关键词：半主动悬架;;最优控制;;卡尔曼滤波;;故障诊断;;容错控制
摘 要：随着汽车工业技术发展和人们消费水平的提升,汽车乘坐舒适性、操纵稳定性、可靠性及安全性越来越被人们所重视,同时引发了汽车悬架系统向可控领域的发展。汽车半主动悬架系统除了悬架部件外,增加了传感器和控制器,而悬架部件中执行控制作用的部分通常又被称为作动器。当作为半主动悬架信号测量通道主要元件的传感器和作为控制输入通道主要元件的作动器出现故障时,之前完好无故障下设计的控制器会出现错误的控制,无法达到控制效果,甚至控制效果会完全丧失。论文依托国家自然科学基金青年基金项目(51605213)“道路智能感知下汽车主动悬架阻尼控制自适应切换研究”和辽宁省科技厅联合基金项目(201602367)“道路智能感知下汽车主动悬架自适应控制研究”。以汽车阻尼可调半主动悬架为研究对象,针对基于元部件完好无故障情况下研究汽车悬架控制而存在的不足或缺陷,以汽车悬架控制可靠性和使用品质提高、悬架设计方法优化为目标,对半主动悬架作动器故障诊断展开研究,并对带有故障的悬架系统进行容错控制,具体研究包括以下几个方面:(1)建立汽车悬架的动力学模型,包括1/4车辆两自由度和整车七自由度悬架振动模型并根据路面不平度系数,建立单轮随机路面和四轮相关随机路面输入模型。同时,在不考虑传感器故障的情况下,建立作动器增益、恒偏差和卡死的故障模型。(2)根据经典卡尔曼滤波算法,设计基于卡尔曼的车辆悬架故障诊断器,对悬架非簧载质量垂直位移、非簧载质量垂直速度、簧载质量垂直位移和簧载质量垂直速度状态进行估计,并通过Matlab/Simulink对设计的估计器效果进行仿真验证,以便实现悬架作动器的故障诊断。(3)构建汽车悬架LQG控制器,利用设计的卡尔曼滤波器对悬架状态进行估计,在悬架作动器出现故障时,结合残差理论,对控制力进行补偿,实现悬架作动器的容错控制,控制效果用Matlab/Simulink进行仿真验证。(4)搭建整车悬架硬件在环试验仿真平台,对所设计的主动悬架容错控制算法进行硬件在环实验验证。论文仿真和实验结果表明,设计的状态估计器能够准确的估计出车辆悬架系统的状态,及时发现故障并结合控制力补偿措施使故障悬架快速恢复原有性能,消除了故障对悬架性能的影响,提高了主动悬架控制的可靠性。因此,本文所设计的控制算法能够对故障悬架进行故障诊断与容错控制。
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