操作液压电路的控制系统的方法、控制液压致动系统的方法、为液压系统配置控制器的方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请于2012年3月5日提出申请的PCT国际专利申请，申请人为：指定除美国外的所有国家，申请人为美国Eaton公司；指定仅为美国的申请人为中国公民Qinghui Yuan、美国公民Michael Berne Rannow、美国公民Wade Leo Gehlhoff、美国公民Christopher William Schottler、以及未知国籍公民Vishal Mahulkar,并要求享有于2011年3月3日申请的、申请号为NO.61/448,742的美国专利申请的优先权，该申请以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明通常涉及用于电动液压系统的控制系统，特别是施工设备中用于控制电动液压系统的故障检测、隔离及重新配置系统。

重型施工车辆，如挖掘机(前端装载机，反铲式和轮式装载机等等)通常包括用于致动设备不同组件的液压致动系统。例如，前端装载机配备有挖掘臂，由提举液压缸使其升、降。通常在挖掘臂端部枢转安装铲斗，用倾斜液压缸使铲斗相对于挖掘臂转动/倾斜。此外，前端装载机也可包括支臂悬挂系统，以减轻震动和冲击力，提高操作舒适度。典型的支臂悬挂系统包括液压蓄电池。典型的液压致动系统还包括：液压泵，用于为系统提供加压液流；以及蓄水罐，供液压泵吸取液压流体。

本技术中公知的是，使用传感器(如压力传感器、位置传感器)来用于控制液压致动系统的操作。为安全性和可靠性起见，公知的是提供故障检测系统来用于识别何时一个或多个传感器出现故障。

技术实现要素：

本发明涉及用于液压致动系统中的故障检测、隔离及重新配置的方案、架构和方法。

更多方面内容在下列说明中阐述。这些内容涉及单独特性和特性组合。应理解为，本文中此前的总述和此后的详述仅为范例性和解释性的，具体实施例依据的广泛概念不受限于此。

附图说明

图1是依照本发明的原理绘制的控制架构框图。

图2展示了可应用这里公开的系统架构的轮式装载机。

图3是依照本发明的原理绘制的节点示意图。

图4是依照本发明的原理绘制的故障检测、隔离、重新配置架构图。

图5是图4中转向节点的一部分。

图6是示例阀门压力映射(map)，展示了流体压力和阀芯位置的映射。

图7是示例阀芯位置映射，展示流体、压力和阀芯位置的映射。

图8-11展示了各种传感器级别故障。

图12展示了关于阀芯位置的用于检测组件级别故障的逻辑。

图13展示了关于压力的用于检测组件级别故障的控制逻辑。

图14是展示了子系统级别故障检测技术示例的图表。

图15是示例故障检测、故障识别、重新配置矩阵。

图16是提举液压缸控制节点示意图，该提举缸配备有连杆传感器。

图17展示了依照本发明原理的一个隔离矩阵。

图18展示了依照本发明原理的另一个隔离矩阵。

图19展示了依照本发明原理用于控制多级阀的控制回路方案。

图20展示了可用图19所示控制方案进行控制的示例多级阀。

图21是用于隔离图20所示阀门故障的一个隔离矩阵。

图22是依照本发明原理的另一个故障隔离矩阵。

图23是依照本发明原理的另一个故障隔离矩阵。

图24是具有根据本发明原理的方面的示例的特征的液压系统示意图。

图25是多个故障检测和隔离表的示意图，该表可储存于图24所示液压系统的控制器中。

图26是图25所示故障检测表中一个示例性实施例的示意图。

图27是图25所示非流量共享初级故障隔离矩阵的一个示例性实施例示意图。

图28是图25所示流量共享初级故障隔离矩阵的一个示例性实施例示意图。

图29是图25所示非流量共享次级故障隔离矩阵的一个示例性实施例示意图。

图30是图25所示流量共享次级故障隔离矩阵的一个示例性实施例示意图。

图31是用于操作图24所示转向电路的控制器储存的控制算法示意图。

图32是用于操作图24所示作业电路的控制器储存的控制算法示意图。

图33是图24所示作业电路正常操作的表现图。

图34展示了当位置传感器初始发生故障时，图24作业电路操作的表现图。

图35展示了当故障被检测和隔离，且作业电路的控制算法被重新配置之后，图24作业电路操作的表现图。

图36展示当一个故障被检测和隔离，且作业电路的控制算法被史密斯(Smith)预估器重新配置之后，图24作业电路操作的表现图。

图37是包括具有根据本发明原理的方面的示例的特征的离线隔离过程的车辆操作方法示意图。

图38是图37所示离线隔离过程的进一步详细示意图。

图39是图37所示离线隔离过程的进一步详细示意图。

图40是图4所示液压系统低流量模式操作示意图。

具体实施方式

本发明通常涉及用于液压致动系统的故障检测、隔离和重新配置方案。在某些实施例中，使用模块化、分布式控制系统架构。通过使用模块化方案，该系统可以降低其复杂性，并且增强灵活性。通过使用具有重叠和冗余故障检测策略的分散式架构，故障隔离性能得到加强。此外，重叠和冗余故障检测策略为重新配置系统提供了多种选项，使得即使当一个故障传感器被从系统隔离时，该系统仍能继续运行。在某些实施例中，提供了解析冗余方法，通过使用第一组件与一个或多个第二组件(如阀门)之间的操作关系，从一个或多个第二组件生成参考参数(如流量)，与第一组件相应的运行参数(如流量)做对比。该参考和运行参数可根据流体映射技术或其他技术来确定。基于参考参数和运行参数之间的比较，可以确定故障是否存在。故障可能会由一个节点内或交叉几个节点的多个不同传感器中的一个所引起。解析(如基于矩阵的解析)可在节点级别和/或系统级别使用，以便隔离(即明确识别)故障传感器。一旦传感器被隔离，即可使用虚拟参考参数来产生虚拟信号，该虚拟信号可代入第一组件的控制算法，作为被隔离传感器的故障信号的替代。这样，故障传感器的数据在第一组件的控制算法中不再使用，而系统可以继续运行。

I、通用架构总述

图1描述了依照本发明原理进行的故障检测、隔离及重新配置(FDIR)架构20的示例。FDIR架构20用于车辆(诸如施工车辆)的液压致动系统的控制。在一个具体实施例中，FDIR架构20用于控制一种轮式装载机22(见图2)的液压致动系统。FDIR架构20包括监督控制器24，用于与轮式装载机50的主控制器26连接。该监督控制器24处于液压致动系统的监督控制级别。例如，监督控制器24用于监督并连接多个控制节点(如控制模块，控制子系统等等)，上述控制节点处于FDIR架构20的节点级别。FDIR架构20被配置成使得所有节点通过监督控制器24反馈报告。在某些实施例中，节点之间没有直接的相互通信，取而代之的是，节点与监督控制器24垂直连接，该监督控制器24用于协调不同节点的操作。如图1所示，上述节点可包括泵控制节点28、倾斜缸控制节点30、提举缸控制节点32、支臂悬挂系统控制节点34、蓄水罐控制单元节点36、以及一个或多个附加辅助节点38。

如图3所示，展示了节点40示例。可以理解节点40可作为上述各个节点的代表。节点40包括一个或多个组件42(如两级滑阀、三级提升阀或其他阀之类的阀门)。一个或多个组件组件42的操作由节点控制器44来控制。节点控制器44与传感器46(如压力传感器，位置传感器等等)连接，该传感器46感应组件42的操作的参数指示。根据传感器46接收的信息，节点控制器44控制一个或多个组件42(如具有闭环控制结构的组件)的操作。在特定的实施例中，节点控制器44采用脉宽调制控制技术来控制组件42的位置。在操作中，节点控制器44从监督控制器24接收指令(如模式指令，运行需求，阀芯位置需求，压力需求等等)。这样，监督控制器24最终控制并协调节点40的操作。同时，节点控制器44通过传送FDIR标记与监督控制器24通信。监督控制器24保持让各个节点了解其他节点的FDIR。

对于各个节点，一个或多个组件42优选控制液流流向或来自系统结构48，诸如泵、致动器(如液压电机或液压缸)、蓄电池或其他液压装置。流过一个或多个组件42、流向或来自系统结构48的相关液流信息，也由节点控制器44传送给监督控制器24。监督控制器24可利用上述信息来检测故障、隔离故障和/或重新配置系统以在监督级别标出故障地址。

由节点控制器发送到监督控制器的FDIR标记显示出，在一个指定节点是否已经检测出故障，还可以显示该故障是否已在节点级别被隔离。如果该故障未在节点级别被隔离，则监督控制器24可以利用数据(如流量数据或其他节点故障检测相关信息)协助在监督级别隔离该故障。

II、应用FDIR架构的示例车辆

图2描述了轮式装载机50，该轮式装载机50是一种可以应用本发明内容的施工车辆示例。该轮式装载机包括由轮54支撑的底盘或框架52。驾驶室56安装在框架52上。支臂58与框架52转动连接。提举缸60用于使支臂58相对于框架52向上和向下枢转运动。铲斗62转动安装在支臂58末端。倾斜缸64用于使铲斗62相对于支臂58枢转运动。

