叉车执行器故障的自适应容错控制方法及存储介质与流程

1.本发明涉及车辆主动安全技术领域，具体涉及一种叉车执行器故障的自适应容错控制方法。


背景技术：

2.叉在叉车的主动安全技术领域，虽然防侧翻系统日益完善，但针对平衡重式叉车的防侧翻系统执行器故障的容错控制技术还未应用。若叉车防侧翻系统发生执行机构故障，若执行器出现故障，电子控制单元发出的指令不能得到执行器的反馈，执行器不能进行相应的指令，叉车的安全稳定性同样得不到保证。因此，叉车防侧翻系统容错控制必不可少。


技术实现要素：

3.本发明提出的一种叉车执行器故障的自适应容错控制方法，可解决上述技术问题。
4.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
5.一种叉车执行器故障的自适应容错控制方法，包括以下步骤，
6.设置失效因子υ
ij
用于配合叉车防侧翻系统执行器引起的不确定控制部分来判断系统执行器故障类型；
7.设置执行器故障模型uf(t)针对所有的m个叉车执行器故障模型，描述了唯一的叉车防侧翻系统执行器故障模型，为带有执行器故障的叉车模型提供了实际的控制输入；
8.设置模糊系统模型考虑了车身侧偏角速度、横摆角速度、车架侧倾角，执行器故障控制输入，干扰输入和控制输出；
9.设置自适应容错控制器通过更新自适应定律控制器参数，应用lyaounov稳定性理论，给出叉车防侧翻系统存在执行器故障以及外界干扰时系统稳定的充分条件。
10.进一步的，通过式(1-1)失效因子υ
ij
的范围结合执行器故障引起的不确定控制部分e(t)区分执行器故障的类型：
[0011][0012]
进一步的，通过式(1-2)针对所有的m个叉车执行器故障模型，表示为如下唯一的故障模型：
[0013]
uf(t)＝(1-υi)u(t) ζius(t) e(t)(1-2)
[0014]
式(1-2)中1-υi(t)＝diag[υ
i1
(t),
…
,υ
im
(t)]∈{υ
i1
,
…
,υ
iφ
}；e(t)为叉车防侧翻系统执行器引起的不确定控制部分；其中us(t)表示平衡重式叉车侧翻模糊系统中不可分解的执行器故障模型。
[0015]
进一步的，利用式(1-3)构建所述的叉车防侧翻模糊系统模型：
[0016][0017]
式(1-3)中，xc(t)表示叉车的车身侧偏角速度、横摆角速度、车架侧倾角的车身状态；u(t)为平衡重式叉车侧翻模糊系统实际的控制输入；w(t)为系统的外界扰动。
[0018]
进一步的，自适应控制器(1-4)通过更新自适应定律控制器参数(1-5)进而保证策略的更新：
[0019][0020][0021]
式(1-4)中，其中φk是任意正常数，是有限的，bk(k＝1,2，
…
，n)是矩阵bi的第k列；
[0022]
再一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
[0023]
由上述技术方案可知，本发明的叉车执行器故障的自适应容错控制方法，以期待能提高平衡重式叉车防侧翻系统的容错能力，从而叉车防侧翻系统的稳定性，提高叉车主动安全性的目的。
[0024]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0025]
1、建立了汇总各种故障及其组合的唯一故障模型，其有效的包含了叉车防侧翻系统执行器故障类型的多样性；
[0026]
2、执行器发生故障和干扰的上限都未知时，自适应率更新控制器参数，近似控制器模型，保证叉车防侧翻系统的稳定性；
[0027]
3、提出的自适应容错控制方法，结合了自适应技术与容错控制技术控制器模型，提高了叉车防侧翻系统的容错能力。
附图说明
[0028]
图1为容错控制系统结构图；
[0029]
图2为正常控制器无故障下状态响应图；
[0030]
图3为正常控制器有故障下状态响应图；
[0031]
图4为容错控制器故障下状态响应图；
[0032]
