（电力电子与电力传动专业论文）混合动力电动汽车驱动系统的故障诊断研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e a p p e a r a n c e a n d d e v e l o p m e n t o f v e h i c l e p r o m o t e d a n t h r o p i c c i v i li z a t i o n ,b u t it h a s b e e n b e c o m e t h e c h i e f c r im i n a l a b o u t t h e p o w e r a n d c i r c u m s t a n c e s p o ll u t i o n o f t h e w o r ld .f r o m t h e 1 9 8 0 ,w it h t h e a tt e n t i o n o n m o r e b a d l y p o l l u t i o n a n d t h e s c a r c i t y o f e n e r g y , t h e n e w t e c h n o lo g y o f p o w e r e le c t r o n i c , m i c r o - e l e c t r o n i c s , e l e c t r o n i c m a c h i n e a s w e l l a s i t s d r i v e n t e c h n i q u e a n d n e w m a t e ri a l s s w i ft a n d v i o l e n t d e v e l o p m e n t h e l p t h e e l e c t r i c v e h i c l e r e n e w e d l y t o o b t a i n p e o p l e s a t t e n t i o n . a c c o r d in g l y t h e z e r o - v o i d a n c e a c t o f c a l . u s a p r o m o t e t h e r e c o g n i t i o n . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f t h e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y a n d d e e p e r r e s e a r c h o f th e h e v ,t h e r e s e a r c h i s d e v i d e d i n t o s e v e r a l p a r t s ,o n e o f t h e m o s t i m p o rt a n t s y s t e m s i s t h e d r iv e n t i m i n g s y s t e m , a n d i t s p e r f o r m a n c e d e c id e w h e th e r t h e d r i v e n s y s t e m c a n w o r k w e l l o r b a d l y : t h e p a p e r f o c u s e s o n t h e a p p l i c a t i o n o f t h e t h e o r i e s o f e x p e rt s y s t e m a n d n e u r a l n e tw o r k i n t h e f a u l t d i a g n o s i s o f e l e c t ri c a l p o w e r s y s t e m o f h e v r e s p e c t i v e ly . t h e d e s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f t h e h e v e l e c tri c a l p o w e r s y s t e m f a u lt d i a g n o s i s s o ft w a r e a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l . t h e f a u l t d i a g n o s i s s o ft w a r e o f p o w e r s u p p l y s y s t e m a p p l y i n g t h e e x p e r t s y s t e m t h e o ry i s p ro g r a m m e d u n d e r v b 6 . 