楊柳青,陳無(wú)畏
(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,合肥 230009;2.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)械工程系,合肥 230051)
汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)(active suspension system,ASS)由汽車懸架、傳感器、控制器和作動(dòng)器組成。目前,建立在各元器件完好無(wú)故障基礎(chǔ)上的主動(dòng)懸架控制研究能明顯改善被動(dòng)懸架系統(tǒng)(passive suspension system,PSS)性能[1-3]。但由于元器件使用時(shí)間延長(zhǎng)和老化等原因,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中傳感器或作動(dòng)器出現(xiàn)故障,造成按完好情況設(shè)計(jì)的控制器誤控制,達(dá)不到預(yù)期控制效果,甚至使控制效果部分或全部喪失,影響汽車乘坐舒適性。而容錯(cuò)控制(fault tolerant control,F(xiàn)TC)在系統(tǒng)部件發(fā)生故障時(shí)仍能維持系統(tǒng)性能或?qū)⑿阅芫S持在可接受范圍內(nèi)。
文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中基于作動(dòng)器和傳感器完好分別對(duì)半車懸架和整車懸架進(jìn)行輸出反饋H∞控制。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]中針對(duì)作動(dòng)器故障利用觀測(cè)器進(jìn)行故障診斷,通過(guò)控制器重構(gòu)設(shè)計(jì)研究汽車懸架容錯(cuò)控制。文獻(xiàn)[8]中針對(duì)汽車液壓主動(dòng)懸架傳感器故障基于滑模控制技術(shù)在容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)方面作了些嘗試。但對(duì)于不改變主動(dòng)懸架控制器結(jié)構(gòu),而通過(guò)傳感器信號(hào)重構(gòu)方法對(duì)汽車主動(dòng)懸架故障進(jìn)行主動(dòng)容錯(cuò)控制,尚鮮有文獻(xiàn)涉及。
據(jù)此,本文中采用主動(dòng)懸架7自由度整車模型,充分考慮傳感器常見(jiàn)的增益變化、恒偏差、卡死和輸出飽和等故障,建立故障懸架(fault active suspension system,F(xiàn)ASS)模型。運(yùn)用線性矩陣不等式(LMI)法設(shè)計(jì)基于自適應(yīng)技術(shù)的觀測(cè)器和故障估計(jì)系統(tǒng)。通過(guò)估計(jì)傳感器故障和重構(gòu)故障傳感器信號(hào),實(shí)現(xiàn)汽車主動(dòng)懸架主動(dòng)容錯(cuò)控制。在主動(dòng)懸架采用輸出反饋H∞控制基礎(chǔ)上,對(duì)車身垂向加速度傳感器出現(xiàn)的多種故障情況于Matlab/Simulink環(huán)境中進(jìn)行故障估計(jì)與容錯(cuò)控制的仿真,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。
考慮車身垂向、俯仰、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)和前后非簧載質(zhì)量垂向運(yùn)動(dòng),建立主動(dòng)懸架7自由度整車動(dòng)力學(xué)模型[9-10],如圖1 所示。
車身垂向、俯仰、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)方程分別為
