（机械电子工程专业论文）电控自动变速器的故障诊断.pdf

摘要 随着汽车工业的发展，对汽车的要求越来越高。各种先进的技术也应用于汽 车中，其中之一就是故障诊断技术。故障诊断技术提高了汽车的安全性和稳定性， 对于保护人身安全具有非常重要的意义。本文的内容就是将先进的故障诊断技术 应用于重型汽车的电控自动变速器，从而达到将重型汽车电控自动变速器的故障 诊断技术提高到一个新的层次。 本课题是和中国重型汽车集团有限公司技术发展中心共同申请的济南市重大 课题中的一部分。主要是针对重型汽车自动变速器建立故障诊断系统，设计出硬 件结构并写出故障诊断程序。 本文首先对故障诊断方法及汽车故障诊断的发展趋势做了扼要的说明。接着， 简略的介绍了故障诊断系统。a m t 系统的故障诊断技术是建立在对整个系统的结 构和功能充分理解之上的。本文对重型汽车的电控自动变速器的故障进行了详细 的分析和分类。搞清了故障原因、故障现象及其相互之间的关系并简单的讨论了 汽车故障的处理办法和应急措施。 本文根据对故障的分析和需要采集的数据设计了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的a m t 故障诊断的硬件系统。并根据需要对t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 进行了扩展。确定了所需要 的各种器件及其型号，并画出了各部分的电路原理图。 本文还设计了下位机的软件体系结构，并完成了u c o s - i i 到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的移植。本文设计了u s b 通讯的软件流程。选择了神经网络作为故障诊断原理， 并将b p 神经网络原理实践化，得出了应用于汽车电控自动变速器的故障诊断系统 的具体的过程和结构，并编写了应用程序。这样，就可以由故障现象得到故障原 因，用于指导汽车的维修工作。最后，用设计好的故障诊断系统进行了实验，结 果证明这个系统是正确有效的。 关键词：自动变速器故障诊断t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 神经网络 a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h er e q u i r e m e n t sf o ra u t o m o b i l e h a v eb e c o m em o r ea n dm o r ee x i g e n t f a u l td i a g n o s i si sa m o n gt h ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e sw h i c hi sa p p l i e dt oa u t o m o b i l e s f a u l td i a g n o s i si m p r o v e st h es a f e t ya n d s t a b i l i t yo fa u t o m o b i l e sa n dh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h es a f e t yo fp e o p l e t h ec o n t e n t o ft h i sp a p e ri st h ea p p l yo fa d v a n c e df a u l td i a g n o s i st ot h ee l e c t r i c c o n t r o la u t o m a t i c t r a n s m i s s i o no fh e a v y - d u t ya u t o m o b i l ei no r d e rt oi m p r o v et h ef a u l td i a g n o s i s t e c h n o l o g yo f e l e c t r i c c o n t r o la u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nt oan e wl e v e l t l i st a s ki so n ep a r to ft h ei m p o r t a n tt a s kw h i c hi sa p p l i e db yt h et e c h n o l o g i c a l c e n t e ro fd e v e l o p m e n to fc h i n an a t i o n a lh e a v yd u t yt r u c kg r o u pc o ，l t d ( c n i - i