電控空氣懸架系統(tǒng)高度傳感器故障檢測(cè)與隔離研究

趙燕樂(lè) 嚴(yán)天一 張旗

摘要：? 為解決電控空氣懸架在車身高度調(diào)節(jié)過(guò)程中，因高度傳感器故障所致車身高度調(diào)節(jié)混亂問(wèn)題，本文采用Matlab/Simulink軟件，建立了含四支高度傳感器及其典型傳感器故障的電控空氣懸架系統(tǒng)參數(shù)化整車懸架仿真模型，并采用Stateflow軟件，建立控制策略狀態(tài)機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)車身高度在高位、中位、低位三種位置的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。同時(shí)，針對(duì)高度傳感器典型故障，采用信息數(shù)據(jù)冗余設(shè)計(jì)思想，綜合利用車身俯仰角與側(cè)傾角兩種信息，對(duì)四支高度傳感器進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器故障的檢測(cè)與隔離。為驗(yàn)證所提出的故障檢測(cè)指標(biāo)在各種工況下的不同表現(xiàn)，對(duì)電控空氣懸架系統(tǒng)高度傳感器各種典型故障工況進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，所提策略能夠快速有效地實(shí)現(xiàn)電控空氣懸架高度傳感器的故障檢測(cè)與隔離，可提高電控空氣懸架系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。該研究具有一定的實(shí)車應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：? 電控空氣懸架系統(tǒng); 高度傳感器; 故障檢測(cè); 故障隔離; 仿真分析

中圖分類號(hào)： U463.33; U472.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

作者簡(jiǎn)介： ?趙燕樂(lè)（1996-），男，山東泰安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠噭?dòng)態(tài)仿真與控制技術(shù)。

通信作者： ?嚴(yán)天一（1970-），男，吉林龍井人，工學(xué)博士，教授，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其控制技術(shù)。 Email： yan_7012@126.com

電控空氣懸架系統(tǒng)是一種先進(jìn)的車輛底盤控制系統(tǒng)，其主要由空氣彈簧、電子控制單元、組合電磁閥、高度傳感器、車速傳感器、電動(dòng)氣泵、儲(chǔ)氣筒等部件組成[12]，其主要工作原理為：電子控制單元通過(guò)采集車速和車身高度等傳感器信號(hào)并通過(guò)控制策略控制組合電磁閥和電動(dòng)氣泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)空氣彈簧進(jìn)行合理充放氣，以改變懸架系統(tǒng)的剛度、阻尼特性和車身高度等，可顯著提高車輛平順性、通過(guò)性和燃油經(jīng)濟(jì)性等。對(duì)于未內(nèi)嵌合理故障檢測(cè)與隔離邏輯的電控空氣懸架系統(tǒng)控制策略，若其高度傳感器發(fā)生故障，電子控制單元將會(huì)根據(jù)錯(cuò)誤的傳感器輸出信息，得出不合理的控制信號(hào)，并控制相關(guān)執(zhí)行器，從而導(dǎo)致電控空氣懸架高度調(diào)節(jié)混亂，使車身姿態(tài)超出合理范圍，嚴(yán)重影響車輛的高速行駛安全性和操縱穩(wěn)定性等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)懸架系統(tǒng)的故障診斷與隔離策略已開展相關(guān)研究，陳龍等人[3]提出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器組的電控空氣懸架系統(tǒng)的傳感器故障診斷策略;楊柳青[4]針對(duì)主動(dòng)懸架系統(tǒng)傳感器常見(jiàn)故障，提出一種基于卡爾曼濾波的故障檢測(cè)與隔離方法;劉玉梅等人[5]將模糊數(shù)學(xué)與故障診斷方法相互結(jié)合，建立了懸架系統(tǒng)故障診斷的模糊綜合評(píng)判模型;李會(huì)艷等人[6]將滑膜觀測(cè)器方法運(yùn)用于主動(dòng)懸架系統(tǒng)故障診斷研究，證明了其實(shí)際有效性;高振剛等人[7]提出了一種基于故障補(bǔ)償?shù)闹鲃?dòng)容錯(cuò)控制策略;K. Jecong等人[8]提出了一種基于支持向量機(jī)的整車懸架系統(tǒng)傳感器故障檢測(cè)與隔離策略。目前，對(duì)于電控空氣懸架系統(tǒng)高度傳感器的故障檢測(cè)與隔離研究相對(duì)較少，且相關(guān)研究尚不夠成熟。因此，本文基于Matlab/Simulink軟件，構(gòu)建了電控空氣懸架系統(tǒng)整車車身高度調(diào)節(jié)仿真模型，并對(duì)空氣懸架系統(tǒng)高度傳感器的典型故障，提出了一種融合車身俯仰角與側(cè)傾角的高度傳感器故障檢測(cè)與隔離控制策略。通過(guò)對(duì)典型故障工況進(jìn)行仿真，并對(duì)所提出的殘差信號(hào)進(jìn)行分析，證明了所提出的故障檢測(cè)與隔離策略的有效性與可行性。該研究具有較好的實(shí)車應(yīng)用前景。

