本發(fā)明提出了一種基于滑模觀測器的脈沖整流器傳感器故障容錯控制方法，屬于電力牽引傳動
技術領域：
。
背景技術：
：脈沖整流器作為電力牽引傳動控制系統(tǒng)的重要組成部分，輸入側與牽引供電網通過牽引變壓器互相耦合，需要保證網側單位功率因數運行且網側電流諧波含量足夠??；輸出側作為電力牽引變流器的中間直流回路，需要提供穩(wěn)定且紋波較小的直流電壓。因此，脈沖整流器的可靠性是整個電力機車安全運行的重要保障。然而，由于器件老化、外界環(huán)境干擾和操作失誤等原因，電力牽引脈沖整流器檢測系統(tǒng)中的傳感器時常發(fā)生故障，成為電力機車安全運行的薄弱環(huán)節(jié)。一旦傳感系統(tǒng)出現故障，控制系統(tǒng)將會出現輸出值偏離給定值、輸出電壓電流振蕩等異常現象，電壓電流等電力機車狀態(tài)變量將無法實現有效的閉環(huán)控制，可能導致停車事故，甚至影響列車電氣設備安全，引起不必要的經濟損失。隨著對電氣設備故障機理研究的不斷深入，傳統(tǒng)的電氣設備定期檢修弊端頗多，通常會耗費大量人力、物力與財力，在線故障診斷與容錯控制技術的出現彌補了傳統(tǒng)定期檢修的不足。當系統(tǒng)某些部件發(fā)生故障后，通過及時進行故障檢測與隔離，重構系統(tǒng)硬件或軟件結構，使得整個系統(tǒng)仍然能夠在原定性能指標或性能指標略有降低的情況下安全運行，避免因系統(tǒng)故障導致停機帶來經濟損失以及安全隱患。目前，國內外已有學者針對電力牽引脈沖整流器故障診斷與容錯控制問題開展研究。根據文獻檢索，有的方法提出了基于龍貝格觀測器的故障診斷方法，診斷出系統(tǒng)傳感器故障后先實施開環(huán)控制，再進行系統(tǒng)重構，該方法簡單易于實現，但只適用于脈沖整流器雙極性調制方法，對于電力牽引領域普遍使用的單極性調制并不適用，且故障診斷后的開環(huán)控制會降低系統(tǒng)控制效果。在中國發(fā)明授權專利說明書CN103425826B中公開了一種電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器故障建模仿真方法，該方法提出了電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器IGBT開路故障建模方法，雖未涉及容錯控制策略，但其開關函數計算方法對本發(fā)明具有借鑒意義。技術實現要素：為克服現有方法存在的不足之處，保證單極性調制脈沖整流器在傳感系統(tǒng)故障情況下可以迅速實現系統(tǒng)重構，維持正常運行，本發(fā)明提出一種高可靠性脈沖整流器傳感器在線故障診斷與容錯控制方法。通過該方法設計了脈沖整流器網側電流與直流側電壓滑模觀測器，由觀測器產生解析冗余，將傳感器采集值與滑模觀測器觀測值作差并歸一化建立系統(tǒng)殘差，故障檢測單元通過實時對比殘差與閾值，在傳感器發(fā)生故障后的數個系統(tǒng)采樣周期內即可定位故障傳感器；同時，系統(tǒng)采用滑模觀測器的觀測值代替故障傳感器的測量值實現控制系統(tǒng)重構。本發(fā)明采取的技術方案是：一種基于滑模觀測器的脈沖整流器傳感器故障容錯控制方法，包括以下步驟：步驟一：根據圖2所示脈沖整流器傳感器故障診斷方法流程圖，利用電壓傳感器采集當前時刻(即第k個控制周期)脈沖整流器網側電源電壓us(k)、直流側支撐電容兩端電壓udc(k)；利用電流傳感器采集當前時刻脈沖整流器網側電流is(k)、直流側負載電流iL(k)；利用四個開關管的給定電平狀態(tài)S1-4計算當前時刻開關函數S0。