相關申請的交叉引用

本申請于2012年3月5日提出申請的PCT國際專利申請，申請人為：指定除美國外的所有國家，申請人為美國Eaton公司；指定僅為美國的申請人為中國公民Qinghui Yuan、美國公民Michael Berne Rannow、美國公民Wade Leo Gehlhoff、美國公民Christopher William Schottler、以及未知國籍公民Vishal Mahulkar,并要求享有于2011年3月3日申請的、申請號為NO.61/448,742的美國專利申請的優先權，該申請以全文引用的方式并入本文中。

技術領域

本發明通常涉及用于電動液壓系統的控制系統，特別是施工設備中用于控制電動液壓系統的故障檢測、隔離及重新配置系統。

重型施工車輛，如挖掘機(前端裝載機，反鏟式和輪式裝載機等等)通常包括用于致動設備不同組件的液壓致動系統。例如，前端裝載機配備有挖掘臂，由提舉液壓缸使其升、降。通常在挖掘臂端部樞轉安裝鏟斗，用傾斜液壓缸使鏟斗相對于挖掘臂轉動/傾斜。此外，前端裝載機也可包括支臂懸掛系統，以減輕震動和沖擊力，提高操作舒適度。典型的支臂懸掛系統包括液壓蓄電池。典型的液壓致動系統還包括：液壓泵，用于為系統提供加壓液流；以及蓄水罐，供液壓泵吸取液壓流體。

本技術中公知的是，使用傳感器(如壓力傳感器、位置傳感器)來用于控制液壓致動系統的操作。為安全性和可靠性起見，公知的是提供故障檢測系統來用于識別何時一個或多個傳感器出現故障。

技術實現要素：

本發明涉及用于液壓致動系統中的故障檢測、隔離及重新配置的方案、架構和方法。

更多方面內容在下列說明中闡述。這些內容涉及單獨特性和特性組合。應理解為，本文中此前的總述和此后的詳述僅為范例性和解釋性的，具體實施例依據的廣泛概念不受限于此。

附圖說明

圖1是依照本發明的原理繪制的控制架構框圖。

圖2展示了可應用這里公開的系統架構的輪式裝載機。

圖3是依照本發明的原理繪制的節點示意圖。

圖4是依照本發明的原理繪制的故障檢測、隔離、重新配置架構圖。

圖5是圖4中轉向節點的一部分。

圖6是示例閥門壓力映射(map)，展示了流體壓力和閥芯位置的映射。

圖7是示例閥芯位置映射，展示流體、壓力和閥芯位置的映射。

圖8-11展示了各種傳感器級別故障。

圖12展示了關于閥芯位置的用于檢測組件級別故障的邏輯。

圖13展示了關于壓力的用于檢測組件級別故障的控制邏輯。

圖14是展示了子系統級別故障檢測技術示例的圖表。

圖15是示例故障檢測、故障識別、重新配置矩陣。

圖16是提舉液壓缸控制節點示意圖，該提舉缸配備有連桿傳感器。

圖17展示了依照本發明原理的一個隔離矩陣。

圖18展示了依照本發明原理的另一個隔離矩陣。

圖19展示了依照本發明原理用于控制多級閥的控制回路方案。

圖20展示了可用圖19所示控制方案進行控制的示例多級閥。

圖21是用于隔離圖20所示閥門故障的一個隔離矩陣。

圖22是依照本發明原理的另一個故障隔離矩陣。

圖23是依照本發明原理的另一個故障隔離矩陣。

圖24是具有根據本發明原理的方面的示例的特征的液壓系統示意圖。

圖25是多個故障檢測和隔離表的示意圖，該表可儲存于圖24所示液壓系統的控制器中。

圖26是圖25所示故障檢測表中一個示例性實施例的示意圖。

圖27是圖25所示非流量共享初級故障隔離矩陣的一個示例性實施例示意圖。

圖28是圖25所示流量共享初級故障隔離矩陣的一個示例性實施例示意圖。

圖29是圖25所示非流量共享次級故障隔離矩陣的一個示例性實施例示意圖。

圖30是圖25所示流量共享次級故障隔離矩陣的一個示例性實施例示意圖。

圖31是用于操作圖24所示轉向電路的控制器儲存的控制算法示意圖。

圖32是用于操作圖24所示作業電路的控制器儲存的控制算法示意圖。

圖33是圖24所示作業電路正常操作的表現圖。

圖34展示了當位置傳感器初始發生故障時，圖24作業電路操作的表現圖。

圖35展示了當故障被檢測和隔離，且作業電路的控制算法被重新配置之后，圖24作業電路操作的表現圖。

圖36展示當一個故障被檢測和隔離，且作業電路的控制算法被史密斯(Smith)預估器重新配置之后，圖24作業電路操作的表現圖。

圖37是包括具有根據本發明原理的方面的示例的特征的離線隔離過程的車輛操作方法示意圖。

圖38是圖37所示離線隔離過程的進一步詳細示意圖。

圖39是圖37所示離線隔離過程的進一步詳細示意圖。

圖40是圖4所示液壓系統低流量模式操作示意圖。

具體實施方式

本發明通常涉及用于液壓致動系統的故障檢測、隔離和重新配置方案。在某些實施例中，使用模塊化、分布式控制系統架構。通過使用模塊化方案，該系統可以降低其復雜性，并且增強靈活性。通過使用具有重疊和冗余故障檢測策略的分散式架構，故障隔離性能得到加強。此外，重疊和冗余故障檢測策略為重新配置系統提供了多種選項，使得即使當一個故障傳感器被從系統隔離時，該系統仍能繼續運行。在某些實施例中，提供了解析冗余方法，通過使用第一組件與一個或多個第二組件(如閥門)之間的操作關系，從一個或多個第二組件生成參考參數(如流量)，與第一組件相應的運行參數(如流量)做對比。該參考和運行參數可根據流體映射技術或其他技術來確定。基于參考參數和運行參數之間的比較，可以確定故障是否存在。故障可能會由一個節點內或交叉幾個節點的多個不同傳感器中的一個所引起。解析(如基于矩陣的解析)可在節點級別和/或系統級別使用，以便隔離(即明確識別)故障傳感器。一旦傳感器被隔離，即可使用虛擬參考參數來產生虛擬信號，該虛擬信號可代入第一組件的控制算法，作為被隔離傳感器的故障信號的替代。這樣，故障傳感器的數據在第一組件的控制算法中不再使用，而系統可以繼續運行。

I、通用架構總述

圖1描述了依照本發明原理進行的故障檢測、隔離及重新配置(FDIR)架構20的示例。FDIR架構20用于車輛(諸如施工車輛)的液壓致動系統的控制。在一個具體實施例中，FDIR架構20用于控制一種輪式裝載機22(見圖2)的液壓致動系統。FDIR架構20包括監督控制器24，用于與輪式裝載機50的主控制器26連接。該監督控制器24處于液壓致動系統的監督控制級別。例如，監督控制器24用于監督并連接多個控制節點(如控制模塊，控制子系統等等)，上述控制節點處于FDIR架構20的節點級別。FDIR架構20被配置成使得所有節點通過監督控制器24反饋報告。在某些實施例中，節點之間沒有直接的相互通信，取而代之的是，節點與監督控制器24垂直連接，該監督控制器24用于協調不同節點的操作。如圖1所示，上述節點可包括泵控制節點28、傾斜缸控制節點30、提舉缸控制節點32、支臂懸掛系統控制節點34、蓄水罐控制單元節點36、以及一個或多個附加輔助節點38。

如圖3所示，展示了節點40示例。可以理解節點40可作為上述各個節點的代表。節點40包括一個或多個組件42(如兩級滑閥、三級提升閥或其他閥之類的閥門)。一個或多個組件組件42的操作由節點控制器44來控制。節點控制器44與傳感器46(如壓力傳感器，位置傳感器等等)連接，該傳感器46感應組件42的操作的參數指示。根據傳感器46接收的信息，節點控制器44控制一個或多個組件42(如具有閉環控制結構的組件)的操作。在特定的實施例中，節點控制器44采用脈寬調制控制技術來控制組件42的位置。在操作中，節點控制器44從監督控制器24接收指令(如模式指令，運行需求，閥芯位置需求，壓力需求等等)。這樣，監督控制器24最終控制并協調節點40的操作。同時，節點控制器44通過傳送FDIR標記與監督控制器24通信。監督控制器24保持讓各個節點了解其他節點的FDIR。

對于各個節點，一個或多個組件42優選控制液流流向或來自系統結構48，諸如泵、致動器(如液壓電機或液壓缸)、蓄電池或其他液壓裝置。流過一個或多個組件42、流向或來自系統結構48的相關液流信息，也由節點控制器44傳送給監督控制器24。監督控制器24可利用上述信息來檢測故障、隔離故障和/或重新配置系統以在監督級別標出故障地址。

由節點控制器發送到監督控制器的FDIR標記顯示出，在一個指定節點是否已經檢測出故障，還可以顯示該故障是否已在節點級別被隔離。如果該故障未在節點級別被隔離，則監督控制器24可以利用數據(如流量數據或其他節點故障檢測相關信息)協助在監督級別隔離該故障。

II、應用FDIR架構的示例車輛

圖2描述了輪式裝載機50，該輪式裝載機50是一種可以應用本發明內容的施工車輛示例。該輪式裝載機包括由輪54支撐的底盤或框架52。駕駛室56安裝在框架52上。支臂58與框架52轉動連接。提舉缸60用于使支臂58相對于框架52向上和向下樞轉運動。鏟斗62轉動安裝在支臂58末端。傾斜缸64用于使鏟斗62相對于支臂58樞轉運動。