0 . wh i l e t h e f a u l t d i a g n o s i s o f e l e c t r i c m a c h i n e c e n t e r a n d s o l i d s t a t e p o w e r c o n t r o l l e r i s b a s e d o n t h e n e u r a l n e t w o r k t h e o ry , w h o s e s o ft w a r e i s re a l i z e d t h r o u g h a d o p t i n g t h e n e u r a l n e t w o r k t o o lb o x o f ma t l a b 6 . 5 i n v b 6 . 0 . p ro c r e a n t k n o w l e d g e e x p r e s s i o n a n d f o r w a r d i n f e r e n c e e n g i n e a r e a d o p t e d i n th e m e t h o d o f f a u l t d i a g n o s i s b a s e d o n e x p e rt s y s t e m t h e o ry i n t h e f a u lt d i a g n o s is a p p l y in g n e u r a l n e t w o r k t h e o ry , s i x k i n d s o f i m p ro v e d a r i t h m e t i c o f b a c k - p r o p a g a t i o n a r i t h m e t i c , in c l u d in g g r a d i e n t d e s c e n t w i t h m o m e n t u m , v a ri a b l e l e a m i n g r a t e b a c k - p r o p a g a t i o n , r e s i l i e n t b a c k - p r o p a g a t i o n , q u a s i - n e w t o n , l e v e n b e r g - ma r q u a r d t a n d c o n j u g a t e g r a d i e n t , a r e a p p l i e d t o d i a g n o s e t h e f a u lt s o f e l e c t r i c l o a d m a n a g e c e n t e r a n d s o l id s t a t e p o w e r c o n t r o l l e r . d i ff e re n t d i a g n o s t i c r e s u l t s g o t t e n b y s i m u l a t i o n a r e c o m p a r e d a t l a s t k e y w o r d s : h e v e x p e r t s y s t e me l e c t r i c a l p o w e r s y s t e m n e u r a l n e t w o r k f a u l t d i a g n o s i s i v 西北工业大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1 . 1选题的背景和意义 电动汽车2 9 1 2 7 1 的发展是石油危机及人们对环境要求的必然产物。 与内 燃机汽 车相比，电动汽车是以车载电源为动力， 用电动机驱动车轮行驶， 且满足道路安 全法规对汽车的各项要求的车辆。电动汽车具有高效、方便、 无污染、 低噪声等 优点。 开发高性能且无排放的电动汽车得到各国政府、 汽车制造商、 科研院所得 高度重视，纷纷制定电动汽车研制计划，掀起全球范围内的电 动汽车开发热潮。 据估计，2 0 0 5 年全世界的电 动汽车市场将突破2 0 0 万辆。 电 动汽车的研制开发对我国具有更为重要的意义。 中国是一个多煤少油的国 家，自 1 9 9 4 年起， 中国己 成为纯石油进口国。 同时， 我国机动车排放引起的环境 污染日 趋严重， 极大的影响着人们的生活质量。 发展电动汽车可迅速缩短我国与 发达国家在重要工业支柱产业汽车工业的差距， 并可带动一系列相关产业和 技术的发展， 因此电动汽车的研究开发得到我国政府的高度重视。“ 八五” 期间， 国家科委、计委分别组织了电动汽车开发及有关关键技术的攻关工作;“ 九五， 期间，国家科委又将电动汽车列为“ 九五” 重大科技产业工程项目 予以实施， 并 制订了电动汽车发展目 标。 制约电动汽车行业发展的关键问题是一次充电续驶里程和价格。 目 前在车载 蓄电 池技术未能突破的条件下， 电 动汽车的电 驱动系统的 性能便成为解决这一关 键问 题的重要因素。 这就要求电动汽车电驱动系统应具有尽可能高的可靠性及在 整个电动汽车驱动范围内 具有尽可能高的效率。 电动汽车驱动功能的实现不但涉 及电机、电力电子、 微处理器、蓄电池等多学科技术领域，同时对电动汽车驱动 功能的研究有助于赶超世界汽车行业先进水平。