楊新樺,譚水平

(重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

0 引言

電子電氣系統(tǒng)故障引發(fā)的安全問(wèn)題已成為汽車電子研發(fā)過(guò)程中所要面臨的重大挑戰(zhàn)。為保證汽車各系統(tǒng)的功能安全，制定了道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262。機(jī)電控制無(wú)級(jí)變速器(electro-mechanical continuously variable transmission，EMCVT)作為傳動(dòng)系的重要組成部分，其調(diào)速功能的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。目前對(duì)EMCVT的研究主要集中在進(jìn)一步優(yōu)化速比和夾緊力控制算法[1-4]，而很少考慮調(diào)速系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制。

由1.1節(jié)分析可知，傳感器、調(diào)速電機(jī)、速比執(zhí)行機(jī)構(gòu)等故障將導(dǎo)致EMCVT調(diào)速功能故障甚至失效。針對(duì)這些故障的診斷方法一般有3種：基于模型、規(guī)則和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷方法[5]。

在能夠獲得系統(tǒng)解析模型的情況下，基于模型的故障診斷是最直接有效的，其優(yōu)點(diǎn)是故障診斷精度高，無(wú)需大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練和額外設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)診斷的實(shí)時(shí)性[6]。楊沁杰[7]使用基于模型的故障診斷方法，探究了單個(gè)傳感器故障與多個(gè)傳感器同時(shí)發(fā)生故障時(shí)的診斷效果；熊璐等[8]利用直流電機(jī)故障模型實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)估計(jì)并進(jìn)行在線診斷。他們對(duì)故障的可檢測(cè)性進(jìn)行了大量分析，但未對(duì)故障間的隔離性進(jìn)行分析，基于模型的故障診斷旨在利用系統(tǒng)模型的解析冗余關(guān)系建立由部分方程組成的測(cè)試集來(lái)產(chǎn)生殘差信號(hào)，根據(jù)殘差信號(hào)判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，而模型參數(shù)之間本身存在關(guān)聯(lián)，可能導(dǎo)致可檢測(cè)故障之間相互影響，多個(gè)故障同時(shí)發(fā)生可能無(wú)法定位?；谝?guī)則和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷適用于無(wú)法獲取解析模型的系統(tǒng)?；谝?guī)則的故障診斷多用于企業(yè)，依靠多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)可以建立較為全面的診斷規(guī)則[9]，而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，鑒于EMCVT能夠獲取解析模型，故不采用這2種方法。

基于結(jié)構(gòu)分析法的故障診斷對(duì)過(guò)程行為有深入理解，不依賴具體參數(shù)，只取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型[10]，將故障的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行Dulmage-Mendelsohn(DM)分解，可分析故障是否可檢測(cè)與隔離。Chen等[11]、Deosthale等[12]將結(jié)構(gòu)分析法的故障診斷理論應(yīng)用于變速器傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障診斷，求解出生成殘差信號(hào)測(cè)試集的最優(yōu)解，以盡量少的測(cè)試方程來(lái)計(jì)算殘差信號(hào)，可降低診斷模型的復(fù)雜度，在提高診斷效率的同時(shí)，還能保證較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)診斷效果。

基于模型的故障診斷，雖然診斷效果直接，在復(fù)雜系統(tǒng)中，故障之間的隔離性將難以分析，還會(huì)導(dǎo)致殘差計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，診斷效率低?；诮Y(jié)構(gòu)分析法的故障診斷可較好地解決此問(wèn)題，是分析復(fù)雜工程模型故障的有效工具[13]。在能獲取EMCVT系統(tǒng)解析模型的前提下，本文將基于結(jié)構(gòu)分析法(structural analysis，SA)的故障診斷理論應(yīng)用于EMCVT故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)可能直接使EMCVT調(diào)速功能失效的關(guān)鍵故障進(jìn)行故障可檢測(cè)性與可隔離性(fault detection and isolation，F(xiàn)DI)系統(tǒng)和故障容錯(cuò)控制(fault tolerant control，F(xiàn)TC)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。當(dāng)FDI系統(tǒng)診斷出傳感器故障時(shí)，F(xiàn)TC系統(tǒng)根據(jù)不同的故障標(biāo)志，進(jìn)行控制信號(hào)重構(gòu)獲取，實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能主動(dòng)容錯(cuò)控制，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本方法可為EMCVT調(diào)速功能安全問(wèn)題提供可行的解決方案，并為EMCVT控制軟件符合ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

