基于模型的ECAS系统执行器故障诊断与容错控制研究

摘要

电控空气悬架（Electronically Controlled Air Suspension，ECAS）系统以其优异的性能而被广泛地应用到商用车及高级乘用车上，其特色功能之一为车身高度的实时调节。然而，由于道路条件的复杂多变及工作环境的恶劣，ECAS系统中的执行器即空气弹簧电磁阀非常容易发生故障，执行器的故障会导致 ECAS 系统达不到预期控制效果，从而影响车高调节及姿态控制的性能。因此，为了保证ECAS系统车高及姿态控制的安全可靠，本课题针对 ECAS 系统执行器故障诊断与容错控制展开相关研究。 首先，介绍了ECAS系统的基本结构及功能，包括传感器和空气弹簧电磁阀。借助失效模式及影响分析方法，分析了 ECAS 系统各个传感器及空气弹簧电磁阀的失效模式、失效引起的影响以及失效原因，并采用风险评估系数值评估各故障的危险程度。运用故障树分析方法，形象直观地表征了系统失效与各部件失效之间的逻辑关系。 其次，根据热力学及车辆动力学理论建立了整车 ECAS 车高调节系统数学模型。基于空气弹簧电磁阀占空比与流量的关系并结合常见故障类型建立了执行器故障模型。为方便后续故障诊断与容错控制性能的验证，基于AMESim软件搭建了整车 ECAS 系统被控对象物理模型。针对所研究的执行器故障问题，在模型中增加了故障电磁阀模块，通过在正常与故障电磁阀之间进行切换的方式模拟故障的发生。所搭建的物理模型为 ECAS 系统执行器故障诊断与容错控制研究提供了基础仿真平台。 再次，采用PID/PWM高度控制策略及模糊控制算法设计了ECAS系统车高及姿态控制器。针对执行器的故障诊断，基于扩展卡尔曼滤波算法设计滤波器组进行状态估计，结合量测输出计算出残差并获得故障检测指标，同时设计自适应阈值以提高故障诊断准确率，最后形成残差特性描述实现故障检测与隔离。针对容错控制问题，基于空气弹簧电磁阀的解析模型对故障参数进行估计，根据故障估计值判断故障类型，其中，对于卡死故障采取停止车高调节的措施，对于恒增益故障采用控制器参数在线调整的方法。联合仿真表明，所设计的故障诊断与主动容错控制算法可以快速准确地检测与隔离出执行器故障，并可以有效改善故障下的车高调节及姿态控制性能。 最后，为检验故障诊断与容错控制算法在实际控制器中的运行效果，通过被控对象模型的建立，算法软件的快速控制原型开发以及系统工程文件和用户界面的创建，搭建出整车ECAS系统容错控制硬件在环测试平台。HiL测试结果表明，所设计的故障诊断与容错控制算法在实际控制器中可以正常运行，并可以有效地实现ECAS系统执行器故障诊断与容错控制。

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S1504028-单海强