港口起重机电力驱动系统故障诊断与容错控制方法

引言

港口作为货物运输的重要枢纽，起重机是港口装卸作业的核心设备。电力驱动系统作为港口起重机的动力来源，其可靠性和稳定性直接关系到港口的作业效率和安全。一旦电力驱动系统出现故障，不仅会导致起重机停机，影响货物装卸进度，还可能引发安全事故，造成重大经济损失。因此，研究港口起重机电力驱动系统的故障诊断与容错控制方法具有重要的现实意义。

1 港口起重机电力驱动系统概述

1.1 系统组成

港口起重机电力驱动系统主要由电源、电动机、控制器、传感器和传动装置等部分组成。电源为整个系统提供电能，电动机将电能转换为机械能，驱动起重机的起升、变幅和回转等动作。控制器根据操作指令和传感器反馈信息，对电动机的运行进行精确控制。传感器则用于实时监测系统的运行状态，如电流、电压、转速等参数。

1.2 常见故障类型

电力驱动系统故障呈现多维度特征，电气层面除常规绕组异常外，还涉及功率器件老化引发的热失效、绝缘材料劣化导致的漏电流异常，以及高频开关引起的电磁干扰问题。机械方面涵盖非线性摩擦引起的转矩波动、结构共振导致的疲劳裂纹扩展、润滑介质变性引发的磨损加剧等现象。系统级故障往往表现为机电耦合效应，如轴电流腐蚀与轴承电蚀的协同损伤，转子偏心与电流谐波的相互激发。深层故障机理涉及材料微观结构演变、多物理场耦合作用以及控制策略适配性等复杂因素，需建立跨尺度故障演化模型进行精准诊断。

2 故障诊断方法

2.1 信号检测

信号检测环节需要关注多源异构传感器的协同工作。不同传感器采集的信号具有不同特性，需要进行信号同步和校准。电流电压信号属于电气量，响应速度快但易受电磁干扰；温度信号变化缓慢但稳定性好；振动信号包含丰富机械状态信息但对安装位置敏感。现代电力驱动系统普遍采用分布式传感网络架构，通过总线技术实现多通道信号同步采集。信号预处理环节涉及滤波、放大和模数转换等技术，低通滤波可消除高频噪声，硬件滤波与数字滤波相结合能有效提高信噪比。采样频率选择需遵循奈奎斯特定理，同时考虑系统动态响应特性。传感器故障自诊断功能可提升系统可靠性，通过交叉验证不同传感器数据实现异常检测。

2.2 特征提取

特征提取环节需针对不同故障模式设计专用算法。时域特征中波形因子和脉冲指标对冲击型故障敏感，裕度因子适用于早期磨损检测。频域分析需重点考虑特征频率的精确提取，谐波分量和边频带分析对电气故障诊断尤为重要。时频分析方法中短时傅里叶变换适合稳态信号，小波变换在突变信号检测方面更具优势。现代特征提取技术开始融合深度学习，自动编码器可实现对高维数据的非线性降维，卷积神经网络能自动学习最优特征表示。多域特征融合技术通过主成分分析或核方法将不同特征空间映射到统一判别空间，提升特征的表征能力。

2.3 故障识别

故障识别环节呈现智能化发展趋势。传统专家系统面临知识获取瓶颈，新一代系统采用案例推理与规则推理相结合的混合架构。深度学习模型特别是深度信念网络在复杂故障分类中展现出优越性能，但需要解决小样本条件下的泛化问题。模糊推理系统与神经网络的结合形成了自适应神经模糊系统，兼具模糊逻辑的语义表达能力和神经网络的学习能力。多模型集成方法通过 Bagging 或 Boosting 策略提升诊断鲁棒性，随机森林算法在特征重要性评估方面具有独特优势。数字孪生技术的引入实现了故障诊断的虚实交互，通过仿真模型与实际系统的实时比对提高早期故障检出率。

3 容错控制方法

3.1 容错控制基本原理

容错控制的核心在于构建具备故障适应能力的系统架构，其理论基础涉及鲁棒控制、自适应控制及智能控制等多个领域。系统需在设计和运行阶段建立多层次保护机制，包括故障检测、诊断、隔离和恢复四个关键环节。控制策略的制定需综合考虑系统动态特性、故障传播路径及性能退化程度，采用基于模型的方法或无模型方法实现控制重构。现代容错控制强调预测性维护与实时调整相结合，利用数字孪生技术建立虚拟映射模型，通过在线参数辨识更新系统状态估计。分层容错架构将全局优化与局部补偿相结合，上层决策单元根据故障严重程度选择重构策略，底层执行单元实现快速响应。混杂系统理论为处理离散故障事件与连续动态过程提供了数学工具，切换控制律的设计需满足Lyapunov 稳定性条件。

3.2 硬件冗余方法

硬件冗余设计需解决资源优化配置与可靠性提升之间的平衡问题。并行冗余中 Δ_N+M 配置策略需要精确计算失效概率与成本约束，采用马尔可夫过程建模评估系统可用性。热备份与冷备份的选择取决于切换延时要求，功率电子器件常采用带载热切换技术确保无缝过渡。空间冗余通过物理隔离降低共模故障风险，信号冗余采用三取二表决机制消除瞬时错误。时钟同步技术对分布式冗余系统至关重要，IEEE1588 精密时间协议可实现微秒级同步精度。余度管理算法需处理故障仲裁与资源调度，基于有限状态机的模式切换逻辑确保状态迁移无冲突。新型半导体器件如 SiC 功率模块的冗余设计需考虑热应力均衡，动态均流控制可延长并联器件寿命。

3.3 软件冗余方法

软件容错体系涵盖算法层、架构层和系统层的协同防护。N-版本编程采用多样性原则防止共性故障，需在需求规格、开发工具和实现语言三个维度保持差异。恢复块机制通过验收测试触发备用模块，前向恢复与后向恢复策略的选择取决于实时性要求。异常处理框架采用分级触发模式，软错误可通过校验点回滚恢复，硬错误则激活备用控制律。基于观测器的故障检测算法设计需满足分离性准则，滑模观测器对参数摄动具有强鲁棒性。控制参数在线调整策略包括增益调度、模型参考自适应等方法，自愈合控制通过强化学习持续优化补偿策略。内存保护单元与看门狗定时器构成底层防护屏障，数据完整性校验采用循环冗余码与汉明码混合编码方案。形式化验证技术如模型检测可证明关键控制逻辑的无冲突性。

结束语

港口起重机电力驱动系统的故障诊断与容错控制是保障港口作业安全和高效运行的关键技术。通过采用先进的信号检测、特征提取和故障识别方法，能够及时发现系统的故障并进行准确诊断；而容错控制方法则能够在系统出现故障时，保证系统继续正常运行，减少停机时间和经济损失。未来的研究可以进一步探索更加智能化的故障诊断和容错控制方法，提高系统的自适应能力和可靠性，为港口的发展提供更有力的技术支持。

参考文献

[1]张德利.港口集装箱运输起重机制动器安装控制要点[J].中国储运,2025,(04):81-82.

[2]肖炳林,何威誉,赵伟龙,等.港口机械故障诊断及管理系统研究与进展[J].起重运输机械,2025,(06):25-33.

[3]王文红,黄朝毅,王泽,等.面向港口起重机的无脂润滑系统解决方案[J]. 港口装卸,2024,(05):21-23+42.

[4]颜伟政.港口机械设备门式起重机维修管理问题与对策研究[J].科技视界,2024,14(20):93-96.

[5]王伟.港口机械现场故障排除与紧急维修技术的探讨[J].冶金与材料,2024,44(04):181-183.