III、示例架构示意图

图4描述了适用于控制轮式装载机50的液压致动系统的系统架构示意图。该架构包括监督控制器24，该监督控制器24与泵控制节点28、倾斜缸控制节点30、提举缸控制节点32、支臂悬挂系统控制节点34以及蓄水罐控制单元节点36(辅助节点未展示)连接。泵控制节点28(详见图5和本发明XV部分的说明)控制液流压力和流速，以满足倾斜缸控制节点30、提举缸控制节点32和支臂悬挂系统控制节点34对流量和压力的要求。蓄水罐控制单元节点36接收倾斜缸控制节点30、提举缸控制节点32和支臂悬挂系统控制节点34排放的液流流量。倾斜缸控制节点30控制流向和来自轮式装载机50的倾斜缸64的液流流量。提举缸控制节点32控制流向和来自轮式装载机50的提举缸60的液流流量。支臂悬挂系统控制节点34控制流向和来自蓄电池66的液流流量，也控制蓄电池66与提举缸60之间的流体通信。

倾斜缸控制节点30与泵控制节点28的一个或多个泵之间进行流体通信，并用于选择性地使得倾斜缸64的头侧74或杆侧76与一个或多个泵进行流体通信。类似地，倾斜缸控制节点30与系统罐77(即系统蓄水罐)通过蓄水罐控制单元节点36进行流体通信，并用于选择性地使得倾斜缸64的头侧74或杆侧76与罐77进行流体通信。

倾斜缸控制模块30包括头侧流量控制阀V_th，该头侧流量控制阀V_th选择地使得倾斜缸64的头侧74与系统泵或者系统罐进行流体通信。倾斜缸控制节点30也包括杆侧流量控制阀V_tr,该杆侧流量控制阀V_tr选择地使得倾斜缸64的杆侧76与系统泵或者系统罐进行流体通信。阀位置传感器X_th和X_tr分别用来感应头侧流量控制阀V_th和杆侧流量控制阀V_tr的阀芯位置(即传感器检测阀芯在套筒内的位置)。此外，压力传感器P_th和P_tr分别感应倾斜缸64的头侧和杆侧压力。倾斜缸控制节点30还包括组件控制器C_t，该组件控制器C_t基于从监督控制器24接收到的指令(如模式、压力或阀芯位置需求等等)和节点传感器提供的反馈来控制阀V_th、V_tr的操作。组件控制器C_t也可监测节点的故障状态，并且向监督控制器24报告任何探测到的故障状态作为出现的故障标记。

提举缸控制节点32与泵控制节点28的一个或多个泵之间进行流体通信，并用于选择性地使得一个或多个泵与提举缸60的头侧70或杆侧72进行流体通信。类似地，提举缸控制节点32通过蓄水罐控制单元节点36与罐77进行流体通信，并被配置为选择性地使得支臂缸60的头侧70或杆侧72与罐77进行流体通信。

提举缸控制节点32包括头侧流量控制阀V_lh和杆侧流量控制阀V_lr。头侧流量控制阀V_lh被配置为选择性地使得支臂缸60的头侧70与泵控制节点28的一个或多个泵之间或者与系统罐77之间进行流体通信。杆侧流量控制阀V_lr被配置为选择性地使得支臂缸60的杆侧72与系统泵之间或者与系统罐77中的一者之间进行流体通信。提举缸控制节点32进一步包括头侧阀位置传感器X_lh用来感应头侧流量控制阀V_lh的阀芯位置，和杆侧阀位置传感器X_lr用来感应杆侧流量控制阀V_lr的阀芯位置。提举缸控制节点32还包括压力传感器P_lh2用来感应支臂缸60的头侧70的压力，及压力传感器P_lr用来感应支臂缸60的杆侧72的压力。提举缸控制节点32进一步包括组件级控制器C_l，该组件级控制器C_l与提举缸控制节点32的各种传感器连接。组件控制器C_l也和监督控制器24连接。组件控制器C_l根据监督控制器24发送过来的需求信号(如模式，压力，阀芯位置需求等等)以及提举缸控制节点32的传感器的反馈来控制V_lh和V_lr的操作。组件控制器L_l还可监测提举缸控制节点32可能出现的故障状态，当提出故障标记时向监督控制器24报告该故障状态。

支臂悬挂系统控制节点34与泵控制节点28的一个或多个泵之间进行流体通信，并被配置为选择性地使得蓄电池66与供给蓄电池66的一个或多个泵进行流体通信。支臂悬挂系统控制节点34也可使得蓄电池66与罐77和/或提举缸60的头侧70进行流体通信。

支臂悬挂系统控制节点34包括加液阀V_c和阻尼阀V_d。加液阀V_c通过使得蓄电池66与泵控制节点28的泵之间流体通信来给蓄电池66加液。阻尼阀V_d可选择将蓄电池66与支臂缸60的头侧70进行流体通信。支臂悬挂系统控制节点34进一步包括加液阀位置传感器X_c，用来感应加液阀V_c的阀芯位置；还包括阻尼阀位置传感器X_d，用来感应阻尼阀V_d的阀芯位置。支臂悬挂系统控制节点34进一步包括压力传感器P_a用来感应蓄电池66的压力，以及压力传感器P_lh1用来感应支臂缸60的头侧70的压力。支臂悬挂系统控制节点34的传感器与节点控制器C_bss连接，该节点控制器C_bss提供支臂悬挂系统控制节点34的节点级别控制。节点控制器C_bss与监督控制器24连接，并且向监督控制器24报告节点内的故障状态作为出现的故障标记。该控制器向阀门发送操作指令(如模式，压力，阀芯位置需求等等)。

蓄水罐控制单元节点36包括罐流量控制阀V_t，用来控制至罐77的系统流量。蓄水罐控制单元节点36还包括压力传感器P_t用来感应阀V_t上游位置罐77的压力。位置传感器X_t感应阀V_t的位置。提供了组件控制器C_t用来控制阀V_t的操作。组件控制器C_t与节点传感器以及监督控制器24连接。阀V_t的操作由组件控制器C_t根据从监督控制器24接收到的指令(如模式，压力，阀芯位置需求等等)以及来自节点传感器的反馈来控制。组件控制器C_t监测节点的操作，并向监督控制器24报告任意故障情况。

上述FDIR架构支持不同级别的故障检测。例如，故障可在传感器级别、组件级别、节点内级别和节点间互联(即监督，系统)级别被检出。该架构也支持传感器级别、组件级别、节点内级别和节点间互联(即监督，系统)级别的故障隔离。此外，该架构还支持上述任意或全部级别的重新配置。

IV、参数映射

参数图可以由经验数据或数学公式来创建。参数图可储存在节点或者监督级别，当需要参数信息时，可被监督控制器或节点控制器访问。参数将相关数据映射成图象形式，并可用于根据其他相关参数来估算特定参数。例如，以阀为例，流量、阀芯位置(显示节流面积)和经过阀门的压差等参数可被关联进流量映射，用来从已知参数估算未知参数。阀门的流量映射显示为Q＝map(P,X,α),其中P为经过阀门的压差，X为阀芯位置，α为附加变量例如温度。根据此图，如果P,X,α已知，则流量可确定。阀门的压力映射显示为P＝map(Q,X,α),示例图见图6所示。根据此图，如果Q,X,α已知，则压力可确定。阀芯位置图显示为X＝map(Q,P,α)，示例图见图7所示。根据此图，如果Q,P,α已知，则阀芯位置可确定。

也可使用其他映射。例如，阀芯速度映射定义了阀芯速度与脉宽调制信号电流之间的关系,用来控制电磁致动阀芯在阀筒内的轴向运动。阀芯位置映射也可定义阀芯位置与位置需求信号幅度之间的关系，用来控制阀芯的运动。压力映射也可定义经过阀芯的压差与压力需求信号幅度之间的关系，用来控制阀芯的运动。

V、传感器级别故障检测

特定故障可在传感器级别被检出。此类故障一般不依靠需独立监测的可变参数而定。例如，可通过将传感器读数和特定的预设或预先建立的参数、范围或其他指标进行比对来确定是否有错误。其中一个示例见图8所示，其中传感器信号130超出了预定值域，此值域上限为132、下限为134。另一个示例见图9所示，其中传感器在传感器信号应当变化的环境下在预定时间段内产生稳态信号。图10展示了进一步的故障状态，其中传感器产生与信号对应的预定量噪音138。传感器级别故障进一步示例是传感器无法产生任何信号。图11是另一代表性情况，传感器信号140追踪或跟随实际信号142，但具有错误的幅度。只要此传感器信号140处于传感器预定值域范围内，该类型错误很难被检出。就这方面来说，本文中公布的更高级别的故障检测技术可用于检测此类故障。