式中:ms為車身質(zhì)量;xs為車身質(zhì)心垂向位移;F1、F2、F3、F4分別為車身左前、右前、左后、右后懸掛點(diǎn)的受力;Ip為車身俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;θ為俯仰角;a、b分別為車身質(zhì)心到前、后軸距離;Ir為車身側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;φ為側(cè)傾角;d為前后軸輪距。
非簧載質(zhì)量垂向運(yùn)動(dòng)方程為
式中:mui為非簧載質(zhì)量;xui為非簧載質(zhì)量垂向位移;kti為輪胎剛度;xgi為路面垂向高度變化量;ci為阻尼系數(shù);ki為懸架剛度;xsi為車身懸掛點(diǎn)垂向位移;ui為作動(dòng)器控制輸出力;下標(biāo) i取1,2,3,4,分別代表車身左前、右前、左后、右后懸掛點(diǎn)位置。
路面輸入運(yùn)動(dòng)方程采用濾波白噪聲模型[11],即
式中:wi是均值為零高斯白噪聲輸入;v為車速;G0為路面不平度系數(shù);f0為下截止頻率;下標(biāo)i取1,2,3,4,分別代表左前、右前、左后、右后輪胎位置。
式中:A為14×14維矩陣;B1為14×4維矩陣;B2為14×4維矩陣;C為11×14維矩陣;Cy為3×14維矩陣;D1為11×4維矩陣;D2為11×4維矩陣;Dy為3×4維矩陣。
汽車主動(dòng)懸架量測(cè)輸出利用車身垂向加速度、俯仰角速度和側(cè)傾角速度傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量。常見(jiàn)傳感器故障行為有卡死、增益變化和恒偏差3種[12]。當(dāng)?shù)趈個(gè)傳感器發(fā)生此類故障時(shí),對(duì)應(yīng)量測(cè)輸出為
式中:yj、yjf分別為第j個(gè)傳感器完好輸出和故障輸出;Δj為反映第j個(gè)傳感器增益變化故障程度大小的故障增益;αj為第j個(gè)傳感器卡死位置或恒偏差值。j=1,2,3分別代表車身垂向加速度、俯仰角速度和側(cè)傾角速度傳感器。
當(dāng) Δj∈(0,1),αj=0 時(shí),表示傳感器發(fā)生增益變化故障;當(dāng)Δj=1,αj≠0時(shí),表示傳感器發(fā)生恒偏差為 αj故障;當(dāng) Δj=0,αj≠0時(shí),表示傳感器在 yjf=αj處發(fā)生卡死故障(其中傳感器輸出為零的卡死情況本文暫不作考慮);特殊情況是當(dāng)αj為傳感器測(cè)量值最大或最小值時(shí),為傳感器發(fā)生輸出飽和故障。傳感器發(fā)生上述故障時(shí)主動(dòng)懸架系統(tǒng)故障輸出為
故障懸架狀態(tài)空間模型為
對(duì)主動(dòng)懸架7自由度整車系統(tǒng)模型Gm采用加權(quán)輸出反饋H∞控制[4],控制框圖如圖2所示。
設(shè)計(jì)的加權(quán)輸出反饋H∞控制器U=K(s)Y具有如下?tīng)顟B(tài)空間實(shí)現(xiàn):
基于傳感器信號(hào)重構(gòu)的汽車主動(dòng)懸架主動(dòng)容錯(cuò)控制策略框圖如圖3所示。汽車主動(dòng)懸架輸出反饋控制器以量測(cè)輸出傳感器信號(hào)作為輸入,當(dāng)量測(cè)輸出傳感器發(fā)生相應(yīng)故障時(shí),傳感器故障輸出將偏離完好輸出,發(fā)生異常變化,進(jìn)而導(dǎo)致控制器控制輸出信號(hào)異常,最終影響汽車主動(dòng)懸架目標(biāo)控制效果。通過(guò)基于自適應(yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)的觀測(cè)器獲得汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)輸出殘差r,再利用以輸出殘差為信號(hào)設(shè)計(jì)的懸架故障估計(jì)系統(tǒng),估計(jì)出量測(cè)輸出傳感器故障信號(hào),利用故障傳感器故障估計(jì)值和故障輸出共同重構(gòu)量測(cè)輸出傳感器信號(hào),以重構(gòu)的量測(cè)輸出傳感器信號(hào)作為輸出反饋控制器的輸入,實(shí)現(xiàn)汽車故障懸架主動(dòng)容錯(cuò)控制目標(biāo),使故障懸架性能恢復(fù)到與完好無(wú)故障懸架性能相接近的水平。
