基于自适应模糊的汽车半主动悬架容错控制
- 格式：pdf
- 大小：1.49 MB
- 文档页数：4
第2
期
2021
年2
月144机械设计与制造
Machinery Design & Manufacture
基于自适应模糊的汽车半主动悬架容错控制
姚行艳
(重庆工商大学计算机科学与信息工程学院，重庆
400067)
摘要:半主动悬架可以自适应调节阻尼器的阻尼力，具有良好的可控性。针对半主动悬架的增益故障，提出了基于自适
应模糊控制的汽车半主动悬架容错控制。在分析汽车半主动悬架阻尼器输入输出特性的基础上,建立了阻尼器发生增益
故障时的故障悬架模型，设计了未知输入观测器对阻尼器增益故障进行故障诊断。基于自适应模糊控制对汽车半主动悬
架系统阻尼器增益故障设计容错控制器，在
C级随机路面下进行容错控制的
Matlab/Simulink软件仿真，结果表明自适应
模糊容错控制的控制效果要优于无容错控制。
关键词：自适应模糊;汽车半主动悬架;增益故障;容错控制
中图分类号:
TH16;U463.33文献标识码:
A 文章编号:
1001-3997(2021 )02-0144-04
Fault Tolerant Control of Automotive Semi-Active Suspension
Based on Adaptive Fuzzy Control
YAO Xing-yan
(School of Computer Science and Information Engineering, Chongqing Technology and Business University, Chongqing
400067, China)
Abstract:
Semi-suspension can be controller to adapt the desired damping force. A iming at the gain failure of semi-active
suspension, this paper proposes afault-tolerant control ofsemi-actwe suspensionfor vehicles based on adaptive fuzzy control.
Based on the analysis of the input and output characteristics of the semi-actwe suspension damper of the vehicle, the fault
suspension model of the damper with gain failure is established. The unknown input observer is designed to diagnose the
damper gain fault. Then the fault-tolerant controller for the damper gain failure of the semi-active suspension system of the
vehicle is designed based on adaptive fuzzy control. The Mailab/Simulink software simulation of fault-tolerant control is carried
out under C-class random roads, respectively. The results show that the control effect offault-tolerant control is better than
that of non-fault-tolerant control.
Key Words: Adaptive Fuzzy；
Semi-Suspension；
Gain Fault；
Tolerant Controls
1引言
汽车半主动悬架是安装在车身与车轮之间缓冲并衰减来自路
面给车轮冲击性的垂向反力的一种装置，以保证汽车的乘坐舒适性
和操纵稳定性气当汽车半主动悬架系统的阻尼器发生故障时，基
于传统控制理论设计的控制算法没有考虑系统潜在的故障,也没有
设计故障发生时相应的处理措施,阻尼器一旦发生故障，将会造成
控制器输出紊乱,达不到期望控制效果，严重影响汽车的乘坐舒适
性般纵稳定性气容體制是对控制系统可能出现的故障情况采
取控制方法，使控制系统性能指标在完好无故障或故障情况下均能
满足要求冋。文献醍出滑模观测器诊断汽车悬架故障，加入容错控
制后的控制器获得了接近无故障系统的控制性能。文献H
以最小
化故障对乘坐舒适性与车辆操纵性的影响为容错目标，通过正常阻尼器碱障蚯器所损失眺 力进行桂并采用线性变制
算法计算各阻尼器的期望输出力值。文献™对状态不可测的汽
车半主动悬架系统的阻尼器发生故障的情况，用自适应模糊观测器
栅计相测的悴量卿发了一种自容難制器对阻
尼器故障进行仿真分析。文献醱用
