一种基于滑模观测器的脉冲整流器传感器故障容错控制方法

摘要

一种基于滑模观测器的脉冲整流器传感器故障容错控制方法，适用于开路故障、增益异常与噪声异常三种传感器故障类型以及单、双极性两种调制方法。本发明设计了脉冲整流器网侧电流与直流侧电压滑模观测器，由观测器产生解析冗余，将传感器采集值与滑模观测器观测值作差并归一化建立系统残差，故障检测单元通过实时对比残差与阈值，在传感器发生故障后的数个系统采样周期内即可定位故障传感器；同时，系统采用滑模观测器的观测值代替故障传感器的测量值实现控制系统重构。本发明易于实现，且系统重构迅速，稳定性高，鲁棒性强，在负载波动情况下不会发生误诊断，提高了脉冲整流器控制系统运行的可靠性。

权利要求

1.一种基于滑模观测器的脉冲整流器传感器故障容错控制方法，包括以下步骤：

步骤一：利用电压传感器采集当前时刻的脉冲整流器网侧电源电压us(k)、直流侧支撑电容两端电压udc(k)；利用电流传感器采集当前时刻脉冲整流器网侧电流is(k)、直流侧负载电流iL(k)；利用四个开关管的给定电平状态S1-4计算当前时刻开关函数S0；

开关函数S0计算方法如下：

若网侧电流is(k)≥0

若网侧电流is(k)＜0

其中，SA为桥臂A开关函数，SB为桥臂B开关函数，则当前时刻开关函数S0＝SA-SB；

步骤二：若当前时刻开关函数S0为1或-1，将步骤一所得变量us(k)、udc(k)、is(k)、iL(k)输入网侧电流滑模观测器求出网侧电流观测值 将步骤一所得变量us(k)、udc(k)、is(k)、iL(k)输入直流侧电压滑模观测器求出直流侧电压观测值 若当前时刻开关函数S0为0时，将步骤一所得变量us(k)、udc(k)、is(k)、iL(k)输入系统状态估计器，求出网侧电流估计值 与直流侧电压估计值步骤三：在第k+1个控制周期，将步骤二所得网侧电流观测值与第k+1个控制周期的网侧电流采集值is(k+1)作差得到电流误差；将步骤二所得直流侧电压观测值与第k+1个控制周期的直流侧电压采集值udc(k+1)作差得到电压误差，求出电流归一化残差ris与电压归一化残差rudc；当系统正常工作时，残差值维持在0附近的较低值；将所得两个残差分别与电流传感器故障阈值isth、电压传感器故障阈值udcth比较，若残差超过阈值，则对应的传感器发生故障；若残差均未超过阈值，重复步骤一；

步骤四：当网侧电流传感器发生故障时，网侧电流滑模观测器仍正常工作，将网侧电流观测器的观测值 代替故障电流传感器的采集值is与电流环给定isr作差，将误差信号输入电流环控制器进行闭环控制，以实现控制系统重构；直流侧电压传感器故障时可同理进行容错控制。

说明书

一种基于滑模观测器的脉冲整流器传感器故障容错控制方法

技术领域

[0001] 本发明提出了一种基于滑模观测器的脉冲整流器传感器故障容错控制方法，属于电力牵引传动技术领域。

背景技术

[0002] 脉冲整流器作为电力牵引传动控制系统的重要组成部分，输入侧与牵引供电网通过牵引变压器互相耦合，需要保证网侧单位功率因数运行且网侧电流谐波含量足够小；输出侧作为电力牵引变流器的中间直流回路，需要提供稳定且纹波较小的直流电压。因此，脉冲整流器的可靠性是整个电力机车安全运行的重要保障。

[0003] 然而，由于器件老化、外界环境干扰和操作失误等原因，电力牵引脉冲整流器检测系统中的传感器时常发生故障，成为电力机车安全运行的薄弱环节。一旦传感系统出现故障，控制系统将会出现输出值偏离给定值、输出电压电流振荡等异常现象，电压电流等电力机车状态变量将无法实现有效的闭环控制，可能导致停车事故，甚至影响列车电气设备安全，引起不必要的经济损失。