VI、组件级别故障检测

一个组件级别的故障检测示例是以阀门的闭环位置控制为基础的故障检测。就此而言，对于给定阀门，其阀芯位置可以根据监督控制器发出的阀芯位置需求指令来确定。例如，可以使用经验查找表、位置映射或二阶传递功能参数来预估阀芯位置。该预估位置可与阀芯对应的传感器所指示的位置相比对。如果预估的阀芯位置与感应的阀芯位置在预定时间内发生至少预定数量，则故障标记出现。图12是此故障检测策略的示意图。如图12所示，使用位置闭环传递函数150，根据监督控制器发出的位置需求154，给出位置预估152。从位置预估152中减去位置感应156得出残值158。若此残值在预定时间窗超出了预定数量，则在各自节点提出故障标记，并传送到监督控制器。上述故障检测技术可在组件级别用于任意节点28、30、32、34和36，如图4所示。例如，上述故障检测技术可用于检查位置传感器X_th的功能，该传感器用于控制倾斜缸控制节点30的头侧流量控制阀V_th的阀芯位置。组件控制器C_l和C_t收到监督控制器发出的需求信号，使用常规的脉宽调制控制逻辑，生成信号来控制阀V_th的阀芯位置。通过位置映射、经验数据、查找表或其他方法，根据监督控制器发出的位置需求指令的特征，可以预估阀V_th的阀芯位置。此预估位置与传感器X_th的指示位置相比对，如果预估位置与感应位置在预定时间窗口内发生预定数量的差值，则提出故障标记。

另一个组件级别故障检测技术是以闭环压力控制为基础的。在此故障检测方案中，使用监督控制器发出的压力需求信号来预估给定传感器的压力。通过使用压力映射、经验数据、查找表或公式诸如二阶压力控制传递功能来预估压力。然后将预估压力与给定传感器的感应值相比对，如果预估压力与感应压力在预定时间窗内发生预定数量的差值，则提出故障标记。图13是此类故障检测技术的示意图。如图13所示，使用闭环压力控制传递函数160，根据监督控制器发出的压力需求指令164，预估给定传感器的压力数值162。从预估压力值162中减去感应压力值166，得出残值168。若此残值在预定时间窗口超出了预定量，则产生故障标记。可以理解上述故障检测策略可用于监测图4所示系统内所有压力传感器的操作。例如，在倾斜缸控制节点30的操作中，监督控制器给组件控制器C_l发送压力需求。根据压力需求数值，组件控制器C_l使用脉宽调制控制逻辑来控制阀V_th的操作，以便达到倾斜缸64的头侧74的压力预估值。可以根据压力映射、经验数据、查找表或公式诸如闭环压力控制传递功能来得出压力预估值。此预估值与压力传感器P_th的感应读数相比对，如果感应压力值与预估压力值在预定时间内发生预定数量的差值，则组件控制器C_l提出故障标记，并传送到监督控制器。

组件级别故障检测的进一步示例以滑阀的阀芯速度为基础。可以理解此类故障检测方案可用于图4中所示系统内任意阀门。使用此方案可以预先产生速度映射，其定义了阀芯速度与用于控制关注的阀的操作的组件控制器产生的脉宽调制(PWM)信号(即信号的电流)之间的关系。速度映射可以考虑变量，如温度或其他因数。将阀芯速度与PWM信号图存储在存储器中并可以稳定地访问，即可以根据PWM信号的幅度预估阀芯速度。然后将预估速度与根据阀芯位置传感器的读数计算得出的阀芯速度相比对，如果预估速度与计算得出的速度在预定时间内发生预定数量/阈值的差值，则组件控制器提出故障标记，并传送到监督控制器。

VII、子系统/节点级别故障检测

子系统/节点级别故障检测的一个示例方法为：通过利用解析冗余来预估“虚拟”或参考流量值，然后将参考流量与感应流量相比对。例如，致动器的进表流量可以用来确定/预估相同致动器的出表流量。此种故障检测方案可以比对当倾斜缸64被致动时经过倾斜缸控制节点30的阀V_th和V_tr的流量。也可以比对当提举缸60被致动时经过提举缸控制节点32的阀V_lh和V_lr的流量。致动器的出表流量也可用来确定与其进表流量相关的参考流量。此外，对于蓄电池来说，蓄电池压力和蓄电池压力的变化速率可用来提供参考流量，此参考流量值在正常条件下与控制蓄电池进、出流量的阀的感应流量相等。

子系统级别故障检测具有优势，这是因为任何传感器故障均可实时检出，这就可明显提升系统的安全性和可靠性。此种检测方案适用于实时处理难于感应(例如故障传感器可以追踪实际信号的动态补偿)、难于检测的传感器故障。此外，通过结合其他技术(如信号加工、传感器级别故障检测、组件级别故障检测、子系统级别故障检测和系统级别故障检测)，多个传感器故障可被检出。

A、使用同一致动器的进表流量和出表流量作为参考参数实现故障检测与重新配置

对于特定的液压致动器，诸如在活塞头的两侧有相等尺寸的活塞杆的液压电机和液压汽缸，进入致动器的流量与流出致动器的流量相等。因此，如果单个进表阀提供进入致动器的所有流量，单个出表阀接收流出致动器的所有流量，则经过进表阀和出表阀的流量彼此相等。这样，致动器定义了进表阀和出表阀之间的操作关系。进表阀的流量映射(Q1＝map(P1,X1,a1))可以用于计算经过进表阀的感应流量。经过出表阀的流量也可以通过对应出表阀的流量映射(Q2＝map(P2,X2,a2))进行计算。由于进表阀、出表阀都和同一致动器连接，因此它们的计算/预留流量不应相差超出预定阈值。因此Q2是Q1的参考流量，Q1是Q2的参考流量。如果Q1和Q2相差超出预定阈值，则表明传感器故障，并且提出故障标记。

如果故障传感器需要重新配置，那么为带有可操作传感器的相关阀门确定的流量可以用于为带有故障传感器的阀门控制提供预估值。例如，如果对应进表阀的压力传感器出现故障，则相应出表阀计算出的参考流量Q2可以代入进表阀流量映射(P1_est＝map(Q2,X1,a1))，得出预估压力值P1_est，用于操作进表阀。特别是，预估压力值P1_est可以代入闭环控制算法，用来控制进表阀的操作。这样，故障传感器可以从系统中移除，而系统继续运行。同样地，如果进表阀的位置传感器出现故障，则出表阀计算出的参考流量Q2可以代入进表阀流量映射(X1_est＝map(Q2,P1,a1))，计算出预估位置值X1_est用于控制进表阀的操作。特别地，预估压力值X1_est可以代入闭环控制算法，用来控制进表阀的操作。类似地，如果出表阀出现故障，则来自进表阀的参考流量值可用于生成预估传感器读数来替代故障传感器。在重新配置状态中，使用Smith预估器可用于消除预估传感器数值推导计算所需要的时间相关联的延时所造成的波动。

如图4所示，头侧阀V_th和杆侧阀V_tr控制经过倾斜缸64的流体流量。因为活塞包括活塞头，该活塞头仅有一侧带连杆，所以进入汽缸的流量与流出汽缸的流量不相等。取而代之的是，进入和流出汽缸杆侧74的流量Q_r等于进入和流出汽缸头侧76的流量Q_h乘以头侧活塞面积A_h和杆侧活塞面积A_r的比率。杆侧活塞面积A_r等于头侧活塞面积A_h减去活塞杆的横截面积。杆侧流量Q_r和头侧流量Q_h之间的关系提供了故障检测的方法。经过阀V_th的预估流量Q1等于头侧流量Q_h，经过阀V_tr的预估流量Q2等于杆侧流量Q_r。这就在Q1和Q2之间建立了数学关系。尤其是，Q1应该等于Q2乘以A_h/A_r。因此，Q2×A_h/A_r是Q1的参考流量，Q1×A_r/A_h是Q2的参考流量。如果Q1未处于Q2×A_h/A_r的预定阈值之内，则故障存在，应当提出故障标记。如上所述，若要重新配置系统，对应于阀V_th和V_tr中的一个可操作阀的参考流量可以用于为V_th和V_tr中的一个故障阀的故障传感器预估感应值。这样，系统及时重新配置，阀可以继续操作，故障传感器下线，并且被根据冗余/重叠流量关系生成的虚拟传感器替代。

B、蓄电池流量作为参考参数

对蓄电池来说，其压力和压力变化速率决定腔室内的气体动力，这与蓄电池的流速相关。因此，蓄电池流量映射可根据压力和压力变化速率来生成。这样，如果压力和压力变化速率已知，则蓄电池的输入、输出流速可以从流量映射中稳定地确定。如果，在给定时间点，只有一个阀用来控制蓄电池的输入和输出流量，那么流量映射测定的蓄电池流量可以用作参考流量，与经过控制阀的感应流量相等。此关系也可用于支臂悬挂系统控制节点34，使之在节点内实现子系统级别故障检测和重新配置。此类型子系统级别故障检测见图14所示。