步驟二：若當前時刻開關函數S0為1或-1，將步驟一所得變量輸入網側電流滑模觀測器求出網側電流觀測值將步驟一所得變量輸入直流側電壓滑模觀測器求出直流側電壓觀測值若當前時刻開關函數S0為0時，將步驟一所得變量輸入系統(tǒng)狀態(tài)估計器，求出網側電流估計值與直流側電壓估計值步驟三：在第k+1個控制周期，將步驟二所得網側電流觀測值與第k+1個控制周期的網側電流采集值is(k+1)作差得到電流誤差；將步驟二所得直流側電壓觀測值與第k+1個控制周期的直流側電壓采集值udc(k+1)作差得到電壓誤差，求出電流歸一化殘差ris與電壓歸一化殘差rudc。當系統(tǒng)正常工作時，殘差值維持在0附近的較低值。將所得兩個殘差分別與電流傳感器故障閾值isth、電壓傳感器故障閾值udcth比較，若殘差超過閾值，則對應的傳感器發(fā)生故障；若殘差均未超過閾值，重復步驟一。步驟四：當網側電流傳感器發(fā)生故障時，根據圖3，網側電流滑模觀測器仍正常工作，因此，將網側電流觀測器的觀測值代替故障電流傳感器的采集值is與電流環(huán)給定isr作差，將誤差信號輸入電流環(huán)控制器進行閉環(huán)控制，以實現控制系統(tǒng)重構；直流側電壓傳感器故障時可同理進行容錯控制。本發(fā)明采用同一套算法實現了脈沖整流器傳感器的故障診斷與容錯控制。此方法適用于開路故障、增益異常與噪聲異常三種傳感器故障類型以及單、雙極性兩種脈沖整流器調制方法。基于滑模觀測器的故障診斷與容錯控制方法無需復雜理論分析，易于實現，且系統(tǒng)重構迅速，穩(wěn)定性高，魯棒性強，在負載波動情況下不會發(fā)生誤診斷，提高了脈沖整流器控制系統(tǒng)運行的可靠性。附圖說明圖1是電力牽引脈沖整流器電路拓撲。圖2是脈沖整流器傳感器故障診斷流程圖。圖3是脈沖整流器傳感器故障系統(tǒng)重構框圖。圖4是網側電流傳感器增益異常仿真實驗故障傳感器采集值與滑模觀測器觀測值波形。圖5是網側電流傳感器增益異常仿真實驗電流殘差與電壓電流傳感器故障標志位波形。圖6是網側電流傳感器增益異常仿真實驗網側電壓電流與直流側電壓波形。具體實施方案下面結合圖1-3與技術方案，對本發(fā)明具體實施方案作詳細說明，主要包括以下步驟：步驟一：圖1表示電力牽引脈沖整流器電路拓撲，圖2為脈沖整流器傳感器故障診斷方法流程圖。利用電壓傳感器采集當前時刻(即第k個控制周期)脈沖整流器網側電源電壓us(k)、直流側支撐電容兩端電壓udc(k)；利用電流傳感器采集當前時刻脈沖整流器網側電流is(k)、直流側負載電流iL(k)；利用四個開關管的給定電平狀態(tài)S1-4計算當前時刻開關函數S0，通常情況下，脈沖整流器采用單極性SPWM調制，開關函數S0計算方法如下：若網側電流is(k)≥0SA=0(S1=1)1(S2=0)---(1)]]>SB=0(S3=0)1(S3=1)---(2)]]>若網側電流is(k)＜0SA=0(S1=0)1(S1=1)---(3)]]>SB=0(S4=1)1(S4=0)---(4)]]>其中，SA為橋臂A開關函數，SB為橋臂B開關函數，則當前時刻開關函數S0＝SA-SB。