高速列车是我国着力开发的产品,可靠性和安全性是高速列车的重要研究方向,而微小故障是影响高速列车可靠性以及安全性的重要因素。现阶段,微小故障的研究还处于起始阶段,微小故障的描述,微小故障的诊断以及容错控制等的研究成果较少,且没有形成系统化理论,缺乏能够应用于高速列车系统的成果。本文主要针对控制系统的微小故障诊断和容错控制问题,使用滑模技术,结合区间估计技术,鲁棒控制理论以及自适应估计技术,设计开发新的基于动态模型的微小故障诊断和容错控制理论及方法,以提升现有故障诊断理论及方法对微小故障诊断的准确性,故障诊断能力以及增强容错控制的容错能力。然后通过系统仿真,将所提出微小故障诊断和容错控制理论及方法应用于中国高速铁路(China Railway High-speed,(CRH))牵引系统的多种子设备包括单相整流器,三相逆变器以及三相牵引电机。具体工作主要包括以下7个方面:(1)针对具有观测器不匹配不确定性的牵引逆变器动态模型,考虑了传感器微小故障演变的检测问题。首先,对于由原系统状态和故障信号的增广系统,设计一个特殊的故障检测滑模观测器,其设计参数是使用线性矩阵不等式和线性滤波器技术获得。该设计参数既要保证故障检测残差对与系统不确定性的鲁棒性,同时也要保证滑模运动不被故障信号破坏。然后,分别针对微小传感器故障,传感器故障和传感器失灵,基于降阶的滑模运动,提出了三个等级的能有效提高微小传感器故障检测能力的自适应阈值。最后,将提出的这种微小故障演变的检测技术用于高铁牵引逆变器传感器故障检测以验证该技术的有效性。(2)根据自适应技术和滑模技术分别设计了牵引逆变器传感器微小故障调节控制器和牵引逆变器执行器故障调节控制器。在第一种故障调节控制器中,根据建立的牵引逆变器模型和微小故障微分方程描述,对牵引逆变器系统提出了一种微小电压传感器故障估计和故障调节方法。首先,设计一种最优自适应观测器用来估计逆变器电压,电流和故障值,该观测器可以保证各个信号的估计误差收敛到最小不变椭圆内。然后,根据内模原理,提出故障调节控制器使得在传感器微小故障情况下,逆变器输出电压能够跟踪给定的参考电压,而且误差最终收敛到最小不变椭圆内。最后,基于CRH牵引逆变器的实例进行仿真,验证故障估计和故障调节算法的有效性。在第二种故障调节控制器中,牵引逆变器系统被抽象成非最小相位线性参数变化系统(linear-parameter-varying,(LPV)),基于区间滑模观测器(interval sliding mode observer,(ISMO)),提出了一种具有控制分配的故障调节系统。首先,一种区间滑模观测器被提出用于估计故障LPV系统的状态允许值的集合。然后,通过稳定区间滑模观测器,而不是原系统,来设计具有在线控制分配的容错控制律用以保证原LPV故障系统是渐近稳定的以及分配给各个执行器的实际控制满足预先设定的性能指标。最后,基于CRH的逆变器进行仿真,以验证所提出的方法的有效性。(3)根据牵引整流器的非线性动态模型,分别提出了基于区间滑模观测器的牵引整流器微小传感器故障检测方法和基于滑模观测器和自适应估计的牵引整流器多微小传感器故障隔离方法。在微小传感器故障检测部分,使用区间滑模观测器作为诊断观测器,针对具有观测器不匹配不确定性的非线性系统设计微小传感器故障检测方法。首先,使用极大-极小值方法,求取连续非线性的区间界。然后,基于该区间界,设计了区间滑模观测器,该观测器可提供滑模运动变量的容许值范围,并且保证滑模运动的发生。基于这种新的诊断观测器,提出了新的故障检测残差生成器和阈值生成器,并对其故障检测能力进行了研究,推导出一组微小故障的可检测条件。最后,将基于高铁牵引整流器进行实例仿真,以验证所提方法的有效性。在多微小传感器故障隔离部分,针对高铁使用的单相三电平牵引整流器,设计了多微小电压传感器故障隔离方法。首先,使用非线性参数化技术,将表征故障位置和故障类型的故障模式进行非线性参数化。然后,结合滑模技术和自适应估计技术,针对多个故障模式,设计多个故障隔离观测器用以产生故障隔离残差和自适应阈值,从而设计新的多微小故障隔离技术,并且通过定义新的函数,研究了该微小故障隔离技术的微小故障隔离能力,得到了微小故障可隔离的充要条件。最后,基于TDCS-FIB平台,对所提出的方法进行了仿真,以验证该方法的实用性和有效性。(4)提出了一种高铁牵引电机定子绕组微小匝间短路故障的故障检测方法。一种区间滑模观测器被提出以解决速度传感器测量误差造成的系统参数不确定性,然后,基于该观测器,一种主动残差生成器和被动自适应区间阈值被提出。进一步,设计参数被优化以满足检测微小故障的需求。最后,将提出技术应用于牵引电机以验证其有效性和实用性。(5)考虑了一类不具备执行器冗余和具有非匹配扰动的非线性系统。基于SMC技术,提出了一种执行器容错控制设计方法,该控制方法能够很好的调节非匹配扰动和不满足冗余条件的执行器故障。使用等效输出抑制的概念和双曲函数,开发了一种光滑控制律和光滑更新律设计方法,该方法能够渐近稳定系统的同时重构时变参数,并且重构误差渐近收敛到零。基于该方法,使用backstepping的递推设计过程,提出了一种滑模运动稳定性分析和滑模控制设计的方法。然后设计了一组容错控制律和更新律,使得在一定的容错控制策略下,闭环系统是一致有界的,输出跟踪误差渐近收敛到零,并且部分时变故障和扰动信号被重构。最后,展示了仿真实例以验证所提的容错控制方法的有效性。