主動懸架自適應容錯滑?？刂蒲芯?/h1>
2024-03-24 10:43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的控制可靠性，針對主動懸架作動器故障對懸架系統穩定性的影響，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作動器故障類型后，構建了作動器恒增益故障模型；并在滑?？刂扑惴ǖ幕A上結合自適應控制理論設計了自適應容錯滑?？刂扑惴?；最后在Simulink 中搭建系統仿真模型，選取傳統滑?？刂破髯鳛閷φ者M行了仿真驗證。由仿真結果可知，在作動器發生故障時，相比傳統滑?？刂扑惴?，本文所設計的控制器提高了懸架系統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生的作動力降低路面輸入激勵對平順性和操穩性的影響，因而受到廣泛關注[2]。目前在主動懸架各元器件狀態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境惡劣難免會出現故障[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的主要控制性能，因而研究主動懸架系統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]。楊柳青等以實現主動懸架容錯控制為目標，設計了一種基于H 2/H ∞的最優控制器，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] 將執行器故障建模為由齊次馬爾可夫鏈控制的隨機變量，設計了一種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榮等以實現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 控制器對懸架系統進行力補償，提高了主動懸架系統的魯棒性[9]。孫晉偉等設計了主動懸架二階滑?？刂扑惴?，較傳統H ∞算法更有效地提升了懸架系統的可靠性[10]。
在主動懸架作動器故障發生時，為了保障行駛過程中懸架系統的控制可靠性，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 主動懸架系統模型與理想天棚參考模型，針對作動器失效后所產生的增益故障，搭建了作動器恒增益故障模型，在滑?？刂扑惴ǖ幕A上，本文結合自適應控制理論設計了自適應容錯滑?？刂破?，并通過仿真試驗驗證了所設計控制器的有效性。
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 為簧上質量；m 2 為簧下質量；z 1 為簧上質量相對于平衡位置的位移；z 2 為簧上質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；kt 為輪胎的等效垂向剛度系數；u 為作動器輸出的補償力。
圖3 為故障1 時的滑?？刂婆c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，在作動器故障發生后滑?？刂破鞲櫟幕缮衔灰茢抵刀秳觿×?，跟蹤理想天棚參考模型效果較差；而自適應容錯滑?？刂破鹘涍^約2.5 s 后恢復至無故障時的跟蹤效果，體現了較好的魯棒性。
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 后作動器出現故障。相較于傳統滑?？刂?，配置有自適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^于傳統滑?？刂?，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，懸架系統魯棒性能更好，驗證了其容錯性能的有效性。
4 結束語
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控制可靠性的影響，設計了一種自適應容錯滑?？刂破?，使主動懸架系統對作動器故障不敏感，提高了主動懸架系統的魯棒性能。為了對所設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。仿真研究結果表明，在作動器無故障時，所設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?。但在作動器發生故障后，對比傳統滑?？刂扑惴?，所提出的自適應容錯滑?？刂破鞯聂敯粜阅芨?，有效地改善了車輛的乘坐舒適性和主動懸架系統的控制可靠性。
【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計[J].現代制造工程，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]. 內蒙古大學學報（ 自然科學版），2016，47（05）：533-541.
[9] 寇發榮， 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，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。
摘要：為提高主動懸架系統的控制可靠性，針對主動懸架作動器故障對懸架系統穩定性的影響，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作動器故障類型后，構建了作動器恒增益故障模型；并在滑?？刂扑惴ǖ幕A上結合自適應控制理論設計了自適應容錯滑?？刂扑惴?；最后在Simulink 中搭建系統仿真模型，選取傳統滑?？刂破髯鳛閷φ者M行了仿真驗證。由仿真結果可知，在作動器發生故障時，相比傳統滑?？刂扑惴?，本文所設計的控制器提高了懸架系統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生的作動力降低路面輸入激勵對平順性和操穩性的影響，因而受到廣泛關注[2]。目前在主動懸架各元器件狀態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境惡劣難免會出現故障[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的主要控制性能，因而研究主動懸架系統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]。楊柳青等以實現主動懸架容錯控制為目標，設計了一種基于H 2/H ∞的最優控制器，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] 將執行器故障建模為由齊次馬爾可夫鏈控制的隨機變量，設計了一種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榮等以實現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 控制器對懸架系統進行力補償，提高了主動懸架系統的魯棒性[9]。孫晉偉等設計了主動懸架二階滑?？刂扑惴?，較傳統H ∞算法更有效地提升了懸架系統的可靠性[10]。
在主動懸架作動器故障發生時，為了保障行駛過程中懸架系統的控制可靠性，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 主動懸架系統模型與理想天棚參考模型，針對作動器失效后所產生的增益故障，搭建了作動器恒增益故障模型，在滑?？刂扑惴ǖ幕A上，本文結合自適應控制理論設計了自適應容錯滑?？刂破?，并通過仿真試驗驗證了所設計控制器的有效性。
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 為簧上質量；m 2 為簧下質量；z 1 為簧上質量相對于平衡位置的位移；z 2 為簧上質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；kt 為輪胎的等效垂向剛度系數；u 為作動器輸出的補償力。
圖3 為故障1 時的滑?？刂婆c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，在作動器故障發生后滑?？刂破鞲櫟幕缮衔灰茢抵刀秳觿×?，跟蹤理想天棚參考模型效果較差；而自適應容錯滑?？刂破鹘涍^約2.5 s 后恢復至無故障時的跟蹤效果，體現了較好的魯棒性。
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 后作動器出現故障。相較于傳統滑?？刂?，配置有自適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^于傳統滑?？刂?，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，懸架系統魯棒性能更好，驗證了其容錯性能的有效性。
4 結束語
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控制可靠性的影響，設計了一種自適應容錯滑?？刂破?，使主動懸架系統對作動器故障不敏感，提高了主動懸架系統的魯棒性能。為了對所設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。仿真研究結果表明，在作動器無故障時，所設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?。但在作動器發生故障后，對比傳統滑?？刂扑惴?，所提出的自適應容錯滑?？刂破鞯聂敯粜阅芨?，有效地改善了車輛的乘坐舒適性和主動懸架系統的控制可靠性。
【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]. 機械設計與制造，2014（02）：153-156.
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[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]. 內蒙古大學學報（ 自然科學版），2016，47（05）：533-541.
[9] 寇發榮， 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，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。
