[发明专利]一种基于故障估计的车辆前轮转角容错控制方法、系统

权利要求书

1.一种基于故障估计的车辆前轮转角容错控制方法，其特征在于，所述车辆前轮转角容错控制方法包括如下步骤：

S1：根据车辆线控转向系统的数学模型，建立只存在传感器故障和只存在执行器故障的两个状态空间方程；建立的车辆线控转向系统的数学模型如下：

其中，

u＝U，d＝T_r，

上式中，x∈R³，表示状态变量；y∈R²，表示系统输出；u∈R¹，表示容错控制输入；d∈R¹，表示外加干扰；θ_m为转向电机转角；I_m为转向电机通过的电流；U为转向电机端电压；T_r为轮胎回正力矩；A、B、C、D为含有无人驾驶汽车实车数据的矩阵；F_s为转角传感器故障向量；r_p为转向小齿轮半径；K_r为齿条等效刚度；B_eq表示电机及齿条等效至转向电机轴上的阻尼系数；J_eq表示电机及齿条等效至转向电机轴上的转动惯量；N为电动机减速机构传动比；K_t为电机转矩系数；K_b为电枢反电动势系数；L_m为电枢电感；R_m为电枢电阻；f_s为传感器故障的真实值；f_a为电机故障电压的真实值；

传感器故障的统一的状态空间方程为：

θ_f＝Δ*θ_m+α＝θ_m+(Δ-1)θ_m+α

其中，θ_f为电机转角传感器故障输出；Δ为故障的增益值大小；α为故障的恒偏差或卡死值；特别地，当Δ＝0、α＝0时，说明传感器发生信号中断故障；

转向电机的故障端电压表示为：

u_f＝Δ_mU＝U+(Δ_m-1)U

其中，Δ_m为电压增益故障系数，Δ_m∈(0，1)；u_f表示故障端电压；

构造的只存在传感器故障和只存在执行器故障的状态空间方程分别如下：

构造两个非奇异变换矩阵T和S，矩阵T和矩阵S分别满足：

其中

A₁∈R^1×1，A₂∈R^1×2，A₃∈R^2×1，A₄∈R^2×2；B₁∈R^1×1；D₁∈R^1×1，D₂∈R^2×1；C₁∈R^1×1，C₄∈R^1×2；F₂∈R^1×1；

令

其中，x₁表示[θ_m]；x₂表示y₁表示[θ_m]；y₂表示[I_m]；z、w分别为经过状态、输出转换的中间变量；

利用上述矩阵中的元素，则可以将原线控转向系统降阶为如下的子系统一和子系统二：

子系统一：

子系统二：

其中，所述子系统一的状态空间方程中只含有传感器故障，所述子系统二的状态空间方程中只含有执行器故障；

S2：根据两个状态空间方程设计故障观测器，所述故障观测器分别包括用于监测电机转角传感器故障的观测模块一，以及用于监测转向电机故障电压的观测模块二；

其中，故障观测器的建立过程包括如下步骤：

(1)根据子系统一设计自适应滑模观测器：

将子系统一的状态空间方程转化为：

其中，

基于转化后的子系统一，设计如下的滑模观测器：

其中，表示Z₁的估计值；表示的估计值；表示w₁的估计值；是一个待设计的稳定矩阵；v为非连续输出错误注入项，且v满足：

上式中，ρ_a表示f_a的极值，即||f_a||≤ρ_a，P₁为的对称正定李雅普诺夫矩阵；η是一个待设计的正定标量；

(2)根据子系统二设计未知输入观测器：

将子系统二的状态空间方程转化为：

其中，

基于转换后的子系统二，设计如下的未知输入观测器：

其中，F₀∈R^3×3，L₀∈R^3×1，M₀∈R^3×3，N₀∈R^3×1均为待设计的矩阵；h表示一个中间变量；

基于上式则有：

定义状态估计误差函数如下：

结合状态空间方程，得到发生故障后的函数为：

其中I₃为单位矩阵；

令待设计的矩阵F₀、L₀、M₀、N₀分别满足如下条件：

则有：

定义控制估计误差r为：

其中，H为预先指定的权重矩阵，结构为

(3)根据设计出的自适应滑模观测器和未知输入观测器；求解故障观测器中的参数：

假设存在正定矩阵P₁、P₂，矩阵X、Y和U，和一个正定标量γ，能够使得以下LMI方程有一个合适的解：

其中，

S₂＝[I₃ 0]，

π₁＝U+U^T，

则估计误差动态在规定的干扰衰减水平μ下渐近稳定；

则求解出故障观测器中的参数如下：

M₀＝J₁+ZJ₂，N₀＝J₃+ZJ₄，

设计出的故障观测器中，电机转角传感器故障的估计值为：

设计出的故障观测器中，电机故障电压的估计值为：

其中，δ为一个预设的正常数；

S3：设计一个容错控制器，所述容错控制器根据所述电机转角传感器故障和转向电机故障电压换算出对应的转向电机的期望电机转角；

容错控制器的状态量x₁和x₂分别如下：

其中，θ_m为转向电机转角；

则包含所述容错控制器的线控转向系统的状态方程如下：

上式中，

其中，u表示容错控制输入；f_a表示转向电机的故障电压的真实值；f表示外加干扰；r_p表示转向小齿轮半径；K_r表示齿条等效刚度；B_eq表示电机及齿条等效至转向电机轴上的阻尼系数；J_eq表示电机及齿条等效至转向电机轴上的转动惯量；K_t表示电机转矩系数；K_b表示电枢反电动势系数；R_m表示电枢电阻；L_m表示电枢电感；N表示电动机减速机构传动比；I_m表示转向电机通过的电流；T_r表示轮胎回正力矩；

设计出的所述容错控制器的方程如下：

其中，r₁为设计的跟踪误差；r₂为虚拟控制项；x_d表示期望的转向电机转角；σ表示一个切换函数；h、c₁、k₁和β均为容错控制器中满足设计要求的一个正的常数；θ_s表示转角传感器测量到的电机转角；f_s表示转角传感器故障的真实值；

S4：将所述故障观测器和所述容错控制器应用于车辆的线控转向系统，作为车辆的转向控制器；

S5：获取车辆当前状态对应的期望前轮转角，并由所述转向控制器根据所述车辆的期望前轮转角换算出转向电机的期望电机转角；

S6：通过转角传感器接收转向电机当前的实际转角的信号，然后根据所述期望电机转角和接收到的实际转角计算出期望的电机电压；

S7：根据计算出的期望的电机电压，通过转向电机执行器控制转向电机按照所述期望电机转角转动，进而通过减速器带动车辆的前轮转动，使得车辆的运行状态达到所述期望前轮转角。