電控空氣懸架系統(tǒng)高度傳感器故障檢測與隔離研究

趙燕樂 嚴天一 張旗

摘要：? 為解決電控空氣懸架在車身高度調(diào)節(jié)過程中，因高度傳感器故障所致車身高度調(diào)節(jié)混亂問題，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)機模型，實現(xiàn)車身高度在高位、中位、低位三種位置的實時調(diào)節(jié)。同時，針對高度傳感器典型故障，采用信息數(shù)據(jù)冗余設(shè)計思想，綜合利用車身俯仰角與側(cè)傾角兩種信息，對四支高度傳感器進行狀態(tài)估計，實現(xiàn)對傳感器故障的檢測與隔離。為驗證所提出的故障檢測指標在各種工況下的不同表現(xiàn)，對電控空氣懸架系統(tǒng)高度傳感器各種典型故障工況進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，所提策略能夠快速有效地實現(xiàn)電控空氣懸架高度傳感器的故障檢測與隔離，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; 故障隔離; 仿真分析

中圖分類號： U463.33; U472.9文獻標識碼： A

作者簡介： ?趙燕樂（1996-），男，山東泰安人，碩士研究生，主要研究方向為汽車動態(tài)仿真與控制技術(shù)。

通信作者： ?嚴天一（1970-），男，吉林龍井人，工學博士，教授，主要研究方向為車輛系統(tǒng)動力學及其控制技術(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、電動氣泵、儲氣筒等部件組成[12]，其主要工作原理為：電子控制單元通過采集車速和車身高度等傳感器信號并通過控制策略控制組合電磁閥和電動氣泵等執(zhí)行機構(gòu)，對空氣彈簧進行合理充放氣，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、通過性和燃油經(jīng)濟性等。對于未內(nèi)嵌合理故障檢測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，電子控制單元將會根據(jù)錯誤的傳感器輸出信息，得出不合理的控制信號，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，嚴重影響車輛的高速行駛安全性和操縱穩(wěn)定性等。近年來，國內(nèi)外對懸架系統(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]針對主動懸架系統(tǒng)傳感器常見故障，提出一種基于卡爾曼濾波的故障檢測與隔離方法;劉玉梅等人[5]將模糊數(shù)學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判模型;李會艷等人[6]將滑膜觀測器方法運用于主動懸架系統(tǒng)故障診斷研究，證明了其實際有效性;高振剛等人[7]提出了一種基于故障補償?shù)闹鲃尤蒎e控制策略;K. Jecong等人[8]提出了一種基于支持向量機的整車懸架系統(tǒng)傳感器故障檢測與隔離策略。目前，對于電控空氣懸架系統(tǒng)高度傳感器的故障檢測與隔離研究相對較少，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與隔離控制策略。通過對典型故障工況進行仿真，并對所提出的殘差信號進行分析，證明了所提出的故障檢測與隔離策略的有效性與可行性。該研究具有較好的實車應(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)整車動力學理論模型

1.2傳感器典型故障模型

相關(guān)研究表明，兩個或多個部件同時發(fā)生故障的概率遠小于單個部件發(fā)生故障的概率，本研究暫不考慮多個部件同時發(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]。當傳感器發(fā)生以上故障時，其高度傳感器輸出測量值為

n′=Δn+α（7）

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

根據(jù)以上整車行駛動力學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

根據(jù)車速與車輛行駛工況，電控空氣懸架系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)車身高度與懸架剛度。當車速較高或路況良好時，應(yīng)盡可能降低車身高度，以提升燃油經(jīng)濟性與操縱穩(wěn)定性;當車速較低或路況較差時，則應(yīng)提高車身高度，以改善通過性。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）三種模式之間進行切換。將整車行駛動力學模型與控制策略模型在Simulink中進行聯(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)機理相同，故僅對中位和高位之間的調(diào)節(jié)過程進行仿真分析[1820]，仿真結(jié)果驗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，車身運動可以等效為車身四點組合運動。當四支高度傳感器未發(fā)生故障時，電控空氣懸架系統(tǒng)通過采集傳感器的測量值可正確調(diào)節(jié)車身高度，此時四支高度傳感器的測量值在同一平面內(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，高度傳感器的測量值將由（xs1，xs2，xs3，xs4）變?yōu)椋▁*s1，x*s2，x*s3，x*s4），此時四支高度傳感器的測量值將不在同一平面內(nèi)，四個測量值相互組合，形成四個平面，每個平面由其中三個測量值組成[21]，僅依靠四個高度傳感器的測量值將無法判斷出故障傳感器，更無法實現(xiàn)故障檢測與隔離的目的。