III、示例架構示意圖

圖4描述了適用于控制輪式裝載機50的液壓致動系統的系統架構示意圖。該架構包括監督控制器24，該監督控制器24與泵控制節點28、傾斜缸控制節點30、提舉缸控制節點32、支臂懸掛系統控制節點34以及蓄水罐控制單元節點36(輔助節點未展示)連接。泵控制節點28(詳見圖5和本發明XV部分的說明)控制液流壓力和流速，以滿足傾斜缸控制節點30、提舉缸控制節點32和支臂懸掛系統控制節點34對流量和壓力的要求。蓄水罐控制單元節點36接收傾斜缸控制節點30、提舉缸控制節點32和支臂懸掛系統控制節點34排放的液流流量。傾斜缸控制節點30控制流向和來自輪式裝載機50的傾斜缸64的液流流量。提舉缸控制節點32控制流向和來自輪式裝載機50的提舉缸60的液流流量。支臂懸掛系統控制節點34控制流向和來自蓄電池66的液流流量，也控制蓄電池66與提舉缸60之間的流體通信。

傾斜缸控制節點30與泵控制節點28的一個或多個泵之間進行流體通信，并用于選擇性地使得傾斜缸64的頭側74或桿側76與一個或多個泵進行流體通信。類似地，傾斜缸控制節點30與系統罐77(即系統蓄水罐)通過蓄水罐控制單元節點36進行流體通信，并用于選擇性地使得傾斜缸64的頭側74或桿側76與罐77進行流體通信。

傾斜缸控制模塊30包括頭側流量控制閥V_th，該頭側流量控制閥V_th選擇地使得傾斜缸64的頭側74與系統泵或者系統罐進行流體通信。傾斜缸控制節點30也包括桿側流量控制閥V_tr,該桿側流量控制閥V_tr選擇地使得傾斜缸64的桿側76與系統泵或者系統罐進行流體通信。閥位置傳感器X_th和X_tr分別用來感應頭側流量控制閥V_th和桿側流量控制閥V_tr的閥芯位置(即傳感器檢測閥芯在套筒內的位置)。此外，壓力傳感器P_th和P_tr分別感應傾斜缸64的頭側和桿側壓力。傾斜缸控制節點30還包括組件控制器C_t，該組件控制器C_t基于從監督控制器24接收到的指令(如模式、壓力或閥芯位置需求等等)和節點傳感器提供的反饋來控制閥V_th、V_tr的操作。組件控制器C_t也可監測節點的故障狀態，并且向監督控制器24報告任何探測到的故障狀態作為出現的故障標記。

提舉缸控制節點32與泵控制節點28的一個或多個泵之間進行流體通信，并用于選擇性地使得一個或多個泵與提舉缸60的頭側70或桿側72進行流體通信。類似地，提舉缸控制節點32通過蓄水罐控制單元節點36與罐77進行流體通信，并被配置為選擇性地使得支臂缸60的頭側70或桿側72與罐77進行流體通信。

提舉缸控制節點32包括頭側流量控制閥V_lh和桿側流量控制閥V_lr。頭側流量控制閥V_lh被配置為選擇性地使得支臂缸60的頭側70與泵控制節點28的一個或多個泵之間或者與系統罐77之間進行流體通信。桿側流量控制閥V_lr被配置為選擇性地使得支臂缸60的桿側72與系統泵之間或者與系統罐77中的一者之間進行流體通信。提舉缸控制節點32進一步包括頭側閥位置傳感器X_lh用來感應頭側流量控制閥V_lh的閥芯位置，和桿側閥位置傳感器X_lr用來感應桿側流量控制閥V_lr的閥芯位置。提舉缸控制節點32還包括壓力傳感器P_lh2用來感應支臂缸60的頭側70的壓力，及壓力傳感器P_lr用來感應支臂缸60的桿側72的壓力。提舉缸控制節點32進一步包括組件級控制器C_l，該組件級控制器C_l與提舉缸控制節點32的各種傳感器連接。組件控制器C_l也和監督控制器24連接。組件控制器C_l根據監督控制器24發送過來的需求信號(如模式，壓力，閥芯位置需求等等)以及提舉缸控制節點32的傳感器的反饋來控制V_lh和V_lr的操作。組件控制器L_l還可監測提舉缸控制節點32可能出現的故障狀態，當提出故障標記時向監督控制器24報告該故障狀態。

支臂懸掛系統控制節點34與泵控制節點28的一個或多個泵之間進行流體通信，并被配置為選擇性地使得蓄電池66與供給蓄電池66的一個或多個泵進行流體通信。支臂懸掛系統控制節點34也可使得蓄電池66與罐77和/或提舉缸60的頭側70進行流體通信。

支臂懸掛系統控制節點34包括加液閥V_c和阻尼閥V_d。加液閥V_c通過使得蓄電池66與泵控制節點28的泵之間流體通信來給蓄電池66加液。阻尼閥V_d可選擇將蓄電池66與支臂缸60的頭側70進行流體通信。支臂懸掛系統控制節點34進一步包括加液閥位置傳感器X_c，用來感應加液閥V_c的閥芯位置；還包括阻尼閥位置傳感器X_d，用來感應阻尼閥V_d的閥芯位置。支臂懸掛系統控制節點34進一步包括壓力傳感器P_a用來感應蓄電池66的壓力，以及壓力傳感器P_lh1用來感應支臂缸60的頭側70的壓力。支臂懸掛系統控制節點34的傳感器與節點控制器C_bss連接，該節點控制器C_bss提供支臂懸掛系統控制節點34的節點級別控制。節點控制器C_bss與監督控制器24連接，并且向監督控制器24報告節點內的故障狀態作為出現的故障標記。該控制器向閥門發送操作指令(如模式，壓力，閥芯位置需求等等)。

蓄水罐控制單元節點36包括罐流量控制閥V_t，用來控制至罐77的系統流量。蓄水罐控制單元節點36還包括壓力傳感器P_t用來感應閥V_t上游位置罐77的壓力。位置傳感器X_t感應閥V_t的位置。提供了組件控制器C_t用來控制閥V_t的操作。組件控制器C_t與節點傳感器以及監督控制器24連接。閥V_t的操作由組件控制器C_t根據從監督控制器24接收到的指令(如模式，壓力，閥芯位置需求等等)以及來自節點傳感器的反饋來控制。組件控制器C_t監測節點的操作，并向監督控制器24報告任意故障情況。

上述FDIR架構支持不同級別的故障檢測。例如，故障可在傳感器級別、組件級別、節點內級別和節點間互聯(即監督，系統)級別被檢出。該架構也支持傳感器級別、組件級別、節點內級別和節點間互聯(即監督，系統)級別的故障隔離。此外，該架構還支持上述任意或全部級別的重新配置。

IV、參數映射

參數圖可以由經驗數據或數學公式來創建。參數圖可儲存在節點或者監督級別，當需要參數信息時，可被監督控制器或節點控制器訪問。參數將相關數據映射成圖象形式，并可用于根據其他相關參數來估算特定參數。例如，以閥為例，流量、閥芯位置(顯示節流面積)和經過閥門的壓差等參數可被關聯進流量映射，用來從已知參數估算未知參數。閥門的流量映射顯示為Q＝map(P,X,α),其中P為經過閥門的壓差，X為閥芯位置，α為附加變量例如溫度。根據此圖，如果P,X,α已知，則流量可確定。閥門的壓力映射顯示為P＝map(Q,X,α),示例圖見圖6所示。根據此圖，如果Q,X,α已知，則壓力可確定。閥芯位置圖顯示為X＝map(Q,P,α)，示例圖見圖7所示。根據此圖，如果Q,P,α已知，則閥芯位置可確定。

也可使用其他映射。例如，閥芯速度映射定義了閥芯速度與脈寬調制信號電流之間的關系,用來控制電磁致動閥芯在閥筒內的軸向運動。閥芯位置映射也可定義閥芯位置與位置需求信號幅度之間的關系，用來控制閥芯的運動。壓力映射也可定義經過閥芯的壓差與壓力需求信號幅度之間的關系，用來控制閥芯的運動。

V、傳感器級別故障檢測

特定故障可在傳感器級別被檢出。此類故障一般不依靠需獨立監測的可變參數而定。例如，可通過將傳感器讀數和特定的預設或預先建立的參數、范圍或其他指標進行比對來確定是否有錯誤。其中一個示例見圖8所示，其中傳感器信號130超出了預定值域，此值域上限為132、下限為134。另一個示例見圖9所示，其中傳感器在傳感器信號應當變化的環境下在預定時間段內產生穩態信號。圖10展示了進一步的故障狀態，其中傳感器產生與信號對應的預定量噪音138。傳感器級別故障進一步示例是傳感器無法產生任何信號。圖11是另一代表性情況，傳感器信號140追蹤或跟隨實際信號142，但具有錯誤的幅度。只要此傳感器信號140處于傳感器預定值域范圍內，該類型錯誤很難被檢出。就這方面來說，本文中公布的更高級別的故障檢測技術可用于檢測此類故障。