目 前， 电动汽车所采用的电 驱动 系统主要包括有刷直流电动机系统、 感应电动机系统、 开关磁阻电动机系统、 无 刷直流电动机系统及永磁同步电动机系统. 其中永磁无刷直流电 动机系统因其具 有最高的效率、 高的功率密度和转矩密度、 较好的弱磁扩速能力、 较低的振动噪 声等性能特点， 因此具有电 动汽车驱动的最优综合指标。 此外， 我国己 探明的稀 土资源为3 . 6 x1 0 吨，占 世界稀土总储量的8 0 %。 开发电 动汽车用的永磁直流无 刷电动机还有助于加快从稀土资源优势到经济优势的转化。 西北工业大学硕士学位论文第 1 章 绪论 1 . 2故障诊断的概述 所谓故障诊断u 1 ts l is l 2 n; ， 有两种涵义， 一种是指某些专用的仪器的旋转机械 设备，就用 “ 旋转机械振动监测仪”可以检测出这类机械设备的运转是否正常; 另一种是指由计算机利用系统的解析冗余， 完成工况分析， 对生产是否正常和是 什么原因引起故障、 故障的程度有多大等问题进行分析、 判断， 得出结论。 一般 意义上的故障诊断都是后者，本文所讨论的也是后者。 设备故障诊断方法的研究是设备检测与诊断技术的核心。 设备故障诊断技术 2 3 7 l 根据不同的 信号类型， 分为振声诊断、温度诊断、油液分析、光谱分析等。 近年来随着人工智能技术的发展， 故障诊断地自 动化和智能化的要求逐渐变成现 实。 基于知识的专家系统通过人机对话， 能较为准确地诊断出常见各种故障。 人 工神经网络具有强大的并行计算能力和自 学习功能及联想能力， 适合作故障分类 和模式识别; 神经网络基于规模的数值计算， 具有学习能力， 但不具有解释能力; 专家系统是基于符号的推理系统，存在知识获取困难的缺点，但具备解释功能; 神经网络与专家系统优势互补，二者结合有良 好的前景。 设备故障一般分为“ 硬故障” 和“ 软故障” 两种类型。 硬故障是指突然发生 某部 分的损坏或者完全停止工作， 这种故障是容易识别的。 软故障是指某些缓慢 变化， 例如控制系统参数变化或电路偏置变化、 漂移等， 这些故障难以 察觉， 并 且比较难以解决的，也是本文研究的重点。 1 . 2 . 1故障诊断的含义与任务 当系统发生故障时可以 及时发现并报警是故障检测的主要任务。 通常， 任何 故障检测系统都不可能百分之百地检测出系统的各种故障。 因此， 提高故障的正 确检测率， 降低故障的漏报率 ( 发生了故障没有报警) 和误报率 ( 未发生故障反 而报警)一直是故障检测与诊断领域的前沿课题。 分离出 发生故障的部位、 判断故障的种类、 估计出故障的大小与时间、 进行 评价与决策是故障诊断的主要内 容。 通常， 故障检测比 较容易， 并且花费的时间 较短。 而故障诊断则比较困难， 需要花费更多的时间， 以便正确分离出故障的部 位并精确地估计出故障的大小。 故障诊断的任务，由低级到高级，可分为四个方面的内 容: i . 故障建模 按照先验信息和输入输出 关系，建立系统故障的 数学模型， 作为故障检测与诊断的依据。 z .故障检测从可检测和不可检测的估计变量中，判断运行的系统是否发 生故障，一旦系统发生意外变化，应发出报警。 西北工业大学硕士学位论文第 1 章 绪论 1 . 2故障诊断的概述 所谓故障诊断u 1 ts l is l 2 n; ， 有两种涵义， 一种是指某些专用的仪器的旋转机械 设备，就用 “ 旋转机械振动监测仪”可以检测出这类机械设备的运转是否正常; 另一种是指由计算机利用系统的解析冗余， 完成工况分析， 对生产是否正常和是 什么原因引起故障、 故障的程度有多大等问题进行分析、 判断， 得出结论。 一般 意义上的故障诊断都是后者，本文所讨论的也是后者。 设备故障诊断方法的研究是设备检测与诊断技术的核心。 设备故障诊断技术 2 3 7 l 根据不同的 信号类型， 分为振声诊断、温度诊断、油液分析、光谱分析等。 近年来随着人工智能技术的发展， 故障诊断地自 动化和智能化的要求逐渐变成现 实。 基于知识的专家系统通过人机对话， 能较为准确地诊断出常见各种故障。 人 工神经网络具有强大的并行计算能力和自 学习功能及联想能力， 适合作故障分类 和模式识别; 神经网络基于规模的数值计算， 具有学习能力， 但不具有解释能力; 专家系统是基于符号的推理系统，存在知识获取困难的缺点，但具备解释功能; 神经网络与专家系统优势互补，二者结合有良 好的前景。 设备故障一般分为“ 硬故障” 和“ 软故障” 两种类型。 硬故障是指突然发生 某部 分的损坏或者完全停止工作， 这种故障是容易识别的。 软故障是指某些缓慢 变化， 例如控制系统参数变化或电路偏置变化、 漂移等， 这些故障难以 察觉， 并 且比较难以解决的，也是本文研究的重点。 1 . 2 . 1故障诊断的含义与任务 当系统发生故障时可以 及时发现并报警是故障检测的主要任务。 通常， 任何 故障检测系统都不可能百分之百地检测出系统的各种故障。 因此， 提高故障的正 确检测率， 降低故障的漏报率 ( 发生了故障没有报警) 和误报率 ( 未发生故障反 而报警)一直是故障检测与诊断领域的前沿课题。 分离出 发生故障的部位、 判断故障的种类、 估计出故障的大小与时间、 进行 评价与决策是故障诊断的主要内 容。 通常， 故障检测比 较容易， 并且花费的时间 较短。 