1 EMCVT故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 關(guān)鍵故障分析

EMCVT結(jié)構(gòu)如圖1所示，調(diào)速執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由直流電機(jī)、減速齒輪副、碟形彈簧和絲桿螺母機(jī)構(gòu)組成。調(diào)速原理如圖2所示，控制器接收從整車控制器(vehicle control unit，VCU)發(fā)送的加速踏板開度α、制動(dòng)踏板開度β、車速u的CAN信號(hào)，計(jì)算出EMCVT參考速比igref，根據(jù)igref與反饋的實(shí)際速比ig間的誤差，通過(guò)控制算法獲得電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速ωref，再根據(jù)ωref與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ωm之間的誤差，通過(guò)PI控制得出電機(jī)的PWM信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)速比跟蹤。

圖1 EMCVT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 EMCVT調(diào)速原理示意圖

CVT故障可分為傳感器故障和執(zhí)行器故障[14]。在速比閉環(huán)控制中，igref、ig和ωm是調(diào)速功能正常運(yùn)行的關(guān)鍵信號(hào)。ig是通過(guò)EMCVT輸入軸轉(zhuǎn)速傳感器S1和輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器S2測(cè)量值計(jì)算得出，ωm直接通過(guò)調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器S2測(cè)量得出。故傳感器故障必然導(dǎo)致EMCVT調(diào)速功能失調(diào)甚至失效。α、β、u的傳感器信號(hào)由VCU直接采集，它們的故障診斷及容錯(cuò)控制應(yīng)由VCU完成，故igref計(jì)算故障本文不予考慮。

在調(diào)速執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，調(diào)速電機(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)故障必然引起調(diào)速故障。直流電機(jī)常見的故障有：電樞繞組元件開路、繞組與換向片的斷路、匝間短路等故障，這些故障都會(huì)引起電樞電阻發(fā)生突變[15]。機(jī)械結(jié)構(gòu)故障主要體現(xiàn)在齒輪點(diǎn)蝕、油路堵塞、絲桿螺母機(jī)構(gòu)磨損、結(jié)構(gòu)損壞等[16]，汽車常用高檔行駛，絲桿螺紋面在小速比范圍內(nèi)磨損可能較大，螺紋面磨損不均勻，造成螺距誤差過(guò)大[17]，最終會(huì)造成CVT錐盤位置誤差增大，調(diào)速精度降低。

由上分析可知，傳感器故障、調(diào)速電機(jī)故障、機(jī)械結(jié)構(gòu)故障將直接影響EMCVT調(diào)速功能的正常運(yùn)行，故采取表1所示5個(gè)關(guān)鍵故障進(jìn)行故障建模。

表1 調(diào)速功能關(guān)鍵故障

1.2 故障建模

1.2.1直流電機(jī)模型

EMCVT采用直流電機(jī)進(jìn)行速比控制，式(1)(2)分別為直流電機(jī)的電壓平衡與轉(zhuǎn)矩平衡方程，參數(shù)說(shuō)明見表2。

(1)

(2)

續(xù)表(表2)

1.2.2速比控制模型

電機(jī)角速度ωm和主動(dòng)帶輪動(dòng)錐盤位移xp的關(guān)系如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：

icvt為CVT當(dāng)前實(shí)際速比，由CVT傳感器轉(zhuǎn)速信號(hào)np和ns計(jì)算得出，為便于分析，忽略CVT鋼帶與錐盤間的相對(duì)滑動(dòng)，即icvt與ig相等。

(7)

u、ig與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n關(guān)系如式(8)所示，搭載EMCVT的純電動(dòng)汽車無(wú)需離合器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速即CVT輸入軸轉(zhuǎn)速，故存在式(9)所示的關(guān)系，輸出軸轉(zhuǎn)速ns和車速u存在式(10)所示關(guān)系。