t c ) a n dr e s e a r c hc e n t e ro fn c ( n u m e r i c a lc o n 打0 1 ) n 圮m a i no b j e c ti st od e s i g nt h e h a r d w a r es y s t e ma n dt 0w r i t et h ea p p l i e dp r o g r a m a tf i r s t , t h em e a n sa n dt r e n do ff a u hd i a g n o s i sa r ee x p l a i n e dt ot h ep o i n t 1 1 壕r ga s u m m a r yi sg i v e na b e u tt h es y s t e mo ff a u l td i a g n o s i s t h ef a u l td i a g n o s i si sb a s e do n t h o r o u g hu n d e r s t a n d i n go ft h ew h o l es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h es y s t e m o nt h eb a s i s o ft h o r o u g hu n d e r s t a n d h a go fa m to fh e a v y - d u t ya u t o m o b i l e t h ef a u l t so fa mi s e x p l a i n e da n dc l a s s i f i e di nd e t a i l n 砖s y m p t o m so f f a u l t sa n dc a u s e so f f a u l t sa sw e l la s ： t h e i rr e l a t i o n s h i pa r ea l s ok n o w n n 峙w a yt od e a lw i t hf a u l t sa n dt h em e a s u r em e e t i n g a la ne m e r g e n c ya r ea l s os i m p l yd i s c u s s e d ， n 坨h a r d w a r es y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h ef a u l te x p l a i n e da n dt h ed a t a r e q u i r e d t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec o u r s eo ff a u l td i a g n o s i so fa m ta n dt h es e n s o r sa s w e l la ss i g n a l sr e q u i r e d t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i s e x p a n d e da c c o r d i n g t ot h en e e d s c o m p o n e n t so f h a r d w a r es y s t e ma n dt h e i rt y p ea r ec o n f m n e d t h ec i r c u i td i a g r a m sa r e a l s og i v e n t l l i sp a p e rd e s i g n e dt h es t r u c t u r eo fs o f t w a r ei nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 0 t h e t r a n s d l a n t a t i o no f u c 0 s - i it ot m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i sa l s oe x p l a i n e di np a r t i c u l a r 1 _ l l ef l o w o fs o t w a r eo fu s bi ss h o w e d i nt h i sp a p e r , n e u r a ln e t w o r k si sc h o s e nt or l e a l i z et h e f a u l td i a g n o s i so fa m t t h e s et w ot h e o r i e sa