1電控空氣懸架系統(tǒng)及傳感器故障建模

1.1電控空氣懸架系統(tǒng)整車動(dòng)力學(xué)理論模型

1.2傳感器典型故障模型

相關(guān)研究表明，兩個(gè)或多個(gè)部件同時(shí)發(fā)生故障的概率遠(yuǎn)小于單個(gè)部件發(fā)生故障的概率，本研究暫不考慮多個(gè)部件同時(shí)發(fā)生故障的可能性，僅考慮電控空氣懸架系統(tǒng)中某一處高度傳感器發(fā)生故障的情形。典型傳感器故障的形式主要包括增益變化、恒偏差及卡死等[1217]。當(dāng)傳感器發(fā)生以上故障時(shí)，其高度傳感器輸出測(cè)量值為

n′=Δn+α（7）

式中，Δ為發(fā)生增益變化故障時(shí)的增益值;α為恒偏差值或卡死值。當(dāng)Δ∈（0～1）且α=0時(shí)，表示傳感器發(fā)生增益變化故障;當(dāng)Δ=1且α≠0時(shí)，表示發(fā)生恒偏差故障;當(dāng)Δ=0且α≠0時(shí)，表示發(fā)生卡死故障，此時(shí)α為卡死值。

根據(jù)以上整車行駛動(dòng)力學(xué)模型及傳感器故障模型，采用Simulink軟件，搭建含高度傳感器典型故障的電控空氣懸架系統(tǒng)車身高度調(diào)節(jié)仿真模型。

2電控空氣懸架系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

根據(jù)車速與車輛行駛工況，電控空氣懸架系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)車身高度與懸架剛度。當(dāng)車速較高或路況良好時(shí)，應(yīng)盡可能降低車身高度，以提升燃油經(jīng)濟(jì)性與操縱穩(wěn)定性;當(dāng)車速較低或路況較差時(shí)，則應(yīng)提高車身高度，以改善通過(guò)性。本文采用Stateflow開發(fā)電控空氣懸架控制策略，控制器以空氣彈簧處車身高度變化為對(duì)象，設(shè)定高度在高位（40 mm）、中位（0 mm）和低位（-40 mm）三種模式之間進(jìn)行切換。將整車行駛動(dòng)力學(xué)模型與控制策略模型在Simulink中進(jìn)行聯(lián)合仿真，電控空氣懸架系統(tǒng)車身高度調(diào)節(jié)仿真如圖2所示，圖2a和圖2b為左前空氣彈簧處車身高度在中位與高位之間的調(diào)節(jié)結(jié)果，其余高度之間的切換調(diào)節(jié)機(jī)理相同，故僅對(duì)中位和高位之間的調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行仿真分析[1820]，仿真結(jié)果驗(yàn)證了整車模型及控制策略的正確性與有效性。

