（机械电子工程专业论文）某矿用卡车液压系统故障智能诊断的研究.pdf

摘要 摘要 在智能故障检测领域中，模糊神经网络是一项重要的研究课题。它是神经网 络与模糊逻辑系统的有机结合。模糊神经网络是一种能处理抽象信息的网络结构， 具有强大自学习和自整定功能。因此，模糊神经网络的发展对智能故障诊断的发 展具有非常重要的意义。本论文在对工程机械领域液压故障诊断技术的应用进行 了系统研究，将现在流行各种智能故障诊断方法和理论在具体的应用中进行比较 研究，通过比较，最终将模糊神经网络技术用在液压设备故障智能诊断中。在详 细阐述了模糊理论和神经网络技术的基本原理基础上，建立适合某矿车液压系统 故障诊断的模糊神经网络的具体模型。采用了基于b p 网络的模糊推理方法，它通 过模糊规则的提取、优化，最终实现信息的知识化。同时把神经网络的学习权值 转化成比较操作符，对知识的快速定位比较，提高诊断准确性，起到重要的作用。 得到了良好的效果，建立了矿车液压故障诊断系统，达到了保证设备正常运行的 目的。 关键词：故障诊断，模糊神经网络，液压设备，模糊推理 a b s t r a c t a b s t r a c t f u z z yn e u r a ln e t w o r ki sa l li m p o r t a n tr e s e a r c hp r o b l e mi nt h ed o m a i no fi n t e l l i g e n t f a u l td i a g n o s i s f n ni sc o m p o s e do ft h en e u r a ln e t w o r ka n df u z z yl o g i cs y s t e m i ti st h e o r g a n i ci n t e g r a t i o no ft w op a r t s f n nc a nd e a lw i t ht h ea b s t r a c ti n f o r m a t i o n ，s u c ha st h e l a n g u a g ei n f o r m a t i o n i ti sg o o da ts e l f - l e a r n i n ga n ds e l f - t u n i n g t h i st h e s i sc h i e f l y s t u d i e st h ef a u l t d i a g n o s i so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m si ne n g i n e e r i n ge q u i p m e n t ， c o m p a r i n gt h ei n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i si ne x i s t e n c ea sw e l l a tl a s t ，t h ef u z z yn e u r a l n e t w o r kw a ss e l e c t e dt ot h ee q u i p m e n td i a g n o s i s b a s e du p o nt h ed e s c r i p t i o no ft h e p r i n c i p l e so ft h ef u z z yt h e o r ya n dn e u r a ln e t w o r k s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed e f e c t sa n d m e r i t so fb o t ht e c h n o l o g ya n ds t a t e dt h ei m p o r t a n c eo fi t si n t e g r a t i o n o nt h et h e o r yo f f u z z yb pn e t w o r k ，t h i sm o d e lc o m p a r e daf u z z yr e a s o n i n gm e t h o dw h i c hc a l lr e a l i z e i n f o r m a t i o nt r a n s l a t i n gk n o w l e d g e t h r o u g hd i s t i l l i n g 、p r i o r i t i z a t i o na n df a s ts e l e c t i o no