（电力电子与电力传动专业论文）装卸桥电气控制系统故障树及专家系统的研究.pdf

a b s t r a c t t h ec r a n eo ft h ec o n t a i n e ri st h ei m p o r t a n te q u i p m e n tw h i c hl o a da n du n l o a df r e i g h ti n t h ep o r t i fs o m e t h i n gw r o n gi nt h e s ee q u i p m e n t s ，ab i ge c o n o m i cl o s i n gw i l lo c c u r i nt h i st h e s i s ，f i r s t ，p a r t i c u l a ra n a l y s i so ft h em a x s p e e dc r a n ed r i v ea n a l o gc i r c u i t c o n t r o ls y s t e mi sm a d e t h e n ，t h ef a u l tt r e eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sb u i l ta f t e ra n a l y z i n gt h e a n a l o gc i r c u i to ft h em a x s p e e dc r a n ed r i v ec o n t r o ls y s t e mw i t ht h e m e t h o do ff a u l tt r e e a n a l y s i s ( f t a ) r e s e a r c ho naf a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mf o rc r a n ed r i v ec o n t r o ls y s t e mi sm a d e t h e p a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo ff a u l tt r e ea n a l y s i sa n dr u l e - b a s e de x p e r ts y s t e m ， a n do f f e r st oc o m b i n ef a u l tt r e ea n a l y s i sw i t hr u l e - b a s e de x p e r ts y s t e m b yc o n n e c t i n gf a u l t t r e et od i a g n o s i sk n o w l e d g eb a s et h r o u g hc u ts e t ，w ec a ne x p r e s se x p e r tk n o w l e d g et o t a l l y ， s y s t e m a t i c a l l y , a n dl o g i c a l l yb yb u i l d i n gf a u l tt r e e i tm a k e sk n o w l e d g ea c q u i s i t i o nc o m e t r u e t oo b t a i nd i a g n o s i sr u l eb a s ea c c o r d i n gt ot h ef a u l tt r e e t h ee x p e r ts y s t e mi sm a d eu po fa n o b v e r s er e a s o n i n gm e c h a n i s m ，a n dt h ef a u l td i a g n o s i sf o rc o n t r o ls y s t e mi sr e a l i z e db yt h e s e a r c h i n ga n dm a t c h i n gt h r o u g ham a n - m a c h i n ei n t e r f a c e h e n c e ，t h ei m p o r t a n c eo ff t a i s s t r e s s e di nb u i l d i n gal a r g ec o m p l i c a t e df a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m f i n a l l y ，b yu s i n gp r o g r a ml a n g u a g eb o r l a n dd e l p h i 7 0 u n d e rw i n d o w s 2 0 0 0 ，a n d a p p l y i n gt h ed i a g n o s t i cm e t h o do fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n d t h eo b j e c t 。