(8)

(9)

(10)

根據(jù)加速踏板開度信號(hào)α、制動(dòng)踏板開度信號(hào)β及u，可以得出參考速比xpr，xpr是調(diào)節(jié)錐盤位置xp的目標(biāo)值。

xpr=f(α,β,u)

(11)

結(jié)合表1所述故障變量，可以得出EMCVT的故障模型，其中ei代表方程，e11～e13為傳感器方程。

1.3 故障可檢測(cè)性與隔離性分析

1.3.1模型結(jié)構(gòu)表征

結(jié)構(gòu)表征圖是一種能夠表達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的圖形，橫坐標(biāo)表示模型的參數(shù)，包含未知量、已知量和故障變量，縱坐標(biāo)表示方程ei，圖中含有“(”表示方程ei與對(duì)應(yīng)的變量相關(guān)聯(lián)。根據(jù)1.2節(jié)的故障模型，其中未知量有：{im,xp,Rp,ig,xpr,np,ns,ωm}，已知量有：{Um,Tl,α,β,u,ynp,yns,yωm}，故障變量有：{fRm,fxp,fnp,fns,fωm}。得到的結(jié)構(gòu)表征如圖3所示。

圖3 調(diào)速系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)表征

1.3.2故障可檢測(cè)性分析

在故障可檢測(cè)性與隔離性分析中，需用到DM分解，它是一種將形似上三角形式的稀疏矩陣進(jìn)行行和列重新排列的數(shù)學(xué)工具[18]。DM分解后的結(jié)構(gòu)表征圖根據(jù)方程個(gè)數(shù)和未知量個(gè)數(shù)的關(guān)系，可以分為3個(gè)區(qū)域：結(jié)構(gòu)欠定區(qū)M-，結(jié)構(gòu)正定區(qū)M0，結(jié)構(gòu)超定區(qū)M+，如圖4所示。

圖4 DM分解原理示意圖

當(dāng)含有故障變量fi的方程ei位于M+區(qū)域時(shí)，即efi∈M+，表明該故障可檢測(cè)[19]。圖5為故障模型DM分解后的結(jié)構(gòu)表征圖，結(jié)果顯示，含有故障變量的方程均在M+區(qū)域，故5個(gè)故障均可檢測(cè)。

圖5 EMCVT調(diào)速系統(tǒng)DM分解結(jié)果

1.3.3故障可隔離性分析

故障發(fā)生時(shí)，若故障fi與fj不能相互隔離，故障fi可能導(dǎo)致故障fj發(fā)生，則無(wú)法將故障從其他故障中定位和識(shí)別出。若滿足式(12)所示關(guān)系，在故障模型M中去除含有故障fj的方程efi后進(jìn)行DM分解，如含有故障fi的方程efi仍位于M+區(qū)時(shí)，表明故障fi與fj可相互隔離，互不關(guān)聯(lián)[20]。

efi=(M{efi})+

(12)

按此方法依次檢測(cè)故障間的可隔離性，采用故障隔離矩陣來(lái)表示各故障間的隔離性，如圖6所示。從圖中可知，所有故障均與自身相關(guān)，故都可隔離。

圖6 故障可隔離性分析結(jié)果

1.4 診斷系統(tǒng)殘差設(shè)計(jì)

1.4.1結(jié)構(gòu)最小型超定方程集

基于結(jié)構(gòu)分析法的故障診斷原理是利用系統(tǒng)模型的解析冗余關(guān)系建立由部分方程組成的測(cè)試集作為殘差生成器，根據(jù)殘差生成器產(chǎn)生的殘差信號(hào)來(lái)判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障。對(duì)于可選擇測(cè)試集較多的系統(tǒng)模型，可用結(jié)構(gòu)最小超定方程集(minimal structural overdetermined sets，MSO sets)來(lái)簡(jiǎn)化殘差生成器的算法，據(jù)文獻(xiàn)[20]提出的方法，選出4組MSO集來(lái)生成殘差，如表3所示。

表3 EMCVT故障模型MSO集

1.4.2殘差設(shè)計(jì)