汽車主動(dòng)懸架量測(cè)輸出傳感器發(fā)生相應(yīng)故障時(shí),設(shè)計(jì)如下自適應(yīng)觀測(cè)器[14-15]來(lái)獲得主動(dòng)懸架狀態(tài)和傳感器故障估計(jì)信息:
式中:Ks為學(xué)習(xí)率,是維數(shù)適當(dāng)待設(shè)計(jì)矩陣。取狀態(tài)誤差e=-X,輸出殘差r=-Y,故障誤差ef=-f。從而有
取Lyapunov函數(shù)V=ψTP1ψ,將V求導(dǎo)后代入式(24)得
將懸架干擾輸入w視為擾動(dòng)輸入,參照文獻(xiàn)[15]的方法,引入H∞性能指標(biāo):
以保證性能指標(biāo)J<V(0)且Lyapunov函數(shù)穩(wěn)定。由式(27)有
取 PG=N,QKs=M,有
找到適當(dāng)?shù)腜、Q、N、M矩陣使以上線性矩陣不等式組成立,則滿足性能指標(biāo)J<V(0)且Lyapunov函數(shù)穩(wěn)定。在Matlab中用feasp命令求式(29)線性矩陣不等式組可行解P*、Q*、N*、M*。自適應(yīng)觀測(cè)器增益矩陣G、故障估計(jì)律學(xué)習(xí)率Ks分別為
汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)量測(cè)輸出傳感器發(fā)生相應(yīng)故障時(shí),利用式(21)獲得傳感器故障估計(jì)值,結(jié)合傳感器故障輸出,將故障懸架量測(cè)輸出傳感器信號(hào)重構(gòu)為[16]
式中Yr為故障懸架量測(cè)輸出傳感器的重構(gòu)信號(hào)。
故障懸架傳感器信號(hào)重構(gòu)后,進(jìn)一步將重構(gòu)信號(hào)Yr作為輸出反饋控制器的輸入,實(shí)現(xiàn)故障懸架主動(dòng)容錯(cuò)控制。這種基于輸出傳感器信號(hào)重構(gòu)的主動(dòng)容錯(cuò)控制無(wú)須改變汽車主動(dòng)懸架輸出反饋控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù),仍采用原控制律,利用傳感器重構(gòu)信號(hào)Yr進(jìn)行容錯(cuò)控制??刂戚斎霝?/p>
汽車主動(dòng)懸架模型參數(shù)值如表1所示[17]。汽車以15m/s速度駛過(guò)B級(jí)路面,路面不平度系數(shù)為64×10-6m3,下截止頻率為0.1Hz。選取干擾輸入加權(quán)系數(shù)陣 Sw=diag(0.000 14,0.000 14,0.000 14,0.000 14),控制輸出加權(quán)傳遞函數(shù)陣Wz=diag(1,1,1,1,1,1,1,1,W2,W1,W1),控制輸出加權(quán)系數(shù)陣Sz=diag(25,25,25,25,0.022,0.022,0.022,0.022,6,5,5)。其中,W1、W2分別為旋轉(zhuǎn)方向和垂直方向加權(quán)傳遞函數(shù)[4]:
式中s為拉普拉斯算子。
表1 汽車主動(dòng)懸架模型參數(shù)值
在Matlab/Simulink中實(shí)現(xiàn)良好的汽車主動(dòng)懸架控制。
取H∞性能指數(shù)γ=0.015,利用LMI求得自適應(yīng)觀測(cè)器增益矩陣G和自適應(yīng)故障估計(jì)律學(xué)習(xí)率Ks。在Matlab/Simulink中分別建立主動(dòng)懸架系統(tǒng)、輸出反饋H∞控制器、自適應(yīng)觀測(cè)器、故障估計(jì)系統(tǒng)、傳感器故障和傳感器信號(hào)重構(gòu)等仿真模塊,構(gòu)建汽車主動(dòng)懸架傳感器信號(hào)重構(gòu)容錯(cuò)控制系統(tǒng)。在仿真時(shí)僅考慮單個(gè)傳感器故障,并以車身垂向加速度傳感器為故障對(duì)象,故障1~4具體情況描述見(jiàn)表2。為清晰對(duì)比容錯(cuò)控制前后結(jié)果,在仿真中設(shè)置了容錯(cuò)控制時(shí)刻tr值。