如图14所示，两个流量Q1和Q2被测定。根据节点32的操作状态，流量Q1与经过阀V_c和V_d的计算流量对应。Q2与计算的蓄电池流量对应。流量映射f1与阀V_c对应，当阀V_c处于蓄电池66与罐77连接的位置时用于计算Q1。流量映射f2与阀V_c对应，当阀V_c处于蓄电池66与泵节点36连接的位置时用于计算Q1。流量映射f3与阀V_d对应，当阀V_d处于蓄电池66与提举缸60的头侧连接的位置时用于计算Q1。流量映射f4是用于蓄电池66的流量映射，用于计算Q2。如果在预定时间段内Q1和Q2的差值超出了预定流量阈值，则支臂悬挂系统控制节点34内的传感器故障被检出。一旦创建了上述四个流量映射之后，可以得出冗余，支持多个流量计算，可以比对确定是否发生了故障状况。例如，如果加液阀V_c控制进、出蓄电池的流量，那么由流量映射f1或f2计算的经过阀V_c的流量应该等于流量映射f4计算的进、出蓄电池的流量。如果在预定时间段内Q1和Q2在预定阈值内部匹配，则故障标记产生。依据阀芯位置(如根据蓄电池连接到压力侧还是罐侧)，流量映射f1或f2用于预估经过阀V_c的流量Q1。当支臂悬挂系统处于支臂悬挂系统模式，阻尼阀V_d将蓄电池与提举缸60的头侧70进行流体通信时，流量映射f3用于预估流量Q1。Q2总是由蓄电池流量映射f4计算。可以理解当使用上述方法检测出一个故障时，故障源可以是系统内任意个不同传感器。当前系统的架构支持各种运行参数交叉引用，以便把故障隔离到特定的传感器。

与先前所述实施例同样，Q1是Q2的参考流量，Q2是Q1的参考流量。因此，一旦故障被隔离到阀V_c、V_d中的一个阀的特定的位置传感器时，流量Q2可以代入故障阀的阀芯位置映射，计算出预估的阀芯位置值，将该预估的阀芯位置值代入故障阀的闭环控制算法，使故障阀在重新配置状态运行，故障传感器下线。在其他实施例中，通过停止V_c、V_d的运动可以进行系统重新配置。

如果蓄电池66是活塞型蓄电池，根据活塞速度(假设提供了活塞传感器)，则可以以第三流量计算Q3的形式做出第三冗余。Q3等于进或出蓄电池的流量。在正常运行条件下，Q1＝Q2＝Q3。图15为支臂悬挂系统节点34的故障隔离和重新配置图，其中蓄电池66为活塞型蓄电池。

VIII、系统级别故障检测

可以理解如果已知较大流体各个分支的流速，则把各分支流量相加得出参考流量值，即为总流量的代表。例如，如图4所示，经过罐阀V_t的总流量等于从朝罐77方向的倾斜缸控制节点30和提举缸控制节点32分出的所有支流流量的总和。使用前面所述的流量映射，经过任一阀门的流量均可预估。若要识别故障状况，经过罐阀V_t的第一流量Q1可由流量映射确定。而且，与从倾斜缸控制节点30和提举缸控制节点32分出的流量对应的流量Q2和Q3也可由相应的流量映射确定。在正常条件下，Q2和Q3的和应该等于经过罐阀V_t的总流量Q1。但如果Q2和Q3的和未在经过罐阀V_t的总流量Q1的预定阈值范围内，则提出故障标记。

应当理解(Q2+Q3)是Q1的参考流量，(Q1-Q2)是Q3的参考流量，且(Q1-Q3)是Q2的参考流量。因此，一旦故障被隔离到其中一个阀各自的参考流量的特定传感器，则相应的参考流量代入故障阀的阀芯位置映射或压力映射，得出预估阀芯位置值或压力值，将其代入故障阀的闭环控制算法，使故障阀在重新配置状态运行，故障传感器下线。

利用矩阵解析法，此类型故障隔离可在监督级别达到。例如，如果罐控制节点36、提举缸控制节点32和倾斜缸控制节点30均向监督级别报告未隔离故障，则故障在罐压力传感器。而且，如果罐控制节点36和提举缸控制节点32报告未隔离故障，倾斜缸控制节点30报告无故障，则故障可以隔离到提举缸控制节点32。

IX、带有感应汽缸的电动液压系统的故障检测、隔离和重新配置

图16展示了依照本发明原理的故障隔离架构200。架构200适用于控制液压致动器202的致动。该液压致动器包括汽缸204和反向安装在汽缸204内的活塞206。活塞206包括活塞杆208和活塞头210。汽缸204限定头侧212和杆侧214。架构200包括传感器216，用于探测活塞206的速度。传感器216可以是位置或者速度传感器。架构还包括用于控制致动器202的阀门。所示出的阀中包括头侧阀220，该头侧阀220与致动装置202的头侧212流体连接；以及杆侧阀222，该杆侧阀222与致动装置202的杆侧214流体连接。架构200还包括控制器224，该控制器224可运行故障诊断与控制算法。控制器224与头侧压力传感器226、杆侧压力传感器228、头侧阀位置传感器230、杆侧阀位置传感器232连接。控制器224可以访问阀220和222相对应的预定流量映射。可通过使用阀220的流量映射由控制器224确定经过头侧阀220的流量Q1。类似地，可通过阀222的流量映射确定经过杆侧阀222的预估流量Q2。由于阀220、222都与同一致动器202流体连接，所以流量Q1和Q2之间存在从属关系。例如，经过阀220的流量Q1等于进或出汽缸204的头侧212的流量；经过阀222的流量Q2等于进或出汽缸204的杆侧214的流量。因为头侧的有效活塞面积比杆侧的更大，那么进或出汽缸204的活塞侧212的流量等于进或出活塞侧214的流量乘以头侧有效活塞面积A_h与杆侧有效活塞面积A_r的比率。这样，流量Q1等于Q2乘以A_h除以A_r。因此，由致动器210确定的关系创建了可用来检测故障的冗余。特别是，如果Q1与Q2×A_h/A_r的差值超出了预定阈值，则提出故障标记。

图16的系统架构200也用于提供三个冗余。特别是，传感器216可用于计算活塞206的速度V_cy11。而且，头侧阀220的流量映射可用于预估活塞206的第二速度V_cy12。V_cy12等于经过头侧汽缸220的流量Q_h除以头侧活塞面积A_h。根据杆侧汽缸222的流量Q_r可以确定第三速度预估V_cy13。第三速度预估V_cy13等于Q_r除以A_r。如果V_cy11、V_cy12、V_cy13中任意一个与其他两个的差值未在预定阈值范围内，则提出故障标记。

图17是隔离某个故障状况的矩阵。例如，案例1显示汽缸传感器216出现故障。案例2显示头侧压力传感器226或者头侧阀位置传感器230出现故障。案例3显示杆侧压力传感器228或者杆侧位置传感器232出现故障。案例4显示一个以上传感器出现故障。案例5显示无故障发生。

重叠关系创建的冗余也提供允许系统重新配置的装置(见图18)，将故障传感器从系统中隔离。特别是，故障传感器可以下线，从冗余中得出的预估值可用于替代下线传感器。对于案例1，重新配置包括在监督控制中支持汽缸传感器数值。案例2中，如果头侧压力传感器226出现故障，则可让其下线，使用预估值P_hest控制阀220的操作。将预估流量值Q_est和位置传感器值X_h代入阀220的流量映射，即可得出P_hest。如果传感器230出现故障，则让其下线，使用预估位置值X_hest控制阀220的操作。预估位置值X_hest可以从阀220的流量映射中得出，即利用预估流量Q_est和压力传感器226的读数可将其求出。应注意，预估流量Q_est可从V_cy11或V_cy13值中得出。如果杆侧压力传感器228出现故障，则可使用预估压力值P_rest控制阀222的操作。可以理解预估压力值P_rest可以从流量映射得出，即利用预估流量Q_est和杆侧位置传感器232生成的位置值可将其求出。类似地，如果杆侧位置传感器232出现故障，则让其下线，使用预估位置X_rest控制阀222的操作。预估位置X_rest可以从流量映射中得出，即利用预估流量Q_est和杆侧压力传感器228感应的压力值可将其求出。案例3中，预估流量Q_est可从V_cy11和/或V_cy12中得出。

案例4中，重新配置包括进入故障安全配置。案例5中，因为检测到无故障，因此重新配置不可行。

X、闭环多级阀控制与故障隔离

图19展示了多级阀的闭环压力控制架构。示例阀300如图20所示。该阀包括导向级302、中间级304和主级306。图19的闭环控制架构具有级联配置，其中内部控制回路308提供阀芯位置控制，同时外部控制回路310提供压力控制。如图19所示，监督控制器给节点处的组件控制器发出压力需求信号312。在组件控制器上，从需求信号中得出的预估压力值与感应压力值314进行比对。如果感应压力值和预估压力值不同，则组件控制器生成位置需求信号316。从位置需求信号316生成预估位置，该预估位置与感应阀芯位置信号318进行比对。如果预估阀芯位置与感应阀芯位置不同，则组件控制器生成PWM信号，该PWM信号导致阀芯322在中间级304移动。感应到的阀芯位置值318由处于阀芯322的阀芯位置传感器324生成。阀芯322的移动导致主级306调整，以改变感应压力314。感应压力314由处于主级306的压力传感器326感应。