VI、組件級別故障檢測

一個組件級別的故障檢測示例是以閥門的閉環位置控制為基礎的故障檢測。就此而言，對于給定閥門，其閥芯位置可以根據監督控制器發出的閥芯位置需求指令來確定。例如，可以使用經驗查找表、位置映射或二階傳遞功能參數來預估閥芯位置。該預估位置可與閥芯對應的傳感器所指示的位置相比對。如果預估的閥芯位置與感應的閥芯位置在預定時間內發生至少預定數量，則故障標記出現。圖12是此故障檢測策略的示意圖。如圖12所示，使用位置閉環傳遞函數150，根據監督控制器發出的位置需求154，給出位置預估152。從位置預估152中減去位置感應156得出殘值158。若此殘值在預定時間窗超出了預定數量，則在各自節點提出故障標記，并傳送到監督控制器。上述故障檢測技術可在組件級別用于任意節點28、30、32、34和36，如圖4所示。例如，上述故障檢測技術可用于檢查位置傳感器X_th的功能，該傳感器用于控制傾斜缸控制節點30的頭側流量控制閥V_th的閥芯位置。組件控制器C_l和C_t收到監督控制器發出的需求信號，使用常規的脈寬調制控制邏輯，生成信號來控制閥V_th的閥芯位置。通過位置映射、經驗數據、查找表或其他方法，根據監督控制器發出的位置需求指令的特征，可以預估閥V_th的閥芯位置。此預估位置與傳感器X_th的指示位置相比對，如果預估位置與感應位置在預定時間窗口內發生預定數量的差值，則提出故障標記。

另一個組件級別故障檢測技術是以閉環壓力控制為基礎的。在此故障檢測方案中，使用監督控制器發出的壓力需求信號來預估給定傳感器的壓力。通過使用壓力映射、經驗數據、查找表或公式諸如二階壓力控制傳遞功能來預估壓力。然后將預估壓力與給定傳感器的感應值相比對，如果預估壓力與感應壓力在預定時間窗內發生預定數量的差值，則提出故障標記。圖13是此類故障檢測技術的示意圖。如圖13所示，使用閉環壓力控制傳遞函數160，根據監督控制器發出的壓力需求指令164，預估給定傳感器的壓力數值162。從預估壓力值162中減去感應壓力值166，得出殘值168。若此殘值在預定時間窗口超出了預定量，則產生故障標記。可以理解上述故障檢測策略可用于監測圖4所示系統內所有壓力傳感器的操作。例如，在傾斜缸控制節點30的操作中，監督控制器給組件控制器C_l發送壓力需求。根據壓力需求數值，組件控制器C_l使用脈寬調制控制邏輯來控制閥V_th的操作，以便達到傾斜缸64的頭側74的壓力預估值。可以根據壓力映射、經驗數據、查找表或公式諸如閉環壓力控制傳遞功能來得出壓力預估值。此預估值與壓力傳感器P_th的感應讀數相比對，如果感應壓力值與預估壓力值在預定時間內發生預定數量的差值，則組件控制器C_l提出故障標記，并傳送到監督控制器。

組件級別故障檢測的進一步示例以滑閥的閥芯速度為基礎。可以理解此類故障檢測方案可用于圖4中所示系統內任意閥門。使用此方案可以預先產生速度映射，其定義了閥芯速度與用于控制關注的閥的操作的組件控制器產生的脈寬調制(PWM)信號(即信號的電流)之間的關系。速度映射可以考慮變量，如溫度或其他因數。將閥芯速度與PWM信號圖存儲在存儲器中并可以穩定地訪問，即可以根據PWM信號的幅度預估閥芯速度。然后將預估速度與根據閥芯位置傳感器的讀數計算得出的閥芯速度相比對，如果預估速度與計算得出的速度在預定時間內發生預定數量/閾值的差值，則組件控制器提出故障標記，并傳送到監督控制器。

VII、子系統/節點級別故障檢測

子系統/節點級別故障檢測的一個示例方法為：通過利用解析冗余來預估“虛擬”或參考流量值，然后將參考流量與感應流量相比對。例如，致動器的進表流量可以用來確定/預估相同致動器的出表流量。此種故障檢測方案可以比對當傾斜缸64被致動時經過傾斜缸控制節點30的閥V_th和V_tr的流量。也可以比對當提舉缸60被致動時經過提舉缸控制節點32的閥V_lh和V_lr的流量。致動器的出表流量也可用來確定與其進表流量相關的參考流量。此外，對于蓄電池來說，蓄電池壓力和蓄電池壓力的變化速率可用來提供參考流量，此參考流量值在正常條件下與控制蓄電池進、出流量的閥的感應流量相等。

子系統級別故障檢測具有優勢，這是因為任何傳感器故障均可實時檢出，這就可明顯提升系統的安全性和可靠性。此種檢測方案適用于實時處理難于感應(例如故障傳感器可以追蹤實際信號的動態補償)、難于檢測的傳感器故障。此外，通過結合其他技術(如信號加工、傳感器級別故障檢測、組件級別故障檢測、子系統級別故障檢測和系統級別故障檢測)，多個傳感器故障可被檢出。

A、使用同一致動器的進表流量和出表流量作為參考參數實現故障檢測與重新配置

對于特定的液壓致動器，諸如在活塞頭的兩側有相等尺寸的活塞桿的液壓電機和液壓汽缸，進入致動器的流量與流出致動器的流量相等。因此，如果單個進表閥提供進入致動器的所有流量，單個出表閥接收流出致動器的所有流量，則經過進表閥和出表閥的流量彼此相等。這樣，致動器定義了進表閥和出表閥之間的操作關系。進表閥的流量映射(Q1＝map(P1,X1,a1))可以用于計算經過進表閥的感應流量。經過出表閥的流量也可以通過對應出表閥的流量映射(Q2＝map(P2,X2,a2))進行計算。由于進表閥、出表閥都和同一致動器連接，因此它們的計算/預留流量不應相差超出預定閾值。因此Q2是Q1的參考流量，Q1是Q2的參考流量。如果Q1和Q2相差超出預定閾值，則表明傳感器故障，并且提出故障標記。

如果故障傳感器需要重新配置，那么為帶有可操作傳感器的相關閥門確定的流量可以用于為帶有故障傳感器的閥門控制提供預估值。例如，如果對應進表閥的壓力傳感器出現故障，則相應出表閥計算出的參考流量Q2可以代入進表閥流量映射(P1_est＝map(Q2,X1,a1))，得出預估壓力值P1_est，用于操作進表閥。特別是，預估壓力值P1_est可以代入閉環控制算法，用來控制進表閥的操作。這樣，故障傳感器可以從系統中移除，而系統繼續運行。同樣地，如果進表閥的位置傳感器出現故障，則出表閥計算出的參考流量Q2可以代入進表閥流量映射(X1_est＝map(Q2,P1,a1))，計算出預估位置值X1_est用于控制進表閥的操作。特別地，預估壓力值X1_est可以代入閉環控制算法，用來控制進表閥的操作。類似地，如果出表閥出現故障，則來自進表閥的參考流量值可用于生成預估傳感器讀數來替代故障傳感器。在重新配置狀態中，使用Smith預估器可用于消除預估傳感器數值推導計算所需要的時間相關聯的延時所造成的波動。

如圖4所示，頭側閥V_th和桿側閥V_tr控制經過傾斜缸64的流體流量。因為活塞包括活塞頭，該活塞頭僅有一側帶連桿，所以進入汽缸的流量與流出汽缸的流量不相等。取而代之的是，進入和流出汽缸桿側74的流量Q_r等于進入和流出汽缸頭側76的流量Q_h乘以頭側活塞面積A_h和桿側活塞面積A_r的比率。桿側活塞面積A_r等于頭側活塞面積A_h減去活塞桿的橫截面積。桿側流量Q_r和頭側流量Q_h之間的關系提供了故障檢測的方法。經過閥V_th的預估流量Q1等于頭側流量Q_h，經過閥V_tr的預估流量Q2等于桿側流量Q_r。這就在Q1和Q2之間建立了數學關系。尤其是，Q1應該等于Q2乘以A_h/A_r。因此，Q2×A_h/A_r是Q1的參考流量，Q1×A_r/A_h是Q2的參考流量。如果Q1未處于Q2×A_h/A_r的預定閾值之內，則故障存在，應當提出故障標記。如上所述，若要重新配置系統，對應于閥V_th和V_tr中的一個可操作閥的參考流量可以用于為V_th和V_tr中的一個故障閥的故障傳感器預估感應值。這樣，系統及時重新配置，閥可以繼續操作，故障傳感器下線，并且被根據冗余/重疊流量關系生成的虛擬傳感器替代。

B、蓄電池流量作為參考參數

對蓄電池來說，其壓力和壓力變化速率決定腔室內的氣體動力，這與蓄電池的流速相關。因此，蓄電池流量映射可根據壓力和壓力變化速率來生成。這樣，如果壓力和壓力變化速率已知，則蓄電池的輸入、輸出流速可以從流量映射中穩定地確定。如果，在給定時間點，只有一個閥用來控制蓄電池的輸入和輸出流量，那么流量映射測定的蓄電池流量可以用作參考流量，與經過控制閥的感應流量相等。此關系也可用于支臂懸掛系統控制節點34，使之在節點內實現子系統級別故障檢測和重新配置。此類型子系統級別故障檢測見圖14所示。