殘差信號(hào)是用于觀測(cè)系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障的信息。由MSO集的定義可知，當(dāng)MSO集結(jié)構(gòu)冗余系數(shù)為1時(shí)，測(cè)試集方程個(gè)數(shù)比未知量個(gè)數(shù)多1個(gè)，即可在方程之間做差產(chǎn)生解析冗余關(guān)系(analytic redundant relations，ARR)，獲得殘差[21]。

1) 殘差R1

MSO1由方程{e1,e2,e13}組成，將e2,e13代入e1產(chǎn)生ARR，如式(13)所示：

(13)

式中含有微分項(xiàng)，若直接用上式作為殘差R1，產(chǎn)生的殘差信號(hào)會(huì)不穩(wěn)定[22]，故對(duì)式(13)做如下處理：

(14)

式中，p為微分算子，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，γ>0，且(p+γ)的指數(shù)不應(yīng)小于微分方程的最高階數(shù)[13]。引入新的狀態(tài)變量X，令：

(15)

則關(guān)于R1的狀態(tài)空間表達(dá)形式為：

(16)

(17)

2) 殘差R2

MSO2由方程{e3,e6,e7,e11,e12,e13}組成，e6含有微分項(xiàng)，為保證殘差信號(hào)穩(wěn)定，先積分后做差產(chǎn)生解析冗余關(guān)系得到殘差R2。

(18)

3) 殘差R3

MSO3由方程{e3,e4,e5,e8,e11,e13}組成，利用e5產(chǎn)生解析冗余關(guān)系得到殘差R3。

(19)

4) 殘差R4

MSO4由方程{e3,e4,e5,e7,e11,e12,e13}組成，和R3類似，利用e5產(chǎn)生解析冗余關(guān)系得到殘差R4。

(20)

根據(jù)這4組殘差信號(hào)的分析可對(duì)EMCVT進(jìn)行故障診斷，F(xiàn)DI系統(tǒng)工作原理如圖7所示，TCU將采集到的傳感器信號(hào)發(fā)送至FDI系統(tǒng)，通過(guò)預(yù)設(shè)的殘差算法，計(jì)算出4組殘差信號(hào)并輸入殘差觀測(cè)器，判斷殘差信號(hào)是否超過(guò)評(píng)判閾值可知故障是否發(fā)生。每組殘差信號(hào)可檢測(cè)不同的故障，對(duì)比4組殘差信號(hào)就可以檢測(cè)并隔離出故障所在。

2 傳感器故障容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)

傳感器故障容錯(cuò)控制的思想是利用系統(tǒng)不同信號(hào)之間的冗余性重構(gòu)出所需信號(hào)[23]。傳感器的故障容錯(cuò)控制主要有基于模型和基于數(shù)據(jù)的容錯(cuò)控制。本文設(shè)計(jì)的FDI系統(tǒng)是基于模型的故障診斷，故對(duì)傳感器的故障容錯(cuò)控制將基于FDI系統(tǒng)。在故障模型中，當(dāng)故障部件的約束(傳感器方程)被移除后，系統(tǒng)狀態(tài)是可控的，則在此故障下系統(tǒng)是可重構(gòu)的[24-25]，即該故障傳感器測(cè)量的狀態(tài)在故障傳感器移除后，仍然可以通過(guò)其他傳感器觀測(cè)得到。本節(jié)討論在傳感器故障下，通過(guò)重構(gòu)控制，重新獲取系統(tǒng)控制信號(hào)。

圖7 FDI系統(tǒng)工作原理

2.1 控制信號(hào)可重構(gòu)性分析

由1.1節(jié)分析可知，在速比閉環(huán)控制中，ig和ωm是調(diào)速控制的關(guān)鍵信號(hào)，傳感器S1、S2、S3中任何一個(gè)失效都會(huì)影響調(diào)速功能的正常運(yùn)行。圖8是EMCVT的故障模型結(jié)構(gòu)圖，與圖3所示的EMCVT的結(jié)構(gòu)表征圖相對(duì)應(yīng)。在無(wú)故障狀態(tài)下，ig是通過(guò)方程e7、e11、e12計(jì)算得出；ωm直接通過(guò)方程e13得出。為了使故障可檢測(cè)與隔離，添加其余的約束方程。

