汽車主動懸架容錯控制策略研究

于發加

（青島港灣職業技術學院，山東 青島 266404）

前言

隨著汽車工業的快速發展以及人們消費水平的提高，汽車乘坐舒適性、操縱穩定性、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，操縱的穩定性，其傳感器、控制器及執行器在使用過程中容易發生疲勞老化等問題，影響主動懸架的使用特性。傳感器作為主動懸架系統信號測量通道的主要元件，一旦發現故障，都會影響汽車乘坐舒適性和汽車操縱穩定性。

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

1 系統建模

為了便于設計分析，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，再進行后續的研究與分析。

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，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，此時傳感器已經發生故障，從這一時刻開始，r的數值明顯變大，I（t）值也不再那么小或不再為零。為了監控I（t）的數值，引用間隔△t，再給定閾值I0，將這兩者比較：當I（t）＜ I0時，表明傳感器沒有故障；當I（t）≥ I0時，傳感器已經故障，此時可以發出警報。

2.2 基于決策函數的傳感器故障隔離

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

3 主動容錯控制設計

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

3.1 主動容錯控制策略

當實驗所用到的傳感器發生故障時，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。采用加有自適應觀測器后獲取的殘差信息，并與原傳感器所輸出的信號進行結合，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生時的預估值作為輸出信號，輸入到反饋控制器，以便完成主動容錯的控制目標。

3.2 基于傳感器信號重構的主動容錯控制

利用公式（14）估計值，可以將故障信號進行重構，重構信號為：

式中，Yr——重構之后的信號。

在將傳感器的信號進行重構之后，輸出反饋控制器輸入值為Yr，此時為了實現主動容錯控制。可以將控制輸入設置為：

3.3 主動容錯控制仿真結果與分析

根據實驗需求，取H∞的性能指數γ=0.015后，再利用LMI求得Ga和Gs。在Matlab軟件中建立仿真模塊，設置tr值，同時構建容錯控制系統。

3.4 容錯控制結果與分析

（1）車身垂直加速度故障容錯控制結果與分析

圖2 fault1容錯控制前后性能響應對比

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，

主動懸架動態響應正常工作時，主動容錯控制在時間范圍內其曲線為實線。在出現故障時，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，曲線經過突變之后，其狀態經過t秒時間逐漸開始恢復，最終基本接近于主動懸架動態正常響應狀態。

（2）俯仰角速度故障容錯控制結果與分析

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，

主動懸架動態響應正常工作時，主動容錯控制在時間范圍內其曲線為實線。在出現故障時，俯仰角及角速度響應曲線（圖中虛線）整體發生變化，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，曲線經過突變之后，其狀態經過t秒時間逐漸開始恢復，最終基本接近于主動懸架動態正常響應狀態。

（3）側傾角速度故障容錯控制結果與分析

側傾角速度傳感器處于fault3下，結果如下。

在圖4中，故障時刻tf=1秒開始，側傾角速度傳感器處于fault3情況，主動懸架動態響應正常工作時，主動容錯控制在時間范圍內其曲線為實線。在出現故障時，側傾角響應曲線（圖中虛線）整體發生變化，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，曲線經過突變之后，其狀態經過t秒時間逐漸開始恢復，最終基本接近于主動懸架動態正常響應狀態。

圖4 fault3容錯控制前后性能響應對比

綜上所述，經過主動懸架容錯控制仿真結果分析，盡管在出現傳感器故障時，主動懸架的各個參數曲線處于突變增加的狀態，但是經過主動容錯控制后經過t秒后，各個參數的響應曲線恢復到理想狀態，說明主動容錯控制課題保證主動懸架系統出現故障后迅速恢復理想狀態，使主動懸架保持在良好的工作狀態。

4 結論

采用了信號重構的方式對傳感器的主動容錯進行了設 計，由于當實驗所用到傳感器的發生故障時，傳感器所輸出的信號會與正常情況下的信號有所不同，這就會導致控制器的輸出信號與平時有所不同，當采用加有自適應觀測器后獲取的殘差信息，并與原傳感器所輸出的信號進行結合，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生時的預估值作為輸出信號，輸入到反饋控制器，將故障懸架各項性能水平恢復至與完好性能接近，提高控制效果。