如圖14所示，兩個流量Q1和Q2被測定。根據節點32的操作狀態，流量Q1與經過閥V_c和V_d的計算流量對應。Q2與計算的蓄電池流量對應。流量映射f1與閥V_c對應，當閥V_c處于蓄電池66與罐77連接的位置時用于計算Q1。流量映射f2與閥V_c對應，當閥V_c處于蓄電池66與泵節點36連接的位置時用于計算Q1。流量映射f3與閥V_d對應，當閥V_d處于蓄電池66與提舉缸60的頭側連接的位置時用于計算Q1。流量映射f4是用于蓄電池66的流量映射，用于計算Q2。如果在預定時間段內Q1和Q2的差值超出了預定流量閾值，則支臂懸掛系統控制節點34內的傳感器故障被檢出。一旦創建了上述四個流量映射之后，可以得出冗余，支持多個流量計算，可以比對確定是否發生了故障狀況。例如，如果加液閥V_c控制進、出蓄電池的流量，那么由流量映射f1或f2計算的經過閥V_c的流量應該等于流量映射f4計算的進、出蓄電池的流量。如果在預定時間段內Q1和Q2在預定閾值內部匹配，則故障標記產生。依據閥芯位置(如根據蓄電池連接到壓力側還是罐側)，流量映射f1或f2用于預估經過閥V_c的流量Q1。當支臂懸掛系統處于支臂懸掛系統模式，阻尼閥V_d將蓄電池與提舉缸60的頭側70進行流體通信時，流量映射f3用于預估流量Q1。Q2總是由蓄電池流量映射f4計算。可以理解當使用上述方法檢測出一個故障時，故障源可以是系統內任意個不同傳感器。當前系統的架構支持各種運行參數交叉引用，以便把故障隔離到特定的傳感器。

與先前所述實施例同樣，Q1是Q2的參考流量，Q2是Q1的參考流量。因此，一旦故障被隔離到閥V_c、V_d中的一個閥的特定的位置傳感器時，流量Q2可以代入故障閥的閥芯位置映射，計算出預估的閥芯位置值，將該預估的閥芯位置值代入故障閥的閉環控制算法，使故障閥在重新配置狀態運行，故障傳感器下線。在其他實施例中，通過停止V_c、V_d的運動可以進行系統重新配置。

如果蓄電池66是活塞型蓄電池，根據活塞速度(假設提供了活塞傳感器)，則可以以第三流量計算Q3的形式做出第三冗余。Q3等于進或出蓄電池的流量。在正常運行條件下，Q1＝Q2＝Q3。圖15為支臂懸掛系統節點34的故障隔離和重新配置圖，其中蓄電池66為活塞型蓄電池。

VIII、系統級別故障檢測

可以理解如果已知較大流體各個分支的流速，則把各分支流量相加得出參考流量值，即為總流量的代表。例如，如圖4所示，經過罐閥V_t的總流量等于從朝罐77方向的傾斜缸控制節點30和提舉缸控制節點32分出的所有支流流量的總和。使用前面所述的流量映射，經過任一閥門的流量均可預估。若要識別故障狀況，經過罐閥V_t的第一流量Q1可由流量映射確定。而且，與從傾斜缸控制節點30和提舉缸控制節點32分出的流量對應的流量Q2和Q3也可由相應的流量映射確定。在正常條件下，Q2和Q3的和應該等于經過罐閥V_t的總流量Q1。但如果Q2和Q3的和未在經過罐閥V_t的總流量Q1的預定閾值范圍內，則提出故障標記。

應當理解(Q2+Q3)是Q1的參考流量，(Q1-Q2)是Q3的參考流量，且(Q1-Q3)是Q2的參考流量。因此，一旦故障被隔離到其中一個閥各自的參考流量的特定傳感器，則相應的參考流量代入故障閥的閥芯位置映射或壓力映射，得出預估閥芯位置值或壓力值，將其代入故障閥的閉環控制算法，使故障閥在重新配置狀態運行，故障傳感器下線。

利用矩陣解析法，此類型故障隔離可在監督級別達到。例如，如果罐控制節點36、提舉缸控制節點32和傾斜缸控制節點30均向監督級別報告未隔離故障，則故障在罐壓力傳感器。而且，如果罐控制節點36和提舉缸控制節點32報告未隔離故障，傾斜缸控制節點30報告無故障，則故障可以隔離到提舉缸控制節點32。

IX、帶有感應汽缸的電動液壓系統的故障檢測、隔離和重新配置

圖16展示了依照本發明原理的故障隔離架構200。架構200適用于控制液壓致動器202的致動。該液壓致動器包括汽缸204和反向安裝在汽缸204內的活塞206。活塞206包括活塞桿208和活塞頭210。汽缸204限定頭側212和桿側214。架構200包括傳感器216，用于探測活塞206的速度。傳感器216可以是位置或者速度傳感器。架構還包括用于控制致動器202的閥門。所示出的閥中包括頭側閥220，該頭側閥220與致動裝置202的頭側212流體連接；以及桿側閥222，該桿側閥222與致動裝置202的桿側214流體連接。架構200還包括控制器224，該控制器224可運行故障診斷與控制算法。控制器224與頭側壓力傳感器226、桿側壓力傳感器228、頭側閥位置傳感器230、桿側閥位置傳感器232連接。控制器224可以訪問閥220和222相對應的預定流量映射。可通過使用閥220的流量映射由控制器224確定經過頭側閥220的流量Q1。類似地，可通過閥222的流量映射確定經過桿側閥222的預估流量Q2。由于閥220、222都與同一致動器202流體連接，所以流量Q1和Q2之間存在從屬關系。例如，經過閥220的流量Q1等于進或出汽缸204的頭側212的流量；經過閥222的流量Q2等于進或出汽缸204的桿側214的流量。因為頭側的有效活塞面積比桿側的更大，那么進或出汽缸204的活塞側212的流量等于進或出活塞側214的流量乘以頭側有效活塞面積A_h與桿側有效活塞面積A_r的比率。這樣，流量Q1等于Q2乘以A_h除以A_r。因此，由致動器210確定的關系創建了可用來檢測故障的冗余。特別是，如果Q1與Q2×A_h/A_r的差值超出了預定閾值，則提出故障標記。

圖16的系統架構200也用于提供三個冗余。特別是，傳感器216可用于計算活塞206的速度V_cy11。而且，頭側閥220的流量映射可用于預估活塞206的第二速度V_cy12。V_cy12等于經過頭側汽缸220的流量Q_h除以頭側活塞面積A_h。根據桿側汽缸222的流量Q_r可以確定第三速度預估V_cy13。第三速度預估V_cy13等于Q_r除以A_r。如果V_cy11、V_cy12、V_cy13中任意一個與其他兩個的差值未在預定閾值范圍內，則提出故障標記。

圖17是隔離某個故障狀況的矩陣。例如，案例1顯示汽缸傳感器216出現故障。案例2顯示頭側壓力傳感器226或者頭側閥位置傳感器230出現故障。案例3顯示桿側壓力傳感器228或者桿側位置傳感器232出現故障。案例4顯示一個以上傳感器出現故障。案例5顯示無故障發生。

重疊關系創建的冗余也提供允許系統重新配置的裝置(見圖18)，將故障傳感器從系統中隔離。特別是，故障傳感器可以下線，從冗余中得出的預估值可用于替代下線傳感器。對于案例1，重新配置包括在監督控制中支持汽缸傳感器數值。案例2中，如果頭側壓力傳感器226出現故障，則可讓其下線，使用預估值P_hest控制閥220的操作。將預估流量值Q_est和位置傳感器值X_h代入閥220的流量映射，即可得出P_hest。如果傳感器230出現故障，則讓其下線，使用預估位置值X_hest控制閥220的操作。預估位置值X_hest可以從閥220的流量映射中得出，即利用預估流量Q_est和壓力傳感器226的讀數可將其求出。應注意，預估流量Q_est可從V_cy11或V_cy13值中得出。如果桿側壓力傳感器228出現故障，則可使用預估壓力值P_rest控制閥222的操作。可以理解預估壓力值P_rest可以從流量映射得出，即利用預估流量Q_est和桿側位置傳感器232生成的位置值可將其求出。類似地，如果桿側位置傳感器232出現故障，則讓其下線，使用預估位置X_rest控制閥222的操作。預估位置X_rest可以從流量映射中得出，即利用預估流量Q_est和桿側壓力傳感器228感應的壓力值可將其求出。案例3中，預估流量Q_est可從V_cy11和/或V_cy12中得出。

案例4中，重新配置包括進入故障安全配置。案例5中，因為檢測到無故障，因此重新配置不可行。

X、閉環多級閥控制與故障隔離

圖19展示了多級閥的閉環壓力控制架構。示例閥300如圖20所示。該閥包括導向級302、中間級304和主級306。圖19的閉環控制架構具有級聯配置，其中內部控制回路308提供閥芯位置控制，同時外部控制回路310提供壓力控制。如圖19所示，監督控制器給節點處的組件控制器發出壓力需求信號312。在組件控制器上，從需求信號中得出的預估壓力值與感應壓力值314進行比對。如果感應壓力值和預估壓力值不同，則組件控制器生成位置需求信號316。從位置需求信號316生成預估位置，該預估位置與感應閥芯位置信號318進行比對。如果預估閥芯位置與感應閥芯位置不同，則組件控制器生成PWM信號，該PWM信號導致閥芯322在中間級304移動。感應到的閥芯位置值318由處于閥芯322的閥芯位置傳感器324生成。閥芯322的移動導致主級306調整，以改變感應壓力314。感應壓力314由處于主級306的壓力傳感器326感應。

