包黎明，鐘孝偉，王乾乾

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

基于UIO的汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)

包黎明，鐘孝偉，王乾乾

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

基于未知擾動(dòng)輸入觀測(cè)器對(duì)汽車主動(dòng)懸架車身垂直位移，車身垂直速度，非簧載質(zhì)量垂直位移和非簧載質(zhì)量垂直速度狀態(tài)量進(jìn)行估計(jì)，殘差理論對(duì)汽車主動(dòng)懸架作動(dòng)器發(fā)生增益故障時(shí)的控制力補(bǔ)償展開研究。分別建立兩自由度1/4車輛主被動(dòng)懸架模型和故障模型，通過(guò)設(shè)計(jì)未知輸入擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)懸架狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，并通過(guò)故障診斷和檢測(cè)，獲得懸架故障輸出殘差。在此基礎(chǔ)上，基于控制率重組思想，對(duì)LQG控制率實(shí)時(shí)控制力補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)懸架作動(dòng)器的容錯(cuò)控制，并通過(guò)Matlab/Simulink對(duì)控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的觀測(cè)器能很及時(shí)的發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時(shí)刻，而采取的控制力補(bǔ)償能很快使故障懸架恢復(fù)到原來(lái)主動(dòng)懸架性能水平，從而消除了作動(dòng)器故障對(duì)懸架性能的影響，提高了主動(dòng)懸架控制的可靠性。

主動(dòng)懸架；作動(dòng)器；輸出殘差控制；力補(bǔ)償

引言

主動(dòng)懸架能根據(jù)汽車的行駛條件對(duì)懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使懸架系統(tǒng)始終處于最佳減震狀態(tài)。目前，對(duì)主動(dòng)懸架控制的研究大部分是基于執(zhí)行器（作動(dòng)器）和傳感器完好無(wú)故障時(shí)設(shè)計(jì)的，一旦傳感器或作動(dòng)器出現(xiàn)故障，之前在完好情況下設(shè)計(jì)的控制器將出現(xiàn)誤控制，懸架系統(tǒng)將達(dá)不到預(yù)期的效果，影響乘坐舒適性。近年來(lái)，容錯(cuò)控制研究在智能控制領(lǐng)域受到越來(lái)越多的重視[1]，它可以確保在某些部件發(fā)生故障的情況下，系統(tǒng)仍能按原定性能指標(biāo)或性能指標(biāo)略有降低（但可接受），而完全地完成控制任務(wù)。

1 建模與主動(dòng)懸架LQG控制

1.1 1/4車輛模型建立

建立兩自由度1/4車輛懸架動(dòng)力學(xué)模型[3]如圖1所示。

圖1 2自由度1/4車懸架模型

根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，得到運(yùn)動(dòng)微分方程為[4]：

將公式（1）和（2）轉(zhuǎn)換為主動(dòng)懸架空間表達(dá)式：

式中：

1.2 1/4車輛懸架LQG控制率設(shè)計(jì)

對(duì)本主動(dòng)懸架模型采用線性二次型最優(yōu)控制，考慮到汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和降低能耗，選取車身垂直加速和控制輸入u作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用狀態(tài)調(diào)節(jié)器，其指標(biāo)泛：

整理成標(biāo)準(zhǔn)二次型形式：

式中q1、q2、q3、q4為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)。在Matlab中調(diào)用LQG工具箱，求出控制率，K即為所求的最優(yōu)反饋控制率，改變 q1、q2、q3、q4的值，反復(fù)調(diào)試，直到出現(xiàn)良好的控制效果，q1=2×107，q2=2×103，q3=106，q4=4。

在Matlab中搭建車輛模型，對(duì)設(shè)計(jì)的LQG控制器進(jìn)行仿真驗(yàn)證，由仿真結(jié)果可知，在懸架無(wú)故障時(shí)采用 LQG控制能夠大大降低車身垂直加速度，但犧牲了一部分輪胎動(dòng)行程。

2 主動(dòng)懸架作動(dòng)器故障容錯(cuò)控制方法

2.1 故障檢測(cè)方法

發(fā)展至今的故障檢測(cè)方法大致可劃分為基于信號(hào)處理的方法、基于解析模型的方法、基于知識(shí)的方法三大類[5]。而基于解析模型的方法又可分為狀態(tài)估計(jì)方法和參數(shù)估計(jì)方法。其中狀態(tài)估計(jì)方法包括觀測(cè)器方法和濾波器方法，本文采用觀測(cè)器方法。由于懸架存在路面未知干擾輸入的影響，為抑制其對(duì)狀態(tài)觀測(cè)器的影響，設(shè)計(jì)未知輸入擾動(dòng)的觀測(cè)器（Unknown Input Observer，UIO）。因?yàn)樵到y(tǒng)是狀態(tài)完全能觀測(cè)的，所以可設(shè)計(jì)全維狀態(tài)觀測(cè)器，其結(jié)構(gòu)為[6]。

圖4 未知輸入觀測(cè)器結(jié)構(gòu)

其中K=K1+K2，I為適維單位矩陣，H的一個(gè)殊解為[7]

如果（9）式滿足以下條件：

2.2 作動(dòng)器故障在線診斷

當(dāng)作動(dòng)器發(fā)生增益故障時(shí)，根據(jù)所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器得到故障時(shí)殘差：