圖8 無(wú)故障狀態(tài)下模型結(jié)構(gòu)圖

2.1.1EMCVT轉(zhuǎn)速傳感器故障下重構(gòu)性分析

轉(zhuǎn)速傳感器其中一個(gè)出現(xiàn)故障，TCU將會(huì)接收錯(cuò)誤的計(jì)算速比ig。當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器S2故障時(shí)，無(wú)法通過(guò)方程e12得出ns，從模型結(jié)構(gòu)中移除約束方程e12。此時(shí)，利用轉(zhuǎn)速傳感器S1，通過(guò)方程e8,e11可重新獲取當(dāng)前速比ig,ftc2，模型結(jié)構(gòu)如圖9所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器S1故障時(shí)，移除約束方程e11，從結(jié)構(gòu)模型中可知，無(wú)法通過(guò)傳感器S2間接計(jì)算ig，此時(shí)利用轉(zhuǎn)速傳感器S3重新獲取速比ig,ftc1，計(jì)算方程和路線如圖10所示。這種情況下，只有傳感器S3一個(gè)傳感器參與工作，調(diào)速精度必然較低。無(wú)論傳感器S1或S2出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將失去一個(gè)安全冗余且調(diào)速精度會(huì)降低，但仍能保持調(diào)速功能穩(wěn)定運(yùn)行，故在EMCVT轉(zhuǎn)速傳感器故障下的系統(tǒng)是可重構(gòu)的。

圖9 轉(zhuǎn)速傳感器S2故障下重構(gòu)模型

圖10 轉(zhuǎn)速傳感器S1故障下重構(gòu)模型

2.1.2電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器故障下重構(gòu)性分析

傳感器S3出現(xiàn)故障，TCU會(huì)接收錯(cuò)誤的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ωm，將方程e13移除，此時(shí)利用轉(zhuǎn)速傳感器S1,S2通過(guò)方程e3,e4,e5,e7,e11,e12可間接重構(gòu)信號(hào)ωm,ftc，結(jié)構(gòu)模型如圖11所示。這種情況與傳感器S1,S2故障類似，雖然可以計(jì)算出ωm，調(diào)速精度會(huì)降低，但仍能保持調(diào)速功能穩(wěn)定運(yùn)行。故在傳感器S3故障下的系統(tǒng)是可重構(gòu)的。

圖11 傳感器S3故障下重構(gòu)模型

2.2 傳感器容錯(cuò)控制策略

容錯(cuò)控制策略如圖12所示，F(xiàn)DI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障診斷，并將故障標(biāo)志(fault flag，F(xiàn)F)信號(hào)發(fā)送給故障重構(gòu)模塊，若FF信號(hào)滿足故障重構(gòu)的要求，則進(jìn)行2.1節(jié)所述算法進(jìn)行控制信號(hào)重構(gòu)，當(dāng)傳感器S1,S2,S3故障標(biāo)志為非零時(shí)，錯(cuò)誤的控制信號(hào)xi,cal不再作為調(diào)速的依據(jù)，切換為重構(gòu)信號(hào)xi,ftc后傳遞給速比控制模塊。

圖12 傳感器容錯(cuò)控制策略

3 仿真驗(yàn)證

3.1 FDI系統(tǒng)驗(yàn)證

在無(wú)故障狀態(tài)下，各殘差Ri的值均在0附近波動(dòng)。分別在不同時(shí)段內(nèi)注入故障，故障注入類型如表4所示。4組MSO集產(chǎn)生的殘差信號(hào)如圖13所示，在注入故障的時(shí)段內(nèi)，殘差信號(hào)明顯超出閾值，且每組殘差信號(hào)所能診斷的故障和表3所述一致。

表4 故障類型及設(shè)定時(shí)間

3.2 診斷有效性分析

傳感器常見故障通常表現(xiàn)為如下幾類：偏差、增益、短路與斷路故障。對(duì)每種故障進(jìn)行故障注入測(cè)試，驗(yàn)證診斷算法的有效性。