图5为故障等级一车身侧倾角；
[0033]
图6为故障等级一车身侧倾角；
[0034]
图7为故障等级二车身侧倾角；
[0035]
图8为故障等级二车辆横摆角速度。
具体实施方式
[0036]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0037]
如图1所示，本实施例所述的叉车执行器故障的自适应容错控制方法，包括设置液压支撑油缸、失效因子υ
ij
、执行器故障模型uf(t)、模糊系统模型、自适应容错控制器；
[0038]
液压支撑油缸作为平衡重式叉车防侧翻系统的执行器，提供侧向支撑力，在保证叉车侧倾状态不进入危险域的同时，恢复车身横向稳定性。
[0039]
失效因子υ
ij
也称不健康因子用于确定执行器的故障类型；具体的说，考虑叉车防侧翻系统的执行器故障(主要包括断供、冲击、卡死、偏差，或者这些故障的组合)时，平衡重式叉车侧翻模糊系统实际的控制输入u(t)已经发生改变，式(2-1)为系统实际故障输入模型，代表第i条执行器在第j个故障模型中失效的信号。
[0040]
其中u
is
(t)表示平衡重式叉车侧翻模糊系统中不可分解的执行器故障模型，ui(t)代表期望的控制输入信号。其中υ
ij
为标量函数，υ
ij
表示未知时变执行器的失效因子或不健康因子，且满足0《υa≤υi≤υb≤1，e(t)为叉车防侧翻系统执行器引起的不确定控制部分，的定义如式(2-2)：
[0041][0042][0043]
式(2-1)(2-2)中
[0044][0045]
则具有上述结构的算子集表示为：
[0046][0047]
同时我们定义以下集合：
[0048][0049]
执行器故障模型uf(t)作为唯一的故障模型，清晰的描述了所有系统可能发生的m个叉车防侧翻系统执行器故障模型。执行器故障模型可表示为：
[0050]
uf(t)＝(1-υi)u(t) ζius(t) e(t)(1-2)
[0051]
式(1-2)中1-υi(t)＝diag[υ
i1
(t),
…
,υ
im
(t)]∈{υ
i1
,
…
,υ
iφ
}。
[0052]
具体实施中，按如下步骤带有执行器故障的模糊系统模型：
[0053]
步骤31、叉车轮胎在车身发生倾斜时其轮胎自身也跟着发生形变，同样的，当叉车在高速转弯时，叉车的轮胎变形也会变大，进而导致轮胎的侧偏角较大，由于叉车轮胎的力特性曲线并非都能近似线性化。故本发明采用了车辆研究中典型的非线性轮胎模型，在车辆稳定性性研究中更为常见，即魔术公式模型，因此前后轮胎的侧向力f
yf
，f
yr
可以表示为：
[0054][0055][0056]
式中，αf和αr分别为叉车前后轮胎的侧偏角。另外，对于上式中参数di，li，gi和vi(i＝f,r)，它们的取值影响因素较多，其中关键的主要包括行进速度，车轮附着力，以及车轮力特性。
[0057]
步骤32、基于t-s模糊模型，对于前侧向力的非线性特性的估计，使用滑动区域m1；后侧向力的非线性特性估计，使用滑动区域m2；如果|αf|属于m1，则：
[0058][0059]
如果|αf|属于m2，则：
[0060][0061]
式(2-5)、(2-6)中，c
fi
(i＝1,2)和c
ri
(i＝1,2)分别为前后轮胎的侧偏刚度，其值影响因素较多，包括轮胎宽度、载荷质量、车轮附着力以及车速。
[0062]
步骤33、叉车前后轮胎的侧向力表示如下：
[0063][0064]
式(2-7)中，λi(|αf|)(i＝1,2)是关于变量|αf|的加权函数，这些加权函数满足以下属性：0≤λi(|αf|)≤1和
[0065]
步骤34、假设叉车前后轮胎的侧偏角很小，可以得到αf＝β-(aω/v
x
)和αr＝δ-β-(bω/v
x
)。考虑叉车动力学模型，则整体的叉车防侧翻t-s模糊模型如下：
[0066][0067]
式(2-8)中u(t)＝f(t)，和z(t)＝[ltr]分别
为上述系统模型的状态，控制输入，干扰输入和控制输出，相关矩阵如下：
