磁浮列车状态监测、故障诊断与容错控制

　　随着磁浮交通技术走向工程化和商业化应用，人们对磁浮交通系统的安全性和可靠性提出了更高的要求，状态监测、故障诊断与容错控制是实现上述需求的有效途径之一。本书将中低速磁浮列车和时速600公里高速磁浮列车作为研究对象，以解决工程实际问题为目标，对磁浮列车的状态监测、异常检测、故障诊断以及磁浮控制系统的故障诊断与容错问题进行了分析和论述。本书是国防科技大学磁浮团队承担北京和长沙等中低速磁浮工程项目、“十五”863、“十一五”、“十二五”科技支撑计划以及“十三五”重点研发计划高速磁浮课题相关研究工作的总结。国防科技大学磁浮团队历经40多年的技术攻关，完成了电磁悬浮原理研究、集成试验、整车验证、运营线建设与维护的研制历程。全书以准确的数据、大量的仿真和现场试验为基础，深入浅出地全面介绍了中低速磁浮列车和高速磁浮列车的状态监测、故障诊断与容错控制关键技术，可为磁浮技术在运载工具、旋转机械、军事装备研发中的应用提供参考。

　　龙志强，国防科技大学智能科学学院研究员、博士生导师，控制科学与工程学科电磁悬浮与推进方向学术带头人，全军优秀教师，获国务院政府特殊津贴。多年来一直从事磁浮技术研究，我国中低速和高速磁浮领域知名专家，国家863高速磁浮重大专项专业组专家，国防科技大学磁浮方向技术总师。牵头国家科技支撑计划和重点研发计划等20项重大工程课题，带领团队形成多层次科研攻关能力体系。在磁浮核心装备研发与创新方面、新型中速磁浮和永磁电磁混合悬浮等方面进行了开拓性研究，牵头研制了一列两辆编组的永磁电磁混合悬浮高速试验车的悬浮控制系统并成功运行。作为磁浮核心装备总体组长，完成了北京市重大工程——中低速磁浮示范线研建；作为省政府集成顾问和悬浮控制项目负责人，完成了湖南省重点工程——长沙磁浮快线研建。获省部级科技进步一等奖4项、湖南省科技创新奖1项。出版专著3部，其中英文专著1部；授权专利60项。

第１章 绪论 １ 
１．１ 概述 ３ 
１．２ 磁浮列车发展现状 ５ 
１．２．１ 国外磁浮列车的发展现状 ５ 
１．２．２ 国内磁浮列车的发展现状 １１ 
１．３ 磁浮列车状态监测、故障诊断与容错控制研究概况 ２１ 
１．３．１ 状态监测研究概况 ２１ 
１．３．２ 故障诊断研究概况 ２３ 
１．３．３ 容错控制研究概况 ２５ 
１．４ 磁浮列车状态监测与故障诊断系统设计 ２６ 
１．４．１ 车载状态监测与故障诊断系统 ２８ 
１．４．２ 地面状态监测与故障诊断系统 ３１ 
第２章 基于数据的磁浮列车悬浮异常状态检测 ３３ 
２．１ 概述 ３５ 
２．２ 基于单维时间序列数据的异常状态检测 ３７ 
２．２．１ 基于快速沃尔什变换的特征提取 ３７ 
２．２．２ 基于超球体思想的特征选择 ３９ 
２．２．３ 基于高斯分布的异常阈值设定 ４０ 
２．３ 基于相关分析的多维时间序列数据的异常状态检测 ４２ 
２．３．１ 传统的典型相关分析方法 ４３ 
２．３．２ 基于Ｂｏｘ Ｃｏｘ变换的异常阈值设定 ４４ 
２．３．３ 异常检测算法流程 ４５ 
２．４ 基于加权相关系数的多维时间序列数据的异常状态检测 ４７