r ep u ti n t op r a c t i c e n 塘c o u r s eo ff a u l t d i a g n o s i so fa m 盯u s i n gb pn e u r a ln e t w o r k si sr e a l i z e d 1 1 圮p r a c t i c a lp r o g r a mi sa l s o w r i t t e n s ow ec a ng e tt h ec a u s e so f f a u l t sb yt h es y m p t o m so f f a u l t st og u i d em e n d so f a u t o m o b i l e a ti a s tw ed os o m ee x p e r i m e n t sa n di tt u r n so u tt h a tt h es 3 ，s t e mo ff a u l t s d i a g n o s i si sc o r r e c ta n de r i e e t i v e k e yw o r d s ：a m t f a u l td i a g n o s i s ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，n e u r a ln e t w o r k s l l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者繇和砖日期：2 q q 5 生生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：立壹塞重导师签名：冱弛期：2 q q 生垒 第1 章绪论 1 1 本课题的背景和意义 自汽车诞生以来，行驶速度的改变一直依靠机械式变速器，也就是用手操纵 变速杆换挡变速，其主要优点是：结构简单、制造容易、工作可靠、价格低廉、 重量轻等。但其存在以下缺点：采用人力换挡，换挡时动力要中断；传动系受到 附加冲击力，动载荷大，使得发动机及传动系零件的使用寿命降低；行驶工况复 杂，致使换档频繁，增加了驾驶者的疲劳强度；频繁的换档致使离合器摩擦片寿 命大大降低，增加了停车维修的时间，从而降低了生产率。 由于传统机械式变速器的种种缺点，使人们开始追求其它类别的变速器，因 而传动系变速的自动化成为目前车辆向前发展的高级阶段，是当今急待开发与推 广的更为核心和重要的技术。目前的自动变速器主要有a t 、c 和a m t ( 电控 机械式自动变速器) 三类。其中a t 和c v t 这两种变速器的传动的效率很低，而 a m t 基本不需改变机械式变速器本体，并且同时具有传统传动系结构简单、制造 容易、工作可靠、价格低廉、重量轻等优点。自动变速器能减轻驾驶员疲劳强度， 有良好动力性和燃油经济性，低污染等优点。所以，自动变速器开始向a m t 技术 发展。a m t 是在传动固定轴式变速器和干式离舍器的基础上，应用电子技术和自 动变速理论，以电子控制单元( e c u ) 为核心，通过执行机构控制离合器的分离 与接合、选换挡操作以及发动机油门的调节，来实现起步，换挡的自动控制技术 随着高速公路的发展，市场对重型汽车的需求越来越大。我国重型汽车面临 日益强烈的市场竞争，正在全面提高企业核心竞争力，开展质量提升工程、提高 产品的质量与档次从用户需求和销售情况来看，市场对功率在3 0 0 马力以上的 卡车及特种专用汽车的需求正在不断扩大。但是目前，重汽自动变速器只能靠进 口，一台4 0 多万元，比s y r e r 整车还贵客观上急切需要低价位的自动变速器。 自动变速器要求有配套的完整的故障诊断系统，才能使自动变速器能够正常的运 行，并及时的发现和排除故障，避免造成更大的事故和损失。汽车故障诊断技术 在国外已经有很长的发长时间。许多进口车都带有完善的故障诊断系统。可以这 么说，国外汽车故障诊断系统已经发展到了相对成熟的地步，尤其是高速度处理 器的使用使故障诊断有了突飞猛进。但是，在我国，起步的时间还不长，与国外 的差距还很大，虽然研制出了一些故障诊断系统，但都不够完善，也没有真正的 投入到使用当中所以，诊断策略研究与故障诊断专家系统的建立及其应用可以 真正实现故障诊断及控制的智能化以及实时性。有助于减少交通事故。并能有力 的促进我国汽车故障诊断系统的发展，同时在一定程度上促进我国汽车工业的发 展，提高国产汽车的技术水平，使我国汽车工业逐步走出国家扶持，走向充满竞 争的国际大舞台。 1 2a m t 的发展和现状 1 2 1 发展a m t 的背景 自第一辆汽车诞生以来，汽车的发展已经经历了百余年。其各总成结构和性 能较早期的汽车都有了很大的突破和改进。近几十年来，电子技术的迅猛发展， 产品不断更新换代，性能价格比不断提高，为汽车的自动化提供了雄厚的物质基 础。