CN105539054B - 一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法 - Google Patents

一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，步骤：1利用传感器，得到阻尼可调半主动悬架系统控制电流测量值、车速测量值、车身垂向加速度测量值、车身俯仰角加速度测量值和车身侧倾角加速度测量值；2依据传感器测量值，得到控制电流计算值；3假设某一传感器出现故障，对该传感器进行状态估计，利用正常传感器测量值和故障传感器估计值，得到控制电流计算值；4将控制电流测量值与所有控制电流计算值进行两两相减，得到相应的残差信号；5将残差信号与故障门限值进行比较，得到残差特征向量；将残差特征向量与故障特征向量进行比较，诊断出故障传感器。提高了故障诊断的准确性，为进一步半主动悬架系统的容错控制奠定基础。

Description

一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种传感器故障诊断方法，特别涉及一种通过改变工作电流实现阻尼可调的半主动悬架系统传感器故障诊断方法。
背景技术
随着汽车电子技术的发展以及人们对汽车性能要求的提高，智能化、人性化的主动控制悬架系统成为汽车底盘研发的重要发展方向。阻尼可调半主动悬架系统作为一种易于实现的主动控制悬架系统，成为高级轿车先进悬架系统的首选。
阻尼可调半主动悬架系统可以根据传感器所测信号进行阻尼系数的自动调节与改变，实现阻尼值的分级调节或无极调节，它的核心技术在于控制策略的开发与设计。近些年各种控制方法已广泛应用在汽车半主动悬架系统之中，如线性最优控制方法、μ综合分析方法、自适应控制方法、模糊控制方法、神经网络控制方法等。还有一些混合控制方法，如自适应模糊控制方法、神经网络自适应控制方法、模糊神经网络控制方法等。总之，无论采用上述何种控制算法实现悬架系统的主动控制，目的都是为了提高汽车行驶平顺性和操纵稳定性，协调两种性能之间的矛盾。
在悬架控制系统实际应用中发现，随着使用时间的增加，传感器会出现参数不稳定的现象，严重影响系统控制的鲁棒性。而传感器一旦发生故障，都将造成完好无故障情况下设计的控制器误控制，甚至出现控制效果部分或完全丧失，所以必须考虑悬架系统的容错控制问题。通常，悬架系统的容错控制包括故障诊断与故障补偿两个方面，而只有及时、准确的诊断出故障传感器，才可以有效地进行故障补偿，确保悬架系统的控制效果。
发明内容
本发明提供一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，基于残差理论，构造残差特征向量，充分考虑不同残差信号对故障诊断结果的影响，提高了故障诊断系统对故障决策的敏感性。通过残差特征向量与故障特征向量的比较，诊断故障传感器，易于实现，稳定性高,提高了故障诊断的准确性，为进一步半主动悬架系统的容错控制奠定基础。
本发明采用的技术方案是：
一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，包括如下步骤：
(1)利用阻尼可调半主动悬架系统中用于检测控制工作电流的传感器Ⅰ，用于检测车速的传感器Ⅱ，用于检测车身垂向加速度的传感器Ⅲ，用于检测车身俯仰角加速度的传感器Ⅳ，和用于检测车身侧倾角加速度的传感器Ⅴ，分别得到控制电流测量值δ1、车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身俯仰角加速度测量值和车身侧倾角加速度测量值
(2)将车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身俯仰角加速度测量值和车身侧倾角加速度测量值传送至阻尼可调半主动悬架系统中的悬架控制器内，悬架控制器依据各测量值，通过悬架控制算法，得到控制电流计算值δ2；
(3)假设某一种传感器出现故障，则基于阻尼可调半主动悬架系统中的状态估计器，由其他未出现故障传感器对该出现故障传感器对应的响应值进行状态估计，并利用未出现故障传感器的测量值和出现故障传感器的估计值，通过悬架控制算法，得到阻尼可调半主动悬架控制器控制电流计算值
(4)基于阻尼可调半主动悬架系统中的残差生成器，将步骤(1)中得到的控制电流测量值δ1、步骤(2)中得到的控制电流计算值δ2和步骤(3)中得到的控制电流计算值进行两两相减，得到相应的残差值Ii；
(5)基于阻尼可调半主动悬架系统中的残差特征生成器，将步骤(4)中得到的残差值Ii分别与对应的残差门限值I进行比较，判断残差值Ii是否超过残差门限值I，并用数字表示，得到残差特征向量Ci；
(6)基于阻尼可调半主动悬架系统中的故障诊断器，根据故障传感器所具有的残差值表现，确定故障特征向量Si，将步骤(5)中得到的残差特征向量Ci与故障特征向量Si进行比较，判断残差特征向量Ci与故障特征向量Si是否对应，最终诊断出故障传感器。
所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，步骤(2)中的悬架控制算法为线性最优控制算法，步骤(3)中悬架控制算法为线性最优控制算法。
所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，步骤(3)中状态估计采用卡尔曼滤波算法实现。
所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，步骤(5)中的残差门限值I由传感器自身的误差范围决定。