o r i e n t e dp r o g r a m m i n g d e s i g nt e c h n o l o g y ，w et r yt od e v e l o pt h ef a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mo fc r a n e d r i v ec o n t r o l s y s t e m ，w h i c hv e r i f i e dh a s b e t t e ra p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：f a u l tt r e ea n a l y s i s ：c r a n ed r i v ec o n t r o ls y s t e m ；e x p e r ts y s t e m ：p r o g r a m l a n g u a g ed e l p h i ；f a i l u r ea n a l y s i s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写 成博士硕士学位论文 竺装鲤援鱼氩控剑丕统越瞳挝厘童塞丕统的硒窥= = 。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开 发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：馋、彩p 渺年弓月2 厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使 用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：导师签名：昊基霞 日期：年 月日 第1 章绪论 1 1 课题的背景 自7 0 年代以来，集装箱运输逐渐成为我国货物运输和开展国际贸易的重要运 输方式之一，一直保持较高的持续发展速度。随着我国国民经济的持续发展以及 加入w t o 以后我国将进一步参与国际经济大循环体系，我国集装箱运输业将迎来 难得的发展机遇，并由此形成新一轮的集装箱专用泊位建设高潮。 集装箱装卸桥是重要的港口装卸设备，是港口应用最广泛的机械之一。这些 设备一旦发生故障，将造成巨大经济损失。其中，电气控制系统的故障诊断是来 自现场的一个急需解决的课题。电气控制系统是集装箱装卸桥的神经系统，整个 系统庞大复杂，呈典型的网络关系；电气控制系统长期工作在高温震动的不利环 境下，故障出现的几率较大，诊断的难度也很大，一旦发生故障，若不能及时排 除，将影响集装箱装卸桥的正常工作，影响港口正常作业，严重时会威胁到设备 和操作人员的安全。而由于我国资金的限制，延长老机组的使用寿命是非常重要 的。维修管理人员如何对其科学管理、正确使用，特别是系统出现故障后如何快 速而准确地找出故障，从而及时地排除它是十分重要的实际问题。目前，在绝大 部分工程机械制造和修理行业中所碰到的故障分析问题，往往只凭经验来分析和 排除，虽然能解决一些问题，但在实际中，事故发生的随机性很大，如仅凭经验 试着干是很浪费人力、物力，质量也很难得到保证。实践经验表明，即使一个熟 练的技术人员，在排除故障时，确定故障原因和部位的时间约占排除故障总时间 的7 0 9 0 ，只有1 0 3 0 用于最后排除故障的维修工作【1 1 。 因此，集装箱装卸桥电气控制系统故障树的建立及其故障诊断专家系统的研 究对迅速、高质量地确定故障原因和部位用来恢复集装箱装卸桥的性能是十分必 要的并且具有较大的现实意义。 1 2 故障树分析法简介 故障树分析( f a u l tt r e ea n a l y s i s 简称f t a ) 是用于大型复杂系统可靠性、安 全性分析和风险评价的一种方法。1 9 6 1 年美国贝尔电话研究所在分析导弹发射控 制系统安全性时，首先提出并应用了故障树分析法，并且获得成功。1 9 7 4 年美国 原子能委员会发表的核电站安全评价报告( w a s h 1 4 0 0 ) 中，主要的分析技术就 是可靠性工程中的事件树分析与故障树分析。w a s h 1 4 0 0 报告在以后的核电站概 率风险评价( p s a ) 技术的发展中起到了里程碑的作用。此后很多人从事应用和研 究，使之逐渐完善，现在国际上已公认故障树分析法是可靠性分析和故障诊断的 一种简单、有效的方法【2 1 。 所谓故障树分析法，是首先写出分析的系统故障事件作为第一级，再将导致 该事件发生的直接原因( 包括硬件故障，环境因素，人为差错等) 并列地作为第 二级，用适当的事件符号表示之，并用适当的逻辑门把它们与系统故障事件联结 起来。其次，将导致第二级各故障事件发生的原因分别并列在第二级故障事件的 下面作为第三级，用适当的事件符号来表示它们，并用适当的逻辑门与第二级相 应的事件联结起来。如此逐级展开，直到把最基本的原因都分析出来为止，这样 的一张逻辑图称为故障树。根据故障树分析系统发生故障的各种途径和可靠性特 征量，就是故障树分析法。 