（农业机械化工程专业论文）汽车发动机性能检测与故障诊断专家系统的研究.pdf

塑兰堂堡! ：兰垡堡兰 垫主垄垫! ! 丝盟丝型兰垫堕堡堑主塞墨竺竺婴丝一 第一章绪论 车是一个复杂的机械系统，它由数千种的零件所构成，发动机是汽车的动力源，是汽车的心脏，汽 些基本技术性能都直接或间接地与发动机的相关性能相联系。它产生的故障i 与全车的比例晟高( 在全 车中约占1 9 8 ) 单位里程的配件消耗( 在全车中约占7 5 6 ) 、保修1 ：时消耗( 在全车中约l i l2 4 0 哟汽车发 动机也占首位【i i ，发动机的故障诊断和维修水平在汽车修理中最为重要，因此发动机综合性能的检测对整 乍性能的了解至关重要。汽车发动机一般都采圳往复活塞式内燃机，常h j 的是汽油发动机( 简称汽油机) 和柴油发动机( 柴油机) 其结构复杂一i ：作条件恶劣，在k = 期使州过程处丁各种的环境中，承受着各种 应力，如外部的环境应力、内部功能应力和运动应力以及总成、部件等由丁- 结构和使州条件，如道路、气 候、使用强度、行驶j ：况等的不同发动机技术状况参数，将以不同规律和不同强度发生变化，或性能参 数劣化，最终将导致故障。发动机故障是指发动机部分或完全丧火l ：作能力的现象，通常表现为声响异常、 流体泄漏，温度过商。一动力f 降、油耗过火、1 ：况突变、外观异常、机身振动等。 a 胛：饯动机故障诊断技术魁在汽车不解体或不完全解体的前提f ，依靠先进的传感器技术与检测技术， 。采集发动机的各种具有某些特征的动态信息，并对这些信息进行各种分析和处理、区分、识别并确认其异 常表现，预测其发展趋势，查明其产生原冈、发生部位和严重程度，提出针对性的维修措施和处理方法， 并提供公正的、科学的数据。主要对汽车的动力性、经济性、安全性、可靠性以及噪卢、污染排放等状况 进行检测。 随着汽车_ l l j 途的日益j “泛，保有量的急剧增长，及其结构和技术的不断进步。使汽车检测与诊断技术必须 改变比较原始的检测方法。以新的检测诊断技术和方法来保证汽车运行的安全、节能、降低车辆排放和噪卢， 减少运用、维修成本，以延长经济使用寿命 一，一一一。 1 1 国内外汽车故障诊断技术的发展状况和趋势 在四、五十年代汽车的检测应用电流、电压、压力、真空、温度表笛简单仪表所测得的参数和操作 者经验进行综合分析以判定故障。但判定的正确与否，有很人的局限性。至入十年代。电子i ：业必起- 麻 用示波器、真空表、转速表、功率表、c 0 测定器、混合气浓度测定计、分电器触点闭合测定器等仪器仪表 结合对发动机性能进行分析，由于它们依靠操作者来逐项进行，而且是边诊断、边记录，因此效率低这 是一种发动机诊断设备的雏型随着微型计算机的问世，传感器舳种性能日益发展，为汽车性能检测、诊 断技术的发展。提供了有利条件，从七十年代中、后期的汽车检测、诊断单机联线，逐步改进到由计算机 程序控制的自动检测诊断系统，有许多已进入实用阶段”1 美国研制的汽油及柴油发动机的检测监控装置已于八十年代初期先后应j j 于美军汽车。日本三菱公 司研制的较先进的电子计算机控制汽午诊断设备，可测试2 3 9 项参数，其结果由打印机给山。八十年代 以来由于电子技术、传感技术、集成电路技术和计算机技术高速发展，现代科学技术己经能够提供多种 现场检测设备和仪器。随着人工智能技术特别是专家系统技术的日益成熟，发动机故障诊断技术进入了新 的发展阶段 塑垩叁兰堡i 堂堡丝苎塑兰垄苎! ! 丝堕丝塑：! 垫壁堡堕羔窒墨竺塑! 望! 在我国，发动机检测技术起步较晚八十年代以来，一些发动机故障诊断设备也已研制山来。八十年 代末，济南历下微机应用研究所研制出了发动机检测仪。是一种在不解体的情况f 对各种型号的柴油机、 汽油机参数进行全面检测的综合仪器1 9 9 3 年兰州铁道学院研究了汽油机点火系的故障诊断，通过对汽油 机点火线圈的初级电压波形和次级电压波形的观测和比较来进行，通过a d 转换，_ j 微机对数字信号作进 一步分析”1 上海内燃机研究所研制开发了发动机检测分析系统e a s 4 9 0 0 ，以专家系统的设计思想提出了发 动机性能评价与改进措施1 9 9 4 年，哈尔滨工业大学汽车学院研制出一种具有多功能、充电驱动系统检 测和燃油系实验等功能的新型发动机故障诊断系统“。济南无线电六厂和淄博寿山金圆电子有限公司也研 制开发了发动机综合测试仪，能对发动机的各种参数进行自动检测，同时具有发动机故障分析功能，可为 用户进行故障追踪分析和技术参数查询。 目前，专家系统是人工智能领域中最活跃最成功的一个分支有关发动机故障诊断专家系统已基本完 成了研究和实验阶段开始进入广泛的应用阶段。如1 9 8 5 年r e g e n i e 等人研制的飞行器控制系统监视器 ( e f f s m ) 和1 9 7 8 年m a l i n 研制的汽车故障诊断系统( f i x e r ) 以及美国宇航局研究中心研制的飞行器故 障诊断专家系统等都已达到了实际应用水平，并投入使用一些智能诊断系统，如火箭发动机故障诊断专 家系统( r e f b e s ) 都已研制出来九十年代以来，一些世界著名的汽车公司，如日本的丰田、尼桑公司、 美国的通用公司与福特公司和德国的大众公司等，它们许多发动机都有采用了众多传感鳖器和电脑控制。 