线控转向系统故障检测及容错控制协同设计
【摘要】为解决线控转向系统故障可能导致车辆失控的问题，提出一种故障检测及容错控制协同设计方法。首先，建立了包含线控转向系统加性故障的车辆动力学模型；其次，联合车辆动力学模型及故障检测 容错控制器，建立跟踪误差闭环控制系统；然后，求解满足闭环系统 性能的线性矩阵不等式，得到故障检测 容错控制器参数；最后，基于进行硬件在环仿真测试。结果表明，该方法可快速检测出转向系统故障，同时实现了车辆的容错控制。
M =(-
F Fx( f, l)
2.2.2
引入线控转向系统加性故障对于分布式智能电动车辆，转向、制动等执行器由车载计算平台或单片机控制。若转向系统发生故障，而缺乏故障检测和容错控制，后果将不堪设想。目前，线控转向系统发生故障的概率远高于机械转向系统，因此有必要在建模过程中考虑故障影响。本文主要针对线控转向系统的加性故障，引入执行器故障f：
0( t) = + + +
t) δ M f
=
式中， 为故障输入矩阵。
7）
式（ 中，若 则引入的故障可以表示转向系
/
统故障，若 则引入的故障可以表示驱制动故障。本文研究线控转向系统故障，因此令 。
2.3建立面向横摆角速度跟踪控制的增广模型
7） （
首先，建立跟踪控制的系统模型。设定期望的跟踪
=[
T定义新的状态量 T T ，其中
1 2
- dt s y) ，则增广系统方程可改写为：
0
= + + + t) t) t) f t)
= t) t)
= t) t)
-- Cf Cr mv Crb - Cf a I
0 Cf
0 mv Cf a
0 I
0 1
=[0 0 1]信号为= ， = =
Crb - Cf -1 0
a mv
- Crb2 - Cf 0
a2
Iv
-1 0
、
=
Cf mv Cf a I
为系统矩阵；
为输入矩阵；
统是否发生故障，需要设置残差评估函数和阈值。本文
[20]
参考文献 中的方法，设置残差函数：
= dt 15）
J rT( t) r( t) （
0
定义阈值Jth，当J≤Jth
时系统安全，否则启动报警。
2.6基于平均载荷条件的四轮驱动力分配
本文重点研究故障检测及容错控制，因此驱动力分配采用现有基于平均载荷的方法。四轮驱动力需要满足整车纵向驱动力需求、容错控制所需的横摆力矩需求和电机外特性的约束。可以很容易推导出驱动力分配公式：
=· · - b rveh
+
f, l) a b
=· · + b rveh
+
f, r) a b a rveh
= · · -
+
r, l) a b a rveh
= · · +
+
r, r) a b
= sign( · min( abs( ,
T T TT
= + 0.5C AvehV + mV̇
F mgf 2
式中， T 、T T 、T 分别为左前、右前、左后、f, l) f, r) 、 r, l) r, r)
右后轮纵向驱动力矩； rveh、Cd、Aveh分别为轮胎半径、空气阻力系数及车辆迎风面积。
T
T
T
T
F
F
F
F
3 SFDC问题的求解定理
max (引理（有界实引理）：对于系统 使得系统渐进稳定且满足H∞性能指标γ的条件是存在一个正定对称矩阵 使得以下线性矩阵不等式成立：
+
*
* - γ2I * <0 17） （
=( - ；
-
=0
； = + - ； - = -
；
T
T ； ； ；
=0
；
4.1单移线工况仿真
6
设置如图 所示的单移线工况，假定车辆由低速车
64.8~72.0 km/h
道换入高速车道，车速变化范围为 。第
3s 4s
开始输入正弦信号前轮转角，第 注入恒偏差的转
2s
向角故障，持续 。7 EPS 7
图 所示为 的状态信息反馈。由图 可知，由
EPS
于注入恒偏差故障， 输出执行扭矩，转向柱产生过
8
多位移，模拟过多转向故障。图 所示为无控制下和容
5结束语
本文建立了分布式智能电动车辆线控转向系统故
/
障检测及容错控制协同架构，进行了故障检测器容错控制器的一体化设计。通过设计动态观测器及状态反馈器，在检测出转向系统故障的同时，实现横摆角速度跟踪误差闭环系统的稳定性控制并保证 性能。基于
∞
dSPACE HIL
进行了硬件在环仿真验证，分别开展了单移线工况和双移线工况的跟踪控制。分别注入恒定偏差故障和时变偏差故障，仿真结果表明，本文设计的方法能快速检测两类故障，并实现容错控制。
参考文献