于發(fā)加

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404）

前言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及人們消費水平的提高，汽車乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性、使用可靠性及安全性越來越被人們所重視。汽車主動懸架的使用可以很好地提高汽車的舒適性，操縱的穩(wěn)定性，其傳感器、控制器及執(zhí)行器在使用過程中容易發(fā)生疲勞老化等問題，影響主動懸架的使用特性。傳感器作為主動懸架系統(tǒng)信號測量通道的主要元件，一旦發(fā)現(xiàn)故障，都會影響汽車乘坐舒適性和汽車操縱穩(wěn)定性。

容錯控制是一種預(yù)先控制措施，在控制系統(tǒng)正常的情況下保證其控制過程準(zhǔn)確、及時并且滿足系統(tǒng)功能要求。主動懸架使用容錯控制系統(tǒng)可以保證懸架系統(tǒng)的正常工作，提高汽車行駛舒適性和可靠性。進(jìn)而改善汽車乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性、使用可靠性及安全性。

1 系統(tǒng)建模

為了便于設(shè)計分析，需要針對于研究的對象，建立7自由度整車和4自由度半車的懸架模型。由此建立故障懸架，再進(jìn)行后續(xù)的研究與分析。

1.1 主動懸架車輛模型

建立主動懸架7自由度整車模型。

在車身的垂直方向、俯仰方向、側(cè)傾方向運動方程式為：

圖1 主動懸架7自由度整車模型

在垂直方向的運動方程為：

2 基于濾波器組的傳感器故障分析

2.1 傳感器故障檢測

Kalman濾波器組可以確定故障的具體部位，便于進(jìn)一步隔離。

傳感器在時刻t以前時，可以看出整個傳感器處于完好狀態(tài)，此時的r值較小甚至有可能為零，I（t）值也非常小甚至可能為零。但自tf時刻開始，此時傳感器已經(jīng)發(fā)生故障，從這一時刻開始，r的數(shù)值明顯變大，I（t）值也不再那么小或不再為零。為了監(jiān)控I（t）的數(shù)值，引用間隔△t，再給定閾值I0，將這兩者比較：當(dāng)I（t）＜ I0時，表明傳感器沒有故障；當(dāng)I（t）≥ I0時，傳感器已經(jīng)故障，此時可以發(fā)出警報。

2.2 基于決策函數(shù)的傳感器故障隔離

隔離的方法是：沒有故障時，ξj的數(shù)值在零值附近。nj的數(shù)值更小，同樣也在零值附近。但是當(dāng)故障發(fā)生后時，對應(yīng)的估計值的數(shù)值將發(fā)生較大的波動，而其他傳感器的估計值不變。決策函數(shù)中與相關(guān)的決策變量將變大。最終，kn的數(shù)值將波動非常大。由此也可得kn對故障更敏感，并通過這一點進(jìn)行隔離。

3 主動容錯控制設(shè)計

通過上述的研究可以發(fā)現(xiàn)，主動控制在改善懸架性能方面具有非常好的效果。因為當(dāng)傳感器發(fā)生故障時，通過主動控制，經(jīng)過傳感器的故障信號重構(gòu)，使得故障傳感器仍然可以接近完好時的工作狀態(tài)或性能，也就是說仍然可以維持汽車的性能在可控范圍內(nèi)，降低了由于故障而產(chǎn)生的風(fēng)險，實現(xiàn)主動容錯控制。

3.1 主動容錯控制策略

當(dāng)實驗所用到的傳感器發(fā)生故障時，傳感器所輸出的信號會與正常情況下的信號有所不同，這就會導(dǎo)致控制器的輸出信號與平時有所不同，即為異常信號，會影響到汽車懸架的控制效果。采用加有自適應(yīng)觀測器后獲取的殘差信息，并與原傳感器所輸出的信號進(jìn)行結(jié)合，由此估計出故障信號。將測量傳感器測量的故障信號與故障發(fā)生時的預(yù)估值作為輸出信號，輸入到反饋控制器，以便完成主動容錯的控制目標(biāo)。

3.2 基于傳感器信號重構(gòu)的主動容錯控制

利用公式（14）估計值，可以將故障信號進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)信號為：

式中，Yr——重構(gòu)之后的信號。

在將傳感器的信號進(jìn)行重構(gòu)之后，輸出反饋控制器輸入值為Yr，此時為了實現(xiàn)主動容錯控制?？梢詫⒖刂戚斎朐O(shè)置為：

3.3 主動容錯控制仿真結(jié)果與分析

根據(jù)實驗需求，取H∞的性能指數(shù)γ=0.015后，再利用LMI求得Ga和Gs。在Matlab軟件中建立仿真模塊，設(shè)置tr值，同時構(gòu)建容錯控制系統(tǒng)。