所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，步骤(3)具体过程为假设传感器Ⅲ，传感器Ⅳ和传感器Ⅴ中的某一种传感器出现故障，具体为：
假设车身侧倾角加速度传感器Ⅴ出现故障，则基于车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身俯仰角加速度测量值得到车身侧倾角加速度的估计值然后由车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身俯仰角加速度测量值和车身侧倾角加速度估计值得到阻尼可调半主动悬架系统的控制电流计算值
假设车身俯仰角加速度传感器Ⅳ出现故障，则基于车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身侧倾角加速度测量值得到车身俯仰角加速度的估计值然后由车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身侧倾角加速度测量值和车身俯仰角加速度估计值得到阻尼可调半主动悬架系统的控制电流计算值
假设车身垂向加速度传感器Ⅲ出现故障，则基于车速测量值v、车身俯仰角加速度测量值车身侧倾角加速度测量值得到车身垂向加速度的估计值然后由车速测量值v、车身俯仰角加速度测量值车身侧倾角加速度测量值和车身垂向加速度估计值得到阻尼可调半主动悬架系统的控制电流计算值
所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，步骤(4)中残差值Ii的计算方法为：
将控制电流测量值δ1、控制电流计算值δ2、控制电流计算值控制电流计算值控制电流计算值两两相减，得到十个残差值，分别为：
I1＝|δ1-δ2|；
所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，步骤(5)中残差特征向量Ci中的确定方法为：
当残差值Ii超过残差门限值I时，Ci＝1；当残差值Ii没有超过残差门限值I时，Ci＝0；将十个残差值I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10分别与残差门限值I进行比较，就可以得到十个由1或0表示的数字序列，构成残差特征向量[C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10]。
所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，步骤(6)中故障特征向量Si的确定方法为：
根据故障传感器所具有的残差表现，不同传感器的故障特征向量Si有所不同。当某一种传感器出现故障时，只要十个残差值Ii的计算公式中，包含由这种传感器测量值所得到的控制电流值，则此残差值对应的特征故障向量值即为1，否则为0，最终可以得到由1和0构成的对应传感器的故障特征向量[S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10]。
所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，步骤(6)中残差特征向量的Ci和故障特征向量Si的比较方法为：
故障诊断过程中，将实时在线得到的残差特征向量[C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9C10]数字序列与不同传感器出现故障情况下的故障特征向量[S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9S10]数字序列进行逐一比较，只有在残差特征向量数字序列与某种传感器故障特征向量数字序列完全对应的情况下，方可断定该传感器出现故障。
本发明的有益效果是：
1.本发明传感器故障诊断方法基于残差理论建立传感器故障诊断系统，易于实现，稳定性高。
2.本发明传感器故障诊断方法构造残差特征向量，充分考虑不同残差信号对故障诊断结果的影响，提高了故障诊断系统对故障决策的敏感性。
3.本发明传感器故障诊断方法构造故障特征向量，通过残差特征向量与故障特征向量的比较，确定故障诊断结果，提高了故障诊断的准确性。
附图说明
图1为本发明一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法的系统框图。
具体实施方式
如图1所示阻尼可调半主动悬架系统包括用于检测控制工作电流的传感器Ⅰ，用于检测车速的传感器Ⅱ，用于检测车身垂向加速度的传感器Ⅲ，用于检测车身俯仰角加速度的传感器Ⅳ，用于检测车身侧倾角加速度的传感器Ⅴ，悬架控制器，状态估计器，残差生成器，残差特征生成器和故障诊断器。
一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，包括如下步骤：
(1)利用阻尼可调半主动悬架系统中用于检测控制工作电流的传感器Ⅰ，用于检测车速的传感器Ⅱ，用于检测车身垂向加速度的传感器Ⅲ，用于检测车身俯仰角加速度的传感器Ⅳ，和用于检测车身侧倾角加速度的传感器Ⅴ，分别得到控制电流测量值δ1、车速测量值v、车车身垂向加速度测量值车身俯仰角加速度测量值和车身侧倾角加速度测量值
(2)将车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身俯仰角加速度测量值和车身侧倾角加速度测量值传送至阻尼可调半主动悬架系统中的悬架控制器内，悬架控制器依据各测量值，通过线性最优控制算法，得到控制电流计算值δ2；