故障树分析法的特点是【2 】： 故障树分析是一种图形演绎法，是故障事件在一定条件下的逻辑推理方 法。它不局限于对系统作一般性的可靠性分析，它可以围绕一个或者一些特定的 失效状态，作层层追踪分析。因而在清晰的故障树图形下表达了系统故障事件的 内在联系并指出了单元故障与系统故障之间的逻辑关系； 由于故障树能将系统故障的各种可能因素联系起来，因此有利于提高系统 的可靠性，找出系统的薄弱环节和系统的故障谱； 故障树可以作为管理及维修人员的一个形象的管理、维修指南，因此可用 来培训长期使用复杂系统的人员； 通过故障树可以定量计算复杂系统的失效概率及可靠性参数，为改进和评 价系统可靠性提供定量数据； 故障树分析的发展与计算机技术的发展紧密相关，两者结合能更有效的进 行可靠性分析。 1 3 专家系统基本概念 专家系统是在关于人工智能的研究处于低潮时提出来的。由于它的出现及其 所显示出来的巨大潜能，不仅使人工智能摆脱了困境，而且使之走上了一个新的 发展时期。 2 0 世纪6 0 年代中期，化学家勒德贝格( j l e d e r b e r g ) 提出了一种可以根据输入 的质谱数据列出所有可能的分子结构的算法。在此之后，他与费根鲍姆等人一起 探讨了用规则表示知识建立系统，以便在更短时间内获得同样结果的可能性，终 于在1 9 6 8 年建成了这样的系统，这就是著名的d e n d r a l 专家系统，它的出现标 志着人工智能的一个新的研究领域一专家系统诞生了【3 1 。 在此之后，各种不同功能、不同类型的专家系统相继地建立起来。2 0 世纪7 0 年代中期，专家系统进人了成熟期，其观点逐渐被人们接受，并先后出现了一批 卓有成效的专家系统，其中较具代表性的有m y c i n ，p r o s p c t o r ，c a s n e t 等。 2 0 世纪8 0 年代以来，专家系统的研究领域不断扩大，尤其是近十年专家系统几乎 遍及所有可研究领域，l a r s s o n t 4 1 、p o w e rs y s t e mf a u l td i a g n o s i s 阁、d i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n sf a u l td i a g n o s i s t 6 1 、h y d r a u l i cs y s t e m s t 7 】及p o w e rs u b s t a t i o n i s 等等。 我国在专家系统的研制开发方面虽然起步较晚，但也取得了很好的成绩。“七 五”期间组织了2 6 个专家系统攻关项目，都取得了明显的经济效益及社会效益、 对推动专家系统与人工智能理论及技术的研究起到了重要作用。 专家系统是一种基于特定领域内大量知识与经验的智能程序系统，应用人工 智能技术模拟人类专家求解问题的思维过程解决领域内的各种问题，是人工智能 的一个重要分支。目前，专家系统已经广泛地应用于医疗诊断、图像处理、金融 决策、实时监控、分子遗传工程、教学、军事等多种领域中，己成为人工智能中 一个最活跃且最有成效的研究领域。 一般讲，专家系统具有如下一些基本特征【9 】： 具有专家水平的专f - j 矢n 识 专家系统是面向某一具体领域的，具有这一领域专家级水平的领域知识。 能进行有效的推理 必须具有相应的推理机构，能根据用户提供的已知事实，通过运用掌握的知 识，进行有效的推理，以实现对问题的求解。 具有获取知识的能力 必须具有知识获取的能力，一般是通过知识编辑器，知识工程师或领域专家 通过知识编辑器把领域知识输入到专家系统的知识库。 具有灵活性 一般都采用知泌库与推理机分离的构造原则，可以在系统运行时根据不同的 要求分别选取合适的知识构成不同的求解序列，实现对特定问题的求解。 具有透明性 专家系统一般都设置了解释机构，用丁向用户解释它的行为动机及得出的某 些答案的推理过程，可咀使用户能比较清楚地了解系统处理问题的过程及使用的 知识和方法，从而提高系统的可信程度。 具有交互性 可以与领域专家或知识工程师进行对话以获椒知识，同时可以通过与用户对 话以索取求解问题时所需的知识以及回答用户的询问。 具有实用性 专家系统是根据领域问题的实际需求开发的，这特点决定了它只有峰实的 应用背景。可以用于多种领域，取得巨大的经济效益及社会效益。 具有一定的复杂性及难度 专家系统需要根据实际情况进行调整，其复杂度和难度都是比较大的。 专家系统研究开发在实际运用中同样也具有极大的优越性： ( 1 ) 专家系统能够高效率、低消耗、准确、周密令面、迅速而不知疲倦地进行 工作，能避免人类专家在实际工作过程中难免会因疏忽、退忘、时间紧张或精神 疲倦等各种因素而可能产生的偏差和错误。 ( 2 ) 专家系统在解决实际问题时不受周围环境的影响。 ( 3 ) 专家系统可使人类专家的经验小再受时间和空问的限制而得以永久保留 并广为推广应用。 ( 4 ) 专家系统的丌发能使特定领域中多个专家的专业知识和解决问题的能力 得咀总结、综合、精练和发展。 1 4 故障树分析法与诊断专家系统之间的联系 从诊断专家系统和故障树的产生和作用来看，它们是有一定的联系的。