大陆电子ESP：基于模型的故障安全系统

大陆电子ESP：基于模型的故障安全系统摘要电子稳定程序（ESP）是支持驾驶者在危险情况下驾驶汽车的汽车动力控制系统。一个基本的元件融入ESP系统—在线传感器监控系统，它主要用于尽可能早地探测到传感器中的故障以便阻止错误的控制或系统故障，以这样的目的提出了一个基于模型的ESP传感器监控系统，并进行了开发、实施，而且在大陆电子公司大量生产。引言自从70年代末引进了轿车数字控制ABS，电子制动控制系统经历了一个快速动态的发展过程，ESP的引入使这个过程达到暂时的高潮，ESP是以众所周知的和已经被证实了的ABS技术为基础的，ESP从之前发展的系统像电子制动力分配系统（EBD）和发动机牵引力控制系统（TCS）等系统中获得了益处。除了这个功能，新传感器装置还具有新的加强的功能，支持驾驶者在所有的状况下进行的所以驾驶操作，操作是独立的，无论他是否正在制动。图1为系统的模块图，这种模块化的概念为故障安全系统分层组织提供了可能性，如果发生故障，这个系统保证了系统可能剩余功能的最大值。ESP系统可以帮助制动，例如在低摩擦或者摩擦力变化的路面上，汽车就变得不可控制或由于车轮锁死而打滑，或增加驱动轮转动存在的危险。它也有助于汽车转向过度和转向不足时的操纵。总的来说，使用ESP的主要目的是提高便利性和车辆的主动安全性[1,2,3]如图2所示，车辆动力学稳定性控制系统的核心是引入一个内部的反馈控制回路，记为ESP。ESP的主要任务在于，在极端情况下进行典型驾驶控制工作并确保车辆的稳定性。传感器作为控制回路的一部分，提供系统的车辆实际状态的动态和行为的信息给控制器，必要时，控制器在这时被激活使汽车在极端情况下保持稳定。换言之，一个成功的汽车控制强烈依赖于传感器的性能，出于这个原因，一个在线传感器监测和预警系统是构成ESP系统的基本组成部分，这个系统主要用于检测出传感器的故障并尽早地使错误的控制被阻止[4,5]问题描述ESP系统的简要说明—图3显示了ESP系统的结构主要包括：防抱死制动系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）和横摆力矩控制系统（AYC）对本技术领域的ESP系统当前状态的系统布局示于图4Step3不失一般性，假设，那么用于故障诊断的残差信号由式（8）给定为了解释上述算法背后的思想，我们首先考虑无故障和故障两种情况下残差信号r的特性。a)无故障这种情况下为“最佳状况”：意味着模型不确定性对残差信号无影响或者“最坏的状况”最大的区别是有界：由于在稳定（SB）状态下，大部分不确定性是一些随机的属性并且可以通过建立平均值被很好的抑制，假设把模型不确定性约束到一个可接受的范围，所造成的差值是合理的b)发生一个故障这种情况下，有“正常状况”由于故障，传感器信号y会从它的额定值显著偏离，也偏离因此，二者的差别和r都会变大。“最坏的状况”意味着该故障是不可检测的，这种情况在故障引起的变化与模型不确定性引起的变化相似时发生。通过以上分析我们看到：上述方案对故障比“最小值”方案实现具有更好的灵敏度一个故障能被明确的检测出如果可引起一个故障不能被检测出来如果只是导致代表汽车稳定状况时传感器信号上模型不确定性的最大影响。识别驾驶情况及模型有效性—正如前面提及的，用故障诊断方案的一个先决条件是识别驾驶状况和模型的有效性。为了识别驾驶状况，使用了许多可靠的测量和信号，详细说明将在随后一节给出描述。该模型有效性的检查，按照下面给出的步骤实现（见子部分冗余方法）检查模型有效性的算法：Step1:检查信号uij,j=1…m的可靠性Step2:检查有效性条件（见例表1）Step3:当所有输入信号uij,j=1…m可靠且满足有效条件时，第i个子模型fi有效Step4:令i=1,…n，重复step1-3自适应阈值的建立和时间评估—残差信号被生成和评估，它就要与阈值进行比较，故故障检测逻辑为Jth代表阈值。