在其故障诊断与维修手册中，采用了故障编码和排障流程图等现代故障诊断新方法。一旦发动机出现故障， 电脑就会发出警告或给出提示诊断效果显著，但其排障流程图生成过程和理论依据未有表述 1 2 汽车故障诊断的意义、目的和方法 1 i 1 汽车故障诊断的意义 在现代化生产中，设备的故障诊断技术越来越受到重视，如果某台设备出现故障而又未能及时发现和 排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，甚至可能造成机毁人亡的严重后果在连续生产系统中，如果某 台关键设备因故障不能继续运行，往往会涉及全厂生产系统设备的运行，从而造成巨人的经济损火。对生 产单位，配置故障诊断系统能减少事故停机率，具有很高的收益，投资比，而且能够延长设备检修周期，缩 短维修时间，为制定合理的检测维修制度提供依据极大地提高了经济效益。如我国在1 9 8 7 年国营工交 企业有4 0 万个以上，总固定资产约7 0 0 0 亿元，每年用于设备大修、小修及处理故障的费用一般占周定资 产原值的3 5 。采用诊断技术改善设备维修方式和方法后，一年取得的经济效益可达数百亿元p j 。由此 可见，设备故障诊断技术在保证设备的安全可靠运行，以及获取很大的经济效益和社会效益上，其意义是 十分重大的。 近年来，我国机动车保有量急剧增加，机动车安全运行的问题越来越突出，加强机动车辆的管理，重 视机动车辆的安全技术检测，成为整个社会，特别是公安交通管理部门亟待研究解决的重要课题，我国的 机动车安全检测经过十几年的实践走过萌芽、形成、发展和完善的道路，积累了丰富的经验，但实质上 从检测技术、检测设备和检测标准等来看，基本上都是照搬国外的。这曾对推动我国的机动车安全技术检 测工作起了积极作用，但在实践中也暴露了不少问题与发达国家相比，我国车辆状况、道路条件差别很 2 塑垩查兰璺：! ：兰堡堡兰 垒圭垄垫! ! 丝! ! 丝型! 垫壁堡堑! 塞墨竺塑型塑一 人，驾驶员、检测员的文化素质相对较低，交通管理、汽车产业政策各不相同鉴于目前机动车安全技术 检测j ：作中的问题重重，建立与我国国情相适应的机动车安全检测模式具有特别重要的意义“1 。 汽车诊断动技术是随着机器、设备诊断技术发展而在近二十年内发展起来的综合性科学其意义和作 j ：i j 可归纳为如下儿点： ( 1 ) 改革汽车维修制度为实现功能视情维修提供必要的保障。汽车检测制度发展至今经历了二个阶 段：从事后维修制、定期维修制到视情维修制事后维修制是指故障发生后才对设备进行维修，这种方式 隐含着威胁人身安全和造成重大经济损失的危害定期维修制以零件的磨损规律或零件的寿命为基础，其 结果是与汽车的实际技术状况不符，造成盲目修理和失修现象。视情维修制是利用诊断设备定期地检测汽 车的技术状况根据检测结果，按照实际需要对机器进行针对性修理，它是以一定的检测诊断为基础的。 ( 2 ) 汽车技术诊断是提高维修效率，加快维修速度，减少维修费用监督维修质最的迫切需要。近几 十年米，汽车l ：业蓬勃发展汽车数最迅速增加，我国汽车保有黛已超过2 0 0 0 万辆，保有簟增加修理 任务也相应加大汽车电子装置的迅速发展造成熟练的维修工的严重不足，并且手工业式、单凭经验进行 修理已不能适应现代化修理的要求，这就需要采用新技术，发展故障自动诊断设备提高维修效率。 ( 3 ) 加强对汽车安全技术检测能保证车辆安全行驶的有效方法，并能减少公路交通事故造成的人员 伤亡、经济损失和发动机排气、噪声等污染。 1 2 2 汽车故障诊断的目的 故障诊断的目的是： ( 1 ) 能及时地、正确地对各种异常状态或故障状态作山诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必 要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平。 ( 2 ) 保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修制度，充分挖掘设备潜力，延长服役期限和 使用寿命，降低设备全寿命周期费用。 ( 3 ) 通过检测监视、故障分析、性能评估等为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供 数据和信息 总而言之故障诊断即要保证设备的安全可靠运行，又要获取更大的经济效益和社会效益。 1 2 3 汽车故障诊断过程 作为机械设备的故障诊断技术，应具有下面几种功能： ( 1 ) 在不拆卸机械设备的条件下，能够定量地检测和评价设备各部分的运动和受力状态，缺陷和磨损 状态性能的劣化和故障状态。 ( 2 ) 能够确定设备的故障性质、部位、程度和发展趋势，预测设备的可靠性程度。 ( 3 ) 能够确定设备发生异常时的修复方法。 因此，机械设备的故障诊断应包括如下几个环节： ( 1 ) 机械设备状态参数的监测： ( 2 ) 进行信号处理，提取故障的特征信息； 3 塑坚叁堂堡：! 兰丝丝兰塑! 垄垫! ! 