故障 树是图形化的用于可靠性分析和故障诊断的系统故障模型，而诊断专家系统的任 树是图形化的用于可靠性分析和故障诊断的系统故障模型，而诊断专家系统的任 务是当系统失效时综合利用各种诊断信息，依据知识库中的知识，通过推理确定 系统的故障模式，找出故障源和故障原因，并给出排除故障的方法和建议。 另外，从知识获取的角度来看，故障树具有标准化的知识结构，若利用故障 树知识生成诊断专家系统知识库，则可以显示地表示诊断专家的问题求解策略， 因而可以极大地降低系统知识获取的难度。 实际上，故障树的顶事件是对应于专家系统要分析解决的任务，其底事件对 应于专家系统的推理结果，而故障树由顶到底的层次和逻辑关系对应于专家系统 的推理过程。我们可以把故障树同诊断专家系统的知识库通过割集联系起来：故 障树的一个割集是系统的一种失效模式，同时对应于知识库的一条规则；割集里 的基本事件是该失效模式的最基本原因，对应知识库中规则的结论( 故障源或故 障原因) ；从顶事件到割集的路径，是该割集区别于其它割集的中间条件，对应于 知识库中规则的前提。但是，在故障诊断过程中，简单的故障描述是不够的。为 此，要在知识库中增加一部分信息一故障现象的描述、故障的检测方式或方法、 诊断建议和维修对策等。其中故障现象的描述包括图形说明和文字描述两部分， 它们分别反映了故障树的一个故障模式和在该故障模式下系统表现出的故障现 象，这些都将是诊断专家系统进行推理的根据，它们构成了知识库规则的前件； 故障的检测方式或方法是属于故障的中间辅助描述部分，它给出了故障的检测方 法；诊断建议和维修对策是属于故障结论描述部分，它说明故障树事件对应的系 统故障以及故障的排除方法和建议，它们正是专家系统要推理的结果。 故障树分析法适合于专家系统知识库的建造，有以下几方面的原因： ( 1 ) 对于一个系统的描述，当其真实性与完整性一经核实，就能建造若干棵描 述系统性故障的故障树，这些树可为系统的描述所包含的知识和专家系统要用到 的知识库之间提供联系。 ( 2 ) 故障树分析法的主要概念是它能把一特定系统的知识转化成一用逻辑关 系表示的图形( 故障树) ，在故障树中一定数量的基本事件的组合可得出系统某些 不希望的或关键性的状态，也即故障树的顶事件、中间事件和底事件之间可以用 逻辑门( 与门和或门) 联系起来。 ( 3 ) 当专家知识可以用工程图形、运行规则、维护步骤以及试探规则等形式表 示时，用故障树分析法来建造知识库特别适合。 ( 4 ) 故障树的建造可以用手工方法，也可以借助于计算机程序，而故障树的自 动建造特别适合于专家系统知识库的知识获取，因为它可以把除了故障模式、故 障原因及逻辑关系以外的包括故障模式的文字说明、图形参考、检查方法及针对 具体故障原因的补偿措施等描述性知识添加到树的相应节点处，并且这些最终都 将是诊断知识库的不可缺少的组成部分。 通过运用故障树分析法对所建的故障树进行定性分析，再将化简后生成的实 用树用于专家知识库的建立，既能解决诊断知识获取的难题，又使得生成的知识 库尽可能地简化，降低冗余，便于推理的进行。 1 5 本文的工作 本论文主要工作内容如下： 1 深入分析研究诊断对象大连港m a x s p e e d 集装箱装卸桥的模拟驱动控制系 统j 本文首先对模拟驱动控制系统电路的特点进行了分析? 画出了系统控制原理 图并进行了较为详细的讲解，对重要的控制元件和电路结构作为重点进行了分析。 2 对该系统的模拟驱动电路进行了故障树分析。本文选取了一个重要的故障 事件作为顶事件，画出该故障事件的故障树图谱。 3 确定该集装箱装卸桥模拟驱动控制系统电路故障诊断系统的总体结构。 通过对诊断系统所研究的对象的深刻认识，结合实际情况，设计了故障诊断专家 系统的总体方案。 4 将所画出的故障树图谱变换为实用树，并生成该故障诊断专家系统的知识 库，保证了诊断知识的完整性、一致性，并较好地解决了知识获取的“瓶颈”问 题。 5 对该故障诊断专家系统进行了部分的编程。 第2 章m a x s p e e d 集装箱装卸桥驱动控制系统 m a x s p e e d 集装箱装卸桥是重要的港口装卸设备，在港口使用非常普遍，它 的驱动器引进美国g e 公司专利产品，是功能比较完善的大型复杂控制系统。针对 这样一个系统，管理人员如何对其科学管理、正确使用、维护维修，首先需要了 解驱动器的构造和功能。 m a x s p e e d 核心部件是该驱动器的控制器，它主要由以下单元组成：主控板 m c c ：用来实现发电机的励磁控制；磁场控制板m f c ：用来实现电动机的励磁控 制；接口板i f c ：是控制器与外部的接口，用来得到各种控制信号；电源板p s c ： 用于向印制板提供直流工作电源。主起升电气控制系统，还包括电机磁场编程器： 它由主起升编程板h p c 、下降编程板l p c 等组成。编程器的主要目的是控制磁场 电流作为电枢电流的一个函数，以得到恒功率特性。 m a x s p e e d 集装箱装卸桥驱动器电气传动采用g m 驱动系统。通过晶| 、甲j 管 可控整流控制直流发电机的励磁：在电动机基速以下实现恒转距调速；在电动机 基速以上实现恒功率调速。 