大功率永磁同步牵引驱动系统容错控制方法

In this project, the high power permanent magnet synchronous traction driving system is taken as the research subject and the fault tolerant control technology under the fault condition is studied to reach high reliability and operation safety of the driving system. Firstly, the noise and disturbance analysis-based state space model and the data depth-based method of demagnetization fault model establishment are studied. By introducing the data model, the systematic descriptive capability of the incomplete information analytical model is improved and the integrated modeling of permanent magnet driving system under complicated condition is realized. Secondly, the input-to-state stability-based robust sliding mode controller design method is studied. By using such controller as the fundamental controller, the stability of the dynamic performance of the system is kept during the reconstruction of the control law after the fault. The discrete mapping-based analytical method of the high frequency trajectory of sliding surface is studied to provide the theoretical tools for reflecting the impact of the low-speed traction characteristic distortion of the motor on the control performance of the traction driving system and realizing the robust control of the system within the full speed range. Finally, the analytical model-based multi-mode and multi-position fault features extraction method and the online reconstruction method of control law as well as the data model-based online detection and fault tolerant control method of the demagnetization fault point identification are studied to achieve the system robust fault tolerant control. The effective and practical fault tolerant control method of permanent magnet synchronous traction motor is expected.

本项目以大功率永磁同步牵引驱动系统为研究对象，研究其在故障情况下的容错控制技术，以达到牵引系统高可靠性和安全运行的目标。首先，研究基于噪声与扰动机理分析的状态空间模型，以及基于数据深度的失磁故障模型建立方法，利用数据模型的引入，提升信息不完备解析模型的系统描述能力，实现复杂环境下永磁牵引系统的集成建模。然后，研究基于输入-状态稳定的强鲁棒滑模控制器设计方法，利用其作为基础控制器，在发生故障后，控制律进行重构的过程中保证系统动态性能稳定。研究基于离散映射的滑模面高频运动轨迹分析方法，为反映电机低速牵引特性畸变对牵引驱动系统控制性能的影响，实现系统全速段鲁棒控制提供理论工具。最后，研究基于解析模型的多模式、多部位故障特征提取及控制律在线重构方法，以及基于数据模型的失磁故障变点识别在线检测及容错控制方法，实现系统鲁棒容错控制。以期形成有效和可供工程应用的永磁同步牵引电机的容错控制方法。

本项目面向永磁同步电机替代异步电机，全面进入工程化和商业化运行的重大需求，以永磁同步牵引驱动系统安全可靠运行为目标，以探讨解决复杂环境下牵引驱动系统的高性能容错控制科学问题为出发点，开展大功率永磁同步牵引驱动系统集成容错控制方法研究，使得永磁同步牵引系统在出现非致命性故障时，能够安全有效地实施控制并顺利完成牵引任务。. 项目在突破永磁体失磁故障建模、高频切换运动轨迹分析、牵引系统鲁棒容错控制等关键科学问题的基础上，重点围绕工程实际中面临的失磁故障信息不完备、低速运行时牵引特性畸变、故障模式及发生部位复杂多变等技术难题，着力探索了多理论、多方法融合的实现途径，研究了对复杂环境下信息不完备系统及失磁故障具有较好描述能力的建模方法；对系统不确定过程具有强鲁棒性的基础控制器；对多模式、多部位故障适用的控制律重构策略。形成了体系相对完整的，有效和可供工程应用的永磁同步牵引驱动系统高性能容错控制理论与方法，推动了容错控制理论在新领域中的进一步发展。. 项目研究期间，项目组成员出版专著１部；发表论文29篇，其中被SCI收录13篇，EI收录13篇，ESI前1%高被引论文1篇；授权专利8项，申请专利5项；获批国家自然科学基金1项。项目组成员还获得国家技术发明二等奖２项、湖南省首届科技创新奖１项、湖南省科学技术进步二等奖２项；中国包装总公司科学技术一等奖、中国包装联合会科学技术一等奖各1项；１项成果通过2018年度湖南省科技进步奖初评。培养研究生8人，形成了一支具有一定水平的科研队伍和相对稳定的研究方向。