主動懸架自適應容錯滑?？刂蒲芯?/h1>
2024-04-12 00:00:00趙培通
汽車與駕駛維修(維修版) 2024年2期
摘要：為提高主動懸架系統(tǒng)的控制可靠性，針對主動懸架作動器故障對懸架系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，本文提出了一種自適應容錯滑?？刂扑惴?。首先，搭建了1/4 主動懸架模型與理想天棚參考模型；然后在分析主動懸架系統(tǒng)作動器故障類型后，構(gòu)建了作動器恒增益故障模型；并在滑模控制算法的基礎(chǔ)上結(jié)合自適應控制理論設(shè)計了自適應容錯滑模控制算法；最后在Simulink 中搭建系統(tǒng)仿真模型，選取傳統(tǒng)滑模控制器作為對照進行了仿真驗證。由仿真結(jié)果可知，在作動器發(fā)生故障時，相比傳統(tǒng)滑?？刂扑惴?，本文所設(shè)計的控制器提高了懸架系統(tǒng)的魯棒性能和車輛的乘坐舒適性，從而確保了汽車的行駛安全性。
關(guān)鍵詞：主動懸架；自適應容錯滑?？刂?；作動器故障；恒增益故障模型
中圖分類號： U461.6 文獻標識碼：A
0 引言
車輛主動懸架一般由傳感器、作動器、控制器及動力源組成[1]。由于車輛主動懸架可通過作動器產(chǎn)生的作動力降低路面輸入激勵對平順性和操穩(wěn)性的影響，因而受到廣泛關(guān)注[2]。目前在主動懸架各元器件狀態(tài)完好前提下的控制算法研究已相對成熟，但在車輛實際使用過程中，某些元器件由于長期使用或運行環(huán)境惡劣難免會出現(xiàn)故障[3]。作動器作為主動懸架的最核心部件，其是否存在故障會直接影響主動懸架系統(tǒng)的主要控制性能，因而研究主動懸架系統(tǒng)的作動器容錯控制具有重要的理論價值和應用前景。
目前，主動懸架容錯控制主要分為主動容錯控制和被動容錯控制[4]。楊柳青等以實現(xiàn)主動懸架容錯控制為目標，設(shè)計了一種基于H 2/H ∞的最優(yōu)控制器，解決了作動器故障等問題[5]。王榮蓉等考慮作動器故障，針對整車主動懸架設(shè)計一種考慮有限頻率約束的H ∞魯棒容錯控制器，提高了車輛的乘坐舒適性和操縱性[6]。文獻[7] 將執(zhí)行器故障建模為由齊次馬爾可夫鏈控制的隨機變量，設(shè)計了一種H ∞容錯控制器。高振剛等針對作動器故障，提出了一種基于故障補償思想的主動懸架容錯控制算法，提高了車輛的控制可靠性[8]?？馨l(fā)榮等以實現(xiàn)電磁混合懸架作動器主動容錯控制功能為目的，采用未知輸入觀測器獲取狀態(tài)觀測值對懸架進行故障診斷，同時采用LQG 控制器對懸架系統(tǒng)進行力補償，提高了主動懸架系統(tǒng)的魯棒性[9]。孫晉偉等設(shè)計了主動懸架二階滑?？刂扑惴ǎ^傳統(tǒng)H ∞算法更有效地提升了懸架系統(tǒng)的可靠性[10]。
在主動懸架作動器故障發(fā)生時，為了保障行駛過程中懸架系統(tǒng)的控制可靠性，本文提出了一種自適應容錯滑?？刂破?，使其對故障不敏感。首先建立了1/4 主動懸架系統(tǒng)模型與理想天棚參考模型，針對作動器失效后所產(chǎn)生的增益故障，搭建了作動器恒增益故障模型，在滑?？刂扑惴ǖ幕A(chǔ)上，本文結(jié)合自適應控制理論設(shè)計了自適應容錯滑模控制器，并通過仿真試驗驗證了所設(shè)計控制器的有效性。