2 1 发电机励磁控制系统 图2 1 发电机磁场控制系统 f i g 2 1t h ec o n t r o ls y s t e mo fg e n e r a t o r se x c i t a t i o n 系统采用电势、电流双闭环调速系统，通过发电机励磁的变化，改变发电机 的电压，使电动机两端电压改变，从而实现电动机的调速( 图2 1 ) 。 1 给定指令单元 操作手柄的移动变化通过回转变压器输出了相应变化的交流电压信号，交流 电压信号通过参考板r e f 的识别电路转变为极性可改变的直流电压信号。识别电 路由二极管整流电路和参考电位器( m a xn e g ，m a xp o s ) 组成。得到的直流 电压信号作为系统调速给定信号s r ，然后信号s r 输入主控板m c c 。 2 积分单元 此单元由两级运放组成。第一级反向端接给定输入信号s r ，同向端接第二级 运放的输出端，采用差动输入方式。第二级为积分器。 此单元将速度信号( 电势信号) 进行积分，控制系统的过渡过程，控制运动 的加速度，保证启动和制动平稳。电位器l i nt i m 和a u xt i m 可用来调节时间参数。 积分单元输出t r 信号。 3 电势形成器 发电机发出的电压经过分流器接到运行电动机的两端，分流器会对电压进行 采样，采样得到电流信号i n 、i p 输入接口板i f c ，同时发电机发出的电压( d c p 、 d c n ) 也并联进入接口板。 两组电压进入接口板后，d c p 、d c n 信号通过隔离电路( 由隔离电阻、滤波 电路、减法电路组成) 得到电压反馈信号v f b 。i n 、i p 信号通过隔离电路( 由隔 离电阻、变压器电路、振荡电路、放大器电路组成) 得到电枢电流信号c f b 。 这两组信号分别输入主控板的对应点，经过减法器得到反电动势信号c e m f 。 调节电位计c o m p 可调节比例系数k 。公式为： c e m f v f b k c f b 得到反电动势后将信号输出主控板输入接口板，经过调整电路后再次输入主 控板，经过放大电路后得到系统反馈信号s f b ( 不同于转速反馈信号s f b ) 。 v f b c f b 图2 2 电势形成器电路 f i g 2 2p o t e n t i a lg e n e r a t o r 4 电势调节器( 带电枢电流正反馈) 由两级运放组成。第一级作用是将从电势形成器得到的s f b 信号和积分单元 所得到的t r 信号进行比较、放大。第二级的作用是将电枢电流限幅电路加入，然 后进行比例积分，得到d r 信号。 电枢电流限幅电流是根据系统工作速度范围，设定限幅极值，控制其输出信 号的幅值。c f b 信号和经过不同电流限制电位器得到的不同电压信号进行比较、 积分，得到c l f 、c l r 信号，然后加入第二级放大器的输入端。其中，c u r u m 调节主提升、小车电流限制；a u m 调节俯仰正常操作电流限制；b u m 调节大 车行走、俯仰堵塞方式电流限制。 5 电流调节器 在发电机磁场电流互感器f c t 、r c t 中感应到得到信号值加到m c c 板的 f c l 、f c 2 ，r c l 、r c 2 上。然后经过符号变换电路( 相当于取绝对值电路) ，用作 电流负反馈和d r 信号进行比较、比例积分，得到两组信号进入触发器电路。 2 2 电动机励磁控制系统 电动机的励磁控制是一个带电势环和励磁电流反馈环的双环调节系统。( 图 2 3 ) 图2 3电动机励磁控制调速 f i g 2 2t h ec o n t r o ls y s t e mo fm o t o r se x c i t a t i o n 1 电动势电路 电动势电路的反电动势信号( c e m f ) 由上述的m c c 板中的电势形成器引出， 然后进入绝对值电路，得到c e m f 的绝对值。 2 交点调节电位器电路 交点调节电位器所得到的参考值和电动势电路输出的信号、交点调节信号 c r m 进行比较。调节c r o s s o v e r 电位器可进行调节调节点。 3 交点调节信号c r m 交点调节信号是由磁场编程器所控制，产生励磁电流的给定值，以确保系统在 基速以下保持满磁，在基速以上实现弱磁升速，且弱磁升速段按负荷比例进行调 速。 交点调节电位器电路和交点调节信号确定了允许弱磁调速的调节点( 从恒转 距调速到恒功率调速的调节点) 。 4 电动势调节电路 采用电动势调节器是来提供励磁电流给定信号是自动实现电枢电压于励磁的 配合控制所需要的，因为直流电动机感应电动势的规律是e = k 。辔。，当磁通m 减 弱而转速1 1 上升时，反电动势e 应该维持不变，并且采用p i 型的电动势调节器能 甲 保证电动势无静差的控制要求。 当c e m f 的绝对值大于交点调节电位器所设定参考值和c r m 信号值时，就可 以进行弱磁调速；如果绝对值小于交点调节参考值和c r m 值时，就会使电动势调 节电路直处于饱和状态，相当于电动势开环，电动势调节器的输出电压一真保 持在变换器所限定的限幅值以内，通过电流调节器的调节作用，保证额定的励磁 电流不变为最大磁场电流。这样，在基速以下就完全靠发电机磁场控制系统调节 电动机的电枢电压控制转速。 