而故障诊断则比较困难， 需要花费更多的时间， 以便正确分离出故障的部 位并精确地估计出故障的大小。 故障诊断的任务，由低级到高级，可分为四个方面的内 容: i . 故障建模 按照先验信息和输入输出 关系，建立系统故障的 数学模型， 作为故障检测与诊断的依据。 z .故障检测从可检测和不可检测的估计变量中，判断运行的系统是否发 生故障，一旦系统发生意外变化，应发出报警。 两北工业大学硕士学位论文第 i 章 绪论 3 .故障的分离与估计如果系统发生了故障，给出故障源的位置，区别出 故障原因是执行器、 传感器和被控对象等或者是特大扰动。 故障估计是在弄清故 障性质的同时，计算故障的程度、大小及故障发生的时间等参数。 4 .故障的分类、评价与决策判断故障的严重程度，以及故障对系统的影 响和发展趋势， 针对不同的工况采取不同的措施， 其中包括保护系统的启动， 系 统重构和容错等。 1 . 2 . 2 故障诊断技术的主要方法 故障诊断技术发展至今，己提出了大量的方法。 按照国际故障诊断权威， 德 国的 p . m . f r a n k 教授的 观点 d i ， 所有的 故障诊断方法可以 划分成 基于 解析模型 的方法、 基于信号处理和基于知识的方法三种s 。图1 - 1 给出故障诊断各种方法 的分类。国内外的资料来看，关于线性系统的故障诊断技术的研究已 相对成熟， 近年来， 以 解析冗余为指导的线性系统故障诊断技术得到深入的研究， 呈现出 不 胜枚举的理论成果。 但是， 与其他较为成熟的理论成果相比， 其应用方面的研究 急待加强。目 前， 关于非线性系统的故障诊断技术的研究正方兴未艾， 尤其是控 制理论、 信号处理、 人工智能、 模式识别等学科的发展， 为非线性系统的故障诊 断技术提供了丰富的理论基础。 我国的汽车诊断与检测技术起步较晚， 在6 0 年代， 虽然也从国外引进少量检测设备， 但由于种种原因， 该项技术一直发展缓慢。 但， 随着国民经济的发展， 我国机动车保有量迅速增加， 促进了汽车诊断与检测技术 的发展，使之成为国家 “ 六五”期间重点推广的项目。 基于解析模型的故障诊断方法的成果主要集中在线性系统， 深入研究非线性 系统的故障诊断技术具有重要的意义， 鲁棒性故障诊断问题也是研究的重点。 基 于信号处理的故障诊断方法虽然发展得比较完善， 但对非线性系统的故障诊断的 应用还不多。 小波变换技术是这种方法中的热点。 基于知识的方法无需系统的定 量数学模型， 因此对于复杂工业过程具有实际应用价值。 其中， 基于定性模型的 方法近几年来得到很大的发展。 另外， 随着人工智能的发展， 基于专家系统和神 经网络的故障诊断方法也研究得越来越深入。 在故障诊断的理论研究与应用技术方面， 对给定系统特定故障的检测、 判断 及预报技术的研究已经相对成熟， 主要分为以下两个方面: 对象的结构和参数己 知，这时故障的判断和预报所采用的方法基本上是基于控制理论的序列概率方 法、等价空间方法、广义似然方法、极大似然方法、状态观测器与滤波器方法， 后二者主要针对非线性系统; 对象的结构和参数未知或部分未知， 这时， 则大都 采用基于知识的推理技术、 基于人工神经网络的状态估计结合残差分析的诊断技 术以 及模式识别技术等。 系统故障一旦被发现， 诊断的进一步就是实现故障定位， 这通常是诊断技术与检测技术的区别之一。目前， 故障定位基本上是采用基于知 两北工业大学硕士学位论文第 i 章 绪论 3 .故障的分离与估计如果系统发生了故障，给出故障源的位置，区别出 故障原因是执行器、 传感器和被控对象等或者是特大扰动。 故障估计是在弄清故 障性质的同时，计算故障的程度、大小及故障发生的时间等参数。 4 .故障的分类、评价与决策判断故障的严重程度，以及故障对系统的影 响和发展趋势， 针对不同的工况采取不同的措施， 其中包括保护系统的启动， 系 统重构和容错等。 1 . 2 . 2 故障诊断技术的主要方法 故障诊断技术发展至今，己提出了大量的方法。 按照国际故障诊断权威， 德 国的 p . m . f r a n k 教授的 观点 d i ， 所有的 故障诊断方法可以 划分成 基于 解析模型 的方法、 基于信号处理和基于知识的方法三种s 。图1 - 1 给出故障诊断各种方法 的分类。国内外的资料来看，关于线性系统的故障诊断技术的研究已 相对成熟， 近年来， 以 解析冗余为指导的线性系统故障诊断技术得到深入的研究， 呈现出 不 胜枚举的理论成果。 但是， 与其他较为成熟的理论成果相比， 其应用方面的研究 急待加强。目 前， 关于非线性系统的故障诊断技术的研究正方兴未艾， 尤其是控 制理论、 信号处理、 人工智能、 模式识别等学科的发展， 为非线性系统的故障诊 断技术提供了丰富的理论基础。 我国的汽车诊断与检测技术起步较晚， 在6 0 年代， 虽然也从国外引进少量检测设备， 但由于种种原因， 该项技术一直发展缓慢。 但， 随着国民经济的发展， 我国机动车保有量迅速增加， 促进了汽车诊断与检测技术 的发展，使之成为国家 “ 六五”期间重点推广的项目。 基于解析模型的故障诊断方法的成果主要集中在线性系统， 深入研究非线性 系统的故障诊断技术具有重要的意义， 鲁棒性故障诊断问题也是研究的重点。 基 于信号处理的故障诊断方法虽然发展得比较完善， 但对非线性系统的故障诊断的 应用还不多。 