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原文传递基于自适应观测器的汽车主动悬架系统高敏感性故障诊断与容错控制

论文题名：	基于自适应观测器的汽车主动悬架系统高敏感性故障诊断与容错控制
关键词：	汽车主动悬架系统;故障诊断;故障容错控制;自适应观测器
摘要：	汽车悬架系统是连接车身与车轮弹性装置的统称，随着汽车工业技术不断发展，主动悬架系统因其优越的衰减车身振动性能，成为汽车悬架系统的发展趋势。然而，由于主动悬架系统结构设计复杂且包含多个执行机构与多种类型传感器，系统机械结构与元器件由于长时间使用或老化易发生故障，降低了主动悬架系统甚至整车的控制性能、可靠性与安全性。主动悬架的可靠性问题是限制主动悬架广泛普及的重要因素之一。因此，关于主动悬架系统故障诊断与容错控制研究对于保证主动悬架系统控制性能与可靠性、突破限制其广泛使用的瓶颈具有重要的理论研究意义与实际应用价值。本文围绕汽车主动悬架系统故障诊断与容错控制问题展开研究，从单轮主动悬架系统扩展到全车主动悬架系统，针对主动悬架系统可能出现的执行器故障、传感器故障及系统结构故障，设计基于自适应观测器的高敏感性故障诊断与容错控制方法，主要研究内容概括为以下几部分：　　基于单轮主动悬架模型，考虑模型不确定参数与非线性不确定性，针对主动悬架系统两大类别故障——执行器故障与系统结构故障，设计自适应故障检测与隔离方法。大部分已有主动悬架系统故障问题研究仅针对某一单独类型故障，缺少一种普适性较高的主动悬架故障诊断方法。由于考虑主动悬架执行器与系统结构两大类别故障，提出的方法能够适用于更多种类故障，具有较好的普适性。构造故障检测估计器检测故障的发生；基于每一种可能发生的故障分别设计一组对应的故障隔离估计器，当某组故障隔离估计器残差超过相应的阈值时，排除该种故障发生的可能性，从而最终确定发生故障的种类。该方法的自适应性体现在故障检测与隔离阈值中涉及的悬架不确定参数周期性实时更新，从而提高故障诊断的敏感性。由于考虑了主动悬架系统非线性不确定性，该方法同时具有一定的鲁棒性。　　在主动悬架系统设计中，为减少传感器布线、降低成本，考虑车身位移传感器输出唯一测量信号情况，针对传感器常数偏置故障，提出仅依赖车身位移信号的传感器故障自适应调节控制方法。设计可变增益自适应状态观测器对系统未测量状态进行估计，可变增益自适应状态观测器同时融合了悬架系统不确定参数、传感器偏置常数的自适应过程。基于传感器测量值，状态观测器提供的系统状态估计值、不确定参数自适应值与传感器偏置常数自适应值，构造输出反馈容错控制器。在自适应状态观测器与输出反馈控制器设计过程中均对传感器偏置误差进行补偿，从而减弱传感器偏置故障对悬架控制性能的影响。给出增益切换策略，通过监测自适应观测器自身状态变化实时确定观测器可变增益值，保证观测器增益值有限次切换。理论分析与仿真结果均表明，提出的传感器故障自适应调节控制器相比于未对传感器故障做任何补偿的输出反馈控制器能够有效减弱传感器偏置故障对悬架控制性能的影响，具有更好车身振动衰减能力。　　针对全车悬架系统出现多执行器故障情况，提出多执行器故障容错-诊断联合控制方法。不同于传统方法中故障诊断先于故障容错以提供必要的故障信息进行容错控制器设计，在该方法中，主动悬架始终处于故障容错控制器保护下，多执行器故障诊断在故障容错框架下展开，从而最大程度上保证主动悬架良好的控制性能。另一方面，“先容错再诊断”的思想为方法设计带来以下难点。首先，在故障容错框架下，执行器故障发生后悬架性能不会明显下降，难以通过观察与系统状态相关的性能指标实现故障检测与诊断。其次，车身竖直、俯仰、滚转方向的综合控制输入为关于执行器控制量的隐式形式，直接基于执行器控制量设计容错控制器具有难度。在提出的故障容错-诊断联合控制方法中，构造高增益滤波器建立多时间尺度系统补偿执行器故障的影响，实现多执行器故障容错。在容错框架下，设计自适应故障诊断观测器对反映执行器工作状态的执行力系数在线辨识，通过观察执行力系数估计值的暂态与稳态变化检测是否出现执行器故障，根据执行力系数稳态辨识值判断执行器故障的位置与严重程度。基于故障诊断结果实施控制量再分配，避免执行器故障加重。　　针对全车主动悬架，考虑全车悬架模型不确定性，设计主动悬架多传感器故障诊断方法。与执行器故障相比，模型不确定性对传感器故障诊断结果具有较大影响。当多个传感器出现故障时，如何处理不准确测量值之间的相互耦合关系，为故障传感器定位的难点问题。将线性化全车悬架模型的未建模动态、参数不确定性、外界扰动综合为一项集成模型不确定项，设计扰动观测器对集成模型不确定项在线观测，利用得到的观测值补偿悬架模型不确定性对传感器故障诊断的影响。针对每一个可能出现故障的传感器分别设计一组传感器故障诊断观测器，每组观测器输入其对应传感器测量值，使故障诊断观测器只对唯一一个传感器的故障敏感。同时，将扰动观测器得到的集成模型不确定项实时观测值引入传感器故障诊断观测器中模拟悬架模型的未建模动态、参数不确定性以及外界扰动，从而提高传感器故障诊断的准确性、敏感性和鲁棒性。每组传感器故障诊断观测器故障诊断过程各自独立，互不耦合，从而实现全车悬架系统多传感器故障诊断。
作者：	闫帅
专业：	控制科学与工程
导师：	贺风华
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2022