同时自动控制理论也在飞速提高，从传递函数法到复杂的状态空间法；从模 糊控制、专家系统到神经网络控制。这些在汽车传动系统的发展占有非常重要的地 位。长期以来，传动系的操纵在汽车驾驶中占有很大比重。据交通部统计，在交 通负荷大的市区中，汽车每行使1 0 0 公里，驾驶员要换挡4 0 0 6 0 0 次，平均每分 钟驾驶员要连续完成2 0 3 0 个手脚协调动作。如此繁重的操作，加之大量非熟练 驾驶员的出现，使传动系的自动化成为改善汽车结构主要方向之一。因此世界汽 车生产大国自三十年代开始就不遗余力地对此进行研究并提出许多方案。其中液 力机械式自动变速器( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n 简称a t ) 的发展和应用尤为迅猛。 经过几十年的发展，今日的a t 生产已形成系列化和专业化【”a t 以优越的动力 性能、乘坐舒适性和简便操作，在汽车工业中占据相当重要的地位。在美国a t 的 装车率达9 5 以上。尽管a t 的应用如此广泛，但与手动机械式变速器相比，其结 构复杂，制造精度要求高，成本高，传动效率低。所以电子控制机械式自动变速 器( a m t ) 技术开始发展i j j 。 1 2 2 a m t 原理 电控机械式自动变速器以其传动效率高、成本低和易于制造等优点在自动变 速器家族占有重要的位置。它是在传动固定轴式变速器和干式离合器的基础上， 应用电子技术和自动变速理论，以电子控制单元( e c u ) 为核心，通过执行机构 控制离合器的分离与接合、选换挡操作以及发动机油门的调节，来实现起步、换 挡的自动控制。a m t 控制的基本思想是：根据驾驶员的意图( 加速踏板、制动踏 板、选择器开关等) 和车辆的状态( 发动机转速、输入轴转速，车速、挡位) ，依 据设定的规律( 换挡规律。离合器接合规律等) ，借助相应的执行机构( 油门控制 执行机构、选换挡执行机构、离合器分离和接合执行机构) ，对车辆的动力传动系 统( 发动机、离合器、变速器) 进行联合控制1 6 j 【7 j 1 2 3a m t 的发展过程 a m t 的研究从2 0 世纪7 0 年代中期开始，其发展经历了半自动化阶段，全自 动化阶段，现正在向智能化方向迈进。 半自动化阶段( s a m t ) 机械式自动变速器的电控自动化始于七十年代中期，瑞典的斯堪尼亚 ( s c a n i a ) c a g 系统和德国d a m l e r b e n z 的e p s 1 i 系统均采用了半自动操纵方式， 使得换挡动作实现了自动化，由电子控制的气动系统实现换挡，而换挡时刻由驾 驶员踩离合器踏板来确定。电子显示器可提示驾驶员何时为最佳换挡时刻。美国 伊顿( e a t o n ) 公司的半自动机械变速器( s a m t ) 系统则更进一步将换挡时刻 的离合器和发动机油门的控制纳入系统中，只需驾驶员通过简单的开关向微机发 出升挡与降挡信号，系统便能自动的完成所有换挡动作该系统还利用变速器输 入输出轴的转速传感器保证只有同步后才能换挡。在同一时期，白俄罗斯工学院 也开展了这方面的研究工作，其自动变速系统比e a t o n 的s a m t 系统更先进，采 用二参数换挡规律由控制系统完成选择挡位和换挡时机的工作，并可像驾驶员手 动操纵那样，利用发动机的调速实现换挡的同步但是它们在起步时仍然不能取 消离合器踏板，起步和换挡时离合器的自动控制没有得到解决。 全自动化阶段 世界上第一台全自动电控机械式变速器n a v i 5 是五十铃公司1 9 8 4 年投放市 场的同时期出现的还有：日本n i s s a n 、h i n o ，美国e a t o n 的全自动变速系统。1 9 8 8 年德国z f 公司将其a u t o n s h i f l 系统装车使用。此后，美国福特( f o r d ) 公司， 法国的雷诺( r e n a u l t ) 公司，意大利的菲亚特( f i a t ) 都相继开发了这种变速 器。2 0 0 0 年德国大众的装用a m t 的l o p u 车投放市场，受到热烈欢迎。全自动 越盯已经进入产品化和实用化阶段。 智能a m t 阶段 随着各种自动变速器使用中问题的出现和人们对车辆性能要求的不断提高， 人们引入了各种最新的监测、控制技术以改善自动变速器的性能，使挡位决策和 换挡控制对路面环境、使用者、使用者意图具有适应性由于自动换挡规律和起 步时都受到环境、驾驶员的驾驶水平和车况等因素的影响，日本的五十铃( i s u z u ) 、 尼桑( n i s s a n ) 等开始采用模糊推理的智能化方法进行此方面的研究，包括模糊 换挡策略和离合器结合速度的模糊控制。智能化使得车辆在复杂多不变的工作条 件下，采用正确措施使换挡规律、换挡品质、起步与变速性能进一步提高 目前a m t 在载货汽车上的应用也越来越广泛。i v e c o 的s t r a l s 牵引车装用 了z f 的1 6 挡e u r ou o n i c 自动变速器。