如果預估位置值316與感應位置值318的差值在預定時間段內超出了預定閾值范圍，則提出故障標記。同樣，如果預估壓力值與感應位置值314 的差值在預定時間段內超出了預定閾值范圍，則提出故障標記。可以理解在位置傳感器324中發生的故障，將會引起對應的壓力傳感器326提出故障標記。與此相反，壓力傳感器326的故障則不會引起對應的位置傳感器318提出故障標記。圖21是故障隔離矩陣，用于隔離對應圖19的閉環控制架構301的故障源。在矩陣330中，R1代表位置傳感器324的故障狀態，R2代表壓力傳感器326的故障狀態。如矩陣中所示，若R1和R2都關閉，則無故障檢出。然而若R1關、R2開，則故障可以隔離到壓力傳感器326。若R1和R2都開，則表明位置傳感器出現故障。

XI、故障檢測矩陣方案

圖22是支臂懸掛系統控制節點34的故障隔離矩陣。如該故障隔離矩陣所示，Rs1對應位置傳感器X_c的傳感器級別故障；Rs2對應壓力傳感器P_acc的系統級別故障；Rs3對應傳感器X_d的系統級別故障；Rs4對應傳感器P_lh1的系統級別故障；Rc1對應傳感器X_c的組件級別故障；Rc2對應傳感器P_acc的組件級別故障；Rc3對應傳感器X_d的組件級別故障；Rc4對應傳感器P_lh1的組件級別故障；Rc5對應傳感器X_c的另一個組件級別故障；Rsys1對應系統級別或子系統級別故障，如圖14所示。在一個實施例中，Rc5取決于于滑閥速度和用于控制可令滑閥移動的電磁線圈的PWM信號電流之間的關系。如圖22所示，案例1-8為已隔離，案例9和10為未隔離，可在系統級別做隔離解析。

圖23是v提舉缸控制節點32的故障隔離矩陣。在該故障隔離矩陣中，Rs1r對應位置傳感器X_rh的傳感器級別故障；Rs2r對應傳感器P_lr的傳感器級別故障；Rc1r對應位置傳感器X_lr的組件級別故障；Rc3r對應傳感器X_lr的另一個組件級別故障；Rsubsys對應由閥V_lh和V_lr之間確定的子系統級別故障；Rs1h對應位置傳感器X_lh的傳感器級別故障；Rs2h對應傳感器P_lh的系統級別故障；Rc1h對應傳感器X_lh的組件級別故障；Rc3h對應傳感器X_lh的另一個組件級別故障；Rsubsysh和Rsubsysr同為系統故障；Rsys-bss是傳感器P_lh1和P_lh2之間的比對。如圖23矩陣所示，300部分代表單個標記故障隔離信息；302部分代表兩個標記故障隔離信息，其中表明所述故障為傳感器級別或者是組件級別故障；304部分代表傳感器級別或組件級別故障與子系統級別故障的結合。圖表最后一行代表故障隔離狀態。

XII、用于被動和超限狀況的故障檢測系統

提舉缸控制節點32可在被動狀況和超限狀況中運行。在被動狀況中，提舉缸60推擠負荷。被動運動一個示例是：當提舉缸60舉起支臂時。當發生這一示例時，系統泵排出的流體經由閥V_1h進入提舉缸60的頭側70，從提舉缸60的桿側72排出的流體經由閥V_1r到達罐77。當提舉缸控制節點32在超限狀況中運行時，負荷推擠提舉缸60。當負荷下降時，此情況會發生。在超限狀況中，提舉缸60的頭側70處的液壓流體經由閥V_1h流至罐77，從罐77排出的液壓流體經由閥V_1r流入提舉缸60的負荷側72。在上述兩種狀況中，液壓流體可以從蓄電池66經由閥V_d流到提舉缸60的頭側70，或者是從提舉缸60的頭側70經由閥V_d流到蓄電池66。其方向視提舉缸60的頭側70與蓄電池66的相關壓力而定。這種液壓流體流量也為支臂懸掛所用。在超限狀況中，凈流量經由閥V_t到達罐77。此外，在某些情況下，閥V_1r將系統泵與提舉缸60的桿側72連接，以避免氣穴現象。

在某些實施例中，閥V_1h、V_1r可被設計為具備抗氣穴特征，即使當閥處于關閉位置時，也可允許來自罐77的流量經由該閥流至汽缸60。此流速從閥芯位置和壓力信號中不可計算。

在被動致動狀況中，流量Q1和Q2對應提舉缸60的頭側70；Q3對應提舉缸60的桿側72。Q1等于從系統泵進入頭側70的流量，該值可從頭側閥V_1h的流量映射計算得出。Q2等于蓄電池66和提舉缸60的頭側70之間的流量。該流量可根據蓄電池流量映射或阻尼閥V_d流量映射得出。流量Q3去往罐77，可自寬側閥V_1r的流量映射計算得出。如前所述，進或出頭側70的流量等于進或出桿側72的流量乘以A_h除以A_r。因此，假定進入汽缸流量為正號，流出汽缸流量為負側，則Q1+Q2+Q3×A_h/A_r應該等于零。如果不是，則提出故障標記。此后，一旦故障被隔離，則上述公式可用于創建參考流量，代入故障組件的流量映射，生成虛擬信號讀數，再代入故障組件的閉環控制算法，使得組件能繼續運行。

在超限狀況中，閥V_1r的流量映射不可靠，這是因為該閥有可能正在無指令、抗氣穴條件下運行。在這些情況下，經過該閥的流量無法計算。不過，經過閥V_t、V_th、V_tr和閥V_1h的流量均可利用流量映射計算。如前所述，經過閥V_t的流量等于自傾斜缸控制節點30和提舉缸控制節點32的分支流量之和。因此，從經過閥V_t的總流量中減去V_th、V_tr和V_1h的流量，即可以計算經過閥V_1r的流量。該值隨之可代入上述被動狀況相應的等式，作為故障識別與重新配置的另一種方法。以下部分將對上述方法給予更為詳細的說明：

·上游流量:從供應壓力到工作艙頭，Q_h,提舉,泵(＞0)

·下游流量:從工作艙桿到罐壓力,Q_r,提舉,罐(＜0)

·不失一般性,Q_h.提舉.泵可從Ps,P_h,提舉,x_h,提舉,或者Q_h.提舉.泵流量映射(Ps,P_h,提舉,x_h,提舉)預估得出

·類似地,Q_r.提舉，罐(Pt,P_r,提舉,x_r,提舉)

·按照提舉缸60的上、下游流量關聯關系(即進、出流量互成比例)，得出下列約束：(負荷導向約束(LOC))

殘值_通過(Ps,P_h.提舉,x_h.提舉,Pt,P_r.提舉,x_r.提舉)＝

殘值(Q_h,提舉，泵,Q_r，提舉，罐)

:＝Q_h,提舉，泵+Q_r,提舉,罐×A_h/A_r+Q_阻尼＝0

如果殘值(Q_h，提舉，泵,Q_r，提舉，罐)不等于0,則傳感器故障被檢出。就此而言，潛在的故障傳感器包括Ps,P_h.提舉,x_h.提舉,Pt,P_r.提舉,x_r.提舉。而且，“不等于”用閾值和時間窗定義。

·超限狀況的(負荷導向約束(LOC))定義如下：

殘值_超限(Pt,P_h.提舉,x_h.提舉,Ps,P_r.提舉,x_r.提舉,Pacc,P_h.提舉’,x_阻尼,xt,Pt,x_h,傾斜,P_h.傾斜,x_r.傾斜,P_r.傾斜)

殘值_超限(Q_h,提舉,罐,Q_tcu_提舉,Q_r,提舉.泵,Q_阻尼):＝

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

·故障檢測:如果殘值_超限不等于0,則故障被檢出。可能存在故障的傳感器包括Pt,P_h.提舉,x_h.提舉,Ps,P_r.提舉,x_r.提舉,Pacc,P_h.提舉’,x_阻尼,xt,Pt,x_h,傾斜,P_h.傾斜,x_r.傾斜,P_r.傾斜)

Q_h,提舉,罐(Pt,P_h,提舉,x_h,提舉)

Q_r,提舉.泵(Ps,P_r.提舉,x_r.提舉)

Q_阻尼：由Q_阻尼＝f(Pacc,P_h,提舉,x_阻尼)計算

Q_tcu_提舉：由tcu流量Q_tcu(Pt，xt)減去傾斜罐流量Q_tcu_傾斜(Pt，x_h,傾斜,P_h.傾斜,x_r.傾斜,P_r.傾斜)計算，假設傾斜缸未在抗氣穴模式工作。

如果傳感器V_th、V_tr、V_1h和V_lr已被指示了抗氣穴特征，則可以采用上述相對于被動狀況的同樣方案，生成組件間的關系，用于識別故障條件，并為此提供重新配置方法。該方案對于被動狀況和超限狀況均適用。一旦系統故障被檢出并重新配置，還可使用一種求和技術來識別可能出現的第二傳感器故障。特別是，如果流向罐77的來自傾斜缸控制模塊30和提舉缸控制節點32的合并流量不等于經過閥V_t的流量，則故障被檢出，并且可執行必要的進一步重新配置。

·上游流量:從供應壓力到工作艙頭，Q_h,提舉,泵(＞0)

·下游流量:從工作艙桿到罐壓力,Q_r,提舉,罐(＜0)

·不失一般性,可以預估流量

·Q_h.提舉.泵可從Ps,P_h,提舉,x_h,提舉,或者Q_h.提舉.泵流量映射(Ps,P_h,提舉,x_h,提舉)預估得出

·Q_r.提舉,罐(Pt,P_r,提舉,x_r,提舉)