２．４．１ 基于自相关长度的数据长度选择 ４７ 
２．４．２ 基于加权相关系数的异常检测 ４８ 
２．４．３ 异常检测算法流程 ４９ 
２．４．４ 磁浮列车悬浮状态异常检测试验 ５１ 
２．５ 基于长短时记忆神经网络的异常状态在线检测 ５７ 
２．５．１ 基于ＬＳＴＭ神经网络异常检测基础 ５７ 
２．５．２ 基于ＬＳＴＭ神经网络的悬浮状态异常检测 ６１ 
２．５．３ 磁浮列车悬浮状态异常检测试验 ６２ 
第３章 磁浮列车悬浮稳定性的状态监测与评估 ６９ 
３．１ 概述 ７１ 
３．２ 悬浮系统的数据结构与稳定性指标 ７１ 
３．２．１ 悬浮系统的数据结构 ７２ 
３．２．２ 悬浮系统的稳定性指标 ７３ 
３．３ 基于数据驱动的悬浮系统稳定性监测 ７４ 
３．３．１ 稳定性指标的实时数据实现 ７５ 
３．３．２ 数据驱动的稳定性监测 ７６ 
３．３．３ 稳定性指标的适用性分析 ７９ 
３．４ 磁浮列车悬浮系统稳定性评估 ８０ 
３．５ 仿真分析与验证 ８１ 
第４章 磁浮列车悬浮控制系统的故障诊断 ８３ 
４．１ 概述 ８５ 
４．２ 基于Ｋａｌｍａｎ滤波器的悬浮系统故障诊断 ８６ 
４．２．１ 基于Ｋａｌｍａｎ滤波器的故障检测方法 ８６ 
４．２．２ 基于Ｋａｌｍａｎ滤波器组的故障诊断方法 ８８ 
４．２．３ 基于Ｋａｌｍａｎ滤波器的故障诊断仿真 ９０ 
４．２．４ 基于Ｋａｌｍａｎ滤波器的故障检测试验 ９６ 
４．３ 基于强跟踪滤波器的悬浮系统故障诊断 ９７ 
４．３．１ 基于强跟踪滤波器的状态与参数联合估计方法 ９８ 
４．３．２ 基于强跟踪滤波器的悬浮系统故障诊断方法及仿真 １００ 
４．３．３ 基于强跟踪滤波器的悬浮系统故障诊断试验 １０１ 
４．４ 基于全维状态观测器的执行器故障诊断 １０２ 
４．４．１ 系统参数变化故障的等效模型 １０２ 
４．４．２ 基于状态观测的故障诊断算法 １０４ 
４．４．３ 执行器模拟故障分析与诊断 １０４ 
４．４．４ 执行器故障对悬浮系统的影响 １０６ 
４．４．５ 执行器的故障诊断仿真和试验 １０７
４．５ 基于信号比较的加速度传感器故障诊断 １１０ 
４．５．１ 加速度传感器故障诊断 １１０ 
４．５．２ 故障诊断仿真分析 １１４ 
４．５．３ 加速度传感器故障诊断试验 １１９ 
第５章 磁浮列车的故障模糊综合评估 １２１ 
５．１ 概述 １２３ 
５．２ 故障模糊综合评估方法与模型分析 １２４ 
５．２．１ 故障模糊综合评估方法 １２４ 
５．２．２ 故障模糊综合评估模型分析 １２６ 
５．３ 故障模糊综合评估模型 １２８ 
５．３．１ 中低速磁浮列车系统组成 １２８ 
５．３．２ 评价集与因素集层次的划分 １３０ 
５．３．３ 模糊综合评估模型的建立 １３３ 
５．３．４ 因素隶属度和因素权重值的分配确定 １３４ 
５．４ 故障模糊综合评估流程与试验 １３８ 
５．４．１ 故障模糊综合评估流程框架 １３８ 
５．４．２ 故障模糊综合评估试验分析 １４０ 
第６章 基于分布估计的模糊综合评估参数优化 １４３ 
６．１ 概述 １４５ 
