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-tole r ant control of s emi-actwe suspension f or 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 f ault-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
2.12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*(x a-x u)-k t)+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,
一1叽
(毎+&)/m B
1
1/叫,
-l/m t
B=
-1傀
llm u
l/m t0
D=E=
k肌
01
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adaptive
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-l m_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.1Fuzzy Controller Control Rules
可调车身加速度
眺力NB NM NS PS PM PB NB PB PB PB PB PM ZE ZE
NM PB PB PB PB PB ZE ZE 1NS PM PM PM PM PM NS NS J ZE PM PM PS ZE NM NM NM
I PS PS PS PS ZE NM NM NM
PM ZE ZE NM NB NB NB NB
PB ZE ZE NM NB NB NB NB 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*r43⑹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
No.2 146机械设计与制造Feb.2021
缩因子的模糊控制原则为叫（1）输入变量车身加速度或相对速
度较大时，其论域保持不变;⑵车身加速度或相对速度较小时,
车身加速度或相对速度的论域缩小。自适应模雌制器输出变量
的论域伸缩因子的模糊控制原则为:⑴车身加速度和相对速度
较大且方向相同时，可调阻尼力的论域扩大;（2）车身加速度和相
对速度较大且方向相反时，可调阻尼力的论域缩小。
图2自适应模雌制器结构
Fig<2Structure of Adaptive Fuzzy Controller
帥控制器I的输入变量车身加鞍和相对速度的斟论
域^取为采用7个删语言集合
输出变量5©和0的基本论域均为［0,1］，输出变量的和他采
用7个模糊语言集合｛ZE,S,M,B,M,S,ZE｝，而输出变量尸采用
7个模糊语言集合｛宓，殆』』乩甌血旧［，输入和输出变量的
论域伸缩因子的模糊控制规则，如表2、表3所示。
表2输入变量的论域伸缩因子模糊控制规则
Tab.2Variable Domain Fuzzy Control
Rules for Input Variables
ai/a2
车身加速度
PM PB
NS ZE PS
NB NM
NB B M S ZE S M B
NM B B M S ZE S M NS B B B M S ZE S ZE B B B B M S ZE PS B B B B B M S PM B B B M S ZE S PB B M S ZE S M B 表3输入变量的论域伸缩因子模糊控制规则
Tab.3Variable Domain Fuzzy Control
Rules for Output Variables
3
车身加速度
NB NM NS ZE PS PM PB NB VB VB S VS vs ZE VB NM VB M SB s s S VB NS B B M vs M SB B ZE B M ZE M B VB B PS M VS M B B VB M PM S S SB M VB VB S PB VS VS S VB VB VB VS
根据汽车半主动悬架系统所提供的相对速度和车身加速
度，可以得出模糊控制器I的论域伸缩因子如、a?和佻根据汽车半主动悬架系统所提供的相对速度和车身加速度的大小以及
模糊控制器［得到的论域伸缩因子，模糊控制器II可自适应调节其输入和输出论域的大小，进而实现汽车半主动悬架的自适应馳控制。
3.3容错控制器设计
当阻尼器发生增益变化故障时，建立如下故障模型，设阻尼
器发生故障时输出为谕）=&4（t）oU（it）为无故障时阴■尼器输出力；5为阻尼器故障增益系数。为方便对阻尼器进行故障分析，令阻尼器故障1*L（«）=（3-1）»（«），则阻尼器故出臥£）=»（$）+兀&）。
当阻尼器发生故障时，系统控制输出异常，通过未知输入观测器可以观测出系统输出误差将不为零，即可判断出系统发生故障。樹器故脚益刃）=6必）。8<1为汽车半主动悬架系统阻尼器发生故障，此时吸）将小于氏），阻尼器输出力值达不到控制器期望力值，因此控制系统性能会受到一定影响。对此，建立以下故障补偿容错控制策略。
u（«）=u（f）Z8（7）
弓•（t）=Su（£）=S（i4（£）Z8）=uG）（8）式中爲G）—验器有故障时的控制器输出期望阻^力值。
通过对无故障控制器输出期望阻尼力进行不K，故障阻尼器可输出无故障时的控制器的输出期望阻尼力，从而消除阻尼器故障对系统性能的影响，此时悬架系统将维持系统在无故障情形下的性能。当故障增益系数&矶与必）满足式（8）时，此时容错控制下的阻尼器输出力值将小于无故舷制器输出的阻尼器期望城，系统性能将会降饥否则，在故障发生时可以通过故障补偿来维持系统性能。据此，提出如下容错控制算法：
乞（H二°®彳笛斗王I此」
乞（％-必）二007彳呼斗<1兀」⑼
氷筠4-）<°
式中：认）器理想控制力；弘T制馳出期望阻尼力值。
在Simulfaik建立的汽车半主动悬架容错控制模型，如图3所示。
图3汽车半主动悬架容错控制
FigJ Vehicle Semi-Active Suspenflion Fault-Tolerant Control
4路面仿真与结果分析
在Matlah/Simulink中搭建自适应模糊控制器的各模块，组成汽车半主动悬架自适应模I®控制系统，并进行仿真与分析。假定汽车在C级随机路面输入下以l（Ws与20m/s的速度行驶，得到被动控制模型、模糊控制模型和自适应模糊控制模型的车身加速度性能对比曲线，如图4所示。不同速度下，采用自适应模糊控制和模糊控制的半主动悬架系统的车身加速度和悬架动行程相较于被动控制均有所降低，而自适应模關控制性能更加优越
。
机械设计与制造
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No.2
Feb.2021
-33
(Z 0£)/W a
1
2
3
4
5 6
7
8
时间/(t)
4.5
(』车速lOm/s
时间/(t)
(b)车速 20ni/$
图4不同车速下车身加速度
Fig.4 Body Acceleration at Different Speeds
为进一步说明自适应模糊控制的性能，以车身加速度均方
根值作为性能评价指标，对比分析自适应模糊控制相较于模糊控
制和被动控制的优越性。不同速度下采用自适应模糊控制和模 糊控制的半主动悬架系统的车身加均倾值相较琳用被
动控制均有所降低。当车速为l(Ws 时，模糊控制相较于被动控
制的车身加鞍±^«帥别册了 49.89%。自舷齣控制
相较于被动控制的车身加速度均方根值分别减少了 63.83%。当 车速为20m/s 时，删控制相较于被动控制的车身加速度 值49.86%。自控制般于被动控制的车身加舷帥
根葩别M 了 63.88%。
5结论
针对汽车半主动悬架系统在行驶过程中可能发生的阻尼器 增益故障，虹了眈器竝增益故障时的故障悬獗型昭 了f 未知输小测器对蚯器增益故軽行故艇断,《^
础上，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
行了 Simulink 仿真分析。
结果表明，采用自适应模糊控制和模糊控制的半主动悬架 系统的性能均高于被动控制，而自适应模糊控制性能更加优越，
说明的自舷O0控制器能幽的改善车辆的超蘇 性，提高钿的行驶平顺性。
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