在基速以上，如果是满载运行，情况与上述相同。 在基速以上，如果是小负荷或者是空载运行，当转速上升到设定的转速值时， 电动势反馈信号就会超过交点调节电位器所设定的值和c r m 值，使电势调节器推 出饱和、输出一个正值。电势调节器所输出的正值会减弱励磁电流调节器的输入 值( 因为变换器所输出的是一个负值) ，然后通过励磁电流调节器实现弱磁调速。 在弱磁调速区域内，给定的转速信号高于额定转速所对应的反馈信号，只要实际 的转速还没有达到给定值，电枢电压就仍然处于设定的最大值，这时，电动势信 号就企图上升，经过电势调节器、励磁电流调节器使励磁电流继续减小，使转速 继续升高，直到达到指定的转速信号值为止，达到所需要的转速稳定运行。稳态 时，反电动势维持恒定。这样，在基速以上，控制发电机励磁的电势调节器仍然 起到调节作用，控制发电机励磁的电流调节器的输出限幅值限制了最大电枢电压， 由于反电动势维持恒定，而电流受到电流调节器的调节，尽管转速在上升，电枢 电压却不会再升高。电动机的电势调节器和励磁电流调节器则在维持反电动势不 变的条件下控制励磁电流。 5 励磁电流调节器 励磁电流调节器同样是一个p i 调节器。它接受从变换器得到的信号后依据减 少电机磁场发热影响可选择几种电机磁场电流，电位器f m a x 可调整最大电机励 磁电流。跳线q a 、q b 、p r 和p j 可用来调整磁场反映、励磁电流的稳定性，和 当在不变的马力范围内电机的控制环参数。然后得到的信号和电动势调节电路的 输出信号进行比例积分。比例积分后的值进入触发器电路得到控制信号，控制品 闸管整流电路输出电动机励磁电流。 2 3 发电机励磁主电路 发电机励磁回路主电路由单向双半波全控可逆整流装置供电，如图2 4 所示。 c 2r 2 一一忙。：一、 f u l 2 f f c t 广一一 口 1 ，一r f +卜 ? 1 r c t2 r n 一千卜一卡： 。 r c t 1r 2 f u 2 。1ff c t 、 r r t 一 n 1 ，_ f 十一。 c 1 r 2 r s l 一一j 一 ：二二卜一 。一ig f 图2 4 发电机励磁主回路 f i g 2 4t h ec o n t r o lc i r c u i to fg e n e r a t o r se x c i t a t i o n 图中：r s l 、r s 2 为同步电压；1 f 、2 f 为正向整流晶闸管；1 r 、2 r 为反向整 流晶闸管；r c t 为正向励磁电流检测电感器；f c t 为反向励磁电流检测电感器； p t 为变压器g p t 的付边：g f 为发电机的励磁线圈；f u l 、f u 2 为熔断器。 单向双半波整流电压波形如下图所示。其中信号s x 波形滞后同步波1 5 0 度， 它经过同步电路得到控制信号s y n c 。控制信号s y n c 为正，才允许晶闸管触发 导通，否则晶闸管截止。 由于负载为发电机励磁绕组，可视为大电感负载，其电流是一条水平线。整流 电压平均值为： u 卯= 妻r 痂s i n 删以+ f ”4 - 2 v ：。s t n ( 甜一万p 耐= 等u c o s 口 口为触发控制角，u 为变压器g p t 付边电压有效值。触发控制角口的移相范 围为0 度一1 5 0 度。 s j j ，弋、： ： ；、!； 0 万u 刀 7 号一 l ii i 们l。 u 2 尼 、。 盯 言粤 il 矗 i 2 石 t _u j l t 。 g f ，- r ， ，弋 ， fil ， ， 0万 r ，12 万 - 4 一 、一- u 2 。 一 口tgt 图2 5 电压波形图 f i g 2 5v o l t a g eu n d e eo fg e n e r a t o r se x c i t a t i o n 2 4 电动机励磁主回路 电动机励磁回路采用三相单晶闸管整流电路供电，具体电路如下： a b c 图2 6 电动机励磁主回路 f i g 2 6t h ec o n t r o lc i r c u i to fm o t o r se x c i t a t i o n f 1 f 2 晶闸管s c r l 触发脉冲移相范围为( o 万) ，控制线路确保在( 万h ) 区间不允许晶闸管触发。从波形图上可以看到触发控制角a 在( o 万) 范围内， 流过晶闸管有两个线电压波头u 爿c 和u 丑c ，而当詈巧 口 吾兀时，只有一个波头 u 口c 。因此应该分段求解电压平均值 当口在( o 刀) 范围内时， = 去陋”而一n 蒯耐+ 9 4 3 1 r 而一n ( 耐7 1 胁卜面u l ( 2 + c o s a ) 5 去扩而一n 蒯耐+ g 而一啦一j 州卟= 瓦( ) 其中，u a c 4 - 2 u 工s i n 耐，u 曰c = 函s i n ( 积一詈) ，u 为线电压有效值。 