线控过驱动电动汽车底盘故障辨识与博弈容错机制研究

Based on the high reliable by-wire chassis system of electric vehicles and for the system-level failure control problems of electric vehicles characterized by distributed coupling drive of independent driving, global coordinated fault tolerance controling the main line and functional redundancy relationship between subsystems as a breakthrough, the new theory and method to study the by-wire chassis system identification of unexpected failure and fault-tolerant control is proposed with the idea of global coordinated chassis fault-tolerant control from the angle of inherent coupling relationship of vehicle and tire dynamics. Mapping various subsystem actuator bodies of electric vehicle chassis for the game model,the research combines composite fault monitoring and identification mechanism, expands the mapping correlation matrix and uses the cooperative game theory in mathematical economics as decision thinking, changes global coordination fault-tolerant control allocation problem into the cooperative game process of the existing health subsystems. According to the transforming rules of functional redundancy between systems,the mechnism of utility balance based on Shapley solution concept and a new chassis system-level failure distribution model which possess ability of dynamic environment adaptive will be proposed. The research deeply carries out dynamic fault tolerance mechanism and strategies of system-level failure of electric vehicle chassis by using typical modular multi-loop control structure of drive system, so as to provide the theoretical basis and technical support of highly reliable by-wire electric vehicles with independent intellectual property rights.

以高可靠线控电动汽车系统为对象，针对具有分布式耦合过驱动特征的线控独立驱动底盘系统的失效控制问题，以全局协调的容错控制为主线，以子系统间功能冗余关系为突破口，从车辆及轮胎动力学内在耦合关系出发，研究线控底盘系统级突发性故障的辨识与容错控制新理论新方法。结合基于模型和数据驱动的复合故障监测与辨识机制，以扩展的映射相关矩阵为手段，拟采用数理经济学中“合作博弈”决策思想，把电动车底盘不同子系统执行器主体映射为博弈模型中的局中人，将底盘系统级失效的全局协调容错控制分配问题，转化为现有健康子系统间的合作博弈过程。根据系统冗余功能间的转换规律，提出一种具有动态环境自适应的分布式合作博弈容错控制分配模型及基于沙普利值解概念的效用均衡机制，采用过驱动系统典型的模块化多环控制结构，深入开展线控电动车底盘系统级失效的动态容错机制与策略研究，为开发拥有自主知识产权的高可靠性线控电动车提供理论基础和技术保障。

分布式驱动电动汽车具有控制灵活、布置方便等优点，被广泛视为未来汽车的理想构型，但其安全性和可靠性是一个共性的关键问题。项目针对分布式过驱动底盘系统执行器失效的容错控制问题，以线控独立驱动/转向先进的电动汽车架构系统为对象，计及悬架弹性元件蓄能的垂向动力学影响，建立了耦合垂向载荷特征的纵横平面侧向动力学模型；以系统级全局协调的容错思想为指导，通过失效系统损失域与剩余健康系统可行补偿域的量化表达，获得了典型故障工况下的失效系统的有效补偿重叠域，为过驱动子系统间冗余功能的充分利用提供了求解边界；根据主特征参量分层监测的多重逻辑判断，对车辆运行工况进行在线辨识，采用基于模型的状态估计与基于历史残差数据训练的支持向量机(SVM)相结合的复合诊断方法，实现了滑移率全域范围的故障准确诊断；基于合作博弈理论，将电动车底盘不同子系统执行器主体作为博弈模型中的参与者，以系统稳定、路径跟踪能力及控制能耗等综合成本为博弈联盟共享集体目标，考虑执行器物理限制及系统功能补偿边界约束，建立了基于集体理性的二次微分动态博弈模型，将底盘系统级失效的协调容错控制，转化为现有健康子系统间的博弈过程，并提出一种以基于Shapley值确定子联盟收益的合作效用权重分配机制，以确保健康子系统稳定联盟的形成。将博弈优化求解转换为线性二次型最优控制问题，可实现符合集体理性帕累托最优的高效求解；搭建了一套经济型硬件在环测试平台，对典型工况下执行器失效的容错控制进行了HIL试验验证，结果表明，基于微分动态博弈的执行器失效故障的容错控制策略，无论在容错稳定性方面，还是动力保持性方面都取得了更好的控制效果，轨迹跟踪性能也能满足行驶需求，且算法具有一定的实时性。项目提出的博弈容错控制策略为分布式线控底盘系统突发故障的协调容错控制提供了一种有效解决方案，为保障分布式驱动底盘的安全性、可靠性奠了一定的理论基础。