磁浮列車狀態監測、故障診斷與容錯控制 龍志強 翟明達 王志強 9787547862216 【台灣高等教育出版社】

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適讀人群 ：磁浮交通領域的系統設計、研究和運用維護的工程技術人員，以及高等院校相關專業教師、學生等
1 國防科技大學磁浮團隊在以常文森教授等老一輩專家帶領下，從事磁浮運載技術自主研究40餘年，在國家「八五」科技攻關、「十五」863計劃、「十一五」「十二五」科技支撐計劃、「十三五」重點研發計劃的支持下，使我國的磁浮列車技術從原理探索走向了工程化。
2 本書以中低速磁浮列車和時速600公里高速磁浮列車為對象，針對磁浮列車的狀態監測、異常檢測、故障綜合評估以及磁浮控制系統的故障診斷與容錯問題進行了分析和論述。
3 本書列入「中國磁浮交通基礎理論與先進技術叢書」，叢書第一分冊《時速600公里高速磁浮交通系統》（ISBN 978-7-5478-5445-7；由中國中車首席科學家、高速磁浮項目技術總師丁叄叄領銜撰寫）已先期出版。本書作者龍志強團隊所在國防科技大學，為時速600公里高速磁浮系統研製提供了懸浮導向與渦流制動、定位測速以及動態軌檢等技術。
4 「中國磁浮交通基礎理論與先進技術叢書」的出版，對於打造中國高端裝備產業新引擎、形成軌道交通L跑新優勢、搶佔科技競爭制高點、加快構建現代化綜合立體交通網、支撐「科技強國」「交通強國」戰略具有重大而深遠的意義。

內容簡介
隨著磁浮交通技術走向工程化和商業化應用，人們對磁浮交通系統的安全性和可靠性提出了更高的要求，狀態監測、故障診斷與容錯控制是實現上述需求的有效途徑之一。本書將中低速磁浮列車和時速600公里高速磁浮列車作為研究對象，以解決工程實際問題為目標，對磁浮列車的狀態監測、異常檢測、故障診斷以及磁浮控制系統的故障診斷與容錯問題進行了分析和論述。
本書是國防科技大學磁浮團隊承擔北京和長沙等中低速磁浮工程項目、「十五」863、「十一五」、「十二五」科技支撐計劃以及「十三五」重點研發計劃高速磁浮課題相關研究工作的總結。國防科技大學磁浮團隊歷經40多年的技術攻關，完成了電磁懸浮原理研究、集成試驗、整車驗證、運營線建設與維護的研製歷程。全書以準確的數據、大量的模擬和現場試驗為基礎，深入淺出地全面介紹了中低速磁浮列車和高速磁浮列車的狀態監測、故障診斷與容錯控制關鍵技術，可為磁浮技術在運載工具、旋轉機械、軍事裝備研發中的應用提供參考。

作者簡介
龍志強，國防科技大學智能科學學院研究員、博士生導師，控制科學與工程學科電磁懸浮與推進方向學術帶頭人，全軍優秀教師，獲國務院政府特殊津貼。多年來一直從事磁浮技術研究，我國中低速和高速磁浮領域知名專家，國家863高速磁浮重大專項專業組專家，國防科技大學磁浮方向技術總師。牽頭國家科技支撐計劃和重點研發計劃等20項重大工程課題，帶領團隊形成多層次科研攻關能力體系。在磁浮核心裝備研發與創新方面、新型中速磁浮和永磁電磁混合懸浮等方面進行了開拓性研究，牽頭研製了一列兩輛編組的永磁電磁混合懸浮高速試驗車的懸浮控制系統並成功運行。作為磁浮核心裝備總體組長，完成了北京市重大工程——中低速磁浮示範線研建；作為省政府集成顧問和懸浮控制項目負責人，完成了湖南省重點工程——長沙磁浮快線研建。獲省部級科技進步一等獎4項、湖南省科技創新獎1項。出版專著3部，其中英文專著1部；授權專利60項。