m a n 的t o - a ( 5 1 9 h p ) 牵引车装用了t i p m a t i c 1 2 挡自动变速器：v o l v o 公司在f m 和f h 系列载货车上均装用了自行研制的。i ” 型i - s h i f i 自动变速器。s c a n i a 的p l l 4 g a 牵引车装用了该公司自行研制的o p t i c r u i 辩 1 2 挡自动变速器。m e r c e d e s 的a c 廿o s 牵引车和自卸车系列均采用了e a s1 2 挡或 1 6 挡自动变速器。除上述5 家外，d a f 的d a f l f 也已经完成自动变速器的匹配 实验。i l l 】 我国a m t 研制工作起步较晚，“九五”期间，a m t 的开发研制和产品化被列 入国家九五科技攻关项目，目前开展这方面工作的有上海交通大学、吉林大学、 北京理工大学、重庆医疗机械工业公司等。鉴于a m t 发展的趋势，我国的研究超 越了半自动化变速器的阶段，直接进入到全自动a m t 的研制。吉林大学研究的2 参数最佳换挡规律、动态3 参数换挡规律、离合器最佳接合规律等换挡和起步规 律、最佳同步换挡控制、动态闭环换挡控制、离合器模糊起步控制等处于世界先 进水平吉林大学，重庆东方鸥翔电子有限公司、北京理工大学，大连锦华汽车 传动技术公司、深圳欣源晟实业公司等都先后推出了自己的a m t 技术，但尚未进 入产品应用 1 2 l 。而且在针对重型货车上使用的a m t 技术还没有进行研究。 1 3 汽车机械电子系统故障诊断技术的现状与发展趋势 随着汽车控制的电子化，出现了很多新的问题。一方面，汽车电控系统日趋 复杂，给汽车维修工作带来了越来越多的困难，对汽车维修技术人员的要求越来 越高：另一方面，电子控制系统要有安全容错处理，汽车不能因为电子控制系统 自身的突发故障导致汽车失控和不能运行。针对这种情况，汽车电控技术设计人 员，在进行汽车电子控制系统设计的同时，增加了故障自诊断功能模块。它能够 在汽车运行过程中不断监测电子控制系统各组成部分的工作情况，如有异常，根 据特定的算法判断出具体的故障，并以代码形式存储下来，同时起动相应故障运 行模块功能，使有故障的汽车能够被驾驶到修理厂进行维修，维修人员可以利用 汽车故障自诊断功能调出故障码，快速对故障进行定位和修复。因此，从安全性 和维修便利的角度来看，汽车电控系统都应配备故障自诊断功能。自诊断功能就 是利用e c u 监视电子控制系统各组成部分的工作情况，发现故障后自动启动故障 运行程序，不仅可以保证发动机在有故障的情况下可以继续行驶，而且还可以向 驾驶员和维修人员提供故障情况，便于使用者及时发现和排除故障。自1 9 7 9 年美 国通用汽车公司率先在其汽车电控系统中采用故障自诊断功能后，世界上的各大 汽车厂商纷纷效仿，在各自生产的电控汽车上都配备了故障自诊断功能。故障自 诊断功能，已经成为了新车出厂和修理厂故障检测不可缺少的重要手段。经过几 十年的发展，故障自诊断模块不仅能够解决汽车电控系统的安全性和存储记忆汽 车故障，还能够实时提供汽车各种运行参数。 1 3 1 汽车电控系统故障诊断技术的发展历程 电控系统在线诊断技术的发展可分为以下3 个阶段州i l 叫 一 第l 阶段( 7 0 8 0 年代) 由于被诊断的电子控制系统的结构简单，故障种类也很少，故障码也很简单。 美国福特公司的s t a r ( s e l f - t e s t a u t o m a t i cr e a d e r ) ，它适用于1 9 7 8 年的e e c - i ， 1 9 7 9 年的e e c i i ，1 9 8 0 1 9 8 4 年的e e c i i i 发动机控制单元和车身控制单元，维 修人员可以通过它读取e c u 内记录的故障码。 当时的“s c a n n e r ，故障诊断仪，可用于1 9 8 1 年通用公司的电控发动机模块e c m 和1 9 8 5 年的车身控制模块b c m 的故障诊断，除了可以读取故障码外，它还可以 显示少量的数据。 第2 阶段( 8 0 年代初8 0 年代末) 为了适应增强的在线诊断系统故障诊断功能，出现了功能更为强大的故障诊 断仪。故障诊断仪配有探头，可以检测汽车的电子电路和电子器件。还可以于e c u 的在线诊断系统进行交互通讯，从而获取更多的汽车或发动机的运行信息，并能 通过故障诊断仪控制汽车和发动机部件的工作和设定其运行状态 福特公司的故障诊断仪，可以诊断1 9 8 4 年的e e c i v 发动机管理系统，该诊 断仪配有一个监视器和一个8 通道的记录仪。 通用公司的故障诊断仪“t c e h i ”，可以诊断1 9 8 6 年的g m 3 0 发动机管理系统 4 和1 9 8 7 年的g m p 4 和e c m 。