1 懸架動力學模型
1.1 1/4 主動懸架建模
車輛1/4 模型描述了單個等效車輪的垂向運動，它可以簡化為包含一個作動器和被動懸架組件的二自由度1/4 主動懸架模型（圖1）。由于本文旨在分析懸架執(zhí)行器故障后的垂向動力學性能，因而選用1/4 主動懸架模型作為被控對象進行分析。由牛頓第二定律可知，可建立二自由度1/4 主動懸架的運動方程。
式中：m 1 為簧上質(zhì)量；m 2 為簧下質(zhì)量；z 1 為簧上質(zhì)量相對于平衡位置的位移；z 2 為簧上質(zhì)量相對于平衡位置的位移；q 為路面的激勵位移；ks 為懸架等效彈簧剛度；cs 為等效阻尼系數(shù)；kt 為輪胎的等效垂向剛度系數(shù)；u 為作動器輸出的補償力。
圖3 為故障1 時的滑模控制與自適應容錯滑?？刂聘?，理想天棚參考模型的簧上位移響應曲線。由圖3 可知，在作動器無故障時，兩種控制算法都能對理想天棚參考模型簧上位移實現(xiàn)較好的跟蹤。
圖4 為故障2 時兩種控制器跟蹤的簧上位移響應曲線。由圖4 可知，在作動器故障發(fā)生后滑模控制器跟蹤的簧上位移數(shù)值抖動劇烈，跟蹤理想天棚參考模型效果較差；而自適應容錯滑?？刂破鹘?jīng)過約2.5 s 后恢復至無故障時的跟蹤效果，體現(xiàn)了較好的魯棒性。
圖5 為故障1 時的車身垂向加速度響應曲線。由圖5 可知，兩種控制算法控制下主動懸架車身垂向加速度響應曲線接近，因而在作動器無故障時兩種控制算法控制效果大致相同。
圖6 為故障2 時的車身垂向加速度響應曲線。從圖5 中可以看出，在4 s 后作動器出現(xiàn)故障。相較于傳統(tǒng)滑?？刂疲渲糜凶赃m應滑模容錯控制器的主動懸架車身垂向加速度響應曲線幅值更小，魯棒性能更好，提高了懸架系統(tǒng)的控制可靠性。
故障1 與故障2 情況下，主動懸架車身垂向加速度均方根值如表2 所示。在故障1 時，作動器無故障，兩種控制算法控制下車輛垂向加速度均方根值相同；在故障2 時，作動器發(fā)生故障時，配置有自適應容錯滑?？刂破鞯闹鲃討壹芟噍^于傳統(tǒng)滑模控制，其車身垂向加速度均方值降低了11.1%，很好地改善了車輛乘坐舒適性，懸架系統(tǒng)魯棒性能更好，驗證了其容錯性能的有效性。
4 結(jié)束語
本文以1/4 主動懸架模型作為研究對象，針對主動懸架作動器故障對主動懸架系統(tǒng)控制可靠性的影響，設(shè)計了一種自適應容錯滑模控制器，使主動懸架系統(tǒng)對作動器故障不敏感，提高了主動懸架系統(tǒng)的魯棒性能。為了對所設(shè)計的控制器的有效性進行驗證，在Simulink 中搭建了1/4 主動懸架系統(tǒng)仿真模型，選取B級仿真路面激勵進行了仿真驗證。仿真研究結(jié)果表明，在作動器無故障時，所設(shè)計的控制器與跟蹤理想天棚控制的滑?？刂破骺刂菩Ч笾孪嗤?。但在作動器發(fā)生故障后，對比傳統(tǒng)滑?？刂扑惴?，所提出的自適應容錯滑模控制器的魯棒性能更好，有效地改善了車輛的乘坐舒適性和主動懸架系統(tǒng)的控制可靠性。
【參考文獻】
[1] 霍東東. 油氣懸架主動控制與狀態(tài)估計研究[D]. 北京： 北京理工大學，2015.