丝丝丝型：! 垫堕堡墅皇窒墨竺塑竺丝 ( 3 ) 确定故障的类型及发生部位； ( 4 ) 对所确定的类型作防治处理或控制。 故障诊断的全过程如图1 - l 所示。 豳1 - 1 系统故障诊断过程田 1 3 故障诊断的内容和体系 故障诊断学由诊断原理和诊断技术两大部分组成 1 3 1 诊断原理 诊断原理包括诊断物理和诊断数学。 诊断物理又称失效物理或故障物理。研究机器元件、零件失效机理即失去功能的物理化学过程和失效 模式( 失效原因或失效形态的类别) 。 诊断数学研究诊断信息的选择、采集、处理和判断的数学原理和方法。 ( 1 ) 参数诊断对于简单的情况可直接提取状态特征值，然后与允许值相比较。从而得出正常与否的诊 断结论对于随机分布的情况可采取统计分析 ( 2 ) 模型诊断依照人们对于诊断对象了解的程度，可分为白盒模型、灰盒模型承f 黑盒模氆。 ( 3 ) 逻辑诊断在传统的形式逻辑推理的基础上发展了符号逻辑和以下几种逻辑诊断。 布尔逻辑诊断( 二值逻辑诊断)故障诸起因与症状间的因果关系存在与否用逻辑“真”或“假” ( 取值“l j ，或“o ”) 来表示构成逻辑表达式或逻辑树以供诊断，定性分析利定量运算之埘。 4 塑垩厶堂堡! ：堂些丝苎 整! 垄苎垫丝丝丝型：! 垫壁兰堑! 茎墨竺竺型壅一 多值逻辑诊断在上述取值1 和o 之间插入若干个中间值，以便描述客观世界更为复杂的因果荚系 模糊逻辑诊断( 无限多值逻辑诊断) 在逻辑值l 和。之间插入连续的或离散的取值( 从属函数值) ， 借以反映白然语言中的量词、能够较好地表达人们的逻辑思维。 数理逻辑诊断把人们思维逻辑用数学上的形式化方法来推演。以寻求弄清复杂系统故障的因果芙 系。 ( 4 ) 模式识别模式识别是人，l ：智能领域的一个独立分支，即是对模式的分类和辨别。具体的识别途 径至少有五种：统计识别、模型识别、变域识别、聚类识别、图象识别。 ( 5 ) 人工智能诊断主要是运用比较成熟的专家系统能够接受模糊概念并具有灵活逻辑推理的诊断功 能。 1 3 2 诊断技术 诊断技术的主要内容包括： ( 1 ) 诊断系统的设计 诊断参数的选择诊断参数、功能参数与寿命参数的选择。 检测点的确定根据测试的精确性、方便性、可达性以及所测点的信息量确定。 检测时间间隔间断检测或连续监测。 工况的选择如有、无负荷测功，升速或降速谱图的制取。 搜索试验策略和系统优化诊断树和诊断程序的制定。 ( 2 ) 检测仪表的选型与研制 检测参数、量程、精度以及动态指标( 采样周期，响应品质) 的确定和实现 检测电算化、智能化的要求和实现。 ( 3 ) 自动诊断系统的设计与实现 ( 4 ) 无损探伤技术 ( 5 ) 故障预报预警技术 ( 6 ) 寿命估算 ( 7 ) 数据库、资料库、模型库、程序库、知识库的建立与管理。 1 4 本文研究的目标和内容 本文研究的目标是：针对传统专家系统在发动机故障诊断中存在的不足之处，将人：l 神经网络技术应 用到专家系统中，采用多种传感器实时采集发动机各系统和总成的数据，根据故障诊断的有关理论，研制 基于神经网络和传感器技术的汽车发动机性能检测与故障诊断专家系统。 本文主要内容包括； ( 1 ) 介绍模糊故障诊断。模糊模式识别法和故障树分析法等方法在汽车发动机故障诊断专家系统中的 应用 ( 2 ) 分析了传统专家系统在故障诊断中应_ l j 的不足之处和神经网络故障诊断专家系统的优越性。介纠 5 塑垩盔堂堡主兰堡丝苎 塑羔垄垫! ! 丝丝堡型尘垫堕堡堕主窒墨竺些! 坐l 一 了后传播神经网络( b p 算法) 的模型及程序实现方法。 ( 3 ) 详细论述了发动机诊断参数的选择原则，传感器的选择和使用及诊断标准的确定。对使用传感器 采集信号的单片机设计线路及抗干扰措施作了具体介纠。 ( 4 ) 系统论述了基于神经网络的汽车发动机性能检测与故障诊断专家系统的构成。包括总体设计，子 模块设计，以实例说明本系统的设计思路和程序设计步骤。 1 5 本章小结 本章节简要介绍了国内外汽车故障诊断技术的发展状况和趋势，汽车故障诊断的意义、目的和方法 故障诊断的内容和体系最后提出了本论文要研究的主要内容。 6 塑翌叁兰婴：! ：兰堡堡苎垒! 丝垫! ! 羔! ! 丝堡塑兰垫堕堡塑主窒墨堕塑里堕! 一 第二章故障诊断数学方法研究 2 1 模糊故障诊断法 在汽车故障诊断领域中，故障症状和故障原因通常是一些模糊昔如振动“太人”与“严重”故障， 泄漏“严重”与“恶性”事故等。因而用传统的二值逻辑方法来处理显然存在一定的不足，故采用相应模 糊集的隶属函数来描述这些故障症状平故障原因存在的程度。由此也可见，将模糊逻辑应用到汽车故障诊 断中来是可行的。 2 1 1 模糊集合与隶属度 模糊集合的概念是l a z a d e h 于1 9 6 5 年首先提出来的。其基本思想是把经典集合中的绝对隶属关系灵 活化或称模糊化 2 4 1 从特征函数方面讲就是：元素集合a 的隶属程度不再局限于取0 或i ，而是可以取从 0 到i 的任何一个数值，这一数值反映了元素x 隶属于集合a 的程度。 