f f u z z yr u l e s t h i sm o d e la l s ot a k e sa ni m p o r t a n tr o l ei nb o t hs e l e c t i n gk n o w l e d g e s e l e c t i o na n di m p r o v i n gd i a g n o s i sv a l i d i t y t h r o u g ht r a n s f e r r i n go ff n n w e i g h t si n t o d i a g n o s i sc o m p a r i n go p e r a t o rb a s e do l lc a s e - r e a s o n i n g f i n a l l y , t h em o d e ls t u d yw a s a p p l i e dt ot h eh y d r a u l i cs y s t e m si nm i n i n gt r u c k ，w h i c hh e l p e dt oe s t a b l i s haf a u l t d i a g n o s i ss y s t e mi nt h eg o a lo fk e e p i n gt h es m o o t ho p e r a t i o no ft h ee q u i p m e n t s k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，f u z z yn e u r a ln e t w o r k , h y d r a u l i ce q u i p m e n t ，f u z z y r e a s o n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期叫年弓月 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名 导师签名：垄銎跫迭 日期：a 刁年孑月彳日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代科学技术水平的提高，尤其是计算机科学和控制科学的发展，促 使系统的规模和复杂程度迅速增加，设备的安全性和可靠性问题越来越突出， 安全保障已经成为系统的一个重要组成部分，系统中出现某些微小的故障如果 不能及时的检测和排除，就可能造成整个系统的失效，甚至造成灾难性的后果。 液压设备在生产生活的各个领域应用十分广泛，是实现现代传动和控制的关键 技术之一，在工程机械、机床工业、汽车制造、冶金矿山、航空航天等工业领 域，得到广泛的应用和普及。当前，液压技术正向高压、高速、高集成化、大 功率、高可靠性发展，现代液压技术与微电子技术、计算机控制技术、传感技 术等为代表的新技术紧密结合，形成了一个完善而高效的控制中枢，成为包括 传动、控制、检测、显示乃至诊断、校正预报在内的机电液一体化技术 ( h y d r o m e c h a t r o n i c s ) 【1 1 。 在目前液压系统广泛应用发展进程中，原有的机械故障诊断知识和技能已 远远不能适应液压系统飞速发展的需要。许多单位都深刻地认识到这个问题， 急切盼望改变这种状态。因此，液压系统故障检测和诊断技术作为一门新的学 科进行研究，越来越显示出它的重要性。本课题正是在液压技术和故障检测技 术的飞速发展的情况下，企业本身已经认识到原有的检测技术已经不能满足生 产的需要，因此某公司和电子科技大学联合共同为其使用的矿用卡车研制开发 故障诊断系统。 1 2 本学位论文的研究意义和主要研究内容 本文的研究主要集中在两个方面： 1 ) 研究适合复杂设备的故障诊断技术和方法； 2 ) 将本文的研究成果应用于液压系统状态检测和故障诊断系统中。 该研究的实现将大大降低工程设备的使用和维修人员的劳动强度，提高工 程人员的故障诊断和维修技术水平。同时该技术也适用于其它同类设备，对提 1 电子科技大学硕士学位论文 高我国工程领域的技术保障水平有重要的意义。 液压系统是一个复杂系统，其中任何部分都可能发生故障。为快速排除故 障，维修人员必须尽快地根据观测的故障现象和测量结果进行所有故障部位和 原因的诊断，进而给出排除故障的方法。本文研究的主要内容和关键技术有： 液压系统的故障分析； 故障分类模型研究； 知识库组织、知识检索、知识学习、知识库更新维护方法和实现技术； 基于模糊神经网络诊断技术研究； m _ a t l a b 仿真应用研究。 