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汽车主动悬架容错控制策略研究

杨柳青  
【摘要】:随着汽车工业技术发展和人们消费水平提高,汽车乘坐舒适性、操纵稳定性、使用可靠性及安全性越来越被人们所重视。汽车主动悬架由汽车悬架、传感器、控制器和作动器组成。采用主动控制能明显改善其性能,提高汽车乘坐舒适性、汽车操纵稳定性等性能。但在汽车主动悬架系统中,元器件使用时间增加、老化、疲劳等原因,将导致系统参数发生微小变化,导致系统出现参数不确定性,影响系统控制鲁棒性。传感器作为主动悬架系统信号测量通道主要元件、作动器作为主动悬架系统控制输入通道主要元件,一旦出现故障,都将造成完好无故障情况下设计的控制器误控制,甚至出现控制效果部分或完全丧失,原预期控制效果无法达到。再者,若控制单元发生故障,主动悬架系统将出现紊乱现象。这些既影响汽车乘坐舒适性,也影响汽车操纵稳定性、使用可靠性和品质。 本文以汽车主动悬架为研究对象,结合当前汽车主动悬架控制均基于元部件完好无故障进行研究而存在的不足或缺陷,基于容错控制理论,以汽车主动悬架控制可靠性和使用品质提高、悬架设计方法优化为目标,针对汽车主动悬架传感器故障和作动器故障进行故障检测、诊断与隔离技术研究,针对带有故障的汽车主动悬架进行容错控制策略研究。主要包括以下内容: (1)全面、深入分析汽车主动悬架作动器故障和传感器故障情况,建立作动器故障模型和传感器故障模型。结合汽车主动悬架模型分别建立传感器故障时故障悬架模型、作动器故障时故障悬架模型及悬架系统参数摄动和作动器故障同时存在时的故障悬架模型。 (2)针对汽车主动悬架作动器故障,基于残差信息的方法研究汽车主动悬架系统故障检测、诊断与隔离技术。针对汽车主动悬架传感器故障,首先基于残差信息的方法研究故障检测、诊断与隔离技术。然后基于Kalman滤波器组对传感器故障进行定量化检测与隔离研究。 (3)考虑汽车主动悬架7自由度整车系统同时存在参数摄动和作动器故障情况,运用线性矩阵不等式方法推导和设计最优鲁棒容错控制器。运用所设计的最优鲁棒容错控制器对故障悬架进行被动容错控制研究。分别在正常H_2/H_∞控制器和最优鲁棒容错控制器控制下,既对完好无故障主动悬架7自由度整车进行性能控制对比研究,也对故障悬架进行性能控制对比研究。 (4)针对输出反馈控制的汽车主动悬架7自由度整车出现传感器故障情况,利用自适应理论和线性矩阵不等式方法推导设计传感器故障估计系统。研究汽车主动悬架传感器各类常见故障估计问题。在传感器故障估计系统设计和故障估计基础上,基于信号重构方法对出现传感器故障的汽车故障悬架进行主动容错控制研究。对主动控制下的完好无故障汽车主动悬架与主动容错控制下的故障悬架性能进行仿真对比研究。 (5)针对作动器出现故障的汽车主动悬架7自由度整车,设计一种对路面干扰输入具有干扰抑制作用的鲁棒观测器。通过鲁棒观测器获得汽车主动悬架输出残差实现作动器故障检测与在线辨识研究。在此基础上,基于控制律重组方法设计主动容错控制律,并对作动器出现故障的故障悬架进行主动容错控制研究。也对主动控制下的完好无故障汽车主动悬架与主动容错控制下的故障悬架的性能进行仿真对比研究。 (6)为验证主动容错控制理论研究成果,构建汽车半主动悬架1/4车试验台架。通过试验获取电磁阀式阻尼可调减振器力—速度特性关系数据。在这一试验数据基础上,针对汽车半主动悬架作动器故障情况,基于LabView进行硬件在环主动容错控制试验研究。硬件在环试验中,既对完好无故障汽车半主动悬架进行主动控制试验,也对出现作动器故障的故障悬架进行主动容错控制试验。对主动控制下的完好无故障汽车半主动悬架与主动容错控制下的故障悬架性能进行对比研究。 (7)最后,对全文研究工作与研究成果进行总结。结合研究实践,对下一步深入研究提出研究方向和建议。


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