Kalman滤波器对状态和故
障增益系数进行估计，进行状态重构,在实现阻尼器故障的检测和
诊断的基础上十了自制舷。融
线诊断获取器故瞬益估计值，调整最优控进行控
制律重组。文献设计了
H.控制器作为汽车半主动悬架无故障
下的控制器，在阻尼器常见的故障模式进行仿真和试验验证。
结果表明,所提出的主动容错控制策略可使故障碑性能经短暂时
滞后与正常悬架 接近的水平。
来稿日期
：2020-05-02
基金项目：国家自然科学基金
(51605061);重庆市基础科学与前沿技术研究
(cstc2017jcyjAX0183
);重庆市教委科学技术研究
(KJ1500627
)
作者简介:姚行艳
,
(1984
),女，湖北随州人，博士研究生，副教授，
主要研究方向:智能材料与振动第2
期姚行艳:基于自适应模糊的汽车半主动悬架容错控制145
2汽车半主动悬架系统模型
2.1 2
自由度1/4
汽车悬架模型
将汽车半主动悬架系统简化为单个车轮运动,忽略车身两
侧车轮的相互作用，将汽车半主动悬架系统简化为2
自由度1/4
汽车悬架模型，如图］所示。
图］
2自由度
W汽车悬架模型
Fig.］ Quarter Semi-Suspension Model
得到汽车半主动悬架系统的动力学方程：
=k* (xa-xu )-kt)+臨 (1)
叫玄=-息(％-%)—
臨 (2)
将动力转甌系统姙空间沁
x(t)=Ax(t)+Bu(t)+Ed(t)
y(i)=C«(t)+Du(f)
(3
)
式中:血、矗_架刚度和轮胎的刚度;N _路面的输入—车
轮和车架的绝对位移;凡L阻尼器的可调阻尼力。
取•状态变量％(£)=［孔円», X,叮',输出变量火)=［玄％
叫『，输人变量灵)则：
C=-1
1/m,
0
一
1叽0
(毎+&
)/mB1
1/叫,
-l/mtB=
0
00
-1傀
0
llmu
l/mt00
0
D=E=
0
0
k肌0
00
0
0
0
0
1
00
汽车半主动悬架系统的一些参数值参考某汽车悬架参数,
其中叫=40kg,
,局=16000NAn,
和=238000N/nio
代入这些
悬架皴可得系统状态空间方程的系数矩阵。
2.2
随机路面输入模型
定义路面相对基准平面的位移为知可得到随机路面输入
模型叫
Gq (n)=G?
(
b0 )(n/n0
厂 (4)
式中:n~空间频率，单位为m_1;
空间频率,ntrO- lm_1;
GgG)-
参考空间频率的路面谱值，单位为mVm1;
频率指数。3自适应模糊控制器
固定输入、输出论域在复杂系统运动过程中的模糊控制性
能具有很大的局限性。自适应模糊控制的输入、输岀变量可根据
系统运刪程进行在线调整,可用于汽车半主动悬架系统控制。
3.1
量化因子刑I
比例因子
在模糊控制器中,PB、PM、PS、ZE、NS、NM和NB分别代表正
大、正中、正小、零、负小、负中和负大。针对2
自由度1/4
汽车半
主动悬癥型，将车身加舷、相对舷作为模糊控制器的输入,
阻尼器的可调阻尼力作为模I®
控制器的输出，其实际范围称为输
入变量和输出变量的基本论域：［Y,e］,［Ye,e
』，［-“，门。取相
对速度的模糊论域X={ -n,-n+l,…,0,…,n-l,n |,
其中,n是相
对速度在［0,e］
范围内量化后分成的档数且e
和。定义量化因子
&耳说。基本论域［P,e］
随着量化因子ft,的变化进行缩小和放大,
从对速度的控制灵鮭。同理，选定车身加速度的量化
档数为％量化因子Qn
血。基于量化因子的概念,设阻尼器的可
调阻尼力的量化挡数为Z,
定义比例因子I。
3.2
模糊控制规则和量化因子
根据所建立的2
自由度1/4
汽车半主动悬架模型得到的模
糊控制器的控制Ml,
如表1
所示。
表〔模糊控制器的控制规则
Tab.1 Fuzzy Controller Control Rules
可调 车身加速度
眺力
NBNM
NSPSPMPB
NBPBPBPBPBPMZEZE
NM
PBPBPBPBPBZEZE
1
NSPMPMPMPMPM
NSNS
J
ZE
PMPMPSZENMNMNM
I PSPSPSPSZENMNMNM
PMZEZENMNBNBNBNB
PBZEZENMNBNBNBNB
设Xi=［~e,e
］,兀=［w,e
』分别为相对速度和车身加速度的
初始论域,为阻尼器的可调阻尼力硼始论域。自适应
模糊控制的论域萄忑与Y随着输入变量”5与输出变量y
的
变股行自融调节：
X
】弍一如)e,aj
(幻)e
］
禺国-耳他尬吧他)® ］ ⑸
式中:aO
、a2(%2)0(y)TfeW
申缩因子。
其中，其中输入变量的论域伸缩因子％(乂)勻-入e#
。其中，
*为输入变量，入为伸缩因子系数山为伸缩因子指数系数。输出
变量的论域伸缩因子为式(6)
。仇为伸缩因子的积分常数,R
为权
重常数向量,0(0)
为初值1
。
0=
屁 Eg Le；G)d*r43 ⑹
根据所建立的2
自由度1/4
汽车悬架模型，设计自适应模糊
控制器对输入和输出论域的自适应调节，如圏2
所示。进而实现
对可调眈力的精确控制。自舷OI
控制耗入变量的论域伸