1 3 液压故障诊断技术概况 1 3 1 液压设备故障分析诊断的基础 液压设备故障是指在液压设备中，由于某些液压功能失效、不完善或不完全， 或缺少某些液压功能导致液压设备某些技术或经济指标，偏离了它的正常值( 或 正常状况) ，称为液压设备故障，也可以称为液压设备工作异常【2 1 。处理过程如图 1 。1 。 图1 - 1 液压设备故障处理过程 1 )故障信息获取故障信息是通过检测而获得的液压设备运行状态的各 种信息，也称为诊断信息，获得信息是某个参数，称为诊断参数，如果获得的 是状态，称为诊断状态。主要是通过人体感觉或各种仪器装置实现。 2 )液压故障的分析诊断是根据检测到液压设备的各种故障信息，对液压 设备的运行状态或对液压故障进行识别。确定液压设备是在无故障状态还是故 障状态。这是液压设备故障处理的主要内容。 3 )液压故障的修复与排除液压故障的修复和排除是液压故障诊断的目 的，排除故障，恢复生产是液压故障诊断的结果。 2 第一章绪论 4 )液压故障的模式液压故障模式是指液压故障的各种表现形式。不同的 液压故障对象，液压故障模式是不同的。如液压缸的液压故障模式有：液压缸 爬行、冲击、泄漏、推力不足和运动不稳等；液压泵的液压故障模式有：无压 力，压力流量过低、噪声大和发热严重等。 5 )液压故障的分类按照故障发生的时间分类可以划分为早期液压故障、 中期液压故障和后期液压故障；按照故障特性分类可以划分为共性液压故障、 个性液压故障；按照液压故障发生的原因分类可以划分为人为性液压故障、自 然性液压故障【z l 。 6 )液压故障的机理液压故障的机理指液压故障的发生过程。液压故障包 括下面三个基本要素，液压故障对象，液压故障的原因和输出结果。液压故障 对象是发生故障的液压元件和液压系统本身，是液压故障的承受者；液压故障 的原因包括内部因素和外部因素，内部因素指故障原因来自液压故障对象( 发 生液压故障的液压元件和液压系统) 本身的内部状态和结构，如设计缺陷等； 外部因素指的是故障原因来自外界的环境因素( 如力、热、摩擦等) 、使用条 件和人为因素；输出结果是指液压故障对象在液压故障原因的作用下，表现出 来液压故障表现形式p j 。 1 3 2 国内外研究的现状 由于液压系统的封闭性和液压设备的复杂性，使得液压故障检测和诊断十 分困难，目前主要还停留在人工巡回检测和定期检修的水平上。近年来，由于 计算机技术、检测技术、信息技术和智能技术的发展，大大地促进了液压系统 故障检测和诊断技术的发展【4 l 。 具体检测方法有如下几种： 1 )觉检关联推理诊断 觉检是通过人的感觉进行检测，是目前现场获取故障信息的简便方法：关 联推理是将感觉经验上升到系统理论，可以定性和粗略定量地检测液压故障。 诊断过程如图1 2 3 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 2 觉检法故障诊断过程 2 )液压故障功能跟踪诊断法( 液压故障功能扫描诊断过程如图1 。3 ) 1 液压故障征候即液压故障信息和液压故障表现，由觉检或仪器检测获 得的诊断信息综合而成。 2 液压功能扫描，将液压故障信息，进行液压功能扫描对照，以确定液 压故障为液压设备的哪个液压功能不全。 3 液压回路识别，对液压设备某功能不全的液压功能，利用液压系统的 原理图，找出完成该液压功能的液压回路，然后分析该液压回路是由哪几个 液压元件组成，各起什么作用，哪个元件为关键元件，并分析各液压元件的 结构特性，进行相似性分析和逻辑推理，以确定故障范围。 图1 - 3 液压故障功能跟踪筛检诊断过程 4 液压故障源检测，对故障发生源( 个别元件) 进行检测。其检测使用 觉检检测或仪器检测均可，视具体情况而定。 4 第一章绪论 5 液压故障诊断，根据故障发生源以诊断其液压故障。 3 )液压油检测分析诊断法 液压油是液压系统不可缺少的组成部分。液压油污染是造成液压系统各液压 元件可靠性减低和产生磨损的重要原因之一。有资料表明，在液压系统一百例故 障中，有九十例是因为液压油污染造成的，所以对液压油的检测和分析，可以诊 断系统故障。 液压油分析诊断过程由采样、检测、识别、预测和处理组成。首先从液压油 中采集能反映液压系统中各个液压元件运动状态的油样；对油样进行检测，以测 定液压油中磨损物质的数量和粒度分布；诊断和识别液压油故障，液压元件磨损 的类型和磨损阶段，液压系统的运行状态及液压故障；预测处于异常磨损状态的 液压元件的剩余寿命和今后磨损类型；对液压油的换油周期、液压系统的维修方 式、液压元件的修理和更换等处理。 4 )液压故障静态参数诊断法 静态参数法常见的有，液压故障效率测定法诊断、液压故障过渡过程特性分 析法诊断和液压故障压力波动分析法诊断。 