙微分信号为z′,加速度积分信号为∫a,故障诊断单元根据z′与∫a的差值得到决策量d以及阈值thr,根据d以及thr的关系得出选择信号s,控制器根据s值的不同在z′与∫a之间做出选择:当系统正常运行时选择∫a作为速度反馈,当故障诊断单元识别出加速度计故障时,选择z′作为速度反馈。
3.根据权利要求2所述的一种永磁电磁混合悬浮系统的容错控制方法,其特征在于:所述故障诊断单元根据间隙微分与加速度积分的差值e=|z′-∫a|来对加速度计的工作状态做出判断,决策量d与阈值thr的获取方法包括:
(1)、确定正常状态下残差e的均值μ0和方差σ2:
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(2)、实时计算残差e的统计特性:
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(3)、决策量d以及阈值thr:
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thr=2ln[NP/(1-P)](P为系统无故障的先验概率)
当d>thr时认为加速度计发生故障,当d≤thr时,认为加速度计工作正常。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171215 |
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