定义：所谓论域u 上的一个模糊子集( 简称模糊集) 一，是指：对于任意x u ，都指定了一个数 j ( x ) 【0 ，i 】，叫做x 对彳的隶属程度映射 比：u 寸【o ，1 】 x ( x ) 叫做一的隶属函数 上述定义表明一个模糊集爿完全由其隶属函数j 来刻划。( x ) 的值接近l ，表示x 隶属于爿的 程度很高；j ( x ) 的值接近0 ，表示x 隶属爿的程度很低。模糊集合有各种不同的表示方法，一般可表示 为： 爿= ( x ，( x ) ) ，x u ) 如果u 是有限集或可数集则彳可表示为： 爿= 以( 一) _ u 如果u 是无限不可数集a 也可表示为： 4 = i ，以( x ) x 莓和并不是求和或积分，而是表示各个元素与隶属函数对应关系的一个总括。 2 1 2 模糊统计与隶属函数的确定 隶属度及隶属函数的确定是模糊集合理论及其应用的基本而关键的问题。 2 1 2 1 确定隶一函数的一般方法 专家确定法 7 塑垩查堂堡主堂堡鲨兰垒羔垄垫垫丝丝丝翌皇垫壁堡堕主窒墨竺竺! ! 塞 借用已有的“客观”尺度 模糊统计实验法 这是应用较为广泛的一种模糊不确定性处理方法，它以调查统计得山的经验曲线米作为隶属幽数a d = l i m u e 4 的次数 ( 的试验次数) ( 2 - i ) l l m n “= 一l 州讥越伏奴j 一 n 二元对比排序法 在汽车故障诊断中常有各种不同的故障原因导致相同征兆的出现，要确定该征兆对哪一个故障原因贡 献最大就要运用下述二元对比捧序方法。来解“模糊次序”的问题一择优比较法设有n 个故障原因( y - ， y z ，。y ) 的引起同一征兆x j 发生。请足够多的专业人员，有次序地对几个原因进行两两对比评定 在x j 征兆出现条件下，看哪一个故障原因优先( 最可能) 发生，重复多次并记录结果，以各原因优先出 现的总次数多少排序。运用灰色系统理论确定关联度即隶属函数”“： u ，- 生一 ( 2 _ 2 ) 。 m a x ( y j ) 综合加权法 对于一个由若干模糊因素复合而成的模糊概念可以先求出各个因素的模糊集的隶属函数，再用综合 加权的方法复合出模糊概念的隶属函数 基本概念扩充法 当一些基本概念的隶属函数已经确定之后，有时可以通过对基础隶属函数进行某些运算而得一些“相 关”概念的隶属函数这些运算包括“交”、“并”、“补”和“幂”运算等。 2 1 3 汽车故障诊断的模糊综合评判方法 汽车故障诊断的整个过程是计算机与人的主观能动性组合的决策过程。汽车故障诊断的模糊综合评判 是应用模糊变换原理和最大隶属度原则。根据各故障原因与故障征兆之间的不同程度的因果关系，在综合 考虑所有征兆的基础上，来诊断汽车发生故障的可能原因。 ( 1 ) 原因集 设用一个集合来定义一个系统( 汽车发动机或某个子系统) 中所有可能发生的各种故障原因。它可j ；l 一 个欧氏向量表示 y = y - ，y 1 y ) 或y = y j 卢i ，2 ，3 n ( n 表示发动机或某个子系统故障原因种类的总数) ( 2 ) 征兆集 同样。由于这些故障原因所引起的各种症状，如发动机温度过高发动机起动困难等等，也被定义为 一个集合，并用一个欧氏向量表示为征兆集 x = x i 。x 2 ，x 或x = x - i = l ，2 ，3 。m ( m 表示发动机故障征兆种类的总数) 由于发动机故障征兆是界限不分明的模糊集合，用传统的二值逻辑方法去处理此类数据显然是不太合 理的可运用模糊数学的方法处理此类问题即用相应的隶属函数来描述这些征兆存在的倾向性。 8 塑兰盔兰堕：! ：兰竺丝苎垒主垄垫! ! 丝丝丝塑! 垫堕堡堑主鲞墨墼塑竺! ! ( 3 ) 单故障评判 首先对故障集y 中的故障y 。( i = 1 ，2 。，n ) 作出故障评判，确定该故障对征兆x l ( i = 1 2 ， m ) 的隶属度( 可能性程度) r i j 这样就得山第i 个故障y l 的单故障集，= ( i ，2 ，f 卅) 。 它是征兆集x 上的模糊子集这样n 个故障的评价集就构选出一个点的评价模糊矩阵r ，其中o r u d 1 i m ， 1 j n r = ，l ，_ = ( ) ( 2 - 3 ) 也可表示成r ( x ，y ) ；【】 r 即是故障论域y 与征兆论域x 的一个模糊关系。模糊关系矩阵r 是m n 维矩阵其中行表示故障 征兆。列表示故障原因。矩阵元素第f 种征兆x t 对，种原因y t 的关联度。 假设观测到发动机的一征兆群样本( x t ，x ：。x ) ，同时得出此样本中各分量元素x - 对征兆i 的隶 属度，则将x 中的各元素转换成隶属度，就构成了故障征兆模糊向量： x = u u 1 2 ，。 又假设该征兆样本是由故障原因y 产生的y 对各种故障原因的隶属度为u v - ( y ) 则构成了故障原因模 糊向量： y = u ，l ，u ，2 。，u ， 根据模糊数学原理作模糊变换就可以进行模糊综合评判，得到模糊诊断结果。 模糊诊断重点是：模糊关系矩阵的构造隶属函数的确定模糊诊断算法和原则” 2 1 4 模糊关系矩阵 同一种故障现象可能对应着多种故障原因；同一种故障原因，又对应着多种异常征状。