需注意残擦估计时间的会影响故障诊断的性能，很明显设置Jth太高和残差估计时间长度太大会减少对故障的敏感度，而设置Jth太低和残差估计时间长度太小会增加故障误警率。通常，Jth设置使模型不确定性的影响最大，模型不确定性的最大影响通常是通过在实际驾驶条件下由测试确定的。记住模型不确定性的影响强烈依赖于驾驶的情况。如果车辆处于不稳定状态，模型不确定性的影响处于主导地位，相反在稳定状态下，不确定性就温和很多。根据这个事实，发展了自适应阈值的概念，简单描述为：PSUSB，Jth高且估计时间长；PSSB，Jth低且估计时间短软件实现本节介绍三个重要ESP传感器故障诊断的软件实现：横摆角速度传感器、横向加速度传感器和方向盘转角传感器。图5为故障诊断系统结构图，用于构造冗余和生成残差的信号是：Vfr—右前轮轮速，Vfl—左前轮轮速，Vrr—右后轮轮速，Vrl—左后轮轮速Vref—汽车参考速度这些信号和三个ESP传感器的信号来源于ABS部分，信可靠性的检查按如下实施：1.对于ABS系统中的现有系统已经证明了来自ABS的信号的可靠性这种情况：-没有故障消息来自ABS监控系统信号可靠-有故障消息来自ABS监控系统信号不可用2.对于通过传感器故障诊断系统已经证明了来自三个ESP传感器的信号的可靠性的情况：-没有故障信息可靠-有故障信息系统关机如图5所示，四个冗余子模型可用来诊断各个传感器中的故障，子模型的数学描述和相应的有效性条件总结在表1中[10,11]。表中符号定义如下：这个算法用来检查子部分中描述的模型的有效性。驾驶状况的识别和模型有效性和残差生成和估计的相应的方案也在子部分中被描述，残差生成和估计按如下实施：如果有效子模型的数量少于三个，假设汽车处在不稳定状态并且“最小值”被用于残差生成和估计；否则假设汽车稳定，运用“多数原则”来生成残差和估计。为了识别驾驶状况并判定来自稳定范围的驾驶操作的偏离度，我们用下面的信号（参见图5），如果它们是可靠的：汽车参考速度四轮轮速在ABS中检查的汽车纵向加速度al模型输出信号除了被监控的ESP传感器信号子部分提到的自适应阈值的建立和估计时间，阈值和估计时间的长度由驾驶状况决定，表2给出了实现的综述。硬件实现图6显示硬件实现的结构ESP系统包括用C语言来编程和微处理器系统实现的数字控制器和监控系统。一些测试结果为了证明和论证监测与故障诊断系统，进行了大量的驾驶试验。下面展示两个测试例子。图7是直线行驶时横摆角速度传感器的测试结果。该图像的第一部分是横摆角速度传感器信号（黑线），它的四个估计的信号使用子模型（灰线），而该图的第二部分显示的残差信号（黑线）和阈值（灰线）。该图的第三部分显示的是否有故障信息产生。我们从图7能清楚看到在这个驾驶情况下横摆角速度信号可以几乎完全被重建而且在0.25秒的时候检测到了故障。图8展示在一个回转操作时横摆角速度传感器监控的测试结果。我们可以看到在这种情况下，由于传感器信号与模型信号之间的相位偏移，横摆角速度传感器信号不能精确重建。因此，在回转动作的开始阶段，阈值设置的较高来避免错误的警报。

结论通过引入ESP，除了众所周知的ABS轮速传感器外，有许多新的传感器被引进。这些提供车辆当前动力行驶状态的精确信号的传感器的发展是以新技术为基础的，像横摆角速度传感器，在汽车世界里还不太被人了解。通过运用基于模型的方法，把已经比较发达的ABS/TCS故障安全系统有效地融入整个故障安全系统是可能办到的。Thisoffersanoptimumreuseofwellprovenalreadydevelopedsoftwarestructuresincombinationwithahierarchicalorganizedfailsafeconceptformaximumuseoftheremainingfunctionsincaseofcomponentfailures.由于在ABS的开始阶段，引进冗余用来监控电子元件。Forsensorsandactuatorsplausibilitycriteriaandelectrica