3.4 容錯控制結(jié)果與分析

（1）車身垂直加速度故障容錯控制結(jié)果與分析

圖2 fault1容錯控制前后性能響應(yīng)對比

車身垂直加速度傳感器分別處于fault1～fault4情況時對比仿真圖如圖2所示。

在圖2中，故障時刻tf=1秒開始，車身垂直加速度傳感器處于fault1情況，

主動懸架動態(tài)響應(yīng)正常工作時，主動容錯控制在時間范圍內(nèi)其曲線為實線。在出現(xiàn)故障時，車身垂直加速度、俯仰角及角速度、左前懸動撓度曲線（圖中虛線）整體發(fā)生變化，振幅突變增大，其峰值將分別增加31.2%、40.4%、24.3%，均方根值將分別增加38.12%、40.07%、22.73%。但自容錯時刻t始，從上述圖中可以看出，曲線經(jīng)過突變之后，其狀態(tài)經(jīng)過t秒時間逐漸開始恢復(fù)，最終基本接近于主動懸架動態(tài)正常響應(yīng)狀態(tài)。

（2）俯仰角速度故障容錯控制結(jié)果與分析

俯仰角速度傳感器分別處于fault5～fault8情況下，如圖3所示。

圖3 fault2容錯控制前后性能對比

在圖3中，故障時刻tf=1秒開始，，俯仰角速度傳感器處于fault2情況，

主動懸架動態(tài)響應(yīng)正常工作時，主動容錯控制在時間范圍內(nèi)其曲線為實線。在出現(xiàn)故障時，俯仰角及角速度響應(yīng)曲線（圖中虛線）整體發(fā)生變化，振幅突變增大，其峰值將分別增加12.93%，均方根值將分別增加21.85%。但自容錯時刻t始，從上述圖中可以看出，曲線經(jīng)過突變之后，其狀態(tài)經(jīng)過t秒時間逐漸開始恢復(fù)，最終基本接近于主動懸架動態(tài)正常響應(yīng)狀態(tài)。

（3）側(cè)傾角速度故障容錯控制結(jié)果與分析

側(cè)傾角速度傳感器處于fault3下，結(jié)果如下。

在圖4中，故障時刻tf=1秒開始，側(cè)傾角速度傳感器處于fault3情況，主動懸架動態(tài)響應(yīng)正常工作時，主動容錯控制在時間范圍內(nèi)其曲線為實線。在出現(xiàn)故障時，側(cè)傾角響應(yīng)曲線（圖中虛線）整體發(fā)生變化，振幅突變增大，其均方根值將分別增加2.87%但自容錯時刻t始，從上述圖中可以看出，曲線經(jīng)過突變之后，其狀態(tài)經(jīng)過t秒時間逐漸開始恢復(fù)，最終基本接近于主動懸架動態(tài)正常響應(yīng)狀態(tài)。

圖4 fault3容錯控制前后性能響應(yīng)對比

綜上所述，經(jīng)過主動懸架容錯控制仿真結(jié)果分析，盡管在出現(xiàn)傳感器故障時，主動懸架的各個參數(shù)曲線處于突變增加的狀態(tài)，但是經(jīng)過主動容錯控制后經(jīng)過t秒后，各個參數(shù)的響應(yīng)曲線恢復(fù)到理想狀態(tài)，說明主動容錯控制課題保證主動懸架系統(tǒng)出現(xiàn)故障后迅速恢復(fù)理想狀態(tài)，使主動懸架保持在良好的工作狀態(tài)。

4 結(jié)論

采用了信號重構(gòu)的方式對傳感器的主動容錯進(jìn)行了設(shè) 計，由于當(dāng)實驗所用到傳感器的發(fā)生故障時，傳感器所輸出的信號會與正常情況下的信號有所不同，這就會導(dǎo)致控制器的輸出信號與平時有所不同，當(dāng)采用加有自適應(yīng)觀測器后獲取的殘差信息，并與原傳感器所輸出的信號進(jìn)行結(jié)合，由此估計出故障信號。將測量傳感器測量的故障信號與故障發(fā)生時的預(yù)估值作為輸出信號，輸入到反饋控制器，將故障懸架各項性能水平恢復(fù)至與完好性能接近，提高控制效果。