基于模糊聚类的城轨列车辅助逆变器故障诊断-论文.pdf

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1、第28卷第3期青岛大学学报(工程技术版)Vo1．28No．32013年9月JOURNALOFQINGDAOUNIVERSITY(E&T)Sep．2013文章编号：lOO6—9798(2013)03—0008—07基于模糊聚类的城轨列车辅助逆变器故障诊断马增涛，高军伟。，冷子文，张彬，姚德臣，杨艳(1．青岛大学自动化工程学院，山东青岛266071；2．北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京100044)摘要：针对辅助逆变器结构复杂，易产生故障等问题，本文基于小波包频带能量分解的基本原理和模糊

2、c均值聚类算法，研究了模糊c均值聚类算法在辅助逆变器故障诊断中的应用，并以MATLAB软件为仿真平台实现对故障信号的仿真，在仿真中设置电压频率变化、供电中断、脉冲暂态等几类故障，同时选用基于小波包频带能量分解的方式提取故障特征向量作为故障诊断的标准样本，通过计算待诊断样本与标准样本的贴近度，实现故障模式识别。仿真结果表明，模糊c均值聚类算法可以准确地进行故障分类。该研究为城轨列车辅助逆变系统的故障诊断提供了理论依据。关键词：辅助逆变器；小波包；模糊C均值聚类；故障诊断中图分类号：TM464．32；TM

3、744。。．3文献标识码：A辅助逆变系统是城市轨道列车上重要的电气设备，它主要为列车空调系统、车门系统、照明系统等交流负载提供稳定的三相380V交流电源_1]。辅助逆变器额定输入直流电压为1500V，输入直流电压允许波动范围为1000～2000V，额定输出交流电压为380(1±5)V，额定输出频率为50(1±5)Hz。辅助逆变器故障会直接影响空调系统等正常工作，进而影响列车安全运行。由于辅助逆变器结构复杂，故障产生的原因众多，因此导致了故障信号的非线性和非平稳性。近年来，小波分析技术在信号处理中发挥了

4、重要作用，小波包分析方法是一种新兴的时频分析方法，可以有效地对非线性非平稳信号进行处理，克服了快速傅里叶变换(fastfouriertransform，FFT)中无时间分辨能力、识别微弱信号能力差等缺陷]。模糊聚类是基于模糊数学基础上发展的理论，根据事物特征与事物之间的相似性建立事物之间的模糊相似关系，进而进行分类的一门多元统计分析技术_3]。模糊聚类和小波包分析技术广泛应用于变压器、滚动轴承以及齿轮箱故障诊断。因此，本文在小波包频带能量分解的基础上，运用模糊聚类的方法对故障样本进行模式识别，并在MA

5、TLAB软件平台上进行了仿真验证，仿真结果验证了该方法的准确性和有效性。1小波包频带能量分解算法小波包分析是从小波分析中扩展出来的一种对信号分析和重构的方法。它对小波变换中多分辨率分析进行改进，在对低频部分分解的同时，对高频部分也进行分解，并能根据采集信号的特征，自适应地选择相应频带。1．1小波包分解重构原理在多分辨率分析(multi—resolutionanalysis，MRA)中，按照不同尺度因子，将Hilbert空间分解为所有子空间的正交和I5，即L(R)一oWJ(1)，￡收稿日期：2012—1

6、1—28基金项目：国家科技支撑计划项目(2011BAG01B05)；轨道交通控制与安全国家重点实验室课题(RCS2011K005，RCS2012K006)；山东省基金课题(BS2011DX008，ZR2009FQ012，ZR2011FM008)；国家863计划项目(2011AA110501)作者简介：马增涛(1989一)，男，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事智能控制系统研究。通讯作者：高军伟(1972一)，男，山东临沂人，教授，博士，主要从事智能系统建模与控制研究。Email：qdgao163@163

7、．corn第3期马增涛，等：基于模糊聚类的城轨列车辅助逆变器故障诊断9并满足如。F关系+===④，上式中，L(R)为Hilbert空间；-『NNNN~；为尺度子空间；为小波子空间。为了提高频率分辨率，小波包分解按照二进制分式对小波子空间进行频率细分嘲。将和用一个新的子空间(∈Z+)统一表示，那么小波分析中，vj+z一0w可表示为一+(∈z)。定义和u分别为函数()和乱z(￡)的闭包子空间，并构造小波包基序列{甜(￡))满足二尺度差分方程fU2n(￡)===∑h(忌)“(2t一){挺(2)【z升()一∑

8、g(k)u(2t一是)式中，g(志)和^(志)分别为多分辨率辨析中相互正交的低通滤波器和高通滤波器的系数，且g(足)：(一1)^(1一点)；忌为时间位置常数；歹为小波尺度参数；为频率参数。设∈，则可以表示为gY()一∑“(2Jt—z)(3)1)小波包分解算法。由{)，根据式(4)求()和(，。}为、fdi=∑(4)一∑bH甜提取某个频段或者几个频段的信号时，可以采取信号重构的方法。2)小波包重构算法。由{’。}和{。井)，根据式(5)求{”)为diH一∑