[2] 陳學文， 張衍成， 李萍， 等. 汽車主動懸架自適應模糊PID 控制研究[J]. 機械設(shè)計與制造，2014（02）：153-156.
[3] 李德倉， 彭偉堯， 胥如迅， 等. 高速列車主動懸架滑模容錯控制器設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程，2022，（09）：40-47.
[4] 劉樹博， 周煥銀， 羅先喜， 等. 主動懸架非線性滑模容錯控制研究[J]. 東華理工大學學報（ 自然科學版），2016，39（03）：293-297.
[5] 楊柳青， 陳無畏， 汪洪波. 基于H_2/H_ ∞控制的汽車主動懸架最優(yōu)魯棒容錯控制[J]. 中國機械工程，2012，23（24）：3013-3019.
[6] Rongrong Wang，Hui Jing，Hamid Reza Karimi， et al. Robust faulttolerantH ∞ control of active suspension systems with finitefrequencyconstraint[J]．Mechanical systems and signal processing，2015，62-63（10）：341-355.
[7] H Li，H Gao，H Liu，M Liu．Fault-tolerant H_ ∞ control for activesuspension vehicle systems with actuator faults[J]．Proceedings ofthe Institution of Mechanical Engineers，2012，226（3）：348-363.
[8] 高振剛， 李曉雪， 曹宇等. 基于作動器故障估計的汽車主動懸架容錯控制研究[J]. 內(nèi)蒙古大學學報（ 自然科學版），2016，47（05）：533-541.
[9] 寇發(fā)榮， 武江浩， 許家楠等. 整車電磁混合主動懸架故障診斷與容錯控制研究[J]. 振動與沖擊，2022，41（04）：101-109.
[10] 孫晉偉， 劉秋， 顧亮. 主動懸架的二階滑模容錯控制研究[J]. 機械科學與技術(shù)，2021，40（09）：1370-1377.
作者簡介：
趙培通，碩士研究生在讀，研究方向為汽車底盤電子控制技術(shù)。
摘要：為提高主動懸架系統(tǒng)的控制可靠性，針對主動懸架作動器故障對懸架系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，本文提出了一種自適應容錯滑?？刂扑惴?。首先，搭建了1/4 主動懸架模型與理想天棚參考模型；然后在分析主動懸架系統(tǒng)作動器故障類型后，構(gòu)建了作動器恒增益故障模型；并在滑模控制算法的基礎(chǔ)上結(jié)合自適應控制理論設(shè)計了自適應容錯滑模控制算法；最后在Simulink 中搭建系統(tǒng)仿真模型，選取傳統(tǒng)滑模控制器作為對照進行了仿真驗證。由仿真結(jié)果可知，在作動器發(fā)生故障時，相比傳統(tǒng)滑?？刂扑惴?，本文所設(shè)計的控制器提高了懸架系統(tǒng)的魯棒性能和車輛的乘坐舒適性，從而確保了汽車的行駛安全性。
關(guān)鍵詞：主動懸架；自適應容錯滑?？刂?；作動器故障；恒增益故障模型
中圖分類號： U461.6 文獻標識碼：A
0 引言