所以，原因- 征状之间的关系错综复杂为了能够从征状诊断出原因需要预先定出故障原因与异常征状之间的亲近程 度即确定各种征状与原因之间的权系数权系数的大小，可以根据修理专家的经验和统计方法综合评定 而得- 也可用人工智能的方法通过机器的“学习”初步确定权系数再经过反复实践调整，直到完全符 合故障原因与异常征状之间的因果关系确定权系数的整个过程如图2 - 2 所示。 目前，应用于故障诊断的模糊技术是采用如下的模糊推理方法：利用故障征兆的隶属度和诊断权矩阵 去求解各种故障原因的隶属度，即将此过程看作如图2 - l 所示的模糊变换 圈2 - 1 故障曩因与敛征兆之间的横鞭关蕉 由圈2 1 得出故障原因与故障征兆之间的模糊关系，表示为： y=x+r(2-4) 9 亿嘞 塑望盔堂堡：! 兰堡堡塞 塑羔垄垫! ! 丝丝丝翌兰垫堕堡堑主塞墨竺竺堕! ! 一 式中：x 为故障征兆模糊集是诊断的输入；y 为故障原因模糊集，是诊断的输出：r 为诊断权矩阵， 是模糊蕴涵关系，为模糊诊断算法或算子。 这种算法的优点在于反映了故障征兆和故障原因都存在模糊性这一特性。然而这种算法由于人为冈 素过多而存在一些缺点：诊断结果的准确性首先取决于诊断权矩阵是否准确，而在诊断权矩阵的确定过 程中人为因素太多，而且诊断权矩阵所能容纳的信息也很有限，不能包含专家的所有诊断实例和全部经验 知识；对诊断结果的处理也没有一个令人信服的方法：诊断算法的选取也是众说纷纭，各有优劣 2 1 5 模糊关系矩阵用于故障诊断实例 柴油机“负荷转速不足”故障的五个主要原因是：a l ( 气门弹簧断) ，a 2 ( 喷油头积炭堵孔) ，a 3 ( 机 油管破裂) ，a 4 ( 喷油过迟) ，a 5 ( 喷油泵驱动键滚键盘) 征兆六个，分别为：o i ( 排气过热) ，0 2 ( 振动) ， x 3 ( 扭矩急降) ，x 4 ( 机油压过低) ，x ，( 机油耗油犬) ，纵转速上不去) 。 根据经验资料和机理分析，确定每一征兆) 【i 分别对各个起因a j 的从属度 j ( 而) ，( f = l ，2 ，6 ；，= l ，2 ，5 ) 由此得出诊断矩阵如表2 - 1 衰2 - 1模鞭关系矩阵 谕朱原因气门弹簧断喷油头积炭机油管破裂喷油过迟喷油泵驱动 a la 2a 3a -键滚键盘舢 排气过热x 0 60 4 0 0 9 80 振动x 20 80 9 80 300 扭矩急降x 30 9 500 80 30 9 8 机油压过低0o0 9 80o 机油耗量大x s oo0 900 转速上不去x 60 30 60 90 9 80 9 5 模糊矩阵r = 假设上述柴油机出现征兆有：x 3 ( 扭矩急降) x 4 ( 机油压过低) 。x 5 ( 机油耗油大) 。运用直接相加法 连乘法或归一法可以诊断出故障起因为a ，( 机油管破裂) ( 1 ) 用直接相加法诊断： 征兆群表达式为u = x l = 0 ，x 2 = o 。x 3 = l ，x 4 = l ，x 5 - l ，x 6 = 1 ) 各列从属度总值为 1 0 o o嗍o o 哪 娜oo o 挪 o o o 吣。吣雌嗍 傩o o o m 嗍o o o 石名好o o 3 雌蝴o o 们 塑坚盔堂堡：! 兰垡丝兰塑! 丝垫! ! 丝丝丝型兰垫堕堡堕主塞墨竺盟型鉴 圈2 2 建立模鞭关系矩阵的程序 ua l = 0 + 0 + 0 9 5 + o + o = 0 9 5 1 t a 2 = ：0 + 0 + 0 州h 伽= o ua 3 0 + 0 + 0 8 + 0 9 8 + 0 9 + 0 = 2 6 8 ua = o + 0 卜0 3 4 0 + 0 = 0 3 ua 5 卸舢9 8 删= 0 9 8 其中pa 3 最大，故认定该故障起因为a 3 ( 机油管破裂) 。 ( 2 ) 用归一法诊断以每一种起因中与征兆群有关的元素值之和占该起因列元素值总和之比重来判断。 ua k u ) = ( 0 9 5 + 0 + 0 ) ( 0 6 十o 8 + o 9 5 + o + o + o 3 瑚3 5 8 ua 2 c u ) = ( 0 + 伊卜0 y ( o 4 + 0 9 8 + 0 + 0 + o 旧6 p 0 1 1 塑垩叁兰婴：! ：兰竺丝苎 塑! 垄垄垫丝丝丝塑兰垫壁堡堑主鲞墨塾塑竺壅一 ua 3 ( u 户( o 8 + o 9 8 + 0 9 ) ( 0 + 0 3 + 0 8 + 0 9 8 + 0 9 + o 9 ) = o 6 9 0 ua 4 ( u m 0 3 + 0 + o ) ，( o 9 8 + 0 + 0 3 + 0 + 0 + o 9 8 ) = 0 1 3 0 ua s ( u ) = ( 0 9 8 + 0 + 0 ) ( o + 0 + o 9 8 + 0 + 0 + 0 9 5 ) = 0 5 0 7 ua 3 ( u 户m a x ua j j 2 l 234 ，5 = 0 6 9 诊断结论：机油管破裂 2 2 模糊模式识别 模式识别( p a u e r nr e c o g n i t i o n ) 是2 0 世纪6 0 年代初迅速发展起来的、与高技术的研究开发有着密切 联系的一门新兴学科，它所研究的理论和方法在很多科学和技术领域得到了广泛的应用，推动了人上智能 系统的发展。