步驟二：若當前時刻開關函數S0為1或-1，將步驟一所得變量輸入網側電流滑模觀測器如式(5)所示，求出網側電流觀測值將步驟一所得變量輸入直流側電壓滑模觀測器如式(6)所示，求出直流側電壓觀測值i^s(k+1)u^dc(k+1)=1-TsRL-TsS0LTsS0C1i^s(k)u^dc(k)+TsL0us(k)+0-TsCiL(k)+TsGn,i-Tsvudc-TsGli1TsGli2(u^dc(k)-udc(k))---(5)]]>i^s(k+1)u^dc(k+1)=1-TsRL-TsS0LTsS0C1i^s(k)u^dc(k)+TsL0us(k)+0-TsCiL(k)+TsGn,u-Tsvis-TsGlu1TsGlu2(i^s(k)-is(k))---(6)]]>其中，Ts為系統(tǒng)控制周期，Gn,i為網側電流滑模觀測器非線性項增益系數，Gn,u為直流側電壓滑模觀測器非線性項增益系數，Gli1、Gli2為網側電流滑模觀測器線性反饋項增益系數，Glu1、Glu2為直流側電壓滑模觀測器線性反饋項增益系數；sgn為符號函數，ρ為正的實標量。為上一個控制周期的網側電流與直流側電壓觀測值。式(5)、(6)表示的觀測值求解為迭代過程，其迭代初始值設置為若當前時刻開關函數S0＝0，將步驟一所得變量輸入如下狀態(tài)估計器，求出網側電流估計值與直流側電壓估計值i^s(k+1)u^dc(k+1)=1-TsRL001i^s(k)u^dc(k)+TsL0us(k)+0-TsCiL(k)---(7)]]>步驟三：在第k+1個控制周期，將步驟二所得網側電流觀測值與第k+1個控制周期的網側電流采集值is(k+1)作差得到電流誤差；將步驟二所得直流側電壓觀測值與第k+1個控制周期的直流側電壓采集值udc(k+1)作差得到電壓誤差，根據下式求得網側電流歸一化殘差ris與直流側電壓歸一化殘差rudc。ris=|is(k+1)-i^s(k+1)|isrmaxrudc=|udc(k+1)-u^dc(k+1)|udcr---(8)]]>其中，isrmax為網側電流給定峰值，udcr為直流側電壓給定值。當系統(tǒng)正常工作時，殘差值維持在0附近的較小值。將所得兩個殘差分別與電流傳感器故障閾值isth、電壓傳感器故障閾值udcth比較，若殘差超過閾值，則對應的傳感器發(fā)生故障；若殘差均未超過閾值，重復步驟一。步驟四：本發(fā)明所提出方法適用于開路故障、增益異常與噪聲異常三種傳感器故障類型。當故障檢測單元檢測到傳感器故障后，根據圖3，系統(tǒng)采用滑模觀測器的觀測值代替故障傳感器的測量值實現控制系統(tǒng)重構。如當網側電流傳感器發(fā)生故障時，網側電流滑模觀測器仍正常工作，因此，采用網側電流觀測器的觀測值代替故障電流傳感器的采集值is與電流環(huán)給定isr作差，將誤差信號輸入電流環(huán)控制器進行閉環(huán)控制；直流側電壓傳感器故障時可同理進行容錯控制。下面通過MATLAB/Simulink仿真實驗驗證本發(fā)明的故障診斷與容錯控制方法的有效性并給出實驗結果，給定脈沖整流器參數如下：網側電壓有效值1550V，直流側電壓值3000V，直流側等效負載電阻16Ω，系統(tǒng)采用單極性調制，調制頻率1kHz。在第0.2s將網側電流傳感器增益由1改為0.7模擬傳感器增益異常。其故障診斷結果如圖4-6所示。圖4中網側電流滑模觀測器準確觀測出網側電流值；圖5中，在故障發(fā)生后數個采樣周期內，電流殘差突增，電流傳感器故障標志置位，而電壓傳感器未發(fā)生誤報警；圖6中，傳感器發(fā)生故障后，由于采取了快速的系統(tǒng)重構策略，系統(tǒng)未受到故障影響，維持穩(wěn)定運行。仿真實驗結果證實，本發(fā)明方法提出的基于滑模觀測器的脈沖整流器傳感器故障容錯控制方法可以實現脈沖整流器傳感器的故障診斷與容錯控制。當前第1頁1 2 3