1) 傳感器偏差故障：

yout(t)=yin(t)+Δi

(21)

式中：Δi為偏差常數(shù)。

圖13 MSO集殘差信號(hào)曲線

2) 傳感器增益故障：

yout(t)=ki·yin(t)

(22)

式中：ki為增益系數(shù)。

3) 傳感器短路故障：

yout(t)=0

(23)

短路時(shí)，傳感器輸出值為常量0。

4) 傳感器斷路故障：

yout(t)=Yi

(24)

式中：Yi為傳感器輸出信號(hào)的極值，為常數(shù)。

5) 錐盤位置偏差故障：

xp=xprel+fxp

(25)

6) 電機(jī)電樞電阻故障：

fRm=-Rm

(26)

傳感器發(fā)生故障時(shí)，測(cè)量值與真實(shí)值誤差越大，殘差信號(hào)突變?cè)斤@著，診斷越穩(wěn)定。經(jīng)試驗(yàn)，傳感器發(fā)生增益(ki<0.9或ki>1.1)、短路、斷路故障時(shí)，均能穩(wěn)定診斷出。當(dāng)傳感器發(fā)生很小的偏差故障時(shí)(偏差率<6%)，診斷效果不穩(wěn)定，如圖14所示，在第5 s注入故障，使傳感器S1產(chǎn)生5%的偏差，殘差R2超出閾值，殘差R3在5～12.3 s內(nèi)超出閾值，即在5～12.3 s內(nèi)可以檢測(cè)出偏差故障，但在12.3 s之后無(wú)法檢測(cè)出。當(dāng)偏差率>6%時(shí)，偏差故障檢測(cè)穩(wěn)定。

圖14 傳感器S1信號(hào)5%偏差故障殘差狀態(tài)曲線

當(dāng)實(shí)際速比與目標(biāo)速比穩(wěn)態(tài)控制時(shí)偏差超過(guò)0.2，調(diào)速精度下降，故當(dāng)fxp偏差超過(guò)0.001 4 mm時(shí)認(rèn)為發(fā)生錐盤位置故障，如圖15所示，殘差R3、R4均超出閾值。當(dāng)電機(jī)電樞電阻Rm突變?yōu)?時(shí)，殘差信號(hào)狀態(tài)如圖13所示。故這2種故障能穩(wěn)定診斷。

圖15 速比偏差0.2時(shí)殘差狀態(tài)曲線

3.3 FTC驗(yàn)證

無(wú)任何故障下EMCVT速比和車速狀態(tài)如圖16所示。

圖16 傳感器無(wú)故障下參數(shù)狀態(tài)曲線

3.3.1傳感器S1故障容錯(cuò)控制

轉(zhuǎn)速傳感器S1轉(zhuǎn)速信號(hào)在第7 s時(shí)注入故障，使信號(hào)np呈1.3倍增益，在無(wú)任何容錯(cuò)控制措施下，汽車參數(shù)狀態(tài)如圖17所示，傳遞給速比控制模塊的計(jì)算速比突然增大1.3倍，為使計(jì)算速比跟隨參考速比，導(dǎo)致實(shí)際速比突然降低，最大誤差達(dá)到0.33，故障后的車速也無(wú)法達(dá)到目標(biāo)車速。圖18所示為傳感器S1故障的容錯(cuò)控制結(jié)果，殘差R2,R3,R4信號(hào)超出閾值，F(xiàn)DI系統(tǒng)能準(zhǔn)確診斷出故障。經(jīng)過(guò)一定的故障診斷時(shí)間間隔，本文設(shè)為1 s，第8 s時(shí)FTC對(duì)故障進(jìn)行容錯(cuò)控制，將計(jì)算速比切換至重構(gòu)后的速比ig,ftc1作為調(diào)速的依據(jù)，實(shí)際速比經(jīng)過(guò)短暫的突變后，最終實(shí)現(xiàn)跟隨。