(3)假设某一种传感器出现故障，则基于阻尼可调半主动悬架系统中的状态估计器，由其他未出现故障传感器对该出现故障传感器对应的响应值采用卡尔曼滤波算法进行状态估计，并利用未出现故障传感器的测量值和出现故障传感器的估计值，通过线性最优控制算法，得到阻尼可调半主动悬架控制器控制电流计算值
(4)将步骤(1)中得到的控制电流测量值δ1、步骤(2)中得到的控制电流计算值δ2和步骤(3)中得到的控制电流计算值传送至残差生成器中，在残差生成器中将δ1、δ2和进行两两相减，得到相应的残差值Ii；
(5)基于阻尼可调半主动悬架系统中的残差特征生成器，将步骤(4)中得到的所有残差值Ii分别与残差门限值I进行比较，判断每个残差值Ii是否超过残差门限值I，并用数字表示，得到残差特征向量Ci；其中残差门限值I由传感器自身的误差范围决定。
(6)基于阻尼可调半主动悬架系统中的故障诊断器，根据故障传感器所具有的残差值表现，确定故障特征向量Si。将步骤(5)中得到的残差特征向量Ci与故障特征向量Si进行比较，判断残差特征向量Ci与故障特征向量Si是否对应，最终诊断出故障传感器。
步骤(3)控制电流计算值的具体实施方法为：
假设车身侧倾角加速度传感器Ⅴ出现故障，则基于状态估计器，由车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身俯仰角加速度测量值得到车身侧倾角加速度的估计值然后由车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身俯仰角加速度测量值和车身侧倾角加速度估计值得到阻尼可调半主动悬架系统的控制电流计算值计算过程在悬架控制器中完成；
假设车身俯仰角加速度传感器Ⅳ出现故障，则基于状态估计器，由车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身侧倾角加速度测量值得到车身俯仰角加速度的估计值然后由车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身侧倾角加速度测量值和车身俯仰角加速度估计值得到阻尼可调半主动悬架系统的控制电流计算值计算过程在悬架控制器中完成；
假设车身垂向加速度传感器Ⅲ出现故障，则基于状态估计器，由车速测量值v、车身俯仰角加速度测量值车身侧倾角加速度测量值得到车身垂向加速度的估计值然后由车速测量值v、车身俯仰角加速度测量值车身侧倾角加速度测量值和车身垂向加速度估计值得到阻尼可调半主动悬架系统的控制电流计算值计算过程在悬架控制器中完成；
其中，残差Ii在残差生成器中产生，具体实施方法为：
将控制电流测量值δ1、控制电流计算值δ2、控制电流计算值控制电流计算值控制电流计算值两两相减，得到十个残差值，分别为：
I1＝|δ1-δ2|；
其中，残差特征向量Ci在残差特征生成器中产生，具体实施方法为：
当残差值Ii超过残差门限值I时，Ci＝1；当残差值Ii没有超过残差门限值I时，Ci＝0；将十个残差值I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10分别与残差门限值I进行比较，就可以得到十个由1或0表示的数字序列，构成残差特征向量[C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10]。
其中，故障特征向量Si事先确定，具体实施方法为：
根据故障传感器所具有的残差表现，不同传感器的故障特征向量Si有所不同。当某一种传感器出现故障时，只要十个残差值Ii的计算公式中，包含由这种传感器测量值所得到的控制电流值，则此残差值对应的特征故障向量值即为1，否则为0，最终可以得到由1和0构成的某种传感器的故障特征向量[S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10]。
其中，残差特征向量Ci与故障特征向量Si比较在故障诊断器中进行，具体实施方法为：
将各种传感器对应的故障特征向量汇总构成如下表所示的故障诊断逻辑表，存入故障诊断器中。在故障诊断过程中，将实时在线得到的残差特征向量[C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7C8 C9 C10]中数字序列与故障诊断逻辑表中所列传感器出现故障情况下的故障特征向量[S1S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10]数字序列进行逐一比较，只有在残差特征向量数字序列与某种传感器故障特征向量数字序列完全对应的情况下，方可断定该传感器出现故障。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (9)

1.一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用阻尼可调半主动悬架系统中用于检测控制工作电流的传感器Ⅰ，用于检测车速的传感器Ⅱ，用于检测车身垂向加速度的传感器Ⅲ，用于检测车身俯仰角加速度的传感器Ⅳ，和用于检测车身侧倾角加速度的传感器Ⅴ，分别得到控制电流测量值δ1、车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身俯仰角加速度测量值和车身侧倾角加速度测量值
(2)将车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身俯仰角加速度测量值和车身侧倾角加速度测量值传送至阻尼可调半主动悬架系统中的悬架控制器内，悬架控制器依据各测量值，通过悬架控制算法，得到控制电流计算值δ2；