液压故障效率测定法诊断即利用各种检测手段，对液压系统中各个液压元件 进行测试后，将其测试结果记入测试诊断表内，通过计算确定其效率，根据实际 测定的效率以诊断液压故障和识别其技术状态，成为液压故障效率测定诊断法。 此法适用诊断液压元件磨损状况及液压系统内泄漏故障。 液压故障过渡过程特性分析法诊断是指，当液压设备起动、停止或换向而使 工况改变时，在液压系统中就会发生过渡过程。通过分析过渡过程的特点，可以 确定液压系统各组成部分的技术状态和诊断其液压故障。 液压故障压力波动分析法诊断就是利用检测仪器及示波器，以观察压力波动 的波形和振幅，及测定压力的大小，或根据压力波动系数，以识别液压元件的技 术状况及诊断液压故障。 5 )液压故障振动声学诊断法 液压故障振动声学诊断法，就是对液压系统振动和噪声，通过振动声学仪器 进行检测，按照振动声学规律，识别液压元件的磨损状况或技术状态，并推断其 剩余寿命，以诊断液压故障。常常用来诊断价值比较高的液压泵和液压马达的液 压故障。根据其特点可以划分为运动同步法、振动音响法和振动模式法等。 运动同步法就是将诊断对象的振动参数的实测信息图象与状态积累信息图象 进行同步对比，以识别液压故障的一种诊断方法，这种方法即使是在缺乏有关诊 5 电子科技大学硕士学位论文 断参数与结构参数之间( 振动声学信号的特性变化与诊断对象的缺陷之间) 关系 的积累资料的情况下，也可以进行诊断。 6 ) 液压故障热力学诊断法1 5 】 热力学法检测诊断液压泵和液压马达时，是运用热力学原理及其检测装置， 进行温度测定，然后按照相应的公式计算其总效率，以识别其技术状态和诊断液 压故障，采用热力学法进行计算效率，也是效率诊断法诊断范畴。 7 )液压故障逻辑诊断与故障树分析法( 蛋t a ) 诊断 逻辑诊断是根据液压设备液压控制系统的特征和状态之间的逻辑联系进行诊 断，它是故障诊断的另一分支。在逻辑诊断中，液压设备控制系统的特征只能是 简单的特征，即只能取两个数值，液压设备的状态也只能取两个数值；故障树分 析法( f t a ) 是一种将系统故障形成原因在做出由总体到部分按树枝状层层细化分 析方法，因此是液压系统工作可靠性及其液压设备故障进行分析诊断的重要方法， 目的是预测和诊断液压故障及确定液压故障的原因。 8 )液压故障计算机诊断方法 目前针对液压故障诊断方法的发展十分活跃，主要是因为液压技术的发展， 对液压系统的特性要求越来越高，传统的测试方法存在检测准确性比较差，人为 因素影响大，检测速度慢等不足；还有随着计算机在各个领域应用的发展，液压 系统计算机辅助测试( a 玎) 的研究对提高液压系统的性能，推动测试技术的发展， 使用计算机建立液压系统的数据采集和数字控制的技术已经成熟。此外利用计算 机强大的计算能力和智能诊断方法如神经网络、专家系统诊断方法等等结合起来， 已经在实际的应用得到了实践。利用计算机等先进的技术，现在一些国外的公司 在液压设备故障诊断和修复方面，研究出了便携式液压测试仪，取得了良好的效 果。这些仪器在不拆卸液压设备的情况下进行参数测量后与正常值相比较从而断 定是否有故障。 英国“h m l ( e n g i n e e r i n g ) l i m i t e d 公司生产的大流量液压检测车，它的体 积小，可以方便转移，包括英国国防部和一些中东国家都把它应用在军事和商业 6 1 上一 。 随着现代计算机技术、通信技术等先进技术的发展，我国液压系统故障检测 技术有了迅速的提高，先进的故障检测技术不断涌现。但是新技术的普及还需要 时间、设备和人才。 6 第章绪论 1 3 3 液压故障诊断技术发展趋势 1 )混合智能故障诊断技术研究 将多种不同智能技术结合起来的混合诊断系统是智能故障诊断研究的一个发 展趋势。结合方式主要有基于规则的专家系统与神经网络的结合，c b r ( 基于实例 的推理c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 与基于规则系统和神经网络结合，模糊逻辑、 神经网络与专家系统的结合等。其中模糊逻辑、神经网络与专家系统结合的诊断 模型是最具发展前景的，也是目前人工智能领域的研究热点之一。这方面的研究 刚开始，很多问题需要深入研究，例如，模糊逻辑与神经网络的组合机理、组合 后的实现算法，便于神经网络处理的模糊知识表达方式等。 混合智能故障诊断系统的发展趋势：由基于规则的系统到基于混合模型的系 统；由领域专家提供知识到机器学习；由非实时诊断到实时诊断；由单一推理控 制策略到混合推理控制策略等。智能诊断系统在机器学习、诊断实时性等方面的 性能改善，是决定其有效性和广泛应用性的关键。 2 )智能b i t 技术研究 b i t ( b u i l t _ 血t e s t ) 技术为系统和设备内部提供故障检测和隔离的自动测试 能力。