如果预估位置值316与感应位置值318的差值在预定时间段内超出了预定阈值范围，则提出故障标记。同样，如果预估压力值与感应位置值314 的差值在预定时间段内超出了预定阈值范围，则提出故障标记。可以理解在位置传感器324中发生的故障，将会引起对应的压力传感器326提出故障标记。与此相反，压力传感器326的故障则不会引起对应的位置传感器318提出故障标记。图21是故障隔离矩阵，用于隔离对应图19的闭环控制架构301的故障源。在矩阵330中，R1代表位置传感器324的故障状态，R2代表压力传感器326的故障状态。如矩阵中所示，若R1和R2都关闭，则无故障检出。然而若R1关、R2开，则故障可以隔离到压力传感器326。若R1和R2都开，则表明位置传感器出现故障。

XI、故障检测矩阵方案

图22是支臂悬挂系统控制节点34的故障隔离矩阵。如该故障隔离矩阵所示，Rs1对应位置传感器X_c的传感器级别故障；Rs2对应压力传感器P_acc的系统级别故障；Rs3对应传感器X_d的系统级别故障；Rs4对应传感器P_lh1的系统级别故障；Rc1对应传感器X_c的组件级别故障；Rc2对应传感器P_acc的组件级别故障；Rc3对应传感器X_d的组件级别故障；Rc4对应传感器P_lh1的组件级别故障；Rc5对应传感器X_c的另一个组件级别故障；Rsys1对应系统级别或子系统级别故障，如图14所示。在一个实施例中，Rc5取决于于滑阀速度和用于控制可令滑阀移动的电磁线圈的PWM信号电流之间的关系。如图22所示，案例1-8为已隔离，案例9和10为未隔离，可在系统级别做隔离解析。

图23是v提举缸控制节点32的故障隔离矩阵。在该故障隔离矩阵中，Rs1r对应位置传感器X_rh的传感器级别故障；Rs2r对应传感器P_lr的传感器级别故障；Rc1r对应位置传感器X_lr的组件级别故障；Rc3r对应传感器X_lr的另一个组件级别故障；Rsubsys对应由阀V_lh和V_lr之间确定的子系统级别故障；Rs1h对应位置传感器X_lh的传感器级别故障；Rs2h对应传感器P_lh的系统级别故障；Rc1h对应传感器X_lh的组件级别故障；Rc3h对应传感器X_lh的另一个组件级别故障；Rsubsysh和Rsubsysr同为系统故障；Rsys-bss是传感器P_lh1和P_lh2之间的比对。如图23矩阵所示，300部分代表单个标记故障隔离信息；302部分代表两个标记故障隔离信息，其中表明所述故障为传感器级别或者是组件级别故障；304部分代表传感器级别或组件级别故障与子系统级别故障的结合。图表最后一行代表故障隔离状态。

XII、用于被动和超限状况的故障检测系统

提举缸控制节点32可在被动状况和超限状况中运行。在被动状况中，提举缸60推挤负荷。被动运动一个示例是：当提举缸60举起支臂时。当发生这一示例时，系统泵排出的流体经由阀V_1h进入提举缸60的头侧70，从提举缸60的杆侧72排出的流体经由阀V_1r到达罐77。当提举缸控制节点32在超限状况中运行时，负荷推挤提举缸60。当负荷下降时，此情况会发生。在超限状况中，提举缸60的头侧70处的液压流体经由阀V_1h流至罐77，从罐77排出的液压流体经由阀V_1r流入提举缸60的负荷侧72。在上述两种状况中，液压流体可以从蓄电池66经由阀V_d流到提举缸60的头侧70，或者是从提举缸60的头侧70经由阀V_d流到蓄电池66。其方向视提举缸60的头侧70与蓄电池66的相关压力而定。这种液压流体流量也为支臂悬挂所用。在超限状况中，净流量经由阀V_t到达罐77。此外，在某些情况下，阀V_1r将系统泵与提举缸60的杆侧72连接，以避免气穴现象。

在某些实施例中，阀V_1h、V_1r可被设计为具备抗气穴特征，即使当阀处于关闭位置时，也可允许来自罐77的流量经由该阀流至汽缸60。此流速从阀芯位置和压力信号中不可计算。

在被动致动状况中，流量Q1和Q2对应提举缸60的头侧70；Q3对应提举缸60的杆侧72。Q1等于从系统泵进入头侧70的流量，该值可从头侧阀V_1h的流量映射计算得出。Q2等于蓄电池66和提举缸60的头侧70之间的流量。该流量可根据蓄电池流量映射或阻尼阀V_d流量映射得出。流量Q3去往罐77，可自宽侧阀V_1r的流量映射计算得出。如前所述，进或出头侧70的流量等于进或出杆侧72的流量乘以A_h除以A_r。因此，假定进入汽缸流量为正号，流出汽缸流量为负侧，则Q1+Q2+Q3×A_h/A_r应该等于零。如果不是，则提出故障标记。此后，一旦故障被隔离，则上述公式可用于创建参考流量，代入故障组件的流量映射，生成虚拟信号读数，再代入故障组件的闭环控制算法，使得组件能继续运行。

在超限状况中，阀V_1r的流量映射不可靠，这是因为该阀有可能正在无指令、抗气穴条件下运行。在这些情况下，经过该阀的流量无法计算。不过，经过阀V_t、V_th、V_tr和阀V_1h的流量均可利用流量映射计算。如前所述，经过阀V_t的流量等于自倾斜缸控制节点30和提举缸控制节点32的分支流量之和。因此，从经过阀V_t的总流量中减去V_th、V_tr和V_1h的流量，即可以计算经过阀V_1r的流量。该值随之可代入上述被动状况相应的等式，作为故障识别与重新配置的另一种方法。以下部分将对上述方法给予更为详细的说明：

·上游流量:从供应压力到工作舱头，Q_h,提举,泵(＞0)

·下游流量:从工作舱杆到罐压力,Q_r,提举,罐(＜0)

·不失一般性,Q_h.提举.泵可从Ps,P_h,提举,x_h,提举,或者Q_h.提举.泵流量映射(Ps,P_h,提举,x_h,提举)预估得出

·类似地,Q_r.提举，罐(Pt,P_r,提举,x_r,提举)

·按照提举缸60的上、下游流量关联关系(即进、出流量互成比例)，得出下列约束：(负荷导向约束(LOC))

残值_通过(Ps,P_h.提举,x_h.提举,Pt,P_r.提举,x_r.提举)＝

残值(Q_h,提举，泵,Q_r，提举，罐)

:＝Q_h,提举，泵+Q_r,提举,罐×A_h/A_r+Q_阻尼＝0

如果残值(Q_h，提举，泵,Q_r，提举，罐)不等于0,则传感器故障被检出。就此而言，潜在的故障传感器包括Ps,P_h.提举,x_h.提举,Pt,P_r.提举,x_r.提举。而且，“不等于”用阈值和时间窗定义。

·超限状况的(负荷导向约束(LOC))定义如下：

残值_超限(Pt,P_h.提举,x_h.提举,Ps,P_r.提举,x_r.提举,Pacc,P_h.提举’,x_阻尼,xt,Pt,x_h,倾斜,P_h.倾斜,x_r.倾斜,P_r.倾斜)

残值_超限(Q_h,提举,罐,Q_tcu_提举,Q_r,提举.泵,Q_阻尼):＝

Q_h,提举,罐-(-Q_tcu_提举+Q_r,提举,泵+A_r/A_h×Q_阻尼)/(1-A_r/A_h)＝0；

·故障检测:如果残值_超限不等于0,则故障被检出。可能存在故障的传感器包括Pt,P_h.提举,x_h.提举,Ps,P_r.提举,x_r.提举,Pacc,P_h.提举’,x_阻尼,xt,Pt,x_h,倾斜,P_h.倾斜,x_r.倾斜,P_r.倾斜)

Q_h,提举,罐(Pt,P_h,提举,x_h,提举)

Q_r,提举.泵(Ps,P_r.提举,x_r.提举)

Q_阻尼：由Q_阻尼＝f(Pacc,P_h,提举,x_阻尼)计算

Q_tcu_提举：由tcu流量Q_tcu(Pt，xt)减去倾斜罐流量Q_tcu_倾斜(Pt，x_h,倾斜,P_h.倾斜,x_r.倾斜,P_r.倾斜)计算，假设倾斜缸未在抗气穴模式工作。

如果传感器V_th、V_tr、V_1h和V_lr已被指示了抗气穴特征，则可以采用上述相对于被动状况的同样方案，生成组件间的关系，用于识别故障条件，并为此提供重新配置方法。该方案对于被动状况和超限状况均适用。一旦系统故障被检出并重新配置，还可使用一种求和技术来识别可能出现的第二传感器故障。特别是，如果流向罐77的来自倾斜缸控制模块30和提举缸控制节点32的合并流量不等于经过阀V_t的流量，则故障被检出，并且可执行必要的进一步重新配置。

·上游流量:从供应压力到工作舱头，Q_h,提举,泵(＞0)

·下游流量:从工作舱杆到罐压力,Q_r,提举,罐(＜0)