６．２ 分布估计算法的设计思想与特点分析 １４６ 
６．２．１ 分布估计算法的基本思想 １４６ 
６．２．２ 分布估计算法的特点分析 １４７ 
６．３ 分布估计算法的参数优化方法 １４８ 
６．３．１ 参数编码及初始化参数 １４８ 
６．３．２ 适应度的计算 １４９ 
６．３．３ 概率估计模型的构建 １５０ 
６．３．４ 训练和测试模型 １５１ 
６．４ 分布估计算法的性能测试与比较 １５２ 
６．４．１ 分布估计算法的参数影响分析 １５２ 
６．４．２ 分布估计算法与遗传算法的效果比较 １５６ 
６．４．３ 分布估计算法与其他机器学习算法的效果比较 １５６ 
６．５ 基于分布估计的模糊综合评估参数优化设计与实现 １５８ 
第７章 中低速磁浮列车悬浮系统的容错设计 １６１ 
７．１ 概述 １６３ 
７．２ 中低速磁浮列车悬浮系统控制架构 １６４ 
７．３ 悬浮传感器的容错设计 １６６
７．３．１ 悬浮传感器的冗余设计 １６７ 
７．３．２ 悬浮传感器的可靠性设计 １７０ 
７．３．３ 考虑悬浮传感器故障的主动容错控制 １７２ 
７．４ 悬浮控制计算机的冗余设计 １７８ 
７．４．１ 控制计算机的冗余设计方法 １８０ 
７．４．２ 基于双机热备的悬浮控制计算机的冗余设计 １８２ 
７．５ 悬浮斩波器的可靠性设计 １８６ 
７．５．１ 基于ＩＧＢＴ模块的悬浮斩波器分析 １８６ 
７．５．２ 基于ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ模块的悬浮斩波器优化设计 １８８ 
７．６ 悬浮控制系统的容错方案设计 １９１ 
７．６．１ 基于搭接结构的悬浮系统冗余设计 １９１ 
７．６．２ 基于端部电磁铁加长的悬浮系统冗余设计 １９４ 
７．６．３ 一种分布式悬浮系统容错控制方案 １９６ 
第８章 高速磁浮列车悬浮系统容错控制 １９９ 
８．１ 概述 ２０１ 
８．２ 高速磁浮列车悬浮系统容错控制方案 ２０２ 
８．２．１ 高速磁浮列车悬浮系统基本结构 ２０２ 
８．２．２ 高速磁浮列车悬浮系统分级容错控制结构 ２０３ 
８．３ 基于Ｙｏｕｌａ参数化的容错控制方法分析 ２０５ 
８．３．１ 控制器Ｙｏｕｌａ参数化分析 ２０５ 
８．３．２ 控制器Ｙｏｕｌａ参数化的两种实现形式 ２０７ 
８．３．３ 基于Ｙｏｕｌａ参数化的悬浮系统分级容错控制结构 ２０８ 
８．４ 考虑微小故障的单悬浮系统容错控制 ２１２ 
８．４．１ 基于梯度下降法的Ｙｏｕｌａ参数在线更新 ２１２ 
８．４．２ 微小故障条件下悬浮控制系统容错控制仿真分析 ２１７ 
８．５ 基于信号重构的单悬浮系统主动容错控制 ２１８ 
８．５．１ 加速度传感器故障情况下间隙微分信号重构方法 ２１９ 
８．５．２ 单间隙传感器故障情况下悬浮间隙信号重构方法 ２２０ 
８．５．３ 基于信号重构的传感器故障容错控制仿真 ２２１ 
８．６ 基于搭接悬浮结构的主动容错控制 ２２４ 
８．６．１ 悬浮搭接结构单点故障时的数学模型 ２２５ 
８．６．２ 容错控制器设计 ２２６ 
８．６．３ 搭接结构故障仿真与试验 ２２７ 
参考文献 ２３２