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汽车电子节气门角度传感器的故障检测与重构

发布日期:2021-03-07 20:47

  刘 尚 1,童 亮 1,2,路艳群 1 ,谢明伟 1 【摘 要】摘要:针对具有强非线性的电子节气门角度传感器的故障诊断与重构 问题,提出一种基于滑模变结构观测器的角度传感器故障检测与故障重构方法。 利用一阶滤波器实现传感器故障与执行器故障的等效变换,利用滑模观测器生 成残差,同时根据已发生故障的测

  汽车电子节气门角度传感器的故障检测与重构 刘 尚 1,童 亮 1,2,路艳群 1 ,谢明伟 1 【摘 要】摘要:针对具有强非线性的电子节气门角度传感器的故障诊断与重构 问题,提出一种基于滑模变结构观测器的角度传感器故障检测与故障重构方法。 利用一阶滤波器实现传感器故障与执行器故障的等效变换,利用滑模观测器生 成残差,同时根据已发生故障的测量值估计故障量,得到传感器故障信息的精 确估计,实现传感器故障的检测与故障重构。通过 dsPACE 搭建快速控制原型 环境对所提出的故障检测与重构方法进行验证,实验结果表明所设计的滑模变 结构观测器可有效对传感器故障进行检测与重构。 【期刊名称】仪表技术与传感器 【年(卷),期】2017(000)011 【总页数】7 【关键词】电子节气门;故障检测;故障重构;滑模观测器;鲁棒;残差; dsPACE;快速控制原型 【 文 献 来 源 】 引言 电子节气门是汽车动力系统的重要组成部分。电子节气门的角度传感器对其实 现实时检测和故障重构具有重要意义。现有的电子节气门的安全控制方法是通 过添加冗余的角度传感器,在软件中对采集的两路传感器信号进行互判,判定 系统是否发生故障,现有的安全机制实现方法成本高,无法准确实现故障定位 与重现故障过程,不利于故障的分析。随着无人驾驶技术的发展及 ISO26262 功能安全标准的实施,对汽车电子节气门的故障诊断提出了更高的要求,不但 要求系统可以准确进行故障定位而且可以实现故障重构,保证系统在出现故障 的情况下仍然可以安全运行,因此需要一种新的故障诊断机制去实现[1-4]。 基于解析模型的故障诊断方法在自动化控制领域发展较快,其中基于观测器构 造残差的方法得到了大量的应用,利用重构系统与实际系统的输出残差判断系 统是否发生故障,也可实现故障重构展现故障变化过程,从而实现故障管理。 近年来,基于观测器方法的故障检测与重构的研究取得进展,D. Ichalal 等在知 道故障与故障导数上界后,采用自适应观测器进行故障重构,在实际工程运用 中,无法准确获取故障及故障导数上界,因此限定了此类方法的使用范围[5]; M. Lungu 等对线性系统进行了未知输入观测器的构造,取得了良好的故障重 构效果,但是实际系统都为非线];H. Alwia 等针对一类线性变量系统 (LPV)设计了一种新的滑模观测器,滑模观测器的优良性能可以实现执行器与传 感器的故障重构[7];王德军等针对多输入多输出的非线性系统,设计等价模型 并利用经典观测器进行传感器故障检测,最后通过对汽车侧倾角速度传感器的 故障检测和重构证明其方法的有效性[8]; 徐巧宁、喻峰等提出一种基于非线性 鲁棒观测器的传感器故障检测与隔离的方案,利用控制器的强鲁棒性处理系统 的非线性及未知干扰的影响,并采用了线性矩阵不等式的方式进行控制器的求 解,通过实验证明了该方案的有效性[9]。 基于上述分析,本文提出了一种基于滑模变结构观测器的电子节气门角度传感 器故障检测与重构方法,滑模变结构强鲁棒性可有效抵抗外部干扰对系统残差 的影响,提高故障检测的灵敏性与准确性,同时通过一阶滤波器的设计实现传 感器故障与执行器故障的等效变换,利用滑模变结构观测器的等值原理以及李 雅普诺夫稳定性理论,可以实现传感器故障的准确重构,对故障的发展变化过 程有更直观清晰的了解,进而实现系统的容错控制,最后通过搭建 dsPACE 控 制原型环境进行算法的实验验证,实验结果表明所设计的滑模变结构观测器可 以满足汽车电子节气门角度传感器的诊断需求。 1 系统数学模型 如图 1 所示,汽车电子节气门主要组成部分包括直流电机、小齿轮、中间齿轮、 扇形齿轮、阀板和复位弹簧,电子节气门的模型参数及定义如表 1 所示。电机 节气门模型中包括 3 个主要的非线性模型,为摩擦非线性模型、复位弹簧模型 和齿轮间隙非线 复位弹簧模型 在没有直流电机驱动的情况下,在复位弹簧的作用下节气门阀板处于一个默认 的小角度,以保证在节气门不能工作时有一定的空气进入气缸,以使发动机正 常工作。本文复位弹簧模型的特性如图 2 所示[10-11]。 复位弹簧扭矩 Tsp(θ)可表示为: =k1(θ-θ0)+T0sgn(θ-θ0) (1) 式中:T0 为弹簧预紧力矩;k1 为复位弹簧弹性系数;θ0 为节气门默认开度。 1.2 摩擦非线性模型 库伦摩擦力矩和滑动摩擦力矩是电子节气门系统中存在的主要摩擦阻力矩[1011],其模型如图 3 所示。 数学表达式为 (2) 式中:Fc 为库伦摩擦系数;Fs 为滑动摩擦系数。 1.3 齿轮间隙非线性模型 因齿轮间隙的存在,扭矩在传输的过程中会产生齿轮间隙扭矩[12],齿轮间隙 非线 所示,齿轮间隙扭矩可表示为 Tg=f(Tin,δ) (3) 1.4 直流电机和阀板数学模型 对直流电机可依据基尔霍夫定律得到其绕组的电压平衡方程为[13-14] UM=KvωM+RIM+L (4) 电机电磁扭矩表示为 TM=KtIM (5) 节气门等效转动惯量和等效阻尼分别为: (6) 根据力矩平衡方程,考虑到节气门阀板对气流的阻力矩以及摩擦扭矩和复位弹 簧力矩,可得节气门阀板的动力学方程为 (7) 因为所以: KtIM =J/(n1n2)+/(n1n2)+Tf()+Tsp(θ)+ Tg+d(t) 联合式(4)、式(5)可得系统状态微分方程为: (8) 式中 d(t)为系统外部扰动。 令 a1=-Bth/Jth,a2=-n1n2Fc/Jth, a3=-n1n2Fs/Jth,a4=-n1n2k1/Jth, a5=-n1n2T0/Jth,a6=n1n2Kt/Jth, a7=-Kv/(n1n2