小波变换技术是这种方法中的热点。 基于知识的方法无需系统的定 量数学模型， 因此对于复杂工业过程具有实际应用价值。 其中， 基于定性模型的 方法近几年来得到很大的发展。 另外， 随着人工智能的发展， 基于专家系统和神 经网络的故障诊断方法也研究得越来越深入。 在故障诊断的理论研究与应用技术方面， 对给定系统特定故障的检测、 判断 及预报技术的研究已经相对成熟， 主要分为以下两个方面: 对象的结构和参数己 知，这时故障的判断和预报所采用的方法基本上是基于控制理论的序列概率方 法、等价空间方法、广义似然方法、极大似然方法、状态观测器与滤波器方法， 后二者主要针对非线性系统; 对象的结构和参数未知或部分未知， 这时， 则大都 采用基于知识的推理技术、 基于人工神经网络的状态估计结合残差分析的诊断技 术以 及模式识别技术等。 系统故障一旦被发现， 诊断的进一步就是实现故障定位， 这通常是诊断技术与检测技术的区别之一。目前， 故障定位基本上是采用基于知 西北工业大学硕士学位论文 第 i 童 绪论 识推理的专家系统技术、建立在控制理论基础上的模式识别技术和模糊识别技 术。 故障诊断系统与一般自动测试系统和故障检测装置的另一区别是能够实现故 障的机理分析和故障评估，目前见到的大都采用基于知识推理的专家系统。 故障 定位的研究也有不少成熟的技术及成功的应用， 如基于控制理论的方法、 基于模 糊模式识别技术和人工神经网络技术等口 基于知识的推理技术在诊断技术领域的应用最为活跃， 尤其是人工神经网络 技术的 应用， 它能够进一步描述对象的结构、 参数和特性， 尤其对于不确定对象 和非线性对象能够给出合理的描述， 因而神经网络系统也被广泛地应用在各种智 能应用领域。研究较多且比较成熟的有观测器技术、小波变换技术等。 当可以建立比较准确的诊断对象的数学模型时， 基于解析模型的方法是首选 的方法。 现在己经证明基于观测器的状态估计方法与等价空间方法是等价的。 非 线性系统的故障诊断的难点在于系统的数学模型很难建立。 相比 之下， 参数估计 方法比状态估计方法更适合非线性系统， 因为非线性系统的状态观测器的设计有 很大的困难。目 前， 只对某些特殊的非线性系统有研究， 而通常用的等价空间方 法仅适用于线性系统。 当难以建立诊断对象的解析数学模型时，基于信号处理的方法是非常有用 的， 因为这种方法回避了抽取对象的数学模型的难点， 而直接利用信号模型， 如 相关函数、高阶统计量、 频谱和自 回归滑动平均过程，以及小波分析等技术。 这 种方法对于线性系统和非线性系统都是适用的， 但是避开对象的数学模型是 这种 方法的优点，也是它的缺点。 基于知识的方法与基于信号处理的方法类似，也不需要系统的定量数学模 型。 但它克服了后者的缺点， 引入了诊断对象的许多信息， 特别是可以充分利用 专家诊断知识等， 所以是一种很有前途的方法， 尤其是在非线性系统领域。 基于 知识的方法还可以分为基于症状的方法和基于定性模型的方法。 基于症状的方法 包括专家系统、 模糊推理方法、 模式识别方法和神经网络方法等; 基于定性模型 的方法包括定性观测器、 定性仿真和知识观测器等。 由于神经网络具有自 学习和 能拟合任意连续非线性函数的能力，以及并行处理、 全局作用的能力， 使得它在 处理非线性问题和在线估计方面有着很强的优势。 另外， 模糊推理， 定性观测器 等善于处理不确定、不准确的知识，符合人的自 然推理过程，与神经网络结合， 有着巨大的应用前景。 1 . 2 . 3故障诊断技术发展 众所周知，以 解析冗余为主导的故障诊断技术是从本世纪7 0年代首先在美国 发展起来的。麻省理工学院 b e a r d的博士论文首先提出了用解析冗余代替硬冗 余，并通过系统自 件组织，使系统闭环稳定，通过比较观测器的输出得到系统 西北工业大学硕士学位论文 第 i 童 绪论 识推理的专家系统技术、建立在控制理论基础上的模式识别技术和模糊识别技 术。 故障诊断系统与一般自动测试系统和故障检测装置的另一区别是能够实现故 障的机理分析和故障评估，目前见到的大都采用基于知识推理的专家系统。 故障 定位的研究也有不少成熟的技术及成功的应用， 如基于控制理论的方法、 基于模 糊模式识别技术和人工神经网络技术等口 基于知识的推理技术在诊断技术领域的应用最为活跃， 尤其是人工神经网络 技术的 应用， 它能够进一步描述对象的结构、 参数和特性， 尤其对于不确定对象 和非线性对象能够给出合理的描述， 因而神经网络系统也被广泛地应用在各种智 能应用领域。研究较多且比较成熟的有观测器技术、小波变换技术等。 当可以建立比较准确的诊断对象的数学模型时， 基于解析模型的方法是首选 的方法。 现在己经证明基于观测器的状态估计方法与等价空间方法是等价的。 非 线性系统的故障诊断的难点在于系统的数学模型很难建立。 相比 之下， 参数估计 方法比状态估计方法更适合非线性系统， 因为非线性系统的状态观测器的设计有 很大的困难。目 前， 只对某些特殊的非线性系统有研究， 而通常用的等价空间方 法仅适用于线性系统。 当难以建立诊断对象的解析数学模型时，基于信号处理的方法是非常有用 的， 因为这种方法回避了抽取对象的数学模型的难点， 而直接利用信号模型， 如 相关函数、高阶统计量、 频谱和自 回归滑动平均过程，以及小波分析等技术。 