·不失一般性,可以预估流量

·Q_h.提举.泵可从Ps,P_h,提举,x_h,提举,或者Q_h.提举.泵流量映射(Ps,P_h,提举,x_h,提举)预估得出

·Q_r.提举,罐(Pt,P_r,提举,x_r,提举)

·Q_阻尼是P_h,提举’,P_acc,x_阻尼的函数

按照汽缸的上、下游流量关联关系，得出下列约束：(负荷导向约束(LOC))

残值_通过_1(Ps,P_h.提举,x_h.提举,Pt,P_r.提举,x_r.提举,P_acc, P_h,提举’,x_阻尼)＝

残值_通过_1(Q_h,提举,泵,Q_r,提举,罐,Q_阻尼)

:＝Q_h,提举,泵+Q_r,提举,罐×A_h/A_r+Q_阻尼＝0

如果残值_通过_1不等于0,则检出传感器故障。

“不等于”以预定时间窗口及阈值界定。

XIII、离线故障隔离

在某些应用和情景中，使用本发明其他部分所述的方法不能实时隔离的故障状况会被检测出来。在这种情况下，故障传感器必须被隔离和定位，以便确定是否有任意控制算法应针对故障运行而被重新配置。如果实时隔离不可能，则可以使用一种离线方案。

图37展示了方法600，用于故障检测、隔离和控制器重新配置(FDIR)。在第一步602，故障被控制系统检测出来。故障检测可用本发明中其他部分所述的任意方法完成。在第二步604，确定该故障是否能被实时隔离。如果可以，则上述方法移至步骤602，实时隔离该故障，然后进行步骤616，控制器被重新配置。及时故障隔离与控制器重新配置可用本发明中其他部分所述的任意方法完成。此外，步骤604和606可以同时执行，在此期间，控制器可以先尝试及时隔离检测到的故障，如果该故障不能隔离，则控制器生成不可能实时隔离故障的决定。

如果控制器确定不能隔离故障，则离线故障隔离过程608开始运行。在步骤610，系统被置于安全系统状态。例如，在轮式装载机应用中，铲斗会降至地面，而步骤608不会导致铲斗从升起位置意外地下落。如果系统的提举控制节点没有故障，则铲斗可以通过正常操作使之下降，例如通过恰当地定位控制杆或操纵杆。如果提举控制节点有故障，则可替换子系统，诸如罐控制单元，可用于降低铲斗。如果机器配备了渐进降低铲斗功能，即在空档和降位之间重复移动操纵杆或控制杆，则上述方案也可运用。当铲斗完全降至地面时，系统将会处在安全状态。本领域技术人员会容易理解，其他类型的器具和系统组件也需要被置于安全状态。例如，其他类型的器具像叉车上的前叉和伸缩臂上的支臂等。

当系统处在安全状态时，控制器可在步骤612执行离线隔离过程，来自该过程的诊断结果可在步骤614记录进控制器中，完成离线故障隔离过程608。然后，控制器利用此信息在步骤616进行重新配置。

参考图38，展示了离线隔离过程612的典型应用的进一步细节，其中为包含多个节点的液压系统，如图1，4和24所示，进行故障隔离。但应注意到，在任意特定的液压系统中可能存在比其更多或更少的节点。如图38，离线故障隔离过程首先在步骤620中提举/倾斜节点上执行，然后到步骤622中的辅助工作电路节点，接下来在步骤624罐控制单元节点，再然后在步骤626电子负荷感应控制节点，最后在步骤628支臂悬挂系统节点完成。本发明的其他部分对上述各个类型节点有详述。对于具有上述节点的系统来说，通过节点进行故障隔离的命令最好能在最大程度上实现信息使用和决策稳固。

参考图39，展示了包含步骤630-638的离线过程629，用于执行步骤620-628所需要进行的离线诊断。虽然对于执行步骤620有详细描述，胆识应理解为，针对步骤629所述的一般方案对于许多其他系统和节点具有广泛的适用性。

在步骤630，送至与第一工作舱相关的控制阀处的脉宽调制信号(PWM)设定为0，阀芯位置被记录(节点中使用两个阀时，如x1，中心和x2，中心)。阀芯位置由各个阀的位置传感器确定，如LVDT传感器。在步骤632，PWM信号设定为适当的数值，可将阀芯完全移至阀的压力侧，阀芯位置(x1，压力；x2，压力)和工作舱压力(P1，压力；P2，压力)被记录。工作舱压力由各个阀的压力传感器记录。在步骤634，PWM信号设定为适当的数值，以将阀芯完全移至阀的罐侧，阀芯位置(x1，罐；x2，罐)和工作舱压力(P1，罐；P2，罐)被记录。

步骤630-634针对节点内各个工作舱/阀执行。在液压提举电路中通常有两个工作舱。在步骤636，可以得到与节点相关的附加信息，如供应和罐压力(Ps；Pt)，对于各个阀来说：阀芯机械中心(x1，机中；x2，机中)，压力侧停止位置(x1，压停；x2，压停)和罐停止位置(x1，罐停；x2，罐停)。

一旦获得并存储了上述信息，控制系统就可在步骤638通过做出各种诊断数据比对来隔离故障传感器。例如，如果x1，中心不等于x1，mc；或者x1，压力不等于x1，压停；又或者x1，罐不等于x1，罐停，则可以确定阀1的阀芯位置传感器出现故障。类似地，如果x2，中心不等于x2，mc；或者x2，压力不等于x2，压停；又或者x2，罐不等于x2，罐停，则可以确定阀2的阀芯位置传感器故障。如果P1，压力不等于Ps而P2，压力等于Ps；或者P1，罐不等于Pt而P2，罐等于Pt，即可以对阀1的压力传感器进行故障隔离。类似地，如果P2，压力不等于Ps而P1，压力等于Ps；或者P2，罐不等于Pt而P1，罐等于Pt，则阀2的压力传感器出现故障。如果故障传感器未能在此处被识别出来，则供应压力传感器Ps可被认作故障，条件是：P1，压力等于P2且P1，压力不等于Ps。如果P1，罐等于P2且P1，罐不等于Pt，即可对罐压力传感器Pt进行故障隔离。应注意，考虑到预定的临界错误数值，可以评判上述比对正确与否。如上所述，离线隔离过程的诊断结果在步骤614被存储。

如果故障传感器在步骤620被隔离，则系统可以前进到步骤616进行控制器重新配置，或者继续通过622-628的各个节点，以确定是否有进一步的故障存在。如果在步骤620无故障隔离，则过程移至622，评判辅助工作电路。因为用于提举节点的同样原理也适用于辅助电路，所以该隔离过程可与步骤636-638的释义一致。

对于步骤624的罐控制单元评估，从步骤620和622处的评估已很明显，即供应压力传感器和罐压力传感器是否出现故障。相应地，步骤620和622通过提供故障传感器的交叉验证，增加了诊断评估的稳固性。因此，不需要对供应和罐压力传感器进行进一步的测试，即使它们有可能与配给的罐控制单元相关联，其中提供了一个罐控制单元。如果罐控制单元配备了控制阀，则针对阀位置传感器的故障隔离过程与步骤636-638所述相同。

关于在步骤626进行的电子负荷感应控制系统评估，也可以使用与步骤636-638类似的过程，通过将PWM输出设定为作业和转向电路中的每个阀发送不同数值，来隔离阀芯位置传感器故障。注意电子负荷感应控制系统(ELK)见图24所示。对于作业电路压力传感器(P4)，如果PWM驱使阀芯到达高度待命位置，且作业电路负荷感应压力不等于减压阀压力，则作业电路负荷感应压力传感器P4可做故障隔离。如果PWM驱使阀芯到达较低待命位置，且作业电路负荷感应压力不等于排放压力，则该传感器也应确定为故障。若经过上述两个诊断后，未发现作业电路负荷感应压力传感器故障，但是感应压力加上泵余量不等于供应系统压力Ps，则该作业电路负荷感应压力传感器P4也作为故障被隔离。

对于电子负荷感应控制系统的转向电路所做的解析，与作业电路的相类似。如果PWM驱使阀芯到达高度待命位置，且转向电路负荷感应压力不等于减压阀压力，则转向电路负荷感应压力传感器P3确定为故障。此外，如果转向电路负荷感应压力加上泵余量不等于前阀的出口压力，则可以确定，或者是转向电路负荷感应压力传感器P3故障，或者是前阀出口的压力传感器P1故障。如果PWM驱使阀芯到达较低待命位置，而转向电路负荷感应压力P3不等于液压转向单元传感器P2之后的感应压力，则至少可以确定P2或者P3为故障。

关于在步骤628支臂悬挂系统(BSS)的离线隔离过程，也可以使用与步骤630-638所述类似的过程，以及装配蓄电池系统的一些修改，来对系统中加液阀和阻尼阀的压力和位置传感器进行评估。对于每个指示的PWM位置，BSS蓄电池压力均被记录。当PWM指示加液阀移动到压力侧位置，则蓄电池压力应等于供应压力。当PWM指示加液阀移动到罐侧位置，则蓄电池压力应等于排放压力，即便这一般只是很小的数值。如果在两个阀位置中的任意一处未达等量，且供应压力传感器经前述评估确定为正常，则BSS中的蓄电池压力传感器可做故障隔离。