圖17 傳感器S1無(wú)容錯(cuò)控制下參數(shù)狀態(tài)曲線

3.3.2傳感器S2故障容錯(cuò)控制

在第7 s時(shí)，使轉(zhuǎn)速傳感器S2信號(hào)呈1.2倍增益，汽車參數(shù)狀態(tài)如圖19所示，計(jì)算速比突然減小，為使計(jì)算速比跟隨參考速比，導(dǎo)致EMCVT短暫的反向調(diào)速，使應(yīng)逐漸減小的速比突然增大，由于目標(biāo)速比并不是最佳動(dòng)力性參考速比，導(dǎo)致車速超出目標(biāo)車速。容錯(cuò)控制結(jié)果如圖20所示，殘差R2,R4信號(hào)超出閾值，F(xiàn)DI系統(tǒng)能準(zhǔn)確診斷出故障，F(xiàn)TC系統(tǒng)將重構(gòu)后的速比ig,ftc2作為調(diào)速的依據(jù)。

圖18 傳感器S1容錯(cuò)控制下參數(shù)狀態(tài)曲線

圖19 傳感器S2無(wú)容錯(cuò)控制下參數(shù)狀態(tài)曲線

圖20 傳感器S2容錯(cuò)控制下參數(shù)狀態(tài)曲線

3.3.3傳感器S3故障容錯(cuò)控制

在第7 s時(shí)，若調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器S3信號(hào)消失，結(jié)果如圖21所示，導(dǎo)致EMCVT調(diào)速功能紊亂，計(jì)算速比有較小的波動(dòng)，但電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，甚至在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變由正轉(zhuǎn)切換為反轉(zhuǎn)。實(shí)際中，CVT的目標(biāo)速比隨著汽車行駛工況和駕駛員意圖的變化會(huì)頻繁變化，可能引起目標(biāo)速比的突變，圖19(c)、(d)所示為目標(biāo)速比突變的情況，第6 s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)消失，由于缺少電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的反饋，導(dǎo)致速比波動(dòng)大，調(diào)速電機(jī)在正反轉(zhuǎn)之間頻繁切換，極易引起調(diào)速電機(jī)損壞。圖22所示為轉(zhuǎn)速信號(hào)消失下的容錯(cuò)控制結(jié)果，4個(gè)殘差信號(hào)均超出閾值，在第8 s時(shí)重構(gòu)信號(hào)ωm,ftc作為反饋信號(hào)，速比重新得到控制。

圖21 傳感器S3無(wú)容錯(cuò)控制下參數(shù)狀態(tài)曲線

圖22 傳感器S3容錯(cuò)控制下參數(shù)狀態(tài)曲線

4 結(jié)論

結(jié)合EMCVT調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和關(guān)鍵故障，建立了基于Matlab/Simulink的調(diào)速故障模型，采用基于結(jié)構(gòu)分析法的故障診斷理論設(shè)計(jì)FDI系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵故障進(jìn)行可檢測(cè)與隔離性分析，并設(shè)計(jì)4組殘差信號(hào)用于檢測(cè)故障。仿真結(jié)果表明：FDI系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測(cè)和隔離故障所在。

對(duì)EMCVT調(diào)速系統(tǒng)中3個(gè)傳感器故障進(jìn)行FTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)，當(dāng)FDI系統(tǒng)檢測(cè)出傳感器故障時(shí)，F(xiàn)TC系統(tǒng)可根據(jù)不同的故障標(biāo)志進(jìn)行不同的容錯(cuò)控制，對(duì)控制系統(tǒng)關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)獲取，實(shí)現(xiàn)故障線檢測(cè)和傳感器主動(dòng)容錯(cuò)控制。仿真結(jié)果表明：FTC系統(tǒng)在傳感器故障下具有良好的容錯(cuò)控制效果。

診斷系統(tǒng)仿真結(jié)論與理論分析一致，能實(shí)現(xiàn)對(duì)EMCVT關(guān)鍵故障的快速、準(zhǔn)確地診斷，表明該方法可應(yīng)用于EMCVT故障診斷系統(tǒng)，為EMCVT調(diào)速功能安全問(wèn)題提供可行的解決方案，并為今后EMCVT控制軟件符合ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。