·Q_阻尼是P_h,提舉’,P_acc,x_阻尼的函數

按照汽缸的上、下游流量關聯關系，得出下列約束：(負荷導向約束(LOC))

殘值_通過_1(Ps,P_h.提舉,x_h.提舉,Pt,P_r.提舉,x_r.提舉,P_acc, P_h,提舉’,x_阻尼)＝

殘值_通過_1(Q_h,提舉,泵,Q_r,提舉,罐,Q_阻尼)

:＝Q_h,提舉,泵+Q_r,提舉,罐×A_h/A_r+Q_阻尼＝0

如果殘值_通過_1不等于0,則檢出傳感器故障。

“不等于”以預定時間窗口及閾值界定。

XIII、離線故障隔離

在某些應用和情景中，使用本發明其他部分所述的方法不能實時隔離的故障狀況會被檢測出來。在這種情況下，故障傳感器必須被隔離和定位，以便確定是否有任意控制算法應針對故障運行而被重新配置。如果實時隔離不可能，則可以使用一種離線方案。

圖37展示了方法600，用于故障檢測、隔離和控制器重新配置(FDIR)。在第一步602，故障被控制系統檢測出來。故障檢測可用本發明中其他部分所述的任意方法完成。在第二步604，確定該故障是否能被實時隔離。如果可以，則上述方法移至步驟602，實時隔離該故障，然后進行步驟616，控制器被重新配置。及時故障隔離與控制器重新配置可用本發明中其他部分所述的任意方法完成。此外，步驟604和606可以同時執行，在此期間，控制器可以先嘗試及時隔離檢測到的故障，如果該故障不能隔離，則控制器生成不可能實時隔離故障的決定。

如果控制器確定不能隔離故障，則離線故障隔離過程608開始運行。在步驟610，系統被置于安全系統狀態。例如，在輪式裝載機應用中，鏟斗會降至地面，而步驟608不會導致鏟斗從升起位置意外地下落。如果系統的提舉控制節點沒有故障，則鏟斗可以通過正常操作使之下降，例如通過恰當地定位控制桿或操縱桿。如果提舉控制節點有故障，則可替換子系統，諸如罐控制單元，可用于降低鏟斗。如果機器配備了漸進降低鏟斗功能，即在空檔和降位之間重復移動操縱桿或控制桿，則上述方案也可運用。當鏟斗完全降至地面時，系統將會處在安全狀態。本領域技術人員會容易理解，其他類型的器具和系統組件也需要被置于安全狀態。例如，其他類型的器具像叉車上的前叉和伸縮臂上的支臂等。

當系統處在安全狀態時，控制器可在步驟612執行離線隔離過程，來自該過程的診斷結果可在步驟614記錄進控制器中，完成離線故障隔離過程608。然后，控制器利用此信息在步驟616進行重新配置。

參考圖38，展示了離線隔離過程612的典型應用的進一步細節，其中為包含多個節點的液壓系統，如圖1，4和24所示，進行故障隔離。但應注意到，在任意特定的液壓系統中可能存在比其更多或更少的節點。如圖38，離線故障隔離過程首先在步驟620中提舉/傾斜節點上執行，然后到步驟622中的輔助工作電路節點，接下來在步驟624罐控制單元節點，再然后在步驟626電子負荷感應控制節點，最后在步驟628支臂懸掛系統節點完成。本發明的其他部分對上述各個類型節點有詳述。對于具有上述節點的系統來說，通過節點進行故障隔離的命令最好能在最大程度上實現信息使用和決策穩固。

參考圖39，展示了包含步驟630-638的離線過程629，用于執行步驟620-628所需要進行的離線診斷。雖然對于執行步驟620有詳細描述，膽識應理解為，針對步驟629所述的一般方案對于許多其他系統和節點具有廣泛的適用性。

在步驟630，送至與第一工作艙相關的控制閥處的脈寬調制信號(PWM)設定為0，閥芯位置被記錄(節點中使用兩個閥時，如x1，中心和x2，中心)。閥芯位置由各個閥的位置傳感器確定，如LVDT傳感器。在步驟632，PWM信號設定為適當的數值，可將閥芯完全移至閥的壓力側，閥芯位置(x1，壓力；x2，壓力)和工作艙壓力(P1，壓力；P2，壓力)被記錄。工作艙壓力由各個閥的壓力傳感器記錄。在步驟634，PWM信號設定為適當的數值，以將閥芯完全移至閥的罐側，閥芯位置(x1，罐；x2，罐)和工作艙壓力(P1，罐；P2，罐)被記錄。

步驟630-634針對節點內各個工作艙/閥執行。在液壓提舉電路中通常有兩個工作艙。在步驟636，可以得到與節點相關的附加信息，如供應和罐壓力(Ps；Pt)，對于各個閥來說：閥芯機械中心(x1，機中；x2，機中)，壓力側停止位置(x1，壓停；x2，壓停)和罐停止位置(x1，罐停；x2，罐停)。

一旦獲得并存儲了上述信息，控制系統就可在步驟638通過做出各種診斷數據比對來隔離故障傳感器。例如，如果x1，中心不等于x1，mc；或者x1，壓力不等于x1，壓停；又或者x1，罐不等于x1，罐停，則可以確定閥1的閥芯位置傳感器出現故障。類似地，如果x2，中心不等于x2，mc；或者x2，壓力不等于x2，壓停；又或者x2，罐不等于x2，罐停，則可以確定閥2的閥芯位置傳感器故障。如果P1，壓力不等于Ps而P2，壓力等于Ps；或者P1，罐不等于Pt而P2，罐等于Pt，即可以對閥1的壓力傳感器進行故障隔離。類似地，如果P2，壓力不等于Ps而P1，壓力等于Ps；或者P2，罐不等于Pt而P1，罐等于Pt，則閥2的壓力傳感器出現故障。如果故障傳感器未能在此處被識別出來，則供應壓力傳感器Ps可被認作故障，條件是：P1，壓力等于P2且P1，壓力不等于Ps。如果P1，罐等于P2且P1，罐不等于Pt，即可對罐壓力傳感器Pt進行故障隔離。應注意，考慮到預定的臨界錯誤數值，可以評判上述比對正確與否。如上所述，離線隔離過程的診斷結果在步驟614被存儲。

如果故障傳感器在步驟620被隔離，則系統可以前進到步驟616進行控制器重新配置，或者繼續通過622-628的各個節點，以確定是否有進一步的故障存在。如果在步驟620無故障隔離，則過程移至622，評判輔助工作電路。因為用于提舉節點的同樣原理也適用于輔助電路，所以該隔離過程可與步驟636-638的釋義一致。

對于步驟624的罐控制單元評估，從步驟620和622處的評估已很明顯，即供應壓力傳感器和罐壓力傳感器是否出現故障。相應地，步驟620和622通過提供故障傳感器的交叉驗證，增加了診斷評估的穩固性。因此，不需要對供應和罐壓力傳感器進行進一步的測試，即使它們有可能與配給的罐控制單元相關聯，其中提供了一個罐控制單元。如果罐控制單元配備了控制閥，則針對閥位置傳感器的故障隔離過程與步驟636-638所述相同。

關于在步驟626進行的電子負荷感應控制系統評估，也可以使用與步驟636-638類似的過程，通過將PWM輸出設定為作業和轉向電路中的每個閥發送不同數值，來隔離閥芯位置傳感器故障。注意電子負荷感應控制系統(ELK)見圖24所示。對于作業電路壓力傳感器(P4)，如果PWM驅使閥芯到達高度待命位置，且作業電路負荷感應壓力不等于減壓閥壓力，則作業電路負荷感應壓力傳感器P4可做故障隔離。如果PWM驅使閥芯到達較低待命位置，且作業電路負荷感應壓力不等于排放壓力，則該傳感器也應確定為故障。若經過上述兩個診斷后，未發現作業電路負荷感應壓力傳感器故障，但是感應壓力加上泵余量不等于供應系統壓力Ps，則該作業電路負荷感應壓力傳感器P4也作為故障被隔離。

對于電子負荷感應控制系統的轉向電路所做的解析，與作業電路的相類似。如果PWM驅使閥芯到達高度待命位置，且轉向電路負荷感應壓力不等于減壓閥壓力，則轉向電路負荷感應壓力傳感器P3確定為故障。此外，如果轉向電路負荷感應壓力加上泵余量不等于前閥的出口壓力，則可以確定，或者是轉向電路負荷感應壓力傳感器P3故障，或者是前閥出口的壓力傳感器P1故障。如果PWM驅使閥芯到達較低待命位置，而轉向電路負荷感應壓力P3不等于液壓轉向單元傳感器P2之后的感應壓力，則至少可以確定P2或者P3為故障。

關于在步驟628支臂懸掛系統(BSS)的離線隔離過程，也可以使用與步驟630-638所述類似的過程，以及裝配蓄電池系統的一些修改，來對系統中加液閥和阻尼閥的壓力和位置傳感器進行評估。對于每個指示的PWM位置，BSS蓄電池壓力均被記錄。當PWM指示加液閥移動到壓力側位置，則蓄電池壓力應等于供應壓力。當PWM指示加液閥移動到罐側位置，則蓄電池壓力應等于排放壓力，即便這一般只是很小的數值。如果在兩個閥位置中的任意一處未達等量，且供應壓力傳感器經前述評估確定為正常，則BSS中的蓄電池壓力傳感器可做故障隔離。