3電控空氣懸架系統(tǒng)傳感器故障檢測(cè)與隔離

車身平面示意圖如圖3所示。由圖3a可以看出，車身運(yùn)動(dòng)可以等效為車身四點(diǎn)組合運(yùn)動(dòng)。當(dāng)四支高度傳感器未發(fā)生故障時(shí)，電控空氣懸架系統(tǒng)通過(guò)采集傳感器的測(cè)量值可正確調(diào)節(jié)車身高度，此時(shí)四支高度傳感器的測(cè)量值在同一平面內(nèi);由圖3b可以看出，假設(shè)四組高度傳感器中的一處高度傳感器（左前高度傳感器）發(fā)生故障，高度傳感器的測(cè)量值將由（xs1，xs2，xs3，xs4）變?yōu)椋▁*s1，x*s2，x*s3，x*s4），此時(shí)四支高度傳感器的測(cè)量值將不在同一平面內(nèi)，四個(gè)測(cè)量值相互組合，形成四個(gè)平面，每個(gè)平面由其中三個(gè)測(cè)量值組成[21]，僅依靠四個(gè)高度傳感器的測(cè)量值將無(wú)法判斷出故障傳感器，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)與隔離的目的。

由式（6）可知，四處高度值、車身俯仰角和側(cè)傾角等信息相互耦合，故利用車身俯仰角和側(cè)傾角可實(shí)現(xiàn)高度傳感器數(shù)據(jù)冗余。分別使用車身四處高度傳感器測(cè)量值與車身俯仰角和車身側(cè)傾角等數(shù)據(jù)，對(duì)其他處車身高度進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)高度數(shù)據(jù)冗余，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高度傳感器的故障診斷與隔離。

4仿真結(jié)果分析

每支高度傳感器將會(huì)得到一個(gè)真實(shí)測(cè)量值與三個(gè)狀態(tài)估計(jì)值。將每支高度傳感器的真實(shí)測(cè)量值與狀態(tài)估計(jì)值相互比較，可生成三個(gè)殘差信號(hào)：δij=xsij-sij，選取δij作為故障檢測(cè)指標(biāo)。當(dāng)?shù)趇支高度傳感器發(fā)生故障時(shí)，其真實(shí)測(cè)量值與其狀態(tài)估計(jì)值將會(huì)產(chǎn)生較大殘差，即δij將會(huì)偏離所設(shè)定故障閾值，第i支傳感器測(cè)量值參與的對(duì)其他傳感器的估計(jì)值也將會(huì)與其他傳感器的真實(shí)測(cè)量值產(chǎn)生較大殘差。

電控空氣懸架傳感器故障檢測(cè)與隔離策略示意圖如圖4所示。本文設(shè)計(jì)故障閾值為±2 mm，當(dāng)有故障檢測(cè)指標(biāo)超過(guò)所設(shè)定閾值時(shí)，則認(rèn)定已有傳感器發(fā)生了故障，以此實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)。此外，由于不同位置的高度傳感器在發(fā)生故障時(shí)，所有故障檢測(cè)指標(biāo)的表現(xiàn)狀態(tài)不同，通過(guò)分析故障檢測(cè)指標(biāo)的表現(xiàn)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障隔離。

結(jié)合電控空氣懸架系統(tǒng)實(shí)際工作情況，以車身高度中位至高位的調(diào)節(jié)過(guò)程為例，分別選取4種典型故障工況，驗(yàn)證所提出的故障檢測(cè)與隔離策略是否有效，典型故障工況描述如表1所示。

由圖5～圖8可以看出，當(dāng)電控空氣懸架系統(tǒng)高度傳感器未發(fā)生故障時(shí)，四支傳感器的所有故障檢測(cè)指標(biāo)值均未超出所設(shè)定閾值;當(dāng)有高度傳感器發(fā)生故障時(shí)，則會(huì)有部分相關(guān)故障檢測(cè)指標(biāo)在故障發(fā)生時(shí)刻迅速偏離所設(shè)定的閾值。在故障1和故障2仿真工況下，在0～1 s內(nèi)，所有故障檢測(cè)指標(biāo)均正常，在1 s以后，部分故障檢測(cè)指標(biāo)超出所設(shè)閾值;在故障3和故障4仿真工況下，部分故障檢測(cè)指標(biāo)也分別在2 s和4 s時(shí)超出所設(shè)閾值范圍。因此，當(dāng)存在故障檢測(cè)指標(biāo)超出所設(shè)閾值范圍時(shí)，可判斷當(dāng)前已有傳感器發(fā)生故障。不同位置傳感器發(fā)生故障時(shí)，故障檢測(cè)指標(biāo)不同的表現(xiàn)形式如下：