当三，r 口 ”、“ l o v ) t h e n ( m f c 板输出的s y s 信号为高电平) ； 槽名2 为诊断规则库，对应的一组规则为： i f ( m f c 板输出的s y s 信号为高电平) t h e n ( f f 点信号值为高电平) o rt f 点 信号值为高电平； 框架名：f f 点信号值为高电平( k 1 1 ) 槽名1 ：报警规则库( k 1 1 ) 槽名2 ：诊断规则库( k 1 1 ) 框架名：t f 点信号值为高电平( k 1 2 ) 槽名1 ：报警规则库( k 1 2 ) 槽名2 ：诊断规则库( k 1 2 ) 框架名：放大器 o a l 0 3 正向输 入端电位过高 ( k l l l ) 槽名1 ：报警规 则库( k l l l l 槽名2 ：诊断规 则库( k l l l ) 框架名：放大器 o a l 0 3 反向输 入端电位过低 ( k 1 1 2 ) 槽名1 ：报警规 则库( k 1 1 2 ) 槽名2 ：诊断规 则库( k 1 1 2 ) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ - 一 i i 框架名：电机磁 场反馈信号低于 失磁设定值 ( k 1 1 3 ) 槽名1 ：报警规 则库( k 1 1 3 ) 槽名2 ：诊断规 则库( k 1 1 3 1 图4 3 知识表示与组织 f i g 4 3e x p r e s s i o na n df r a m e w o r ko fk n o w l e d g e 由此故障树根结点和叶结点之间的联系就很清晰地表达出来了，然后，根据 不同的规则，位于上层树的叶结点分别进入下层不同的细化的树。这样，整个知 识库的知识就能用计算机语言进行编程并输入计算机，最后建立起计算机专家系 统的知识库。 4 4 诊断推理功能的设计m m 2 2 3 诊断推理模块是诊断专家系统推理的核心，主要包括推理机、解释机构和动 态数据库。 4 5 4 4 1 推理机 推理机是诊断推理模块的核心，它是诊断系统的组织控制机构。其任务是根 据当前输入的信息数据( 故障特征或系统状态等) ，利用知识库的知识、按一定的推 理策略进行推理分析，解决用户对系统提出的特定要求( 如故障部位和处理方法 等) ，完成由故障类型或模式寻找故障原因的过程。 4 4 1 1 推理方式 推理方式分为精确推理和不精确推理两种。 a ) 精确推理 所谓精确推理就是把领域知识表示为必然的因果关系，推理的前提和推理的 结论或者是肯定的，或者是否定的，不存在第三中可能。在这种推理中，一条规 则被激活的条件是它的所有前提都必须为真。 b ) 不精确推理 由于在现实实际中，事物的特征并不总是表现出明显的是与非，同时还可能 存在着其它原因，如概念模糊，知识本身存在着可信度问题等，因而使得在专家 系统中往往要使用不精确推理方法。不精确推理要比精确推理复杂的多。 常用的不精确推理模型有：确定性理论、主观b a y e s 法、可能性理论、证据 理论和模糊逻辑。 因为系统的知识库是在已经完成的集装箱装卸桥驱动器模拟电路故障树基础 上建立起来的，建立故障树时所采用推理参考值较为确定( 在控制系统中有许多 故障监测点可以采集所需信息，并且信息多为电压是否为高低电位，使用这些信 息进行推理时，事实与结论有较为确定的因果关系) ，所以故障诊断专家系统主要 采用精确推理的处理方法解决电路状态与故障的关系。 4 4 1 2 冲突消解策略 专家系统的推理机在进行匹配操作时，会出现两种可能的结果： 只有一条规则匹配成功，这是最为理想的情形，余下的事情只需验证这条规 则的其它前提是否成立，若都成立，则这条规则最终被“激活”。没有一条规则匹 配成功，造成这种情形的原因有多种，可能是由于在前面执行问题求解过程时选 择的路径不对，因而需要重新回溯，也有可能是因为知识库中的知识不全没有包 含目前这一种情形等原因。 第二种情形是有两条以上的规则匹配成功，成为竞选规则。这时需要建立一 种原则，对这些规则进行排序，以选取其中一条来执行，这一过程被称为问题求 解过程( 或冲突消解过程) ，所建立的原则称为问题求解策略( 或冲突消解策略) 。 研究专家系统中的问题求解方法是人工智能的重要课题之一。问题求解的目 标是寻找最好的搜索技术，它能生成一条有效的解题途径。搜索策略分为两大类： 盲目搜索和启发式搜索。盲目搜索又称为弱搜索，这类搜索方法不使用智能决策。 在搜索过程中不需要前后相关的或有关问题域的专门信息。如果盲目搜索是在一 个大的状态空间中进行，届时的开销将很大。在多条可用知识中选用一条知识的 过程称之为冲突消解。或者表述为：在问题求解的每一状态下，被数据库匹配的 触发产生式可能不止一条，需要推理机采用合适的控制算法以决定哪一条触发产 生式的启用，这个过程称为冲突消解。 一般说来，在问题求解的每一个中间状态，可用知识不止一条，推理机能否 有效地选择这些知识，以使得问题求解的路径最短或效率最高，是推理机设计的 一个关键任务。因此，效率问题是衡量专家系统的一个重要指标。这个指标一定 程度上取决于冲突消解策略的有效与否。在实用上，采用一些简单的、直观的冲 突消解策略，或者辅以各种启发信息组合使用这些简单的策略。简单的冲突消解 策略是将多条可用知识进行优先级排序，排序策略有很多种，主要有：专一性排 序；知识次序排序；数据排序：规模排序；就近排序；上下文限制和数据冗余限 制等。 启发式搜索需要分析问题域的专门信息( 即启发式知识) ，并因此而缩小了搜 索空间。