汽车磁流变半主动悬架故障诊断与容错控制研究

摘要

基于磁流变阻尼器的半主动车辆悬架系统由于具有响应速度快、结构简单、耗能小、安全性好等优点，得到了国内外研究者的广泛关注。基于传统控制理论设计的悬架控制系统如果没有考虑系统潜在的故障，也没有设计故障发生时相应的处理措施，那么在故障发生时其系统性能可能极大降低或失效。为提高汽车磁流变悬架系统的可靠性，需要对汽车磁流变半主动悬架系统进行故障诊断与容错控制研究，该研究具有重要的理论研究意义和工程应用价值。目前关于汽车磁流变悬架故障诊断与容错控制的相关研究较少，在国家科技支撑计划项目的资助下，本文开展了汽车磁流变悬架系统的故障诊断与容错控制问题的理论研究与道路实验。
　　本研究主要内容包括：⑴采用未知输入观测器生成残差对汽车磁流变悬架控制系统执行器或传感器故障进行检测。在建立悬架系统模型与故障模型的基础上，根据所设计观测器结构，推导出观测器系数，并对传感器和执行器各种故障情况（执行器器与传感器输出增益故障、卡死故障、恒偏差故障）进行仿真。结果表明，所设计的观测器可以实现传感器和执行器故障的准确检测，且不依赖于汽车悬架路面激励，具有很强的鲁棒性。⑵采用相关系数法对汽车磁流变悬架控制系统进行故障隔离。根据系统残差与执行器故障向量或传感器故障特征平面投影的相关性，设置故障隔离相关系数变量，并根据相关系数对故障进行隔离。根据所给出的故障隔离理论，进行执行器和传感器多种故障下的隔离仿真研究，结果表明所采用的相关系数法可以对故障进行有效隔离。⑶建立了基于自供能无线通讯技术的磁流变阻尼器内部状态在线监测系统，通过对磁流变阻尼器内部温度、压力、活塞加速度等状态的在线监测判断阻尼器是否发生故障，实验结果表明所设计的在线监测系统对内部状态监测的可行性与有效性，为基于观测器的故障诊断方法提供了实验验证平台。⑷针对1/4车辆悬架系统执行器增益故障，设计天棚容错控制器进行容错控制，仿真结果表明采用天棚容错控制器的悬架系统在故障增益系数为0.2时通过高度为0.1m的脉冲块后的簧上加速度峰值比无容错控制时最大可以衰减61.21％。⑸提出了整车磁流变悬架系统执行器失效下的容错控制方法。通过解耦变换对控制律重新优化，得到部分阻尼器失效下的系统新的最优控制力，并通过仿真进行了验证。针对此算法建立汽车磁流变悬架容错控制实验系统并展开实车道路实验。使用无容错控制算法与容错控制算法分别进行脉冲输入行驶实验与随机输入行驶实验并进行对比，实验结果表明所提出的容错控制算法可有效提升磁流变悬架在故障情况下的减振性能。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 汽车磁流变悬架简介

1.3 汽车磁流变悬架故障诊断研究现状

1.4 汽车磁流变悬架容错控制研究现状

1.5汽车磁流变悬架系统故障诊断与容错控制研究存在的问题

1.6 本文主要研究内容

2 基于观测器的汽车磁流变悬架控制系统故障诊断

2.1 汽车磁流变悬架系统建模

2.2 UIO设计

2.3 基于观测器的执行器故障诊断

2.4 传感器故障诊断

2.5 小结

3 磁流变阻尼器内部状态在线监测

3.1 磁流变阻尼器内部状态监测系统设计

3.2 磁流变阻尼器内部状态在线监测实验

3.3 磁流变阻尼器励磁电流实时检测

3.4 小结

4 容错控制算法设计

4.1四分之一磁流变悬架系统天棚容错控制

4.2 基于阻尼力解耦变换的整车半主动悬架容错算法

4.3 小结

5 汽车磁流变悬架道路试验

5.1汽车磁流变悬架控制系统工作流程图

5.2汽车磁流变悬架控制系统设计

5.3 汽车磁流变悬架系统搭建

5.4 汽车磁流变悬架容错控制道路实验

5.5 小结

6 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 论文的创新之处

6.3 论文的不足之处及研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间申请的专利

C. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目