表2 故障具體情況描述
車身垂向加速度傳感器在完好無(wú)故障時(shí)完好輸出y1與故障1~4情況下故障輸出y1f及故障實(shí)際值f1與故障估計(jì)值fe1仿真結(jié)果對(duì)比分別見(jiàn)圖4、圖5、圖6和圖7。
由圖4可見(jiàn):在故障時(shí)刻tf=1s前,車身垂向加速度傳感器完好無(wú)故障,其故障輸出y1f與完好無(wú)故障狀態(tài)時(shí)完好輸出y1相同,自適應(yīng)觀測(cè)器和故障估計(jì)系統(tǒng)能較為準(zhǔn)確地估計(jì)出該傳感器狀態(tài),故障估計(jì)值為0;故障時(shí)刻tf=1s后,車身垂向加速度傳感器處于故障1情況,此時(shí)傳感器故障輸出y1f相對(duì)傳感器完好輸出損失80%;自適應(yīng)觀測(cè)器和故障估計(jì)系統(tǒng)能較為準(zhǔn)確地估計(jì)出傳感器完好輸出和故障輸出間的差值,即故障估計(jì)值,且故障估計(jì)誤差數(shù)值很小,僅為10-3數(shù)量級(jí),即故障估計(jì)值與故障實(shí)際值基本吻合;在容錯(cuò)時(shí)刻tr=5s,故障懸架系統(tǒng)采取輸出傳感器信號(hào)重構(gòu)容錯(cuò)控制后,自適應(yīng)觀測(cè)器和故障估計(jì)系統(tǒng)仍能很好地跟蹤故障信號(hào),對(duì)輸出故障值作出較為準(zhǔn)確的故障估計(jì)。
由圖5可見(jiàn):在車身垂向加速度傳感器發(fā)生故障(時(shí)刻tf=1s)前,自適應(yīng)觀測(cè)器和故障估計(jì)系統(tǒng)較為準(zhǔn)確地估計(jì)出故障估計(jì)值為0;在故障時(shí)刻tf=1s后和容錯(cuò)時(shí)刻tr=2s后,自適應(yīng)觀測(cè)器和故障估計(jì)系統(tǒng)均能較為準(zhǔn)確地估計(jì)出傳感器完好輸出和故障輸出間的故障值,故障估計(jì)誤差數(shù)值很小,也僅為10-3數(shù)量級(jí),故障估計(jì)值與故障實(shí)際值基本一致。
同樣由圖6和圖7可以看出,車身垂向加速度傳感器處于故障3或故障4情況前后和容錯(cuò)控制后,自適應(yīng)觀測(cè)器和故障估計(jì)系統(tǒng)均能很好跟蹤故障信號(hào),能較為準(zhǔn)確地估計(jì)故障值,故障估計(jì)值與故障實(shí)際值基本一致。
以上仿真結(jié)果表明,當(dāng)車身垂向加速度傳感器出現(xiàn)增益變化、恒偏差、卡死和輸出飽和等故障時(shí),基于自適應(yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)的觀測(cè)器和故障估計(jì)系統(tǒng)能較為準(zhǔn)確地估計(jì)出量測(cè)輸出傳感器故障實(shí)際值,且故障估計(jì)誤差的數(shù)量級(jí)很小。
車身垂向加速度、俯仰角速度和側(cè)傾角速度傳感器發(fā)生相應(yīng)故障后,在故障估計(jì)基礎(chǔ)上按照式(32)和式(33)對(duì)量測(cè)輸出進(jìn)行傳感器信號(hào)重構(gòu),仍以表2中所列故障情況分別對(duì)故障懸架進(jìn)行容錯(cuò)控制仿真。
當(dāng)車身垂向加速度傳感器分別處于故障1~4情況時(shí),容錯(cuò)控制下的故障懸架各性能響應(yīng)與完好無(wú)故障汽車主動(dòng)懸架性能響應(yīng)對(duì)比見(jiàn)圖8~圖11。