随着v i _ s l ( 大规模集成电路) 和计算机技术的日益发展，国内的b i t 的研 究呈现几个发展趋势：与趟( 人工智能) 融合，应用领域不断拓宽，发展为具有 状态检测与故障诊断能力的综合系统、走向智能化，b i t 智能化主要解决传统b i t 在最优设计、信息获取、分析处理、综合决策等方面的不足f ”。 3 ) 基于i n t e r n e t 的远程协作诊断技术研究 基于因特网的设备故障远程协作诊断是将设备诊断技术与计算机网络技术相 结合，用若干台中心计算机作为服务器，在企业的关键设备上建立状态检测点， 采集设备状态数据；在技术力量比较强大的科研院所建立分析诊断中心，为企业 提供远程技术支持和保障( 8 j 。 跨地域远程协作诊断的特点是测试数据、分析方法和诊断知识网络共享；因 此必须使传统诊断技术的部分即信号采集、信号分析和诊断专家系统能够在网络 上运行。要实现这一步应该重点研究和解决如下几方面问题：远程信号采集与分 析；实时检测数据的远程传输；基于w e b 数据库的开放式诊断专家系统设计；通 用标准( 包括测试数据标准、诊断分析方法标准和共享软件设计标准) 【引。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 3 4 本论文研究的液压故障诊断方法 本论文主要研究的是液压故障的智能诊断方法，对现有的智能诊断方法进行 研究和验证，将现有的理论应用到实践中去，并且对各种智能的诊断方法进行了 比较和改进，最终选用模糊神经网络对某矿用卡车的液压系统进行诊断。 模糊神经网络是在神经网络和模糊系统的基础上发展起来的，二者的融合弥 补了神经网络在模糊数据处理方面的不足和模糊逻辑在学习方面的缺陷，是一种 集语言计算、逻辑推理、分布式处理和非线性动力学过程为一身的系统。 本论文之所以选用模糊神经网络，是因为近年来神经网络和模糊逻辑作为故 障诊断的两种重要手段，解决了很多常规技术难以解决的问题，取得了突出的成 绩，备受关注。而且，模糊推理难以建立完善的规则，同时模糊性的增加不能完 全有效利用信息，而神经网络把问题看成“黑箱 的映射问题，缺乏明确的物理 意义，表达知识比较困难，学习速度慢。因而将两种技术结合，发挥两种技术的 长处。此外，由于某矿用卡车的各个方面条件的限制，本系统统所能获得的直接 信息十分有限，要求将充分使用所能获得的信息，并且能够使用人员直接获得感 官信息( 如噪音比较大等) 。 8 第二章矿用卡车整体结构和液压系统工作原理 第二章矿用卡车整体结构和液压系统工作原理 2 1 矿用卡车的整体结构 某矿用卡车的整体结构如图2 - 1 所示【1 0 j 。 1 前车体2 发动机3 制动系统4 后车体5 一转向液压系统6 传动系统 图2 - 1 卡车整体结构 该矿用卡车主要应用于井下采矿和地下巷道工程，适合在平巷或斜坡道运输 矿石和岩石。整车由发动机装置、传动系统、制动系统、转向液压系统、前车体、 后车体及车箱各电气系统组成。 液压系统是整车中心环节，车辆的行驶中的转向、速度变换、工作状态都是 由液压控制，车辆行驶安全的核心制动也是液压控制。因此液压系统设备的安全 运行是整个卡车安全运行的首要条件。 2 2 制动系统工作原理 制动系统的作用是在需要卡车减速时提供制动阻力，在卡车起动时间，提供 解除停车制动所需要的液压压力。制动系统工作状态是卡车能够安全行驶的必备 条件，它是卡车整个系统中事关人命的一环。 该矿用卡车采用目前国际先进的全封闭多盘湿式制动器，制动器的冷却油经 过外部循环强制冷却，彻底地解决井下泥水引起的水衰退和重载斜坡道上运行出 9 电子科技大学硕士学位论文 现的热衰退现象，保证了制动性能的稳定性。停车制动采用弹簧制动液压释放结 构，保证驻车安全可靠性。 制动系统工作原理图如图2 2 所示。 6 温度传感器液位传感器 卜滤清器2 一油泵3 一充液阀4 一蓄能器5 一驻车制动器6 一行车制动器 图2 - 2 制动系统工作原理图 由发动机驱动的制动油泵，通过充液阀给四个蓄能器充液，当蓄能器中压力 达到规定压力时，充液阀关闭；当蓄能器的压力下降到一定压力时，充液阀重新 打开充液。行车过程中需要制动时，踩下脚制动阀，蓄能器中的压力油经过制动 阀至制动器制动。当起动卡车，打开驻车制动阀，压力油由蓄能器经过驻车制动 阀至驻车制动器，压缩制动弹簧，当车停车时，关闭驻车制动阀，弹簧伸长，卡 车自然被制动。由蓄能器为压力提供压力油，保证瞬时大流量大压力的需要，同 时也降低对其它元件的要求。 2 3 双变系统工作原理( 传动系统) 传动系统的速度经过传动路线时经过两次变换，因此又称为双变系统，目的 1 0 第二章矿用卡车整体结构和液压系统工作原理 是实现卡车的速度控制及动力变换。动力由发动机输出后，先输入变矩器，然后 传给变速箱，最后通过传动轴传给驱动桥。