关于BSS中的阻尼阀，所述的通用方案可以适用。如果阀芯是弹簧加载的，则只需要两个PWM值，0和100％。阀芯可以分别移向两个极端位置。记录的传感器数值可与控制器存储的预校准数字相比对，如果数据不匹配，则该阻尼阀位置传感器确定为故障。当阻尼阀处于全开位置，且蓄电池压力传感器未发现故障，则与阻尼阀关联的压力传感器可做故障隔离，其输出值与蓄电池压力传感器不匹配。

一旦步骤620、622、624、626和628执行完毕，则在适用情况下，离线隔离过程结束，诊断结果存入控制器。此时，离线隔离步骤608执行完毕，根据步骤616的再校准过程，系统返回正常运行。

XIV、低流量状态重新配置

在某些应用和情景中，通过预估流速(即创建虚拟流量计)进行的解析冗余计算对于极低流速时的阀位置和液压压力会给出不恰当的数值。这主要是因为，低于进阀或出阀的特定流速后，流速、流体压力和阀位置之间失去了良好的关联关系。这样，在经过阀门流量的特定死区之内，已述的流速预估方法不再适用。

当流速处于低流量死区之内时，能够更好地预估阀位置和流体压力的解决方案是，定义低流量操作模式，其中利用可替换方法来预估位置和流量。

在低流量操作模式中，提供预估阀位置的一种方法是定义流量阈值带，包含正阈值和负阈值，如图40所示。根据需求流速和临界限值之间的关系，此方案可以提供三个不同的预估阀位置。例如，如果需求流速大于正阈值，则阀位置可以预估为相对于死区的正流量边缘的固定值。相对地，如果需求流速小于负阈值，则阀位置可以预估为死区对边上的固定值。如果需求流速处于正、负阈值之间(即在阈值域内)，则传送到阀的PWM信号禁用，以避免阀的失控移动，而阀位置可以预估为0。

通过在操作模式之间添加滞后过程，可避免阀颤，使得低流量操作模式中预估位置可以得到进一步加强。此外，从流量映射边界可提供可配置的补偿量，用以增加感知位置错误能力和提升系统退出低流量模式的速度。此补偿量可以是固定的或者设定为流量需求的函数。例如，根据应用情况，可以随着流量增或减执行减量补偿。对补偿量也可提供滞后以避免阀颤。

在低流量模式中，可以假设提升阀关闭，且压力可为任意值。一种压力预估可以简单地定为罐压力，另一种压力预估可以是供应压力减去压力余量。优先使用哪个值，要视系统中是哪个传感器出现故障而定。例如，若杆侧传感器出现故障，则优先使用罐压力作为预估压力值，因为致动器的这一侧不会处在超限负荷的输出侧。因此，不存在负荷掉落的危险。而如果此值在控制系统中不做被动处理，则系统会滞留在低流量运行模式。若头侧压力传感器故障，则预估值应设定为等于系统压力减去压力余量。此预估量相当于假设下游方向超限负荷，以便确保无负荷掉落。假设作业器具在上游方向不会有超限负荷。不过，在其他应用中,负荷可能从杆侧施加,那么预估压力值的选择会与上述情况相反。还应注意到，使用哪一个预估值用于压力传感器的决定标准要视需求流量的方向而定。

XV、负荷感应泵应用的故障检测、隔离和重新配置

参考图24，展示了液压系统500的示意图。如图所示，液压系统500包括转向电路502和作业电路520。转向电路502通过液压系统操作，如方向盘、操纵杆或GPS自动系统，可使车辆发生转向。作业电路504通过液压致动器，如汽缸或液压电机，可执行多种作业功能。例如，作业电路504可用于操作伸缩臂叉车的液压致动器，具有提举、倾斜、延伸和/或侧移功能。

如图，转向电路502包括转向电路泵504，为液压转向单元506供应加压流体。从泵504到液压转向单元506的液压流体压力和流量，由一系列本领域公知的液压组件进行控制。在所示的特定实施例中，这些组件是：先导式主级阀510，电磁式导向级阀512和换向阀514，为泵504提供负荷感应压力。转向电路502还包括优先级控制阀508，当泵504给出的流体能量超量时，若需要，可用于与作业电路520分享流体能量。

如图，作业电路520包括作业电路泵522，为负荷作业电路524提供流体能量。简单起见，负荷作业电路524示意为固定孔板。不过，应理解为，负荷作业电路524可包括单个或多个动态负荷作业电路。例如，负荷作业电路524可包括图4中所示任意或全部电路。从泵522到负荷作业电路524的液压流体压力和流量，由一系列业内已知的液压组件进行控制。在所示的特定实施例中，配备了先导式主级阀526和电磁式导向级阀512。

转向电路502和作业电路520还包括一系列传感器，用于优化液压系统500的控制。对于转向电路502，在优先控制阀508后配备了第一压力传感器P1，在液压转向单元506后配备了第二压力传感器P2，在换向阀514后配备了第三压力传感器P3。位置传感器X1，如LVDT传感器，也配备在主级阀510上。对于作业电路520，在负荷作业电路524上游配备了第四压力传感器P4，在主级阀526后配备了第五压力传感器P5。位置传感器X2，如LVDT传感器，也配备在主级阀526上。

液压系统500还包括电子控制器550。该电子控制器包含非瞬态存储介质552，处理器554，以及存于非瞬态存储介质上、由处理器可执行的一个或多个控制算法556。该电子控制器也可配置为与一个监督控制器和/或汽车操作系统其他节点内的控制器通信连接，在本发明的其他部分中被称为“ELK”控制器或节点。为了提供泵504，522的最佳控制，前面提及的传感器P1-P4和X1-X2可与控制器550通信连接，给阀512和528电磁输出控制信号，给泵504和522输出信号。在一个实施例中，控制器的控制算法可配置为：允许电子控制器在非分享模式(泵504，522分别独立为电路502，520提供服务)和分享模式(泵504为作业电路520供应附加流体能量)之间操作液压系统。

故障检测

为了保证液压系统500充分运行，电子控制器550可配置为连续地或定期地监测系统内故障情况。当传感器给控制器550传送的信号不准确，不是实际操作情况的反映，和/或显示系统未达到理想运行水平，则有故障发生。常见的传感器故障类型有：噪音，在高端超值域，在低端超值域，位置不动，补偿追踪高，补偿追踪低(见图8-11)。这些故障类型对于压力和位置传感器都适用。检测上述故障的一个方法是，在控制器内定义触发故障信号的条件。有许多此类可定义的条件可用于故障检测。

下文定义了15个典型条件，构成一份非排他性的、典型的潜在条件列表，可供控制器550用于故障检测。

当阀526的理想位置(X_des)与自传感器X2接收到的信号之间的绝对差值在一定时间内超出了最大错误值，则第一故障条件C1可被检出。例如，最大错误值为50微米，时间为0.5秒，如果(abs(X_des-X2))＞50时间超过0.5秒,则故障被检出。

当阀526基于传感器X2信号(VEL_1)得出的计算速度与阀526基于送达阀528的PWM输出信号(VEL_2)得出的计算速度之间的绝对差值在一定时间内超出了最大值，则第二故障条件C2被检出。例如，最大错误值为____，时间为0.5秒，如果(abs(VEL_1-VEL_2))＞____时间超过0.5秒,则故障被检出。

当P4压力减去P5压力减去压力余量的绝对值在一定时间内超出了最大错误值，则第三故障条件C2被检出。例如，压力余量为15巴，最大错误值为3巴，如果(abs绝对值(P4-P5-15))＞3时间超过0.5秒,则故障被检出。

当P4压力小于P5压力时,第四故障条件C4被检出。例如，如果P4＞P5任意时间量，则故障被检出。

当理想压力(P_des)与P4压力之间的绝对差值在一定时间内超出了最大错误值,则第五故障条件C5被检出。例如，如果最大错误值为3巴，时间为0.5秒，如果绝对值(P_des-P4)＞3时间超过0.5秒,则故障被检出。

当阀510的设计位置(X_des)与自传感器X1接收到的信号之间的绝对差值在一定时间内超出了最大错误值,则第六故障条件C6被检出。例如，最大错误值为50微米，时间为0.6秒，如果(abs(X_des-X1))＞50时间超过0.6秒,则故障被检出。

当阀510基于传感器X1信号(VEL_1)得出的计算速度与阀510基于送达阀512的PWM输出信号(VEL_2)得出的计算速度之间的绝对差值在一定时间内超出了最大值，则第七故障条件C7被检出。例如，最大错误值为____，时间为0.5秒，如果abs(VEL_1-VEL_2)＞____时间超过0.5秒,故障被检出。

当P3压力小于P2压力(P3>P2)时,第八故障条件C8被检出。例如，如果P3＞P2任意时间，故障被检出。

当P3压力与P2压力和压力余量的和之间的差值在一定时间内超出了最大错误值，则第九故障条件C9被检出。例如，压力余量为8巴，最大错误值为2巴，时间为0.5秒，如果(P3-P2+8)＞＝2时间超过0.5秒,故障被检出。