車輛主動懸架一般由傳感器、作動器、控制器及動力源組成[1]。由于車輛主動懸架可通過作動器產(chǎn)生的作動力降低路面輸入激勵對平順性和操穩(wěn)性的影響，因而受到廣泛關(guān)注[2]。目前在主動懸架各元器件狀態(tài)完好前提下的控制算法研究已相對成熟，但在車輛實際使用過程中，某些元器件由于長期使用或運行環(huán)境惡劣難免會出現(xiàn)故障[3]。作動器作為主動懸架的最核心部件，其是否存在故障會直接影響主動懸架系統(tǒng)的主要控制性能，因而研究主動懸架系統(tǒng)的作動器容錯控制具有重要的理論價值和應用前景。
目前，主動懸架容錯控制主要分為主動容錯控制和被動容錯控制[4]。楊柳青等以實現(xiàn)主動懸架容錯控制為目標，設(shè)計了一種基于H 2/H ∞的最優(yōu)控制器，解決了作動器故障等問題[5]。王榮蓉等考慮作動器故障，針對整車主動懸架設(shè)計一種考慮有限頻率約束的H ∞魯棒容錯控制器，提高了車輛的乘坐舒適性和操縱性[6]。文獻[7] 將執(zhí)行器故障建模為由齊次馬爾可夫鏈控制的隨機變量，設(shè)計了一種H ∞容錯控制器。高振剛等針對作動器故障，提出了一種基于故障補償思想的主動懸架容錯控制算法，提高了車輛的控制可靠性[8]?？馨l(fā)榮等以實現(xiàn)電磁混合懸架作動器主動容錯控制功能為目的，采用未知輸入觀測器獲取狀態(tài)觀測值對懸架進行故障診斷，同時采用LQG 控制器對懸架系統(tǒng)進行力補償，提高了主動懸架系統(tǒng)的魯棒性[9]。孫晉偉等設(shè)計了主動懸架二階滑?？刂扑惴ǎ^傳統(tǒng)H ∞算法更有效地提升了懸架系統(tǒng)的可靠性[10]。
在主動懸架作動器故障發(fā)生時，為了保障行駛過程中懸架系統(tǒng)的控制可靠性，本文提出了一種自適應容錯滑?？刂破?，使其對故障不敏感。首先建立了1/4 主動懸架系統(tǒng)模型與理想天棚參考模型，針對作動器失效后所產(chǎn)生的增益故障，搭建了作動器恒增益故障模型，在滑?？刂扑惴ǖ幕A(chǔ)上，本文結(jié)合自適應控制理論設(shè)計了自適應容錯滑模控制器，并通過仿真試驗驗證了所設(shè)計控制器的有效性。
1 懸架動力學模型
1.1 1/4 主動懸架建模
車輛1/4 模型描述了單個等效車輪的垂向運動，它可以簡化為包含一個作動器和被動懸架組件的二自由度1/4 主動懸架模型（圖1）。由于本文旨在分析懸架執(zhí)行器故障后的垂向動力學性能，因而選用1/4 主動懸架模型作為被控對象進行分析。由牛頓第二定律可知，可建立二自由度1/4 主動懸架的運動方程。
式中：m 1 為簧上質(zhì)量；m 2 為簧下質(zhì)量；z 1 為簧上質(zhì)量相對于平衡位置的位移；z 2 為簧上質(zhì)量相對于平衡位置的位移；q 為路面的激勵位移；ks 為懸架等效彈簧剛度；cs 為等效阻尼系數(shù)；kt 為輪胎的等效垂向剛度系數(shù)；u 為作動器輸出的補償力。
圖3 為故障1 時的滑模控制與自適應容錯滑?？刂聘?，理想天棚參考模型的簧上位移響應曲線。由圖3 可知，在作動器無故障時，兩種控制算法都能對理想天棚參考模型簧上位移實現(xiàn)較好的跟蹤。
圖4 為故障2 時兩種控制器跟蹤的簧上位移響應曲線。由圖4 可知，在作動器故障發(fā)生后滑模控制器跟蹤的簧上位移數(shù)值抖動劇烈，跟蹤理想天棚參考模型效果較差；而自適應容錯滑?？刂破鹘?jīng)過約2.5 s 后恢復至無故障時的跟蹤效果，體現(xiàn)了較好的魯棒性。
圖5 為故障1 時的車身垂向加速度響應曲線。由圖5 可知，兩種控制算法控制下主動懸架車身垂向加速度響應曲線接近，因而在作動器無故障時兩種控制算法控制效果大致相同。
圖6 為故障2 時的車身垂向加速度響應曲線。從圖5 中可以看出，在4 s 后作動器出現(xiàn)故障。相較于傳統(tǒng)滑?？刂疲渲糜凶赃m應滑模容錯控制器的主動懸架車身垂向加速度響應曲線幅值更小，魯棒性能更好，提高了懸架系統(tǒng)的控制可靠性。