这 种方法对于线性系统和非线性系统都是适用的， 但是避开对象的数学模型是 这种 方法的优点，也是它的缺点。 基于知识的方法与基于信号处理的方法类似，也不需要系统的定量数学模 型。 但它克服了后者的缺点， 引入了诊断对象的许多信息， 特别是可以充分利用 专家诊断知识等， 所以是一种很有前途的方法， 尤其是在非线性系统领域。 基于 知识的方法还可以分为基于症状的方法和基于定性模型的方法。 基于症状的方法 包括专家系统、 模糊推理方法、 模式识别方法和神经网络方法等; 基于定性模型 的方法包括定性观测器、 定性仿真和知识观测器等。 由于神经网络具有自 学习和 能拟合任意连续非线性函数的能力，以及并行处理、 全局作用的能力， 使得它在 处理非线性问题和在线估计方面有着很强的优势。 另外， 模糊推理， 定性观测器 等善于处理不确定、不准确的知识，符合人的自 然推理过程，与神经网络结合， 有着巨大的应用前景。 1 . 2 . 3故障诊断技术发展 众所周知，以 解析冗余为主导的故障诊断技术是从本世纪7 0年代首先在美国 发展起来的。麻省理工学院 b e a r d的博士论文首先提出了用解析冗余代替硬冗 余，并通过系统自 件组织，使系统闭环稳定，通过比较观测器的输出得到系统 西北工业大学硕士学位论文第 1 章 绪论 专家系统方法 模糊推理方法 图1 - 1故障诊断方法分类示意图 故障信息，b e a r d的工作标志这门技术的诞生。 我国 在2 0 世纪8 0 年代初开始了 这方面的 研究并取得了 可喜的成果 - d t ， 经过 专家学者们近二十年的努力，目前许多成果得到国际同行的首肯。 本章上一节己 对故障诊断的内容、 分类、 方法作了介绍， 大体己能反映故障诊断技术的发展脉 络。 近年来控制系统的故障检测与诊断技术日 益受到控制界的高度重视， 一些著 西北工业大学硕士学位论文第 i 章 绪论 名的自 动控制学术会议，如a c c , c d c 等都己 设有这方面的专题， 国际上每年有 该领域的学术文献达数千篇r i 。 从1 9 9 1 年起， 1 f a c 每三年召开一次世界性的控制 系统故障诊断专题学术会议。 随着现代控制理论， 人工智能， 模式识别及计算机科学的发展， 作为交叉学 科的控制系统的故障检测与诊断技术也处于发展中。 目 前故障诊断领域的热门理论问题之一仍然是鲁棒诊断问题。 尤其是对非线 性系统， 研究相对于线性系统要少一些， 深入研究非线性系统的通用故障诊断技 术具有重要意义。 由于在故障诊断中一般都采用低阶的模型描述高阶的非线性对象， 因此存在 所谓的” 非建模动态” 误差问 题， 模型误差导致了操作变量的突变就有可能对系统 造成大的扰动， 有可能使故障诊断系统出现误报现象。 如何减弱操作变量对故障 诊断系统的影响也是一个目前有待解决的重要问题。 任何故障诊断方法的直接目的都是为了 提高故障的检测率， 降低误报率及漏 报率， 推断出故障发生的准确时间， 发生故障的部位并估计出大小。由于实际系 统的复杂性， 导致了辨识故障时间以及分离出故障部位非常困难。 因此， 故障分 离问题仍是当前的前沿课题。 另外， 与大量的故障诊断方法相比， 故障诊断技术的实际应用成果显得非常 不足， 尤其是故障诊断系统在工业装置上实际长期运行的还不多。 我们还需做出 努力， 将这一技术转化推广到实际生产应用中去。 值得注意的是， 由于流程工业 的复杂性和大规模性， 造成了 对这类对象精确建模的困难。 因此， 那些需要精确 数学模型的故障诊断方法很难在这类对象中得到推广。 而基于知识的方法和基于 信号处理的方法由于不需要对象的精确数学模型， 因此更适用于流程工业的故障 诊断。 1 . 3混合动力汽车故障诊断技术 在国外， 现代汽车诊断技术主要是从发达的工业化国家开始兴起。 6 0 年代末 和了 0 年代初， 汽车诊断受到西方普遍重视， 这主要由于以下三个原因2 9 1 . 1 ) 诊断 内容复杂化; 2 ) 熟练维修工人的缺乏; 3 ) 各国新法则的颁布。 加强了对汽车安全 与污染等方面的检查。 汽车故障诊断系统有两种， 一种是具有诊断功能的装在车 上， 是专用的车内仪表盘自 诊断系统， 另一种事需要在车外进行测定的车外仪器 诊断系统。 六七十年代，出现的是一些专用的检测仪器。如法国雷诺公司的诊断 装置，德国奔驰诊断装置，1 9 7 7 年通用公司推出的m 2 s a r 装置。六七十年代内诊 断占主导。 八十 年代， 车外诊断系统有了重大发展。 1 9 8 6 年， 通用公司推出了c a n s 系统， 福特公司推出s b d s 诊断系统。 八十年代中期， 随着计算机的普及和人t 智 西北工业大学硕士学位论文第 i 章 绪论 名的自 动控制学术会议，如a c c , c d c 等都己 设有这方面的专题， 国际上每年有 该领域的学术文献达数千篇r i 。 从1 9 9 1 年起， 1 f a c 每三年召开一次世界性的控制 系统故障诊断专题学术会议。 随着现代控制理论， 人工智能， 模式识别及计算机科学的发展， 作为交叉学 科的控制系统的故障检测与诊断技术也处于发展中。 目 前故障诊断领域的热门理论问题之一仍然是鲁棒诊断问题。 尤其是对非线 性系统， 研究相对于线性系统要少一些， 深入研究非线性系统的通用故障诊断技 术具有重要意义。 