(3)假设某一种传感器出现故障，则基于阻尼可调半主动悬架系统中的状态估计器，由其他未出现故障传感器对该出现故障传感器对应的响应值进行状态估计，并利用未出现故障传感器的测量值和出现故障传感器的估计值，通过悬架控制算法，得到阻尼可调半主动悬架控制器控制电流计算值
(4)基于阻尼可调半主动悬架系统中的残差生成器，将步骤(1)中得到的控制电流测量值δ1、步骤(2)中得到的控制电流计算值δ2和步骤(3)中得到的控制电流计算值进行两两相减，得到相应的残差值Ii；
(5)基于阻尼可调半主动悬架系统中的残差特征生成器，将步骤(4)中得到的残差值Ii分别与对应的残差门限值I进行比较，判断残差值Ii是否超过残差门限值I，并用数字表示，得到残差特征向量Ci；
(6)基于阻尼可调半主动悬架系统中的故障诊断器，根据故障传感器所具有的残差值表现，确定故障特征向量Si，将步骤(5)中得到的残差特征向量Ci与故障特征向量Si进行比较，判断残差特征向量Ci与故障特征向量Si是否对应，最终诊断出故障传感器。
2.根据权利要求1所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤(2)中的悬架控制算法为线性最优控制算法，步骤(3)中悬架控制算法为线性最优控制算法。
3.根据权利要求1所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤(3)中状态估计采用卡尔曼滤波算法实现。
4.根据权利要求1所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤(5)中的残差门限值I由传感器自身的误差范围决定。
5.根据权利要求1所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤(3)具体过程为假设传感器Ⅲ，传感器Ⅳ和传感器Ⅴ中的某一种传感器出现故障，具体为：
假设车身侧倾角加速度传感器Ⅴ出现故障，则基于车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身俯仰角加速度测量值得到车身侧倾角加速度的估计值然后由车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身俯仰角加速度测量值和车身侧倾角加速度估计值得到阻尼可调半主动悬架系统的控制电流计算值
假设车身俯仰角加速度传感器Ⅳ出现故障，则基于车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身侧倾角加速度测量值得到车身俯仰角加速度的估计值然后由车速测量值v、车身垂向加速度测量值车身侧倾角加速度测量值和车身俯仰角加速度估计值得到阻尼可调半主动悬架系统的控制电流计算值
假设车身垂向加速度传感器Ⅲ出现故障，则基于车速测量值v、车身俯仰角加速度测量值车身侧倾角加速度测量值得到车身垂向加速度的估计值然后由车速测量值v、车身俯仰角加速度测量值车身侧倾角加速度测量值和车身垂向加速度估计值得到阻尼可调半主动悬架系统的控制电流计算值
6.根据权利要求5所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤(4)中残差值Ii的计算方法为：
将控制电流测量值δ1、控制电流计算值δ2、控制电流计算值控制电流计算值控制电流计算值两两相减，得到十个残差值，分别为：
7.根据权利要求6所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤(5)中残差特征向量Ci中的确定方法为：
当残差值Ii超过残差门限值I时，Ci＝1；当残差值Ii没有超过残差门限值I时，Ci＝0；将十个残差值I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10分别与残差门限值I进行比较，就可以得到十个由1或0表示的数字序列，构成残差特征向量[C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10]。
8.根据权利要求7所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤(6)中故障特征向量Si的确定方法为：
根据故障传感器所具有的残差表现，不同传感器的故障特征向量Si有所不同； 当某一种传感器出现故障时，只要十个残差值Ii的计算公式中，包含由这种传感器测量值所得到的控制电流值，则此残差值对应的特征故障向量值即为1，否则为0，最终可以得到由1和0构成的对应传感器的故障特征向量[S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10]。
9.根据权利要求8所述的一种阻尼可调半主动悬架系统传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤(6)中残差特征向量的Ci和故障特征向量Si的比较方法为：
故障诊断过程中，将实时在线得到的残差特征向量[C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10]数字序列与不同传感器出现故障情况下的故障特征向量[S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10]数字序列进行逐一比较，只有在残差特征向量数字序列与某种传感器故障特征向量数字序列完全对应的情况下，方可断定该传感器出现故障。
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