传动路线如图2 3 所示，工作原理图如 图2 4 所示。 图2 - 3 传动路线图 温度传感器 变速箱 一：前 ：桥 + 叫卜詈一 桥 1 - 滤清器2 - 油泵3 高压滤清器4 变矩器5 冷凝器6 变速箱 图2 _ 4 双变液压系统原理图 油泵打出油，经过高压滤清器、压力控制阀分为两路，一路供给变距器，液 压油经过变距器多余的部分流经散热器降温后，输入变速箱作为冷却液使用，目 1 1 电子科技大学硕士学位论文 的是控制变速箱的温度不能过高；另一路直接供给变速箱的换档阀，通过换档阀 的开闭来控制变速箱内相应离合器的关闭来实现档位的变换。同时另一油泵将变 距器内多余的液压油打回变速箱，使变距器中的液压油不会沉积太多，影响系统 的正常工作。 2 4 举升转向系统工作原理 顾名思义，举升转向系统的作用是完成车箱的举升卸料和转向工作。原理图 如图2 5 所示。 卜滤清器2 一油泵3 一优先阀4 一流量阀5 一先导供油阀6 一转向缸7 一举升缸8 一先导控制阀 图2 5 举升转向系统原理图 双连油泵合流后给系统提供压力油，经流量放大器的优先阀优先供给转向系 第二章矿用卡车整体结构和液压系统工作原理 统。举升部分采用液控先导阀和主阀配合，使操作轻便而且保证提供足够的流量。 先导阀由专用的供油阀提供一定的稳定压力。 电子科技大学硕士学位论文 第三章常用故障诊断方法及在液压系统上的应用分析 3 1 液压故障的特点及诊断对象结构的确定 3 1 。1 液压故障的特点 与机械传动、电气传动相比，液压传动系统故障具有以下特点： 1 故障的多样性、复杂性和隐蔽性；主要表现为引起同一故障原因的多 样性；同一原因引起故障的多样性； 2 故障产生的偶然性和必然性； 3 故障的产生和使用条件的密切相关性： 4 故障的难于分析判断和处理性： 其中最重要的特点就是复杂性和多层次性【1 1 l 。 1 )故障的复杂性由于液压系统各个部件之间相互联系，紧密耦合，致使 故障原因与故障征兆之间表现出极其错综复杂的关系，因此液压故障复杂 性是其中最重要特性之一，表现为同一种故障征兆对应着几种故障原因， 同一故障原因又会引起多种故障征兆如图3 - 1 所示。 2 )故障多层次性液压系统的故障一般都是多层次系统，层次性是指任何 故障都与系统的某个层次相联系，高层次的故障可以由低层次故障引起， 而低层次的故障必定引起高层次故障。 3 )故障的相关性当系统某个层次的某个系统发生故障后，势必导致与它 相关的元素的状态发生变化，从而引起这些元素的功能也发生变化，致使 该元素所处的层次产生新的故障，这就带来系统中同一层次有多个故障并 存的显示。任何一个原发故障都存在多条潜在的传播途径，可能引起多个 故障同时并存，这就是系统故障的相关性，也成为故障的“横向性 。 4 )故障延时性从原发性故障到系统级故障的发生、发展与形成，是一个 由量变到质变的过程，这个渐进的过程必然具有“时间性 ，这就决定为 故障的早期诊断与预测提供了机会，从而使“防患于未然 的设想能够成 为现实，其实现方法是在系统的相应输出( 特征信号或征兆) 尚未超越允 1 4 第三章常用故障诊断方法及在液压系统上的应用分析 许的范围之前，检测出这些变化，并获得该变化的规律，根据此作出有关 系统、元素等当前状态、状态趋势与未来的判断。 5 )故障的不确定性是液压系统故障的一个重要特性，也是目前智能诊断 理论与方法的一个重要研究内容，引起系统不确定性的因素有以下几个方 面，系统的元素特性和联系特性的不确定性，故障检测和诊断设备性能不 确定性，系统、元素及联系的状态描述方法的不确定性。 征兆l 征兆2征兆3征兆4征兆5征兆6 原因i原因2原因3原因4原因5 图3 1 液压故障特性图 由于液压系统故障的特性，因此处理液压系统故障的方法和处理其它系统故 障的方法相比，除有一定的共同性外也有其本身的特点，处理时在充分掌握其特 点的基础上，进行认真的仔细的调查研究和分析判断。 如本卡车的制动系统，出现了压力不足的征候( 即故障现象) ，引起这一现 象的原因有以下几个方面，滤清器故障、油泵故障、油路密封不严，制动器泄漏 太大等等。同时如果滤清器出现了故障，可能导致压力不足，压力波动，流量不 足、流量波动、还可能由于油携带的杂质过多，造成其它元件的加剧磨损、堵塞 等等故障。 3 1 2 液压系统故障诊断对象结构的确定 诊断系统的知识来源于维修专家在长期的维修实践中的经验总结，这些知识 实际上是对诊断对象结构、功能的抽象。不合理的结构划分将破坏诊断知识的完 整性，抹杀故障现象和原因间的内在联系。因此，对诊断对象系统功能和结构的 划分必须最大限度地保留该系统的特征和功能路径。 关于智能故障诊断系统中知识表示方法的研究，最初是从专家系统的知识表 示方法出发，按照传统的方法建立诊断系统的知识库。