1）當(dāng)?shù)趇個(gè)傳感器發(fā)生故障時(shí)，該傳感器的真實(shí)測(cè)量值與其他傳感器對(duì)該傳感器的狀態(tài)估計(jì)值所求得的故障檢測(cè)指標(biāo)δij，以及該故障傳感器測(cè)量值對(duì)其他傳感器的狀態(tài)估計(jì)值與其他傳感器的真實(shí)測(cè)量值所求得的故障檢測(cè)指標(biāo)δji（j=1，2，3，4，j≠i），均在故障發(fā)生之后迅速超過(guò)所設(shè)定的閾值，而其他故障檢測(cè)指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)。

2）在故障1和故障2仿真工況下，故障檢測(cè)指標(biāo)δ12，δ13，δ14均在故障發(fā)生時(shí)迅速偏離所設(shè)閾值，傳感器1真實(shí)測(cè)量值xs1對(duì)其他傳感器的狀態(tài)估計(jì)值與其他傳感器真實(shí)測(cè)量值所得到的故障檢測(cè)指標(biāo)δ21，δ31，δ41也迅速超過(guò)所設(shè)閾值。

3）在故障3仿真工況下，故障檢測(cè)指標(biāo)δ31，δ32，δ34及δ13，δ23，δ43超過(guò)所設(shè)閾值。

4）在故障4仿真工況下，故障檢測(cè)指標(biāo)δ41，δ42，δ43及δ14，δ24，δ34超過(guò)閾值。因此，不同故障檢測(cè)指標(biāo)的不同表現(xiàn)狀態(tài)，可以對(duì)故障傳感器進(jìn)行隔離。

5結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電控空氣懸架車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)高度傳感器典型故障，提出了采用傳感器測(cè)量值與車身俯仰角和側(cè)傾角對(duì)傳感器測(cè)量值進(jìn)行估計(jì)的故障檢測(cè)與隔離策略及相應(yīng)故障檢測(cè)指標(biāo)。在Simulink中，不同故障仿真結(jié)果表明，當(dāng)有傳感器發(fā)生故障時(shí)，所設(shè)計(jì)的故障檢測(cè)指標(biāo)會(huì)有超過(guò)正常閾值的情況，可及時(shí)判斷出是否有傳感器發(fā)生故障。此外，在不同部位、時(shí)間以及不同故障行為情況下，所設(shè)計(jì)的故障檢測(cè)指標(biāo)也會(huì)有不同的表現(xiàn)，而且對(duì)故障傳感器進(jìn)行了有效的隔離。本文所提空氣懸架高度故障檢測(cè)隔離策略并未考慮車架彈性變形，下一步將會(huì)對(duì)空氣懸架車身高度調(diào)節(jié)過(guò)程中車架彈性變形展開相關(guān)研究。

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Abstract：? In order to solve the problem of confusion caused by the height sensor failure during the height adjustment process of the electronic control air suspension during vehicle height adjustment， this paper establishes the parametric vehicle suspension simulation model of electronic control air suspension system with four height sensors and its typical sensor faults by using Matlab/Simulink. And then it establishes the control strategy by using Stateflow to realize the real-time adjustment of body height in three positions： high， middle and low. At the same time， aiming at the typical fault of height sensor， the information data redundancy design idea is adopted， and the state estimation of four height sensors is carried out by using the information of body pitch angle and roll angle， so as to realize the detection and isolation of sensor fault. It performs the simulation analysis of various typical fault conditions of the height sensor of the electrically controlled air suspension system， in order to study the different performance of the proposed fault detection index under various working conditions. The experimental results show that the proposed strategy can quickly and effectively realize the fault detection and isolation of the height sensor of the electrically controlled air suspension， and can improve the reliability and stability of the electrically controlled air suspension system. This research has certain application prospect of real vehicles.

Key words： electric air suspension system; height sensor; fault detection; fault isolation; simulation analysis