[0004] 随着对电气设备故障机理研究的不断深入，传统的电气设备定期检修弊端颇多，通常会耗费大量人力、物力与财力，在线故障诊断与容错控制技术的出现弥补了传统定期检修的不足。当系统某些部件发生故障后，通过及时进行故障检测与隔离，重构系统硬件或软件结构，使得整个系统仍然能够在原定性能指标或性能指标略有降低的情况下安全运行，避免因系统故障导致停机带来经济损失以及安全隐患。目前，国内外已有学者针对电力牵引脉冲整流器故障诊断与容错控制问题开展研究。根据文献检索，有的方法提出了基于龙贝格观测器的故障诊断方法，诊断出系统传感器故障后先实施开环控制，再进行系统重构，该方法简单易于实现，但只适用于脉冲整流器双极性调制方法，对于电力牵引领域普遍使用的单极性调制并不适用，且故障诊断后的开环控制会降低系统控制效果。在中国发明授权专利说明书CN103425826B中公开了一种电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法，该方法提出了电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器IGBT开路故障建模方法，虽未涉及容错控制策略，但其开关函数计算方法对本发明具有借鉴意义。

发明内容

[0005] 为克服现有方法存在的不足之处，保证单极性调制脉冲整流器在传感系统故障情况下可以迅速实现系统重构，维持正常运行，本发明提出一种高可靠性脉冲整流器传感器在线故障诊断与容错控制方法。通过该方法设计了脉冲整流器网侧电流与直流侧电压滑模观测器，由观测器产生解析冗余，将传感器采集值与滑模观测器观测值作差并归一化建立系统残差，故障检测单元通过实时对比残差与阈值，在传感器发生故障后的数个系统采样周期内即可定位故障传感器；同时，系统采用滑模观测器的观测值代替故障传感器的测量值实现控制系统重构。

[0006] 本发明采取的技术方案是：

[0007] 一种基于滑模观测器的脉冲整流器传感器故障容错控制方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤一：根据图2所示脉冲整流器传感器故障诊断方法流程图，利用电压传感器采集当前时刻(即第k个控制周期)脉冲整流器网侧电源电压us(k)、直流侧支撑电容两端电压udc(k)；利用电流传感器采集当前时刻脉冲整流器网侧电流is(k)、直流侧负载电流iL(k)；利用四个开关管的给定电平状态S1-4计算当前时刻开关函数S0。

[0009] 步骤二：若当前时刻开关函数S0为1或-1，将步骤一所得变量输入网侧电流滑模观测器求出网侧电流观测值 将步骤一所得变量输入直流侧电压滑模观测器求出直流侧电压观测值 若当前时刻开关函数S0为0时，将步骤一所得变量输入系统状态估计器，求出网侧电流估计值 与直流侧电压估计值

[0010] 步骤三：在第k+1个控制周期，将步骤二所得网侧电流观测值与第k+1个控制周期的网侧电流采集值is(k+1)作差得到电流误差；将步骤二所得直流侧电压观测值与第k+1个控制周期的直流侧电压采集值udc(k+1)作差得到电压误差，求出电流归一化残差ris与电压归一化残差rudc。当系统正常工作时，残差值维持在0附近的较低值。将所得两个残差分别与电流传感器故障阈值isth、电压传感器故障阈值udcth比较，若残差超过阈值，则对应的传感器发生故障；若残差均未超过阈值，重复步骤一。

[0011] 步骤四：当网侧电流传感器发生故障时，根据图3，网侧电流滑模观测器仍正常工作，因此，将网侧电流观测器的观测值 代替故障电流传感器的采集值is与电流环给定isr作差，将误差信号输入电流环控制器进行闭环控制，以实现控制系统重构；直流侧电压传感器故障时可同理进行容错控制。

[0012] 本发明采用同一套算法实现了脉冲整流器传感器的故障诊断与容错控制。此方法适用于开路故障、增益异常与噪声异常三种传感器故障类型以及单、双极性两种脉冲整流器调制方法。基于滑模观测器的故障诊断与容错控制方法无需复杂理论分析，易于实现，且系统重构迅速，稳定性高，鲁棒性强，在负载波动情况下不会发生误诊断，提高了脉冲整流器控制系统运行的可靠性。