随着知识工程被作为一门 】5 电子科技大学硕士学位论文 专门学科来研究，而且智能故障诊断渐渐形成了一个独特的研究领域，人们对智 能诊断的知识也进行了研究。 在专家系统中，知识被划分为描述性知识、过程性知识和控制性知识。描述 性知识表示系统中的概念和事实；过程性知识表示描述性知识的特性以及它们之 间的相互关系；控制性知识表示控制和运用以上两种知识的策略。 从人工智能研究领域和从关于问题求解心理学方面研究，提出将知识划分层 次概念，w i e l i n g a 对专家系统知识划分为领域、推理、任务和策略4 个层次，m l i n e 将知识划分为结构层次、行为层次、功能层次和编译模式层次【1 2 1 。不同层次的知 识采用不同的图例策略和求解方法。结构层次的知识采用基于结构模型的推理策 略；行为层次的知识采用基于定性模型的推理策略；功能层次的知识采用基于功 能模型的推理策略；编译模式层次的知识采用基于浅知识的诊断策略。 对于知识深度的研究，存在有“深知识”和“浅知识 之说。浅知识是指领 域专家的经验知识，深知识是指诊断对象的结构、性能和功能知识。 领域 专家 知识 工程 师 用户 人 i 知识获取i 纠知识库l ： - 解 ，ji 机 叫机器学习b孽断k 啼 释 推理i 接 机 + 叫诊断信息获取闰数据库p 口 。17 构 _ 一被诊断对象 图3 - 2 智能诊断系统结构图 智能诊断系统是模拟人脑功能的硬件及其必要的外部设备、物理器件以及支 持这些硬件的软件共同组成的具有智能的系统。智能诊断系统的结构如图3 2 所 示。 智能故障诊断系统除了具有一般专家系统的基本特点以外，还应该能综合利 用多种信息和多种诊断方法，以灵活的诊断策略来解决诊断问题。能通过使用专 家经验而尽量避开信号处理方面复杂的实时计算，为设备的实时监控和故障诊断 在时间上提供有利条件；能处理带有错误信息和不确定信息，从而降低对测试仪 器和工作环境的要求；诊断系统结构应该模块化，使之可以方便地调用其它应用 程序；诊断系统应该还应具有人机交互的功能。 本文研究对故障诊断对象的规划，采用从功能出发充分利用控制系统结构和 1 6 第三章常用故障诊断方法及在液压系统上的应用分析 信号的划分方式，将整个系统分成三个路径：制动路径、双变路径和举升转向路 径，如图3 3 所示。 相应地，将液压的诊断经验知识从故障现象和受故障影响的功能出发，沿上 述功能路径搜索。人工经验和各路径上传感器为搜索提供中间信息和参数。 液压系统故障知识的表达故障诊断的过程，就是对诊断模型上的每一个点进 行“故障现象收集检测一判断决策 的过程。本系统的知识表达由三部分 组成：节点信息、测试信息和标准信息。其结构为： 节点信息：节点代号、节点名、节点属性和维修措施： 测试信息：测试项编号、测试工具、测试内容、测试位置、测试； 测试标准：测试项标准值和判断规则。 不 能 制 动 液压系统故障 制动系统故障ii 双变系统故障ii 举升转向系统故障 制 动 无 力 制 动 不 灵 敏 、 迟 滞 制 动 爬 行 起 步 爬 行 制 动 系 统 噪 音 转 向 爬 行 或 操 作 不 易 转 向 速 度 慢 流 e 基 底 转 向 速 度 慢 压 力 低 举 升 速 度 慢 或 不 举 升 誉 升 爬 行 举 升 转 向 系 统 噪 音 到引圉国圜圉圉睦 1 7 电子科技大学硕士学位论文 3 2 常用故障诊断方法及在液压系统上的应用分析 3 2 1 模糊理论 1 ) 概述 对于液压系统来说，故障的本身就具有模糊性、不确定性。其主要的表现就 是亦此亦彼、模棱两可，使用模糊理论对液压系统的参数表示十分适用，如压力 波动严重；系统的油温高，液压马达转速太慢等等。从产生故障的原因来看，油 液不干净，维护保养不良，元件使用的时间太长，操作人员素质低等也是模糊的。 实际上液压的故障涉及的范围也是模糊的，因其系统故障是渐变的过程，而各个 过程的边界是不清晰的。故障的发展是个漫长而且模糊性的中间过渡过程。使用 模糊集表示模糊语言变量能够准确描述具有模糊性的征兆，符合事物的客观本 质。 模糊故障诊断有两种基本方法，一种方法是先建立征兆与故障原因之间的因 果关系矩阵，再建立故障和征兆模糊关系方程，这是基于模糊关系及合成算法的 诊断方法；另一种方法是先建立故障与征兆的模糊规则库，再进行模糊逻辑推理 的诊断过程，这是基于模糊知识处理技术的诊断方法【1 3 】。 2 ) 模糊集合和隶属函数 在康托创立经典集合论中，一事物要么属于某集合，要么不属于某集合，二 者必居其一，这说明，经典集合所表达的概念的内涵和外延是明确的。在人的思 维中，有许多没有明确外延的概念，即模糊概念。模糊概念不能用经典集合加以 描述，这是因为不能绝对的区别“属于”或“不属于 ，就是说论域上的元素符 合概念的程度不是绝对的o 或1 ，而是介于o 和1 之间的一个实数。 