[0068][0069][0070][0071][0072]
步骤35、考虑上述执行器故障模型uf(t)，则带有执行器故障uf(t)的模糊系统可表示为：
[0073][0074]
对于带有执行器故障的模糊系统，需要确保一下假设有效：
[0075]
1、叉车防侧翻系统全部状态每时每刻都可用；
[0076]
2、针对叉车防侧翻系统任意的执行器失效模型(1-υi)∈{υ
i1
(t),
…
,υ
iφ
(t)},{ai,bi(1-υi)}是唯一且完全可控；
[0077]
3、非参数化的e(t)是一直连续的有界函数，执行器故障和干扰输入是分段有界连续函数，即存在未知的大于零的常数ae、使得||e(t)||≤ae《∞，成立；
[0078]
4、对于上述叉车防侧翻容错系统，存在一个适当维数的矩阵函数hi，使得b＝b
ihi
；
[0079]
5、无论任何执行器故障模型[1-υi(t)]∈{υ
i1
,
…
,υ
iφ
}，都存在rank[bi(1-υi)(t)]＝rank[b]。
[0080]
自适应控制器(2-10)通过更新自适应定律控制器参数(2-11)进而保证策略的更新,具体实施中，按如下步骤执行：
[0081]
步骤41、考虑线性时不变的叉车防侧翻容错系统模糊模型(2-1)可得到控制器模型如下：
[0082]
[0083]
式(2-10)中同时由以下自适应律更新为：
[0084][0085]
步骤42、由步骤1中φk是任意正常数，是有限的，bk(k＝1,2，
…
，n)是矩阵bi的第k列；给出表示为：
[0086][0087]
其中α,β是适当的正数，满足：
[0088][0089]
根据自适应修正率，的更新策略为：
[0090][0091]
上式中：κ是任意的正常数，为有限函数，又上式可知当时，必定满足
[0092]
步骤43、由上式(2-9)和步骤1中控制器模型(2-10)以及上述假设4，可得到带有执行器故障的闭环容错系统为：
[0093][0094]
定理1：对于具有执行器故障和有界干扰时的模糊系统，在满足假设1～5的条件下，采用公式(2-11)～(2-13)所示的自适应容错控制策略，且存在一个正定矩阵p满足下面的不等式:
[0095][0096]
则可以实现上述模糊闭环容错闭环系统(2-14)渐进稳定。
[0097]
步骤44、证明：
[0098]
选取相应候选lyapunov函数为：
[0099][0100]
则其对时间的导数为：
[0101][0102]
则由上述假设3，上式可推为：
[0103][0104]
则由上文假设2可知，对于稳定的ai，bi来说，一定存在正定矩阵和p，使得：
[0105][0106]
由上述假设5可知，一定存在使得：
[0107][0108]
则可知：
[0109][0110]
由假设3可知，存在未知的大于零的常数ae、使得||e(t)||≤ae《∞，成立，则必定存在常数满足：
[0111][0112]
定义:
[0113][0114]
由上文自适应律(2-11)和(2-12)可知，公式(2-14)可写为：
[0115][0116]
由上述公式(2-16)可知q》0，以及上述公式(2-24)可得故根据lyaounov稳定性理论可知，当叉车防侧翻系统存在执行器故障以及外界干扰时，上述设计的容错控制器能保证系统全局稳定。
[0117]
仿真例
[0118]
针对叉车整车动力学模型的防侧翻控制系统，设计相应的一个有效控制策略，使得叉车防侧翻系统执行器发生故障时，仍然能够保持整个系统的稳定，保证整个系统防侧翻的性能。为验证叉车防侧翻控制系统执行器发生故障时，控制策略的有效性，进行了仿真验证。整车的参数如表1所示。
[0119]
表1整车参数
[0120]
[0121][0122]
叉车防侧翻系统模糊模型如下式所示,其模型参数及系统矩阵如下所示：
[0123][0124]bi
＝[0.070 0 0.852 0]
[0125]
b＝[0.369 0 49.334 0]
[0126]