目錄
第1章 緒論 1
1 1 概述 3
1 2 磁浮列車發展現狀 5
1 2 1 國外磁浮列車的發展現狀 5
1 2 2 國內磁浮列車的發展現狀 11
1 3 磁浮列車狀態監測、故障診斷與容錯控制研究概況 21
1 3 1 狀態監測研究概況 21
1 3 2 故障診斷研究概況 23
1 3 3 容錯控制研究概況 25
1 4 磁浮列車狀態監測與故障診斷系統設計 26
1 4 1 車載狀態監測與故障診斷系統 28
1 4 2 地面狀態監測與故障診斷系統 31
第2章 基於數據的磁浮列車懸浮異常狀態檢測 33
2 1 概述 35
2 2 基於單維時間序列數據的異常狀態檢測 37
2 2 1 基於快速沃爾什變換的特徵提取 37
2 2 2 基於超球體思想的特徵選擇 39
2 2 3 基於高斯分佈的異常閾值設定 40
2 3 基於相關分析的多維時間序列數據的異常狀態檢測 42
2 3 1 傳統的典型相關分析方法 43
2 3 2 基於Ｂｏｘ Ｃｏｘ變換的異常閾值設定 44
2 3 3 異常檢測演算法流程 45
2 4 基於加權相關係數的多維時間序列數據的異常狀態檢測 47
2 4 1 基於自相關長度的數據長度選擇 47
2 4 2 基於加權相關係數的異常檢測 48
2 4 3 異常檢測演算法流程 49
2 4 4 磁浮列車懸浮狀態異常檢測試驗 51
2 5 基於長短時記憶神經網絡的異常狀態在線檢測 57
2 5 1 基於ＬＳＴＭ神經網絡異常檢測基礎 57
2 5 2 基於ＬＳＴＭ神經網絡的懸浮狀態異常檢測 61
2 5 3 磁浮列車懸浮狀態異常檢測試驗 62
第3章 磁浮列車懸浮穩定性的狀態監測與評估 69
3 1 概述 71
3 2 懸浮系統的數據結構與穩定性指標 71
3 2 1 懸浮系統的數據結構 72
3 2 2 懸浮系統的穩定性指標 73
3 3 基於數據驅動的懸浮系統穩定性監測 74
3 3 1 穩定性指標的實時數據實現 75
3 3 2 數據驅動的穩定性監測 76
3 3 3 穩定性指標的適用性分析 79
3 4 磁浮列車懸浮系統穩定性評估 80
3 5 模擬分析與驗證 81
第4章 磁浮列車懸浮控制系統的故障診斷 83
4 1 概述 85
4 2 基於Ｋａｌｍａｎ濾波器的懸浮系統故障診斷 86
4 2 1 基於Ｋａｌｍａｎ濾波器的故障檢測方法 86
4 2 2 基於Ｋａｌｍａｎ濾波器組的故障診斷方法 88
4 2 3 基於Ｋａｌｍａｎ濾波器的故障診斷模擬 90
4 2 4 基於Ｋａｌｍａｎ濾波器的故障檢測試驗 96
4 3 基於強跟蹤濾波器的懸浮系統故障診斷 97
4 3 1 基於強跟蹤濾波器的狀態與參數聯合估計方法 98
4 3 2 基於強跟蹤濾波器的懸浮系統故障診斷方法及模擬 100
4 3 3 基於強跟蹤濾波器的懸浮系統故障診斷試驗 101
4 4 基於全維狀態觀測器的執行器故障診斷 102
4 4 1 系統參數變化故障的等效模型 102
4 4 2 基於狀態觀測的故障診斷演算法 104
4 4 3 執行器模擬故障分析與診斷 104
4 4 4 執行器故障對懸浮系統的影響 106
4 4 5 執行器的故障診斷模擬和試驗 107
4 5 基於信號比較的加速度傳感器故障診斷 110
4 5 1 加速度傳感器故障診斷 110
4 5 2 故障診斷模擬分析 114
4 5 3 加速度傳感器故障診斷試驗 119
第5章 磁浮列車的故障模糊綜合評估 121
5 1 概述 123
5 2 故障模糊綜合評估方法與模型分析 124
5 2 1 故障模糊綜合評估方法 124
5 2 2 故障模糊綜合評估模型分析 126
5 3 故障模糊綜合評估模型 128
5 3 1 中低速磁浮列車系統組成 128
5 3 2 評價集與因素集層次的劃分 130
5 3 3 模糊綜合評估模型的建立 133
5 3 4 因素隸屬度和因素權重值的分配確定 134
5 4 故障模糊綜合評估流程與試驗 138
5 4 1 故障模糊綜合評估流程框架 138
5 4 2 故障模糊綜合評估試驗分析 140
第6章 基於分佈估計的模糊綜合評估參數優化 143
6 1 概述 145
6 2 分佈估計演算法的設計思想與特點分析 146
6 2 1 分佈估計演算法的基本思想 146
6 2 2 分佈估計演算法的特點分析 147
6 3 分佈估計演算法的參數優化方法 148
6 3 1 參數編碼及初始化參數 148
6 3 2 適應度的計算 149
6 3 3 概率估計模型的構建 150
6 3 4 訓練和測試模型 151
6 4 分佈估計演算法的性能測試與比較 152
6 4 1 分佈估計演算法的參數影響分析 152
6 4 2 分佈估計演算法與遺傳演算法的效果比較 156
6 4 3 分佈估計演算法與其他機器學習演算法的效果比較 156
6 5 基於分佈估計的模糊綜合評估參數優化設計與實現 158
第7章 中低速磁浮列車懸浮系統的容錯設計 161
7 1 概述 163
7 2 中低速磁浮列車懸浮系統控制架構 164
7 3 懸浮傳感器的容錯設計 166
7 3 1 懸浮傳感器的冗餘設計 167
7 3 2 懸浮傳感器的可靠性設計 170
7 3 3 考慮懸浮傳感器故障的主動容錯控制 172
7 4 懸浮控制計算機的冗餘設計 178
7 4 1 控制計算機的冗餘設計方法 180
7 4 2 基於雙機熱備的懸浮控制計算機的冗餘設計 182
7 5 懸浮斬波器的可靠性設計 186
7 5 1 基於ＩＧＢＴ模塊的懸浮斬波器分析 186
7 5 2 基於ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ模塊的懸浮斬波器優化設計 188
7 6 懸浮控制系統的容錯方案設計 191
7 6 1 基於搭接結構的懸浮系統冗餘設計 191
7 6 2 基於端部電磁鐵加長的懸浮系統冗餘設計 194
7 6 3 一種分散式懸浮系統容錯控制方案 196
第8章 高速磁浮列車懸浮系統容錯控制 199
8 1 概述 201
8 2 高速磁浮列車懸浮系統容錯控制方案 202
8 2 1 高速磁浮列車懸浮系統基本結構 202
8 2 2 高速磁浮列車懸浮系統分級容錯控制結構 203
8 3 基於Ｙｏｕｌａ參數化的容錯控制方法分析 205
8 3 1 控制器Ｙｏｕｌａ參數化分析 205
8 3 2 控制器Ｙｏｕｌａ參數化的兩種實現形式 207
8 3 3 基於Ｙｏｕｌａ參數化的懸浮系統分級容錯控制結構 208
8 4 考慮微小故障的單懸浮系統容錯控制 212
8 4 1 基於梯度下降法的Ｙｏｕｌａ參數在線更新 212
8 4 2 微小故障條件下懸浮控制系統容錯控制模擬分析 217
8 5 基於信號重構的單懸浮系統主動容錯控制 218
8 5 1 加速度傳感器故障情況下間隙微分信號重構方法 219
8 5 2 單間隙傳感器故障情況下懸浮間隙信號重構方法 220
8 5 3 基於信號重構的傳感器故障容錯控制模擬 221
8 6 基於搭接懸浮結構的主動容錯控制 224
8 6 1 懸浮搭接結構單點故障時的數學模型 225
8 6 2 容錯控制器設計 226
8 6 3 搭接結構故障模擬與試驗 227
參考文獻 232