由圖8可見(jiàn):故障時(shí)刻tf=1s起,車身垂向加速度傳感器處于故障1狀態(tài),故障懸架車身垂向加速度、俯仰角和左前懸動(dòng)撓度響應(yīng)開(kāi)始變差,振幅明顯變大,其峰值分別增加31.2%、40.4%和24.3%,均方根值分別增加38.1%、40.0%和22.7%;但自主動(dòng)容錯(cuò)控制時(shí)刻tr=5s起,基于傳感器信號(hào)重構(gòu)對(duì)故障懸架采取主動(dòng)容錯(cuò)控制,故障懸架上述性能水平經(jīng)0.5~1s短暫時(shí)滯后開(kāi)始逐漸恢復(fù),最終恢復(fù)至與完好無(wú)故障主動(dòng)懸架性能相接近的水平。
由圖9可見(jiàn):故障時(shí)刻tf=1s起,車身垂向加速度傳感器發(fā)生恒偏差故障,處于故障2狀態(tài),其中故障懸架俯仰角受影響最顯著,振幅呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì),左前懸架動(dòng)撓度振幅亦明顯增大,其峰值增加24.3%,均方根值增加73.1%;但自主動(dòng)容錯(cuò)控制時(shí)刻tr=2s起,在容錯(cuò)控制策略下,上述性能響應(yīng)也在經(jīng)4~5.5s的時(shí)滯后開(kāi)始逐漸恢復(fù),最終恢復(fù)至與完好無(wú)故障主動(dòng)懸架性能相接近的水平。
同樣,由圖10和圖11可見(jiàn):車身垂向加速度傳感器分別處于故障3或故障4狀態(tài),主動(dòng)容錯(cuò)控制前各性能響應(yīng)均變差,均方根值與峰值均增大;而在主動(dòng)容錯(cuò)控制時(shí)刻tr=2s后故障懸架性能響應(yīng)經(jīng)短暫時(shí)滯后逐漸恢復(fù)至與完好無(wú)故障主動(dòng)懸架性能相接近的水平。
以上容錯(cuò)控制仿真結(jié)果表明,基于量測(cè)輸出傳感器信號(hào)重構(gòu)的主動(dòng)容錯(cuò)控制策略使故障懸架性能經(jīng)短暫時(shí)滯后得到很好的恢復(fù),提高了主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制的可靠性和控制品質(zhì)。
(1)采用輸出反饋控制的汽車主動(dòng)懸架在傳感器故障影響下,會(huì)使車輛乘坐舒適性變差。視路面輸入為干擾輸入和給定H∞性能指標(biāo)約束情況下,基于自適應(yīng)技術(shù)的觀測(cè)器設(shè)計(jì)和故障估計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可轉(zhuǎn)化成LMI可行解問(wèn)題。
(2)基于傳感器故障估計(jì)值和故障輸出采取的傳感器信號(hào)重構(gòu),因其它完好無(wú)故障傳感器故障估計(jì)值為0,在重構(gòu)過(guò)程中與完好無(wú)故障傳感器完好輸出直接疊加,故無(wú)須對(duì)故障傳感器部位進(jìn)行隔離確認(rèn)。
(3)全面考慮傳感器常見(jiàn)增益變化、恒偏差、卡死和輸出飽和等故障,基于自適應(yīng)技術(shù)的故障估計(jì)系統(tǒng)能很好地跟蹤傳感器故障信號(hào),較為準(zhǔn)確地估計(jì)量測(cè)傳感器故障值,且故障估計(jì)誤差很小,僅為10-3~10-5數(shù)量級(jí)。
(4)基于傳感器故障估計(jì)值和故障輸出可實(shí)現(xiàn)量測(cè)輸出傳感器信號(hào)重構(gòu),且利用傳感器重構(gòu)信號(hào)可實(shí)現(xiàn)汽車故障懸架主動(dòng)容錯(cuò)控制。當(dāng)傳感器發(fā)生常見(jiàn)故障情況時(shí),在基于傳感器信號(hào)重構(gòu)的主動(dòng)容錯(cuò)控制策略下,故障懸架經(jīng)0.5~5.5s時(shí)滯后其各項(xiàng)性能可逐漸恢復(fù)至與完好無(wú)故障汽車主動(dòng)懸架性能相接近的水平,該策略可改善故障懸架的控制效果,提高其控制可靠性和控制品質(zhì)。
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