式中 為積分變量，結(jié)合式（11）與設(shè)計(jì)的觀測(cè)器可得主動(dòng)懸架作動(dòng)器增益估計(jì)值。

2.3 控制力補(bǔ)償方法

控制力補(bǔ)償是在汽車主動(dòng)懸架作動(dòng)器發(fā)生故障后，不需要改變?cè)鲃?dòng)懸架 LQG控制器結(jié)構(gòu)，只需根據(jù)前面故障檢測(cè)與診斷出的信息對(duì)作動(dòng)器的力進(jìn)行補(bǔ)償即可。

無(wú)故障時(shí)汽車主動(dòng)懸架狀態(tài)空間方程為：

無(wú)故障時(shí)作動(dòng)器力輸出為：

而發(fā)生故障增益時(shí)汽車主動(dòng)懸架狀態(tài)方程為[10]：

故障時(shí)作動(dòng)器力輸出為：

3 仿真結(jié)果分析

本文在MATLAB/Simulink中搭建1/4車輛模型，選取汽車主動(dòng)懸架參數(shù)為 m1=576kg，m2=83kg，kt=350000N·m，kf=40000 N·m，cf=1360N·s/ m。利用Matlab/M文件設(shè)計(jì)故障檢測(cè)模型和控制力補(bǔ)償模型，選取 G=-0.001I，分別求得K，T。在懸架無(wú)故障時(shí)得到懸架動(dòng)撓度、車身垂直速度、輪胎動(dòng)行程、非簧載質(zhì)量垂直速度的實(shí)際值與狀態(tài)估計(jì)值如圖6、7、8、9所示。

圖6 車身垂直速度估計(jì)值

圖7 輪胎動(dòng)行程估計(jì)值

圖8 非簧載質(zhì)量垂直速度估計(jì)值

在Matlab/Simulink中人為設(shè)定10s時(shí)作動(dòng)器發(fā)生0.2倍的增益故障，所得的殘差信息和故障增益估計(jì)值分別如圖10-15所示。

圖9 作動(dòng)器0.2倍故障增益估計(jì)值

圖10 車身垂直加速度殘差

圖11 懸架動(dòng)撓度殘差

圖12 輪胎動(dòng)行程殘差

完好無(wú)故障時(shí)懸架采用 LQG控制器與被動(dòng)懸架車身垂直加速度、懸架動(dòng)撓度、輪胎動(dòng)行程對(duì)比分別如圖所示。

圖13 容錯(cuò)控制車身垂直加速度對(duì)比

圖14 容錯(cuò)控制懸架動(dòng)撓度對(duì)比

圖15 容錯(cuò)控制輪胎動(dòng)行程對(duì)比

4 結(jié)論

采用濾波白噪聲路面輸入作為懸架的擾動(dòng)輸入與實(shí)際路面狀況相接近，所設(shè)計(jì)的UIO觀測(cè)器能夠很好的抑制路面輸入的干擾，對(duì)懸架系統(tǒng)的狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)。在所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的故障檢測(cè)與診斷能夠及時(shí)準(zhǔn)確的判斷出發(fā)生故障的時(shí)間與類型，為后面作動(dòng)器力進(jìn)行補(bǔ)償提供了信息?；谥鲃?dòng)懸架作動(dòng)器故障的容錯(cuò)控制能夠很好的提高懸架的乘坐舒適性，滿足汽車更加安全、舒適的發(fā)展趨勢(shì)。

[1] 沈啟坤.基于自適應(yīng)控制技術(shù)的故障診斷與容錯(cuò)控制研究[D].南京航空航天大學(xué),2015.

[2] 聞新,張洪鉞,周露. 控制系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[3] Crolla D,喻凡.車輛動(dòng)力學(xué)及其控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4] 喻凡,林逸.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[5] 控制系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)控制的分析和設(shè)計(jì)[M].國(guó)防工業(yè)出版社.

[6] Zhou Kemin,Ren Zhang,Wang Wei.On the design of unknown input observers and fault detection filters[C] // Proceedings of the 6th World Congress on Intelligent Control and Automation, Dalian,China,2006:5 638～5 642.

[7] Zhou Kemin,Ren Zhang,Wang Wei.On the design of unknown input observers and fault detection filters[C]//Proceedings of the 6th World Congress on Intelligent Control and AutomationAACC.

Vehicle active suspension system based on UIO state estimation

Bao Liming, Zhong Xiaowei, Wang Gangan
( Cars and traffic engineering of liaoning university of technology college, Liaoning Jinzhou 121000 )

Based on the idea of control law reorganization, the actuator of active suspension actuator is compensated. The 2-DOF model and the fault suspension model are established. The suspension state is estimated by designing an unknown input disturbance observer, and the fault output is obtained by fault diagnosis and detection. The fault-tolerant control of the active suspension actuator is realized by designing the fault-tolerant control of the LQG control law based on the control law reconfiguration. Matlab / Simulink simulation results show that the design of the observer can be very timely detection of the time of fault,control force compensation can quickly restore the original suspension to the original performance level, thus eliminating the actuator fault on the suspension performance Thereby improving the riding comfort of the suspension.

Active suspension; Actuator; Fault-tolerant control; Actuator force compensation Simulation verification

U463.9

A

1671-7988(2017)22-23-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.008

包黎明，就讀于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院。

CLC NO.:U463.9

A

1671-7988(2017)22-23-04