前言/序言
當代軌道交通發展日益繁榮，尤其是城市軌道交通已成為人們關注的焦點，但是地鐵造價昂貴，城市輕軌雜訊又大。磁浮列車系統利用電磁力實現列車的無接觸懸浮和導向，避免了傳統鐵路中車輪和軌道間的機械接觸，克服了輪軌列車提高速度的主要障礙，減小了輪軌雜訊，對改善交通運行狀況將起到積極的作用。
國防科技大學從1980年開始磁浮技術的研發，以常文森教授為代表的老一輩專家學者率領團隊進行了40多年的技術攻關，使我國的磁浮列車技術從原理探索走向了工程化應用。近10年來，中國依靠自身的技術，先後建設了長沙磁浮快線、北京中低速磁浮運營示範線、湖南鳳凰磁浮旅遊線以及廣東清遠磁浮旅遊線等。2019年9月，中國提出「交通強國」戰略，《交通強國建設綱要》指出要強化前沿關鍵技術研發，合理統籌安排時速600公里級高速磁浮系統等技術的儲備研發。2021年7月20日，中國自主研製的時速600公里高速磁浮交通系統成套裝備正式面世。上述研究與應用為磁浮交通技術發展提供了堅實的技術基礎和政策指引。
磁浮列車根據懸浮原理可分為常導電磁懸浮型、超導電動懸浮型、超導釘扎懸浮型、永磁斥力懸浮型和永磁電動懸浮型等類型。這些類型國內外均有研究，但目前實現商業運行的只有常導電磁懸浮型磁浮交通系統。常導電磁懸浮型磁浮交通系統根據運行速度的不同，分為中低速和高速磁浮系統，中低速型磁浮列車最高速度為120～160 km/h，主要解決城市內部的交通運輸問題，造價與輕軌相當；高速磁浮列車最高速度為400～600km/h，適合作為大城市間的交通工具。雖然常導電磁懸浮型的中低速和高速磁浮列車在牽引、導向、供電以及運行控制方面存在較大差異，但兩者的懸浮原理非常相似，均採用主動式的電磁懸浮原理，利用在車體