此外，贴合实际需要考虑到有界干扰，则取有界干扰取为：w(t)＝4sin(t) 2，干扰在系统中开始的时间t≥0。系统的初始状态为：x(0)＝[3 0 0 4]
t
。
[0127]
为了验证本文设计的自适应方法的有效性然后，在以下参数下进行了仿真：
[0128]
α＝2,β＝20
[0129][0130]
在仿真中，设定系统在t≤5时，系统在包含到有界干扰的情况下正常运行，t＝5时设定系统执行器发生故障，共包括两个执行器故障，其中一个为不可控部分e(t)＝10 3sin(t) 2cos(0.5t)，另外一个执行器的不健康因子为υ＝0.03t
[0131]
作为本发明的一个仿真例，图2、图3、图4分别为平衡重式叉车防侧翻系统无故障下的状态响应、有故障正常控制器下的状态响应、容错控制器在故障下的状态响应。由图可知，当系统在t＝5s时加入故障，图示系统中被控制的四个状态偏离原点，在叉车防侧翻系统容错控制器下得到了良好的控制效果，使被控制的四个状态再次渐进收敛到零，叉车防侧翻系统容错控制器可有效的提高转弯过程中防侧翻容错率以及防侧翻系统的稳定性。
[0132]
以下举例说明：
[0133]
作为本发明的一个实际例，基于自适应容错控制方法搭建试验系统。欧标路况下，叉车行进转弯时，车内装配的陀螺仪传感器能够采集到控制器所需要的侧倾角信号以及横摆角速度信号，控制器接收并分析传感器信号，经过内部驱动电路输出控制电流或者控制电压去控制执行器。车身信号采集传感器同样能够采集到侧倾角和横摆角速度信号，不同的是直接发送给计算机，计算机通过nav-view软件记录试验所需的数据。
[0134]
实验中可通过以下方法设定故障：在驱动输出电路和液压支撑油缸电磁阀之间串
联一个电阻值在0-100
ω
的电位器。由于驱动电路输出的驱动电压不会改变，当加入电位器后，相应的驱动电流就会随着电位器阻值的变化而变化，进而液压支撑油缸内的电磁阀阀芯位移发生改变，从而导致执行器支撑力改变，相当于执行器发生了不同的故障调控电位器后模拟的故障严重性，分为两种形况：故障等级一、故障等级二。
[0135]
作为本发明的一个实施例，图5、图6、图7、图8分别为欧标试验故障等级一车身侧倾角、欧标试验故障等级一车辆横摆角速度、欧标试验故障等级二车身侧倾角、欧标试验故障等级二车辆横摆角速度。从故障时刻t＝5s开始，在欧标路况下，叉车转弯的同时，通过调节电位器阻值给执行器施加故障后，相较于无容错控制器，自适应容错控制器对车身侧倾角最大值的控制效果改善了81.7％，车辆横摆角速度最大值改善了53.7％，并且相较于无容错控制器，自适应容错控制器控制下的防侧翻系统能够提前2～3秒趋于稳定。结果表明，自适应容错控制器控制下的叉车防侧翻系统在执行器出现故障时，相较于无容错控制器，车身侧倾角和车辆横摆角速度有着明显的幅度减小效果，容错效果显著，与仿真结果相照应，系统最终趋于稳定。
[0136]
又一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一方法的步骤。
[0137]
再一方面，本发明还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一方法的步骤。
[0138]
在本技术提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一方法的步骤。
[0139]
可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。
[0140]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0141]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0142]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。