当压力P3加上压力余量在一定时间内小于或等于压力P1,则第十故障条件C10被检出。例如，压力余量为15巴，时间为0.2秒，当(P3+15)＜＝P1时间超过0.2秒，故障被检出。

当压力P3加上压力余量减去压力P1的绝对值在一定时间内大于最大错误值，则第十一故障条件C11被检出。例如，压力余量为15巴，最大错误值为5巴，时间为0.2秒，当(abs(P3+15-P1))＜＝5时间超过0.2秒时，故障被检出。

当压力P1减去压力P2减去压力余量在一定时间内小于0,则第十二故障条件C12被检出。例如，压力余量为15巴，时间为0.2秒，当(P1-P2-15)＜0时间超过0.2秒时，故障被检出。

当压力P1大于最大压力值或小于最小压力值，表明压力信号超出值域，则第十三故障条件C13被检出。例如，最大压力值为300巴，最小压力值为0巴，当P1＞300或者P1＜0时，故障被检出。

当压力P2大于最大压力值或小于最小压力值，表明压力信号超出值域，则第十四故障条件C14被检出。例如，最大压力值为300巴，最小压力值为0巴，当P2＞300或者P2＜0时，故障被检出。

当压力P3大于最大压力值或小于最小压力值，表明压力信号超出值域，则第十五故障条件C15被检出。例如，最大压力值为300巴，最小压力值为0巴，当P3＞300或者P3＜0时，故障被检出。

如上所述，可以为液压系统500定义任意数量的故障条件。此外，故障条件可以存入控制器550的表格或矩阵560，如图25所示。表格560的详细示例见图26。此图可被控制器550引用，以便故障条件被检出时可以生成适当的故障条件编码。

故障隔离

一旦故障条件被检出并生成故障编码，引起该故障的传感器可在配备液压系统500的车辆的正常操作期间被隔离，而操作不会中断。如果只有一个传感器与特定的故障条件编码相关，而该特定故障条件是故障显示出来的唯一一个条件，那么负责的传感器就非常明显。例如，只有故障条件C13，C14或C15被检出，则可以确定故障可以分别隔离到传感器P1，P2或P3。不过，如果故障条件涉及多个传感器和/或多个故障条件被检出，故障隔离会变得更为复杂。此外，单个传感器的某些故障类型可能触发多个故障条件。

如图25，初级故障隔离矩阵562、564予以展示。这些矩阵将传感器故障(如关于P1-P5，X1-X2的故障)与定义的故障条件编码(如C1-C15)相关联。矩阵562、564的详细示例分别参见图26、27。对每个传感器故障，如噪音、在高端超值域、在低端超值域、位置不动、补偿追踪高以及补偿追踪低，都给予了展示。使用两种不同的初级矩阵，是因为系统，依照配置，能够在非流量分享模式(矩阵562)和流量分享模式(矩阵564)运行，这会改变传感器之间的关系。因此，控制器550会根据液压系统500的现有运行模式来参考适当的矩阵。应注意，视系统与子系统彼此互动的数量，可决定使用更少或更多的初级故障隔离矩阵，本发明不仅限于使用两种矩阵。

当故障条件被检出时，使用初级矩阵可以识别特定故障。例如，如前述，若只有C13被检出，则矩阵显示传感器P1为故障负责。利用传感器级别故障检测(参见本发明其他部分)结合矩阵识别的故障条件，可针对故障性质做出进一步决定。

然而，其他案例会需要更为精确的分析。例如，若系统处于非流量分享运行模式，C11或C12被检出，那么可以看出，该故障可能会是与转向电路关联的四个传感器P1、P2、P3或X1中的任意一个所引起。若多个故障条件同时被检出，则分析会更为复杂。因此，初级故障隔离矩阵可能无法隔离某些故障，这就要看故障条件是如何定义的。如果这种情况存在，就需要进一步的解析。

如图25所示，次级故障隔离矩阵566、568分别用于非流量分享和流量分享模式。矩阵566的详细示例见图29，矩阵568的详细示例见图30。次级故障隔离矩阵用来隔离：初级矩阵经过将故障条件编码(如C1-C15)与检出的不同形式故障条件相关联而无法隔离的故障。在所示的实施例中，包括了13个不同故障形式的情景。不过，应当更多或更少的情可以被包括在内，以涵盖更少或更多的潜在故障形式。

通过在各种已知故障条件下操作系统，或者通过建模，某些故障条件形式可以与特定的传感器故障相关联。例如，参见图29，情景2所反映的状态是，C8，C9，C11，C12和C14被检出，关联到传感器P2的故障条件。相应地，初级隔离矩阵不能确定的故障隔离可以使用矩阵566、568来进行隔离，条件是矩阵要包括与检出故障条件同样的形式。应注意，矩阵566、568不包括可用初级矩阵564、565隔离的故障情景。

若使用上述方案无法隔离故障，则会执行离线故障隔离过程。对于液压系统(包括图24所示液压系统100)离线故障隔离过程的详述在本发明的另外部分给出。因此，液压系统100的故障检测和重新配置与本部分所述的实时隔离方案或者其他部分所述的离线隔离方案协调执行。而且，首先采用实时隔离方案，若发现不可行，再使用离线方案。此外，一个基于残值的隔离方案(见图22和23)也可协调或替代上述故障隔离矩阵运用。

重新配置

一旦故障被检出和隔离，则可对液压系统500的控制器550存储的标称控制算法进行重新配置，以便减轻故障传感器的不利影响。在一个实施例中，使用解析冗余(本发明的其他部分有详述)为故障传感器创建虚拟信号，然后将其在控制器550的现有标称控制算法中用作替代值。在一个实施例中，标称控制算法被重新配置的控制算法替换，不依赖与故障传感器相关的数值。

在一个实施例中，如图31所示，第一标称控制算法570存入控制器550，用于控制转向电路。当与转向电路502相关的传感器无故障检出时，则算法570被使用。下文描述了基于各种故障条件对标称控制算法可能进行的重新配置。

图31展示了第一重新配置控制算法572。当故障条件被检出，且被隔离到传感器P2时，标称转向电路控制算法570会提供不恰当操作，因为误差信号等式明确依赖传感器P2的输入值。于是，可以采用不依赖P2数值的第一重新配置控制算法572，代替标称控制算法实现转向电路控制。这样，转向电路502在重新配置状态运行。

当故障条件被检出，且被隔离到传感器P3时，标称控制算法570可被第二重新配置控制算法574代替，如图31。第二重新配置控制算法574不明确依赖传感器P3数值，所以当传感器P3出现故障时，它可为转向电路502提供更好的运行效果。

当传感器X1出现故障条件时，可以采用第三重新配置控制算法576。算法576可用于算法570同样的控制，只是减缓了反应时间。可替换地，重新配置算法576将转向电路502置于低待机模式，降低其功能水平，但能更好地保证转向稳定性和操作性能。当传感器P1出现故障条件时，不需要进行重新配置，标称控制算法570可以继续使用。如实施例所示，对该传感器的重新配置是不必要的，因为在算法570中来自信号的输出不是变量。应注意，任意数量的重新配置控制算法可被置于控制器550中，并且使用哪一种特定的重新配置控制算法要根据控制器550中定义的一系列变量和条件。

当故障检出并隔离到传感器P4或X2时，作业电路504也可使用重新配置控制算法代替标称控制。图32展示了标称作业电路控制算法580。如果故障检出并隔离到传感器P5，则可以采用第四重新配置控制算法582，虽然对于传感器P5故障来说重新配置不是必要的，但是P4数值结合泵余量可用于DP等式中以提供备选P5预估值。此重新配置方案给出的反应时间接近于正常操作达到的时间。

当故障检出并隔离到传感器X2时，可以采用第五重新配置控制算法584。算法584包括同样的Perr计算，不过，X2数值可以通过预估算法得出。在一个实施例中，该预估算法包括离散导数、流量预估值、面积预估值的计算，以及应用流量映射来关联面积和位置。由于预估计算将延时引入了控制系统，可以使用Smith预估器来加强控制。本领域公知的各种其他预估算法也可以用于算法584中传感器X2的预估。

参考图33-36，示例性地展示了上述故障检测、隔离和重新配置方案的结果。图33-36中展示的示图与传感器X2故障相关。图33显示正常操作，无故障检出，控制算法580应用。图34显示故障发生在1.25秒，可以看出，算法580仍在位运行，控制性能明显降级。图35显示当控制器550检出并隔离传感器X2故障时的增强性能，并且由此切换至控制算法584操作，其中X1通过预估算法得出。图36显示，如果预估算法含有Smith预估器，则运行性能会进一步加强。

很明显，与故障发生时继续同样模式操作的系统相比较，上述故障检测、隔离和重新配置方案可以极大地改善故障状态时的运行性能。此外，该方案提供的实时解决办法使得车辆操作过程中的任意工序都不会被打断。还应注意，对同一传感器故障可定义不同的重新配置算法，且用于不同的操作模式，例如流量分享和非流量分享模式。