扩大了计算机应用的领域，3 0 年来取得了大量的研究成果，在很多方面得到了成功的应用， 如非数字系统( 如机械设备) 中的故障检出和分析，数据分析文字识别、语言识别等领域。h 计算机进 行模式信息处理，对文字、声音、图象及物景进行分类、描述与分析、理解是模式识别这门新兴学科的主 要内容模糊模式识别则是在模糊数学基础上建立起来的一种故障诊断方法i l 卵“。 模糊模式识别大致上有两种方法，即直接方式和间接方式直接方法按最大隶属原则，判别被识别对 象的归类：间接方法则按择近原则对被识别对象进行归类判别。 2 2 1 模糊模式识别算法 模糊识别的识别算法可叙述为：假设有1 1 个模糊集a i ，a 2 ，a 。( 代表n 种类型) ，当一个识别算法 作用于对象“时就产生隶属度， ) 表示对象属于集合垂f 的程序。如果一个识别算法的清晰描述已 经给出，这种算法称为明确的；如果算法没有清晰描述，这种算法称为不明确的。人们通常是通过不明确 的算法直接对对象u 进行识别，而模式识别则是将一个不明确的算法转换为明确的算法，从对对象本身进 行识别转化为对它的的模式进行识别 2 2 2 直接识别方法 直接识别方法又称个体模式识别其要点是 设论域u 上有n 个模糊子集 a i ，彳2 ，以 它们分别表示了n 个模糊模式。对于u 上的任一元素1 1 0 ，为一具体的被识别对象，要判别u o 属于哪 一个模式，可按以下最大隶属原则进行判别： 若有j 1 ，2 ，畸，使 t j l ( o ) = m a x j i ( 声b ) ，2 ( o ) ，。( o ) ) ( 2 - 5 ) 则认为1 1 0 相对隶属于一f 并称此为最大隶属原贝0 。 直接模式识别方法的本身很简单，其难点在于建立恰当的隶属函数需要对被识别对象和模式的特征 有足够的了解，还需要借鉴别人的成功经验和自己的不断实战，掌握模式的特征而确定台适的隶属幽数。 1 2 塑望叁兰堡：! ：堂垡丝塞塑! 垄垫皇! 丝些丝型：! 垫壁堡堑主窒墨竺些婴! 1 2 2 3 间接识别方法 间接模式识别方法又称群体模式识别该识别方法的要点是：设有n 个模式每个模式由m 个特性来 描述于是就有n + m 个表示模式不同特性的模糊集合： a i l s i ” l s ，s m 口， 1s js m 求出a u 和b ，贴近度( a u b ，) 中的最小值 s ，= 1 s - ，s m ( a i b 力 l s f 疗 若有s m 为s ，的最大值即 s ，o = l s _ ，s 硝， 则判定样本b 最贴近第i 个模式，印b 属于第i 类。 设a 和b 是论域u 上的两个模糊子集，记为 粤。拿垒二，( ! 一 ) e ) ) 4 。旱垒善( ! 一似) 盹( “) ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 并分别称为模糊予集4 和b 的内积和外积。从中可知内积是两模糊集隶属度最小中的最人值外积是 两模糊集隶属度中最大中的最小值。 在此基础上，给出贴近度的定义如l 卜 1 ( 粤，拿) 垒寺【4 拿+ ( 1 一a o b 2 ( 2 - 8 ) 称为模糊集a 和b 的贴近度似，b u ) ) 。 择近原则；设给定论域u 上的n 个模糊子集a a2 ，a 及另一模糊子集曰为被识别对象若 有f e 1 2 ，行) 使得 ( b a i ) = 粤孥( 曰，a i ) 则认为曰和彳j 最贴近设a l ，a2 ，a 是n 个已知模型，若占与其中的a i 最贴近，则b 便虑 归于模型a ；这个原则就称之为择近原则3 ”。 最大隶属原则与择近原则都比较简单。它们都广泛应用于各种模糊性问题中，在故障诊断中的模糊模 式识别。已有不少的实例它可以用于确定故障的性质、类别、程度、部位和故障原因。 2 2 4 柴油机燃油喷射系统故障诊断实饲 2 2 4 1 基于a r i ( n ，d ) 模型的特征数提取 柴油机燃油压力波是一种规则波在时域内璺周捌性变化，但在同一燃油喷射过税中压力波信号表 现为非稳定特性不满足时序建模平稳性的要求对燃油压力波进行差分处理。将确定性部分从燃油压力 波中直接别除掉，再利用平稳时序建立a r 模型燃油压力波的这种非平稳时序建模方法称为a r i ( a u t o - r e g r e s s i v ei n t e g r a t e d ) 建模 1 3 浙江大学硼i ：学位论文汽印发动机件能榆测i 故障诊断专采系统的研究 a r ! 模型称为自回归综合模型，记为a r i ( n , d ) 。其一般形式为： v 。石，= 谚v 4 x ，+ q ， ( 2 - 9 ) l 式中：n - - 自同归模型阶数， d 一差分运算阶数； a t m 白噪声序列： 咖一自回归模型参数。 当采用一阶差分尚不能使和4 x ，) 成为平稳时序时采用高阶( d 阶) 差分以便 v d x ! ) 成为平稳时 序再对4 工，j 建立a r 模型，这就是a r i 模型的基本思路“。 建立a r i ( n ，d ) 模型后。计算得到自回归参数。