關于BSS中的阻尼閥，所述的通用方案可以適用。如果閥芯是彈簧加載的，則只需要兩個PWM值，0和100％。閥芯可以分別移向兩個極端位置。記錄的傳感器數值可與控制器存儲的預校準數字相比對，如果數據不匹配，則該阻尼閥位置傳感器確定為故障。當阻尼閥處于全開位置，且蓄電池壓力傳感器未發現故障，則與阻尼閥關聯的壓力傳感器可做故障隔離，其輸出值與蓄電池壓力傳感器不匹配。

一旦步驟620、622、624、626和628執行完畢，則在適用情況下，離線隔離過程結束，診斷結果存入控制器。此時，離線隔離步驟608執行完畢，根據步驟616的再校準過程，系統返回正常運行。

XIV、低流量狀態重新配置

在某些應用和情景中，通過預估流速(即創建虛擬流量計)進行的解析冗余計算對于極低流速時的閥位置和液壓壓力會給出不恰當的數值。這主要是因為，低于進閥或出閥的特定流速后，流速、流體壓力和閥位置之間失去了良好的關聯關系。這樣，在經過閥門流量的特定死區之內，已述的流速預估方法不再適用。

當流速處于低流量死區之內時，能夠更好地預估閥位置和流體壓力的解決方案是，定義低流量操作模式，其中利用可替換方法來預估位置和流量。

在低流量操作模式中，提供預估閥位置的一種方法是定義流量閾值帶，包含正閾值和負閾值，如圖40所示。根據需求流速和臨界限值之間的關系，此方案可以提供三個不同的預估閥位置。例如，如果需求流速大于正閾值，則閥位置可以預估為相對于死區的正流量邊緣的固定值。相對地，如果需求流速小于負閾值，則閥位置可以預估為死區對邊上的固定值。如果需求流速處于正、負閾值之間(即在閾值域內)，則傳送到閥的PWM信號禁用，以避免閥的失控移動，而閥位置可以預估為0。

通過在操作模式之間添加滯后過程，可避免閥顫，使得低流量操作模式中預估位置可以得到進一步加強。此外，從流量映射邊界可提供可配置的補償量，用以增加感知位置錯誤能力和提升系統退出低流量模式的速度。此補償量可以是固定的或者設定為流量需求的函數。例如，根據應用情況，可以隨著流量增或減執行減量補償。對補償量也可提供滯后以避免閥顫。

在低流量模式中，可以假設提升閥關閉，且壓力可為任意值。一種壓力預估可以簡單地定為罐壓力，另一種壓力預估可以是供應壓力減去壓力余量。優先使用哪個值，要視系統中是哪個傳感器出現故障而定。例如，若桿側傳感器出現故障，則優先使用罐壓力作為預估壓力值，因為致動器的這一側不會處在超限負荷的輸出側。因此，不存在負荷掉落的危險。而如果此值在控制系統中不做被動處理，則系統會滯留在低流量運行模式。若頭側壓力傳感器故障，則預估值應設定為等于系統壓力減去壓力余量。此預估量相當于假設下游方向超限負荷，以便確保無負荷掉落。假設作業器具在上游方向不會有超限負荷。不過，在其他應用中,負荷可能從桿側施加,那么預估壓力值的選擇會與上述情況相反。還應注意到，使用哪一個預估值用于壓力傳感器的決定標準要視需求流量的方向而定。

XV、負荷感應泵應用的故障檢測、隔離和重新配置

參考圖24，展示了液壓系統500的示意圖。如圖所示，液壓系統500包括轉向電路502和作業電路520。轉向電路502通過液壓系統操作，如方向盤、操縱桿或GPS自動系統，可使車輛發生轉向。作業電路504通過液壓致動器，如汽缸或液壓電機，可執行多種作業功能。例如，作業電路504可用于操作伸縮臂叉車的液壓致動器，具有提舉、傾斜、延伸和/或側移功能。

如圖，轉向電路502包括轉向電路泵504，為液壓轉向單元506供應加壓流體。從泵504到液壓轉向單元506的液壓流體壓力和流量，由一系列本領域公知的液壓組件進行控制。在所示的特定實施例中，這些組件是：先導式主級閥510，電磁式導向級閥512和換向閥514，為泵504提供負荷感應壓力。轉向電路502還包括優先級控制閥508，當泵504給出的流體能量超量時，若需要，可用于與作業電路520分享流體能量。

如圖，作業電路520包括作業電路泵522，為負荷作業電路524提供流體能量。簡單起見，負荷作業電路524示意為固定孔板。不過，應理解為，負荷作業電路524可包括單個或多個動態負荷作業電路。例如，負荷作業電路524可包括圖4中所示任意或全部電路。從泵522到負荷作業電路524的液壓流體壓力和流量，由一系列業內已知的液壓組件進行控制。在所示的特定實施例中，配備了先導式主級閥526和電磁式導向級閥512。

轉向電路502和作業電路520還包括一系列傳感器，用于優化液壓系統500的控制。對于轉向電路502，在優先控制閥508后配備了第一壓力傳感器P1，在液壓轉向單元506后配備了第二壓力傳感器P2，在換向閥514后配備了第三壓力傳感器P3。位置傳感器X1，如LVDT傳感器，也配備在主級閥510上。對于作業電路520，在負荷作業電路524上游配備了第四壓力傳感器P4，在主級閥526后配備了第五壓力傳感器P5。位置傳感器X2，如LVDT傳感器，也配備在主級閥526上。

液壓系統500還包括電子控制器550。該電子控制器包含非瞬態存儲介質552，處理器554，以及存于非瞬態存儲介質上、由處理器可執行的一個或多個控制算法556。該電子控制器也可配置為與一個監督控制器和/或汽車操作系統其他節點內的控制器通信連接，在本發明的其他部分中被稱為“ELK”控制器或節點。為了提供泵504，522的最佳控制，前面提及的傳感器P1-P4和X1-X2可與控制器550通信連接，給閥512和528電磁輸出控制信號，給泵504和522輸出信號。在一個實施例中，控制器的控制算法可配置為：允許電子控制器在非分享模式(泵504，522分別獨立為電路502，520提供服務)和分享模式(泵504為作業電路520供應附加流體能量)之間操作液壓系統。

故障檢測

為了保證液壓系統500充分運行，電子控制器550可配置為連續地或定期地監測系統內故障情況。當傳感器給控制器550傳送的信號不準確，不是實際操作情況的反映，和/或顯示系統未達到理想運行水平，則有故障發生。常見的傳感器故障類型有：噪音，在高端超值域，在低端超值域，位置不動，補償追蹤高，補償追蹤低(見圖8-11)。這些故障類型對于壓力和位置傳感器都適用。檢測上述故障的一個方法是，在控制器內定義觸發故障信號的條件。有許多此類可定義的條件可用于故障檢測。

下文定義了15個典型條件，構成一份非排他性的、典型的潛在條件列表，可供控制器550用于故障檢測。

當閥526的理想位置(X_des)與自傳感器X2接收到的信號之間的絕對差值在一定時間內超出了最大錯誤值，則第一故障條件C1可被檢出。例如，最大錯誤值為50微米，時間為0.5秒，如果(abs(X_des-X2))＞50時間超過0.5秒,則故障被檢出。

當閥526基于傳感器X2信號(VEL_1)得出的計算速度與閥526基于送達閥528的PWM輸出信號(VEL_2)得出的計算速度之間的絕對差值在一定時間內超出了最大值，則第二故障條件C2被檢出。例如，最大錯誤值為____，時間為0.5秒，如果(abs(VEL_1-VEL_2))＞____時間超過0.5秒,則故障被檢出。

當P4壓力減去P5壓力減去壓力余量的絕對值在一定時間內超出了最大錯誤值，則第三故障條件C2被檢出。例如，壓力余量為15巴，最大錯誤值為3巴，如果(abs絕對值(P4-P5-15))＞3時間超過0.5秒,則故障被檢出。

當P4壓力小于P5壓力時,第四故障條件C4被檢出。例如，如果P4＞P5任意時間量，則故障被檢出。

當理想壓力(P_des)與P4壓力之間的絕對差值在一定時間內超出了最大錯誤值,則第五故障條件C5被檢出。例如，如果最大錯誤值為3巴，時間為0.5秒，如果絕對值(P_des-P4)＞3時間超過0.5秒,則故障被檢出。

當閥510的設計位置(X_des)與自傳感器X1接收到的信號之間的絕對差值在一定時間內超出了最大錯誤值,則第六故障條件C6被檢出。例如，最大錯誤值為50微米，時間為0.6秒，如果(abs(X_des-X1))＞50時間超過0.6秒,則故障被檢出。

當閥510基于傳感器X1信號(VEL_1)得出的計算速度與閥510基于送達閥512的PWM輸出信號(VEL_2)得出的計算速度之間的絕對差值在一定時間內超出了最大值，則第七故障條件C7被檢出。例如，最大錯誤值為____，時間為0.5秒，如果abs(VEL_1-VEL_2)＞____時間超過0.5秒,故障被檢出。

當P3壓力小于P2壓力(P3>P2)時,第八故障條件C8被檢出。例如，如果P3＞P2任意時間，故障被檢出。

當P3壓力與P2壓力和壓力余量的和之間的差值在一定時間內超出了最大錯誤值，則第九故障條件C9被檢出。例如，壓力余量為8巴，最大錯誤值為2巴，時間為0.5秒，如果(P3-P2+8)＞＝2時間超過0.5秒,故障被檢出。