故障1 與故障2 情況下，主動懸架車身垂向加速度均方根值如表2 所示。在故障1 時，作動器無故障，兩種控制算法控制下車輛垂向加速度均方根值相同；在故障2 時，作動器發(fā)生故障時，配置有自適應容錯滑?？刂破鞯闹鲃討壹芟噍^于傳統(tǒng)滑模控制，其車身垂向加速度均方值降低了11.1%，很好地改善了車輛乘坐舒適性，懸架系統(tǒng)魯棒性能更好，驗證了其容錯性能的有效性。
4 結(jié)束語
本文以1/4 主動懸架模型作為研究對象，針對主動懸架作動器故障對主動懸架系統(tǒng)控制可靠性的影響，設(shè)計了一種自適應容錯滑模控制器，使主動懸架系統(tǒng)對作動器故障不敏感，提高了主動懸架系統(tǒng)的魯棒性能。為了對所設(shè)計的控制器的有效性進行驗證，在Simulink 中搭建了1/4 主動懸架系統(tǒng)仿真模型，選取B級仿真路面激勵進行了仿真驗證。仿真研究結(jié)果表明，在作動器無故障時，所設(shè)計的控制器與跟蹤理想天棚控制的滑?？刂破骺刂菩Ч笾孪嗤?。但在作動器發(fā)生故障后，對比傳統(tǒng)滑?？刂扑惴?，所提出的自適應容錯滑模控制器的魯棒性能更好，有效地改善了車輛的乘坐舒適性和主動懸架系統(tǒng)的控制可靠性。
【參考文獻】
[1] 霍東東. 油氣懸架主動控制與狀態(tài)估計研究[D]. 北京： 北京理工大學，2015.
[2] 陳學文， 張衍成， 李萍， 等. 汽車主動懸架自適應模糊PID 控制研究[J]. 機械設(shè)計與制造，2014（02）：153-156.
[3] 李德倉， 彭偉堯， 胥如迅， 等. 高速列車主動懸架滑模容錯控制器設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程，2022，（09）：40-47.
[4] 劉樹博， 周煥銀， 羅先喜， 等. 主動懸架非線性滑模容錯控制研究[J]. 東華理工大學學報（ 自然科學版），2016，39（03）：293-297.
[5] 楊柳青， 陳無畏， 汪洪波. 基于H_2/H_ ∞控制的汽車主動懸架最優(yōu)魯棒容錯控制[J]. 中國機械工程，2012，23（24）：3013-3019.
[6] Rongrong Wang，Hui Jing，Hamid Reza Karimi， et al. Robust faulttolerantH ∞ control of active suspension systems with finitefrequencyconstraint[J]．Mechanical systems and signal processing，2015，62-63（10）：341-355.
[7] H Li，H Gao，H Liu，M Liu．Fault-tolerant H_ ∞ control for activesuspension vehicle systems with actuator faults[J]．Proceedings ofthe Institution of Mechanical Engineers，2012，226（3）：348-363.
[8] 高振剛， 李曉雪， 曹宇等. 基于作動器故障估計的汽車主動懸架容錯控制研究[J]. 內(nèi)蒙古大學學報（ 自然科學版），2016，47（05）：533-541.
[9] 寇發(fā)榮， 武江浩， 許家楠等. 整車電磁混合主動懸架故障診斷與容錯控制研究[J]. 振動與沖擊，2022，41（04）：101-109.
[10] 孫晉偉， 劉秋， 顧亮. 主動懸架的二階滑模容錯控制研究[J]. 機械科學與技術(shù)，2021，40（09）：1370-1377.
作者簡介：
趙培通，碩士研究生在讀，研究方向為汽車底盤電子控制技術(shù)。