这些自回归参数反映了原时间序列的内在特征以它 们作为特征参数，组成特征模式如下： y = ( 办，九，丸，九) 1 ，i = 1 , 2 ，3 ，l 。 通过多次建模，得到各状态卜特征模式即建立基准模式。 2 2 4 。2 隶一函数的确定 隶属函数是模糊集合以建立的基础，要确定恰当的隶属函数并不容易。当所分析的信号有l 个参数状态 时这l 个参考状态就对应l 个参考模式妒y r 2 ，y m针对待征参数旃( f = 1 , 2 ，一) ，则隶属醢 数为； 胞) = 糍如哳- ( 2 - 1 0 ) i = 1 , 2 ，n ；j = 1 , 2 ，三 蛎( n 姒j ，的分别表示第，个参考状态中第i 个特征参数的历史最人最小值。 由上隶属函数可以计算出每一个待检模式的隶属度，应用择近原则进行模式识别附1 。 2 2 4 3 模糊性度量 在应用择近原则进行模式识别时，为了衡量两个模糊集之间的贴近程度，经常要用到模糊数学中的模 糊性度量概念建立模式识别关系运用距离和贴近度概念进行模糊性度量。 这里主要采用欧几里德距离和欧几里德贴近度 若x = 扛i ，x 2 ，屯，h 则定义一和b 集欧儿里德距离为： p ( 彳，口) = 这里其欧儿里德距离表示为 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 塑坚墨兰婴! ：堂垡堡苎塑主垄垫! ! 丝丝丝塑：! 垫堕堡堑主窒墨竺竺型塑 一一 e ( y r 。y 彤) = 忑i 式中i = 1 珂，u a ( x ，) ，! ( z ，) 代表掣和旱集的隶属函数a 2 2 4 4 模报试验与分析 ( 2 - 1 4 ) ( 2 一1 5 ) 实验模拟了喷油器针阀卡死、喷油器开启压力降低、喷油器弹簧折断、喷孔堵塞、喷油器针阀偶件磨 损等5 种典型故障转速4 0 0 r r a i n ，4 0 0 次循环供油量( 6 0 士l m l ) 运用距离概念进行模糊模式识别结 果见表2 - 2 运用贴近度概念进行模糊模式识别结果见表2 - 3 。 针阀开启针棚开启压针栩开启压 针阀弹簧折 针阀磨损针阁下卡死喷孔堵塞项目正常喷射 压力力力 断 2 0 m p a1 8 5 m 1 5 5 m p a 正常喷射0 1 5 1 70 2 7 2 50 2 2 6 00 5 3 6 4o 4 3 1 90 3 2 0 1 0 3 7 1 30 5 6 2 6 针镪开启压力0 2 0 0 70 1 8 4 2o 1 9 2 00 5 2 9 00 4 8 0 30 2 7 3 30 2 9 2 5 0 5 6 7 3 针阀开启压力0 1 6 7 60 2 2 1 l0 1 1 5 30 5 2 6 00 4 6 9 00 2 1 6 4 0 2 7 1 70 5 7 1 8 针阔开启压力0 1 9 2 30 2 2 5 80 1 6 1 9 0 4 7 7 90 4 2 7 00 2 3 5 70 2 6 0 4o 5 3 1 8 针阀弹簧折断0 2 3 7 40 2 5 1 0 0 2 1 8 00 5 7 4 00 3 8 2 90 2 9 4 90 3 3 6 00 5 3 2 9 针棚磨损0 2 0 8 4o 2 0 9 20 2 1 9 5 o 5 3 6 40 4 9 4 00 2 1 4 30 3 6 8 50 5 5 7 5 针棚下卡死0 1 5 5 40 1 8 8 20 1 4 3 10 5 0 9 5 0 4 4 3 70 2 4 8 30 2 1 2 70 5 4 5 3 喷孔堵塞0 2 6 7 00 2 9 7 40 2 7 6 30 5 0 2 20 4 1 4 l 0 3 1 0 30 3 2 8 00 5 2 6 3 针阀开启针闷开启压针闷开启压 针闲弹簧折 针阀磨损针阁下卡死喷孔堵采 项目正常喷射压力力力 断 2 0 m p a1 8 5 m 1 5 5 m p a 正常喷射0 8 4 8 30 7 2 7 5o 7 4 4 0o 4 6 3 60 5 6 8 1 0 6 7 9 80 6 2 8 70 4 3 7 4 针阀开启压力0 7 9 9 30 8 1 5 80 8 0 8 00 4 7 1 0 0 5 1 9 70 7 2 6 70 7 0 7 50 4 3 2 7 针阿开启压力0 8 3 2 40 7 7 8 90 8 8 4 70 4 7 4 00 5 3 0 40 7 8 3 60 7 2 8 3 0 4 2 3 2 针阀开启压力0 8 0 7 70 7 7 4 20 8 3 8 10 5 2 2 10 5 7 3 00 7 3 4 30 7 3 9 6 0 4 6 2 2 针蝇弹簧折断0 7 6 2 6o 7 4 9 00 7 8 2 00 4 2 5 40 6 1 7 10 7 0 5 1 0 6 6 4 00 4 6 7 l 针栩磨损0 7 9 1 60 7 9 1 80 7 8 0 50 4 6 5 40 5 0 6 00 7 8 5 70 6 3 1 50 4 4 2 5 针阀下卡死0 8 4 4 60 8 1 1 80 8 5 6 90 4 9 0 50 5 5 6 30 7 5 1 70 7 8 7 30 4 5 4 7 喷孔堵塞0 7 3 3 00 7 1 2 60 7 2 3 70 4 9 7 80 5 8 5 90 6 8 9 7 0 6 7 2 00 4 7 3 7 以喷孔堵塞典型故障为例分析以上计算结果，最终计算结果如表2 - 2 和表2 - 3 所示，以任一故障样本 l 塑垩叁兰堡：! ：兰堡丝壅塑羔丝垫! ! 