當壓力P3加上壓力余量在一定時間內小于或等于壓力P1,則第十故障條件C10被檢出。例如，壓力余量為15巴，時間為0.2秒，當(P3+15)＜＝P1時間超過0.2秒，故障被檢出。

當壓力P3加上壓力余量減去壓力P1的絕對值在一定時間內大于最大錯誤值，則第十一故障條件C11被檢出。例如，壓力余量為15巴，最大錯誤值為5巴，時間為0.2秒，當(abs(P3+15-P1))＜＝5時間超過0.2秒時，故障被檢出。

當壓力P1減去壓力P2減去壓力余量在一定時間內小于0,則第十二故障條件C12被檢出。例如，壓力余量為15巴，時間為0.2秒，當(P1-P2-15)＜0時間超過0.2秒時，故障被檢出。

當壓力P1大于最大壓力值或小于最小壓力值，表明壓力信號超出值域，則第十三故障條件C13被檢出。例如，最大壓力值為300巴，最小壓力值為0巴，當P1＞300或者P1＜0時，故障被檢出。

當壓力P2大于最大壓力值或小于最小壓力值，表明壓力信號超出值域，則第十四故障條件C14被檢出。例如，最大壓力值為300巴，最小壓力值為0巴，當P2＞300或者P2＜0時，故障被檢出。

當壓力P3大于最大壓力值或小于最小壓力值，表明壓力信號超出值域，則第十五故障條件C15被檢出。例如，最大壓力值為300巴，最小壓力值為0巴，當P3＞300或者P3＜0時，故障被檢出。

如上所述，可以為液壓系統500定義任意數量的故障條件。此外，故障條件可以存入控制器550的表格或矩陣560，如圖25所示。表格560的詳細示例見圖26。此圖可被控制器550引用，以便故障條件被檢出時可以生成適當的故障條件編碼。

故障隔離

一旦故障條件被檢出并生成故障編碼，引起該故障的傳感器可在配備液壓系統500的車輛的正常操作期間被隔離，而操作不會中斷。如果只有一個傳感器與特定的故障條件編碼相關，而該特定故障條件是故障顯示出來的唯一一個條件，那么負責的傳感器就非常明顯。例如，只有故障條件C13，C14或C15被檢出，則可以確定故障可以分別隔離到傳感器P1，P2或P3。不過，如果故障條件涉及多個傳感器和/或多個故障條件被檢出，故障隔離會變得更為復雜。此外，單個傳感器的某些故障類型可能觸發多個故障條件。

如圖25，初級故障隔離矩陣562、564予以展示。這些矩陣將傳感器故障(如關于P1-P5，X1-X2的故障)與定義的故障條件編碼(如C1-C15)相關聯。矩陣562、564的詳細示例分別參見圖26、27。對每個傳感器故障，如噪音、在高端超值域、在低端超值域、位置不動、補償追蹤高以及補償追蹤低，都給予了展示。使用兩種不同的初級矩陣，是因為系統，依照配置，能夠在非流量分享模式(矩陣562)和流量分享模式(矩陣564)運行，這會改變傳感器之間的關系。因此，控制器550會根據液壓系統500的現有運行模式來參考適當的矩陣。應注意，視系統與子系統彼此互動的數量，可決定使用更少或更多的初級故障隔離矩陣，本發明不僅限于使用兩種矩陣。

當故障條件被檢出時，使用初級矩陣可以識別特定故障。例如，如前述，若只有C13被檢出，則矩陣顯示傳感器P1為故障負責。利用傳感器級別故障檢測(參見本發明其他部分)結合矩陣識別的故障條件，可針對故障性質做出進一步決定。

然而，其他案例會需要更為精確的分析。例如，若系統處于非流量分享運行模式，C11或C12被檢出，那么可以看出，該故障可能會是與轉向電路關聯的四個傳感器P1、P2、P3或X1中的任意一個所引起。若多個故障條件同時被檢出，則分析會更為復雜。因此，初級故障隔離矩陣可能無法隔離某些故障，這就要看故障條件是如何定義的。如果這種情況存在，就需要進一步的解析。

如圖25所示，次級故障隔離矩陣566、568分別用于非流量分享和流量分享模式。矩陣566的詳細示例見圖29，矩陣568的詳細示例見圖30。次級故障隔離矩陣用來隔離：初級矩陣經過將故障條件編碼(如C1-C15)與檢出的不同形式故障條件相關聯而無法隔離的故障。在所示的實施例中，包括了13個不同故障形式的情景。不過，應當更多或更少的情可以被包括在內，以涵蓋更少或更多的潛在故障形式。

通過在各種已知故障條件下操作系統，或者通過建模，某些故障條件形式可以與特定的傳感器故障相關聯。例如，參見圖29，情景2所反映的狀態是，C8，C9，C11，C12和C14被檢出，關聯到傳感器P2的故障條件。相應地，初級隔離矩陣不能確定的故障隔離可以使用矩陣566、568來進行隔離，條件是矩陣要包括與檢出故障條件同樣的形式。應注意，矩陣566、568不包括可用初級矩陣564、565隔離的故障情景。

若使用上述方案無法隔離故障，則會執行離線故障隔離過程。對于液壓系統(包括圖24所示液壓系統100)離線故障隔離過程的詳述在本發明的另外部分給出。因此，液壓系統100的故障檢測和重新配置與本部分所述的實時隔離方案或者其他部分所述的離線隔離方案協調執行。而且，首先采用實時隔離方案，若發現不可行，再使用離線方案。此外，一個基于殘值的隔離方案(見圖22和23)也可協調或替代上述故障隔離矩陣運用。

重新配置

一旦故障被檢出和隔離，則可對液壓系統500的控制器550存儲的標稱控制算法進行重新配置，以便減輕故障傳感器的不利影響。在一個實施例中，使用解析冗余(本發明的其他部分有詳述)為故障傳感器創建虛擬信號，然后將其在控制器550的現有標稱控制算法中用作替代值。在一個實施例中，標稱控制算法被重新配置的控制算法替換，不依賴與故障傳感器相關的數值。

在一個實施例中，如圖31所示，第一標稱控制算法570存入控制器550，用于控制轉向電路。當與轉向電路502相關的傳感器無故障檢出時，則算法570被使用。下文描述了基于各種故障條件對標稱控制算法可能進行的重新配置。

圖31展示了第一重新配置控制算法572。當故障條件被檢出，且被隔離到傳感器P2時，標稱轉向電路控制算法570會提供不恰當操作，因為誤差信號等式明確依賴傳感器P2的輸入值。于是，可以采用不依賴P2數值的第一重新配置控制算法572，代替標稱控制算法實現轉向電路控制。這樣，轉向電路502在重新配置狀態運行。

當故障條件被檢出，且被隔離到傳感器P3時，標稱控制算法570可被第二重新配置控制算法574代替，如圖31。第二重新配置控制算法574不明確依賴傳感器P3數值，所以當傳感器P3出現故障時，它可為轉向電路502提供更好的運行效果。

當傳感器X1出現故障條件時，可以采用第三重新配置控制算法576。算法576可用于算法570同樣的控制，只是減緩了反應時間。可替換地，重新配置算法576將轉向電路502置于低待機模式，降低其功能水平，但能更好地保證轉向穩定性和操作性能。當傳感器P1出現故障條件時，不需要進行重新配置，標稱控制算法570可以繼續使用。如實施例所示，對該傳感器的重新配置是不必要的，因為在算法570中來自信號的輸出不是變量。應注意，任意數量的重新配置控制算法可被置于控制器550中，并且使用哪一種特定的重新配置控制算法要根據控制器550中定義的一系列變量和條件。

當故障檢出并隔離到傳感器P4或X2時，作業電路504也可使用重新配置控制算法代替標稱控制。圖32展示了標稱作業電路控制算法580。如果故障檢出并隔離到傳感器P5，則可以采用第四重新配置控制算法582，雖然對于傳感器P5故障來說重新配置不是必要的，但是P4數值結合泵余量可用于DP等式中以提供備選P5預估值。此重新配置方案給出的反應時間接近于正常操作達到的時間。

當故障檢出并隔離到傳感器X2時，可以采用第五重新配置控制算法584。算法584包括同樣的Perr計算，不過，X2數值可以通過預估算法得出。在一個實施例中，該預估算法包括離散導數、流量預估值、面積預估值的計算，以及應用流量映射來關聯面積和位置。由于預估計算將延時引入了控制系統，可以使用Smith預估器來加強控制。本領域公知的各種其他預估算法也可以用于算法584中傳感器X2的預估。

參考圖33-36，示例性地展示了上述故障檢測、隔離和重新配置方案的結果。圖33-36中展示的示圖與傳感器X2故障相關。圖33顯示正常操作，無故障檢出，控制算法580應用。圖34顯示故障發生在1.25秒，可以看出，算法580仍在位運行，控制性能明顯降級。圖35顯示當控制器550檢出并隔離傳感器X2故障時的增強性能，并且由此切換至控制算法584操作，其中X1通過預估算法得出。圖36顯示，如果預估算法含有Smith預估器，則運行性能會進一步加強。

很明顯，與故障發生時繼續同樣模式操作的系統相比較，上述故障檢測、隔離和重新配置方案可以極大地改善故障狀態時的運行性能。此外，該方案提供的實時解決辦法使得車輛操作過程中的任意工序都不會被打斷。還應注意，對同一傳感器故障可定義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。