附图说明

[0013] 图1是电力牵引脉冲整流器电路拓扑。

[0014] 图2是脉冲整流器传感器故障诊断流程图。

[0015] 图3是脉冲整流器传感器故障系统重构框图。

[0016] 图4是网侧电流传感器增益异常仿真实验故障传感器采集值与滑模观测器观测值波形。

[0017] 图5是网侧电流传感器增益异常仿真实验电流残差与电压电流传感器故障标志位波形。

[0018] 图6是网侧电流传感器增益异常仿真实验网侧电压电流与直流侧电压波形。具体实施方案

[0019] 下面结合图1-3与技术方案，对本发明具体实施方案作详细说明，主要包括以下步骤：

[0020] 步骤一：图1表示电力牵引脉冲整流器电路拓扑，图2为脉冲整流器传感器故障诊断方法流程图。利用电压传感器采集当前时刻(即第k个控制周期)脉冲整流器网侧电源电压us(k)、直流侧支撑电容两端电压udc(k)；利用电流传感器采集当前时刻脉冲整流器网侧电流is(k)、直流侧负载电流iL(k)；利用四个开关管的给定电平状态S1-4计算当前时刻开关函数S0，通常情况下，脉冲整流器采用单极性SPWM调制，开关函数S0计算方法如下：

[0021] 若网侧电流is(k)≥0

[0022]

[0023]

[0024] 若网侧电流is(k)＜0

[0025]

[0026]

[0027] 其中，SA为桥臂A开关函数，SB为桥臂B开关函数，则当前时刻开关函数S0＝SA-SB。

[0028] 步骤二：若当前时刻开关函数S0为1或-1，将步骤一所得变量输入网侧电流滑模观测器如式(5)所示，求出网侧电流观测值 将步骤一所得变量输入直流侧电压滑模观测器如式(6)所示，求出直流侧电压观测值

[0029]

[0030]

[0031] 其中，Ts为系统控制周期，Gn,i为网侧电流滑模观测器非线性项增益系数，Gn,u为直流侧电压滑模观测器非线性项增益系数，Gli1、Gli2为网侧电流滑模观测器线性反馈项增益系数，Glu1、Glu2为直流侧电压滑模观测器线性反馈项增益系数；sgn为符号函数，ρ为正的实标量。 为上一个控制周期的网侧电流与直流侧电压观测值。式(5)、(6)表示的观测值求解为迭代过程，其迭代初始值设置为[0032] 若当前时刻开关函数S0＝0，将步骤一所得变量输入如下状态估计器，求出网侧电流估计值 与直流侧电压估计值

[0033]

[0034] 步骤三：在第k+1个控制周期，将步骤二所得网侧电流观测值与第k+1个控制周期的网侧电流采集值is(k+1)作差得到电流误差；将步骤二所得直流侧电压观测值与第k+1个控制周期的直流侧电压采集值udc(k+1)作差得到电压误差，根据下式求得网侧电流归一化残差ris与直流侧电压归一化残差rudc。

[0035]

[0036] 其中，isrmax为网侧电流给定峰值，udcr为直流侧电压给定值。

[0037] 当系统正常工作时，残差值维持在0附近的较小值。将所得两个残差分别与电流传感器故障阈值isth、电压传感器故障阈值udcth比较，若残差超过阈值，则对应的传感器发生故障；若残差均未超过阈值，重复步骤一。

[0038] 步骤四：本发明所提出方法适用于开路故障、增益异常与噪声异常三种传感器故障类型。当故障检测单元检测到传感器故障后，根据图3，系统采用滑模观测器的观测值代替故障传感器的测量值实现控制系统重构。

[0039] 如当网侧电流传感器发生故障时，网侧电流滑模观测器仍正常工作，因此，采用网侧电流观测器的观测值 代替故障电流传感器的采集值is与电流环给定isr作差，将误差信号输入电流环控制器进行闭环控制；直流侧电压传感器故障时可同理进行容错控制。

[0040] 下面通过MATLAB/Simulink仿真实验验证本发明的故障诊断与容错控制方法的有效性并给出实验结果，给定脉冲整流器参数如下：

[0041] 网侧电压有效值1550V，直流侧电压值3000V，直流侧等效负载电阻16Ω，系统采用单极性调制，调制频率1kHz。

[0042] 在第0.2s将网侧电流传感器增益由1改为0.7模拟传感器增益异常。其故障诊断结果如图4-6所示。图4中网侧电流滑模观测器准确观测出网侧电流值；图5中，在故障发生后数个采样周期内，电流残差突增，电流传感器故障标志置位，而电压传感器未发生误报警；图6中，传感器发生故障后，由于采取了快速的系统重构策略，系统未受到故障影响，维持稳定运行。

[0043] 仿真实验结果证实，本发明方法提出的基于滑模观测器的脉冲整流器传感器故障容错控制方法可以实现脉冲整流器传感器的故障诊断与容错控制。