由于在故障诊断中一般都采用低阶的模型描述高阶的非线性对象， 因此存在 所谓的” 非建模动态” 误差问 题， 模型误差导致了操作变量的突变就有可能对系统 造成大的扰动， 有可能使故障诊断系统出现误报现象。 如何减弱操作变量对故障 诊断系统的影响也是一个目前有待解决的重要问题。 任何故障诊断方法的直接目的都是为了 提高故障的检测率， 降低误报率及漏 报率， 推断出故障发生的准确时间， 发生故障的部位并估计出大小。由于实际系 统的复杂性， 导致了辨识故障时间以及分离出故障部位非常困难。 因此， 故障分 离问题仍是当前的前沿课题。 另外， 与大量的故障诊断方法相比， 故障诊断技术的实际应用成果显得非常 不足， 尤其是故障诊断系统在工业装置上实际长期运行的还不多。 我们还需做出 努力， 将这一技术转化推广到实际生产应用中去。 值得注意的是， 由于流程工业 的复杂性和大规模性， 造成了 对这类对象精确建模的困难。 因此， 那些需要精确 数学模型的故障诊断方法很难在这类对象中得到推广。 而基于知识的方法和基于 信号处理的方法由于不需要对象的精确数学模型， 因此更适用于流程工业的故障 诊断。 1 . 3混合动力汽车故障诊断技术 在国外， 现代汽车诊断技术主要是从发达的工业化国家开始兴起。 6 0 年代末 和了 0 年代初， 汽车诊断受到西方普遍重视， 这主要由于以下三个原因2 9 1 . 1 ) 诊断 内容复杂化; 2 ) 熟练维修工人的缺乏; 3 ) 各国新法则的颁布。 加强了对汽车安全 与污染等方面的检查。 汽车故障诊断系统有两种， 一种是具有诊断功能的装在车 上， 是专用的车内仪表盘自 诊断系统， 另一种事需要在车外进行测定的车外仪器 诊断系统。 六七十年代，出现的是一些专用的检测仪器。如法国雷诺公司的诊断 装置，德国奔驰诊断装置，1 9 7 7 年通用公司推出的m 2 s a r 装置。六七十年代内诊 断占主导。 八十 年代， 车外诊断系统有了重大发展。 1 9 8 6 年， 通用公司推出了c a n s 系统， 福特公司推出s b d s 诊断系统。 八十年代中期， 随着计算机的普及和人t 智 西北工业大学硕士学位论文第 章 绪论 能技术的发展，开始探讨用于汽车诊断地专家系统，如雷诺公司推出的 r u l e m a s t e r 系统; 福特公司开发的专家系统工具t e s t ; 加拿大太平洋铁路公司开 发的 用于发动机油液分析的e d m s 系统。 近几年来， 电动汽车汽车诊断技术借助成熟的燃油机型诊断技术， 一方面发 展功能齐全的车内诊断装置， 另一方面是车外诊断系统， 特别是诊断专家系统收 到了 特别的重视。 1 . 4本文主要研究内 容和关键技术 电 动汽车的研制开发对我国具有更为重要的意义。 电动汽车在国外已经得到 了长时间的研究。尽管电动汽车在2 d 世纪前就已经存在，但是现代电动汽车是 一台 全新的机器， 它完全不同于传统的电动汽车， 它不仅仅是运输车辆， 而且是 一台 全新的电 气设备。 在电 动汽车的系统概念， 设计技术， 建模与仿真， 起动运 行， 电 力作动器， 功率电 传， 电 力刹车， 电 力环控以 及这些功率负载对发电 配电 系统之间的适应性， 故障模式与汽车电子设备之间的电磁千扰做了非常深入的研 究，进行了长时间的运行考核。 本文利用故障树分析技术发展历史长、 技术成熟、 结构成型及数据丰富的特 点， 提出了基于故障树知识的汽车电气驱动系统诊断专家系统3 3 3 4 1 ， 对专家系统 的框架结构设计、 故障树知识在专家系统中的表示和该类专家系统推理机制进行 了研究， 同时作者将关系数据库与专家系统结合， 并实现了基于这种结构的正向 推理。其次，利用神经网络的自 学习功能来对驱动逆变电路实现在线故障诊断。 在本课题中主要研究解决以下几方面的问题及各章的安排: . 第一章是对电动汽车驱动系统故障诊断技术的概述; . 第二章介绍电动汽车驱动系统故障诊断的原理和方法; . 第三章基于专家系统的电动汽车驱动系统故障诊断方法的实现; . 第四 章 基于 神 经网 络的电 动 汽 车 驱 动 系统 故障 诊断 方 法的 实 现; . 第五章对两种故障诊断方法进行比较分析，对工作做一个总结。 西北工业大学硕士学位论文第 章 绪论 能技术的发展，开始探讨用于汽车诊断地专家系统，如雷诺公司推出的 r u l e m a s t e r 系统; 福特公司开发的专家系统工具t e s t ; 加拿大太平洋铁路公司开 发的 用于发动机油液分析的e d m s 系统。 近几年来， 电动汽车汽车诊断技术借助成熟的燃油机型诊断技术， 一方面发 展功能齐全的车内诊断装置， 另一方面是车外诊断系统， 特别是诊断专家系统收 到了 特别的重视。 1 . 4本文主要研究内 容和关键技术 电 动汽车的研制开发对我国具有更为重要的意义。 电动汽车在国外已经得到 了长时间的研究。尽管电动汽车在2 d 世纪前就已经存在，但是现代电动汽车是 一台 全新的机器， 它完全不同于传统的电动汽车， 它不仅仅是运输车辆， 而且是 一台 全新的电 气设备。 在电 动汽车的系统概念， 设计技术， 建模与仿真， 起动运 行， 电 力作动器， 功率电 传， 电 力刹车， 电 力环控以 及这些功率负载对发电 配电 系统之间的适应性， 故障模式与汽车电子设备之间的电磁千扰做了非常深入的研 究，进行了长时间的运行考核。 