这些前后相关的信息或有关问题域的信息用于： 1 ) 确定下一步搜索那一条路径； 2 ) 确定后续搜索路径( 节点) ； 3 1 将全部搜索空间中的部分节点标上无需搜索的记号。 本专家系统的失效分析故障树是以最小割集为基础的，最小割集描绘了处于 故障状态的所必须的基本故障，而它们之间可以用逻辑门“a n d ”或者“o r ”来建 立，因此在基于故障树的推理机制中，问题的求解过程或状态空间自然地可以用 一个与或树来表示，即采用与或树的启发式搜索策略。 4 4 1 3 推理过程的控制策略 通过故障树的建立，根据规则的特征和解释专家使用规则的过程，用未知的 候选结构作为根结点，反复用规则作用于非终结点而形成了记载过程的推理树， 将这种推理树用于专家系统的推理机制中，就能使计算机模仿人类专家分析和解 决问题。专家系统的推理机包括推理控制策略和推理方法两部分，它是整个专家 系统处理问题的核心模块。 冲突消解策略解决在可用知识中选择一条知识的搜索，推理过程的控制策略 主要解决整个问题求解过程的知识选择和应用顺序。推理过程的控制策略有三种： 正向( 或向前) 推理( f o r w a r dc h a i n i n g ) 、反向( 或向后) 推理( b a c k w a r dc h a i n i n g ) 及正反向混合推理( f o r w a r da n db a c k w a r dc h a i n i n g ) 。 a ) 正向推理策略。正向推理策略又称数据驱动控制策略，其基本思想是：从问 题已有的信息( 事实) 开始，正向使用规则，当规则的前件被己有的事实匹配时， 该规则即为可用规则，然后通过冲突消解，在可用规则中选择一条启用规则，启 用规则后件的使用又导致上下文的改变，从而引起新规则的匹配；如此地循环往 复；直到到达一个问题状态没有可用规则或求得了所要求的解为止。 b ) 反向推理控制策略。反向推理控制策略又称为目标驱动的控制策略。其基 本思想：先假设一个目标，然后在知识库中找出那些其后件部分可能导致这个目 标为真的规则集，再检查规则集中每条规则的前件部分，如果每条规则的前件部 分中所含有的各条件项均能通过用户的会话得到满足：或者能被用户己经提供的 当前数据库所匹配，则把规则的结论部分加到当前数据库中，从而该目标被证明。 否则把规则的条件项作为新的子目标，递归执行上述过程，直到各“与”关系的 子目标全部或“或”关系的子目标中有一个出现在上下文中时，目标被求解，也 即这个假设目标为真；或者直到子目标不能进一步分解而且上下文不能实现上述 满足时，这个先假设的目标为假，系统此时需要重新假设新的目标。 c ) 正反混合推理控制策略。正向推理控制策略和反向推理控制策略各有其优 缺点，混合推理控制策略的基本思想就是在于综合两者的优点，摒弃其各自的不 足。具体做法：先通过数据驱动帮助选择初始目标，然后通过目标驱动求解这个 目标，这样既可以避免反向推理控制策略中初始目标选择的盲目性；也克服了正 向推理控制策略的盲目性，从而两种驱动本身得到了相互补充。双向推理集中了 正向推理和反向推理的优点，还能压缩搜索空间，提高搜索效率，但其控制策略 远较前两者复杂。 图4 4 正向推理图 f i g 4 4f i go ff o r w a r dc h a i n i n g 集装箱装卸桥模拟驱动控制器故障诊断专家系统在推理的总体结构上采用了 基于产生式规则的正向推理方式。即在区分装卸桥工况的前提下，采用事实驱动 方式，系统根据提供的驱动控制器模拟电路检测点状态信息与规则库中的规则的 前提条件进行匹配，若匹配成功，则将该知识块的结论作为中间结果，利用这个 中间结果继续与知识库中的规则进行匹配，直到得出电路中的故障源。 本装卸桥失效分析诊断专家系统采用的是正向推理，即从已知的事实出发， 逐步推导出最后结论。其推理过程如下： ( 1 ) 用工作存储器中的事实与产生式规则的前提条件进行匹配； ( 2 ) 按冲突消解策略从匹配的规则实例中选择一条规则； ( 3 ) 执行选中规则的动作，依次修改工作存储器； ( 4 ) 用更新后的工作存储器，重复上述几步工作，直到得出结论或工作存储 器不再发生变化为止。 4 4 2 解释机构 完善的诊断专家系统要能够对自己的行为做出解释，回答用户提出的“结论 如何得出的? ”等问题，这是专家系统区别于一般程序的重要特征之一，也是它取 信于用户的一个重要措施。另外，通过对自身的推理过程的解释还可以帮助系统 的开发者发现推理机及知识库中的错误，有助于对系统的调试与维护。 在专家系统的组成部分中，它不是一个必不可少的部分，但它是实现系统透 明性的主要部件，是一个专家系统区别于其它计算机程序系统的一个重要特征。 对于一个完善的专家系统来说，不仅要求它能够以专家级的水平去解决问题，而 且还要求它能对问题的求解过程和求解结果给出合理的解释。只有这样，系统给 出的结论才是令人信服的，专家系统才是有效的。 总之，解释程序为用户提供了关于系统的一个认识窗口，使用户理解程序正 在做什么和为什么这样做以及为什么得出这样的结论。专家系统之所以受到人们 的欢迎，且能够蓬勃地发展起来，同它有理智的解释是分不开的。 在设计一个解释程序时，应注意以下几方面： 1 ) 能够对专家系统知识库中所具有的每一种