丝丝丝型! ! 垫壁堡堑主塞墨竺竺型塞 数据进行计算，该样本与其他基准模式的距离或贴近度明显不同于喷孔堵塞基准模式。在表2 - 2 中该样本 与喷孔堵塞基准模式的欧儿里德距离为0 5 2 6 3 ，距离展近，所以识别此故障为喷孔堵塞故障。表2 - 3 诊断 结果同理，只不过距离换成贴近度，计算结果最人者即为此种故障。 2 3 故障树分析法 故障树分析法( f t a ，即f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 是一种图形演绎方法是通过对可能造成系统故障的各 种因素( 包括硬件、软件、环境、人为因素等) 进行分析，画山逻辑图( 即故障树) 再对系统中发生的 故障事中| i 作山由总体至部分按树状逐级细化的分析，其目的是判明基本故障、确定故障原闪、故障影响 和发生概率等i 。i 。 故障树分析法的步骤因分析对象、分析目的、精细程度等不同而异，但一般可按f 述步骤进行，即： ( i ) 建造故障树； ( 2 ) 建立故障树的数学模型： ( 3 ) 故障树的定性分析； ( 4 ) 故障树的定量计算【l = 故障树诊断技术特点： ( 1 ) 使工程人员能以演绎的方式直接探索出系统的故障所在。 ( 2 ) 能指出与人们感受兴趣的失效模式有重要关系的系统状态 ( 3 ) 对那些不了解系统设计的变化而要从事系统管理的人提供一个图示的帮助。 ( 4 ) 提供了系统可靠性分析中定性或定量分析的可能 ( 5 ) 允许分析人员在某一时刻把注意力集中到某一特殊系统故障之上。 ( 6 ) 给工程人员提供了对系统特征的真实而透彻的理解 故障树诊断的内容： 故障树诊断技术是机械学、图论、优化理论、人工智能技术相融合的产物根据具体机器类型的故障 树、测试集、判据集和最佳搜索策略可以构成故障树m 1 其理论包括： ( 1 ) 故障树的决定 ( 2 ) 故障的传递规律确定理论 ( 3 ) 测试集的生成理论 “) 判据集的确定理论 ( 5 ) 全局最优搜索策略的确定理论 2 3 1 故障树的建造 先选定系统中不希望发生的故障事1 ，i ：为顶端事件。其后第一步是找山直接导致顶端事r i ：发生的各种可 能因素或因素组合。如硬件故障、软件故障、环境因素、人为因索等第二步再找山第一步中各因素的直 接原因循此方法逐级向下演绎，一直追溯；虱j y l 起系统发生故障的全部原因，即分析到不需要继续分析原 因的底事件为止然后把各级事件用相应的符号和适合于它们之间逻辑关系的逻辑门与顶端事件相连接， 1 6 浙江人学硕i j 学位论文汽车发动机性能榆测i 故障诊断专家系统的研究 就建成了一棵以顶事r l ：为根，中间事件为凯底事件为叶的具有若干级的倒置故障树。| 1 6 i2 - 3 为发动机不 能起动故障树。 通过分析。发动机不能发动首先可举山燃料室的燃料没有供给剑。其次即使有燃烧，若汽缸内的压力 不足，仍然不会发动。最后即使燃料达到规定的压力被压缩，因电气点火系统的火花能埘不足，发动机也 无法止常发动于是对发动机发动来说，这三个事件任一个发生都无法发动发动机，因此顶事件和这三个 事件用或| j 相连。然后再分别对这三个直接原因事件。刚同样的方法进行分析直到底事仆为j r 。最终得 到发动机不能发动的故障树。 2 3 2 故障的传递规律和可疑故障点的确定 2 3 2 1 故障的传递规律及图论描述 层次性是系统的同有属性之一系统层次性是指系统作为一个相互作川要素的全体，有着一定的层次 结构并可分解为一系列的分系统这种分解的基本标志是一系列的子目标。系统抽象化的层次结构模型 如图2 - 3 所示机电设备( 如发动机) ，是有不同的功能装簧构成的，功能装置( 如润滑系。点火系，配气系) 义 是由不同总成组成的( 如曲柄连杆机构，起动机等) ，而总成又是由机械零件和部件( 如活塞，或活塞环 等) 组成的所以发动机有着明显的层次性 在图论中这种层次性体现了系统中不同组成要素之间的传播的有序关系。通常用有向树表示。在有 向树中，系统的要素用结点表示，要素之间的传播关系用连接两个结点之间的有向边表示。根据边的定向 不同，可分为内向树和外向树 有向树中存在一个点v 口使树的其它任一点v j 都有一条有效路径到，那么这种有向树称为内向树， 如果在有向树中存在一个v 0 点，从v 0 到任一其它点v i 都有一条有效途径，那么这种有向树称为外向树。 从故障诊断的角度而言故障树的故障传播关系可用图论中的内向树表示。树中的节点为故障树中的事件： 顶节点表示顶事件、底节点表示底事件：有向边表示故障从系统底层级别向高层级别的传播关系，箭头表 示故障在两个节点之间的传播方向节点的输出值有0 和1 种，当所有输入节点的值为1 且该节点无故