本文利用故障树分析技术发展历史长、 技术成熟、 结构成型及数据丰富的特 点， 提出了基于故障树知识的汽车电气驱动系统诊断专家系统3 3 3 4 1 ， 对专家系统 的框架结构设计、 故障树知识在专家系统中的表示和该类专家系统推理机制进行 了研究， 同时作者将关系数据库与专家系统结合， 并实现了基于这种结构的正向 推理。其次，利用神经网络的自 学习功能来对驱动逆变电路实现在线故障诊断。 在本课题中主要研究解决以下几方面的问题及各章的安排: . 第一章是对电动汽车驱动系统故障诊断技术的概述; . 第二章介绍电动汽车驱动系统故障诊断的原理和方法; . 第三章基于专家系统的电动汽车驱动系统故障诊断方法的实现; . 第四 章 基于 神 经网 络的电 动 汽 车 驱 动 系统 故障 诊断 方 法的 实 现; . 第五章对两种故障诊断方法进行比较分析，对工作做一个总结。 西北工业大学硕士学位论文 第2 章 电 动汽车驱动系统组成原理和故障诊断方法 第2 章 电动汽车驱动系统组成原理和故障诊断方法 2 . 1电动汽车驱动系统组成原理 2 . 1 . 1电动汽车定义 根据国际机电委员会下属的电 力机动车技术委员会的建议，混合动力电动 汽车4 1 c6 1 c2 6 3 27 1 是指由 两种和两种以上的储能器、 能源或转换器作驱动能源， 其中 至少有一种能提供电能的车辆称为混合动力电 动汽车。根据这个通用定义，混 合动力电 动汽车有很多可能形式， 例如汽油机和蓄电池混合、柴油机和蓄电 池 混合、蓄电池和燃料电池混合、蓄电 池和飞轮混合、蓄电 池和超大容量电容器 混合、蓄电池和蓄电池混合等等。但该定义容易引起混淆，不易为人们接受。 目 前，一般把采用燃料电池和蓄电池混合动力的称为燃料电池电动车，把采用 蓄电池和电容器混合动力的称为超大容量电容器辅助动力电动车等，而混合动 力电动汽车( h e v ) 专指既有内 燃机又有电动机驱动的车辆。 各种地面行驶的轮式 车辆都必须克服在行驶中的滚动阻力、空气阻力、爬坡阻力和加速阻力，才能 使汽车正常行驶。 h e v 也不例外， 只不过它的动力源是多能源动力总成。 其动力 性能建模和计算方法，与普通汽车的计算方法相同。 2 . 1 . 2 驱动控制系统结构 电动机驱动系统是电动汽车的心脏，其功能框图如图 2 - 1 所示.他的任务 是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电 池的能量转化为车轮的动能， 或者将车 轮上的动能反馈到蓄电池中。从功能角度看，电动汽车的电动机驱动系统可分 为电 气和机械两大系统，驱动部分就属于电气系统。电 气系统是由电 动机、功 率转换器和电子控制器等三个子系统组成;而机械系统主要包括机械传动装置 ( 是可选的 ) 和车轮。 电 气和机械系统的边界形成电 动机的 气隙， 用来完成电动机 能量的转换。电子控制器分为三个功能单元: 传感器、中间连接电路与处理器。 传感器把测得的数据，如电 流、电压、温度、 速度、转矩以 及电 磁通等，转变 为电信号， 通过连接电路把这些电信号调整到合适的值后， 然后输入到处理器。 处理器的输入信号通常经过中间电路放大， 驱动功率转换器的半导体元件。 在 驱动和能量再生过程中，能量源与电动机之间的能量流动是通过功率转换器进 行调节的。电动机与车轮通过机械传动装置连在一起，该传动装置是可选的， 因为电 动机也可以直接装在车轮上， 用电动轮直接驱动。 西北工业大学硕士学位论文 第2 章 电 动汽车驱动系统组成原理和故障诊断方法 第2 章 电动汽车驱动系统组成原理和故障诊断方法 2 . 1电动汽车驱动系统组成原理 2 . 1 . 1电动汽车定义 根据国际机电委员会下属的电 力机动车技术委员会的建议，混合动力电动 汽车4 1 c6 1 c2 6 3 27 1 是指由 两种和两种以上的储能器、 能源或转换器作驱动能源， 其中 至少有一种能提供电能的车辆称为混合动力电 动汽车。根据这个通用定义，混 合动力电 动汽车有很多可能形式， 例如汽油机和蓄电池混合、柴油机和蓄电 池 混合、蓄电池和燃料电池混合、蓄电 池和飞轮混合、蓄电 池和超大容量电容器 混合、蓄电池和蓄电池混合等等。但该定义容易引起混淆，不易为人们接受。 目 前，一般把采用燃料电池和蓄电池混合动力的称为燃料电池电动车，把采用 蓄电池和电容器混合动力的称为超大容量电容器辅助动力电动车等，而混合动 力电动汽车( h e v ) 专指既有内 燃机又有电动机驱动的车辆。 各种地面行驶的轮式 车辆都必须克服在行驶中的滚动阻力、空气阻力、爬坡阻力和加速阻力，才能 使汽车正常行驶。 h e v 也不例外， 只不过它的动力源是多能源动力总成。 其动力 性能建模和计算方法，与普通汽车的计算方法相同。 2 . 1 . 2 驱动控制系统结构 电动机驱动系统是电动汽车的心脏，其功能框图如图 2 - 1 所示.他的任务 是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电 池的能量转化为车轮的动能， 或者将车 轮上的动能反馈到蓄电池中。从功能角度看，电动汽车的电动