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量值與車身俯仰角和車身側(cè)傾角等數(shù)據(jù)，對其他處車身高度進行狀態(tài)估計，實現(xiàn)高度數(shù)據(jù)冗余，進而實現(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得到一個真實測量值與三個狀態(tài)估計值。將每支高度傳感器的真實測量值與狀態(tài)估計值相互比較，可生成三個殘差信號：δij=xsij-sij，選取δij作為故障檢測指標。當?shù)趇支高度傳感器發(fā)生故障時，其真實測量值與其狀態(tài)估計值將會產(chǎn)生較大殘差，即δij將會偏離所設(shè)定故障閾值，第i支傳感器測量值參與的對其他傳感器的估計值也將會與其他傳感器的真實測量值產(chǎn)生較大殘差。

電控空氣懸架傳感器故障檢測與隔離策略示意圖如圖4所示。本文設(shè)計故障閾值為±2 mm，當有故障檢測指標超過所設(shè)定閾值時，則認定已有傳感器發(fā)生了故障，以此實現(xiàn)故障檢測。此外，由于不同位置的高度傳感器在發(fā)生故障時，所有故障檢測指標的表現(xiàn)狀態(tài)不同，通過分析故障檢測指標的表現(xiàn)狀態(tài)來實現(xiàn)故障隔離。

結(jié)合電控空氣懸架系統(tǒng)實際工作情況，以車身高度中位至高位的調(diào)節(jié)過程為例，分別選取4種典型故障工況，驗證所提出的故障檢測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，當電控空氣懸架系統(tǒng)高度傳感器未發(fā)生故障時，四支傳感器的所有故障檢測指標值均未超出所設(shè)定閾值;當有高度傳感器發(fā)生故障時，則會有部分相關(guān)故障檢測指標在故障發(fā)生時刻迅速偏離所設(shè)定的閾值。在故障1和故障2仿真工況下，在0～1 s內(nèi)，所有故障檢測指標均正常，在1 s以后，部分故障檢測指標超出所設(shè)閾值;在故障3和故障4仿真工況下，部分故障檢測指標也分別在2 s和4 s時超出所設(shè)閾值范圍。因此，當存在故障檢測指標超出所設(shè)閾值范圍時，可判斷當前已有傳感器發(fā)生故障。不同位置傳感器發(fā)生故障時，故障檢測指標不同的表現(xiàn)形式如下：

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

2）在故障1和故障2仿真工況下，故障檢測指標δ12，δ13，δ14均在故障發(fā)生時迅速偏離所設(shè)閾值，傳感器1真實測量值xs1對其他傳感器的狀態(tài)估計值與其他傳感器真實測量值所得到的故障檢測指標δ21，δ31，δ41也迅速超過所設(shè)閾值。

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

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

5結(jié)束語

本文針對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量值與車身俯仰角和側(cè)傾角對傳感器測量值進行估計的故障檢測與隔離策略及相應(yīng)故障檢測指標。在Simulink中，不同故障仿真結(jié)果表明，當有傳感器發(fā)生故障時，所設(shè)計的故障檢測指標會有超過正常閾值的情況，可及時判斷出是否有傳感器發(fā)生故障。此外，在不同部位、時間以及不同故障行為情況下，所設(shè)計的故障檢測指標也會有不同的表現(xiàn)，而且對故障傳感器進行了有效的隔離。本文所提空氣懸架高度故障檢測隔離策略并未考慮車架彈性變形，下一步將會對空氣懸架車身高度調(diào)節(jié)過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