模糊集合：设u 是论域，u 上一个模糊集合彳可以表示为u 上的一个实值 函数， 爿：u 呻【0 ，1 】 ( 3 1 ) 对于“e u ，_ ) ，称为u 对于a 的隶属度，而t _ 称为么的隶属函数。或者， 设论域u 为有限集，即u 一 h 。，“：，u 。) ，【厂上的模糊集合a 可以表示为 a = ( 肛4 ( “1 ) ，弘u2 ) ，j c _ ( 比。) ) 其中，肛l u ，_ ( 比；) 【0 ，1 】为蚝对u 的隶属度。论域u 上的模糊集可 1 8 第三章常用故障诊断方法及在液压系统上的应用分析 用“4 ) 来表征，u a ) 的大小反映了比对模糊集合的隶属程度a 隶属函数的确定：正确的确定隶属函数，是运用模糊集合理论解决实际问题 的基础。隶属函数是对模糊概念的定量描述。隶属函数的确定过程，本质上说应 该是客观的，但每个人对同一个模糊概念的认识理解有差异，因此，隶属函数的 确定又带有主观性。一般是根据经验或统计进行确定，也可由专家给出。有以下 几种隶属函数的确定方法：专家经验法、函数逼近法、模糊统计法、二元对比排 序法、待定系数法、借用已有的“客观 尺度和基本概念扩充法【1 4 】。 3 ) 原理和公式推导 基于模糊关系方程的模糊诊断是通过征兆的隶属度来求出各种故障原因的 隶属度。设诊断对象可能表现的征兆有1 1 1 个，用毛，z 2 ，x 。表示，可能出现的 故障原因有1 1 个，用y l , y ：，y 。表示。故障征兆模糊矢量为 x = ( 以。，以：，k ) 式中，肛。是对象具有征兆五的隶属度。 故障原因模糊矢量为 y = ( p y 。，y ：，c l y 。) 式中，肛，。是对象具有故障y ，的隶属度，则y 与x 具有模糊关系即 y = xo r ( 3 2 ) 这就是故障原因与征兆之间的模糊关系方程，公式中“o 是模糊逻辑算子。尺 是体现专家诊断经验知识的模糊矩阵。 r = r l lr 1 2 ，h r ：l 屹 r 1 2 r 黼 = 嘞) 。 公式中d 嘲l 反映了故障征兆硷与故障原因y i 的关系强度，r i j = o 表示没有关 系。 模糊逻辑算子“o ”几种模型如下： 1 m ( ，v ) 。 这种模型采用“八 ( 取小) 和“v ”( 取大) 的运算方式即， y j2 兰 z 白) ，j 1 1 ，2 ，理 ( 3 _ 3 ) 2 m ( ，v ) 这种模型采用“ ( 乘法) 和“v ”( 取大) 的运算方式，即 y 。黔t 勺) ，j ；墉一，珂 ( 3 。4 ) 3 m ( ，o ) 这种模型采用“入( 取小) 和“$ ( 上限为l 的求和) 的运算方式，即 1 9 电子科技大学硕士学位论文 y ，= q 瓴ar i j ) ，_ = 1 , 2 ，l ( 3 5 ) 符号“u 表示对m 个数在“o ”运算下的求和，因此上式可以表示为： y j = m i n n “ r i j ) = la 心 飞) ，j = 1 ，2 ，一，咒( 3 - 6 ) 4 m ( 。，o ) 这种模型采用“ ( 乘法) 和“o ( 上限为l 的求和) 的运算方式，即 y ，= u 瓴。勺) = m i n 也“。白) ) = 1 勺) ，j = 1 ，z ，行( 3 - 7 ) 4 ) 模糊关系方程诊断结果的确定原则 经过模糊运算y = x 。r 后，得到故障原因模糊矢量y 一( y ，y ：，y 。) ， 在确定对象的最终故障时，采用的原则有最大隶属度原则、择近原则和阈值 原则1 1 5 j 。 1 最大隶属度原n - 设给定论域u 上的n 个模糊子集4 ，4 ：，一4 。，对于 ge u 属于n 个模糊集的隶属度分别为t 一，如， ，如果有 i 1 1 ，2 ，l ，使得；m a x ( t t 爿：，肛以) ) ，则认为元素u 应该属于 4 ，判定u 归属于4 所代表那个模式。最大隶属度原则方法的优点是简单 易行，在计算机上容易实现。缺点是概括的信息量太少，完全不考虑其余一 切隶属度较小的因素对诊断判决所起的作用，而且当最大隶属度值与其它隶 属度值之间的差距不大时难以做出可靠的诊断结论。 2 阈值原n - 规定一个阈值水平a 【0 ，1 】，记a ；m a x ( t ，肛如，肛 ”， 若a 墨a 则作“拒识 的判决，如果a a 则认为诊断可行，此时如果t 五a 则认为诊断对象具有与之对应的故障原因。采用阈值原则可能会得出集中故 障的原因，也可能得不出故障原因。可以将阈值原则与最大隶属度原则结合 起来使用，近年来发展起来的浮动阈值、分级阈值以及将单一阈值变成阈值 矢量的方法等，都可以使诊断精度得到进一步地提高。 3 择近原则：设4 ，b 为【厂