车上各子控制系统之间通过通信线连接在一起，故 障诊断仪可以通过数据连接线( a s s e m b l yl i n ed a t el i n k ) 与发动机管理系统通信， 检测各系统的故障。 第3 阶段( 8 0 年代现在) 故障诊断技术向智能化和信息化方向发展是该阶段的特点。故障诊断仪可直 接控制汽车和发动机的部件，维修手册和诊断手册等被有效的组成“智能化”的电子 文挡，存储于诊断系统中。维修人员在专家诊断系统上，可以方便的查阅所需的 资料，得到检测故障的步骤和排除故障的方法。 1 3 2 汽车故障诊断标准 汽车故障诊断标准的发展经历了由各自为政到逐渐统一的过程，到9 0 年代才 逐渐形成了汽车工业届广泛认同的标准当前公认的标准是o b d i i ，其含义是第 2 代的在线诊断标准。1 9 9 4 年，美国汽车工厂协会( s a e ) 在第一代车载诊断标准 的基础上，统一了故障代码和软硬件结构，制定了第2 代的在线诊断标准o b d - i i ， 它侧重于与排放控制相关的诊断。由于s a e 在世界汽车工业领域的权威地位， o b d 标准很快为世界汽车公司接受，成为世界汽车工业标准。o b d i i 标准包括 以下内容： s a e 标准 s a ej 1 1 1 3 一车辆元件的电磁敏感性测量程序；s a ej 1 8 5 0 b 类数据通讯网络 接口；s a ej 1 9 3 旺电气电子系统诊断缩写、条目和定义：s a ej 1 9 6 2 一诊断 接线器；s a i j 1 9 7 9 一电气电子诊断模式及方法；s a ej 2 0 1 0 一故障诊断代码 推荐格式和信息：s a ej 2 0 0 l o b n i i 检测工具通用接口；s a ej 2 2 0 5 扩展 诊断协议。 i s o 标准 i s 0 7 6 3 7 - - 道路车辆一环境与连接电磁干扰；l s 0 9 1 4 l 一道路车辆一诊断系 统c 灿m 内部数字信息交流要求。 1 3 3 汽车故障诊断技术的发展趋势 随着汽车电子技术的飞速发展，各种功能的汽车电子控制系统装车的数量不断 增多，控制功能也变的越来越复杂。同时，现代数学、信息科学强大的渗透力，计 算机技术、电子技术、人工智能技术更广泛、更深入的应用，推动了机器诊断技 术向以下几个方面发展： 1 应用汽车局域网 采用汽车局域网( v a n c a n ) 对各子系统模块进行管理的技术将会得到推广 应用。为了适应这一发展，要求各子系统模块提高智能化的程度，具有相应的 在线诊断功能，由专用的诊断模块对各子系统进行监控，提供故障信息和发生 故障的部位。外部诊断设备可以通过汽车局域网，直接对各子系统进行诊断和 测试。 2 增强在线诊断系统对汽车运行状态的监视功能 采用大容量的存储器，实时记录车辆运行的状态( 各种传感器及执行器的工 作状态) ，记录故障发生前后的情况。 3 提高在线故障诊断系统对突发故障的处理能力 预测突发故障的发生，并采取应急措施，更改控制逻辑或给出固定数值替代 出错的传感器输出信号，使汽车仍能正常运行。 4 加强维修点与其维修中心之间故障诊断信息资源的交流与共享 维修点利用网络与汽车生产厂或售后维修中心之间通信，共享维修诊断资源。 维修中心拥有高级的故障诊断专家系统，维修站只需一些简单的计算机终端和更 为简单的手持诊断仪就可以工作，这样既增强了维修点的故障诊断能力，又可降 低维修成本。 5 加强诊断技术的研究 将一些新技术用于汽车故障诊断。例如，规则系统或专家系统的知识数据库； 神经网络和扰动分析模式识别技术及动态模型技术等。增强故障诊断专家系统的 功能，提高故障诊断的能力和准确性。 1 4 汽车机械电子系统故障诊断和检测方法 汽车故障诊断学是研究汽车故障机理、汽车诊断理论、方法和检测诊断技术 的- - f l 学科，它包括汽车故障物理、诊断数学和检测诊断技术三方面的内容。检 测诊断技术是诊断理论与方法的一种工程实现。所以可知，汽车故障诊断学是以 工程数学、可靠性理论、信息理论、为基础；以电子技术、计算机技术、人工智 能技术为手段；以汽车故障为主要研究内容的- - f - 综合应用学科。以前的故障诊 断依赖人工的观察与感觉，根据汽车在工作中表现出来的外部异常情况采用逻辑 推断的方法，来诊断故障的类型和部位，这种方法必须依赖维修人员的长期积累 的经验和反复观察，既烦琐又不准确，常常会出现误诊和延误。现代故障诊断是 利用各种检测仪器和设备获取汽车的各种数据，并根据这些数据来判断汽车的技 术状况。万用表、点火正时灯、真空表、油压表、声级表、流量计、油耗仪、示 波仪、汽缸漏气量检测仪、曲轴箱窜气量检测仪、气体分析仪、烟度计、车速传 感器、输入轴转速传感器、加速踏板传感器、节气门位置传感器、离合器行程传 感器、挡位信号传感器等仪器给e c u 提供了车的状态的各种数据，e c u 通过对数 据的比较、处理、综合、提取得到故障的部位和原因，并决定应对措施。 1 4 1 故障诊断的技术基础 从技术内容看，设备诊断包括诊断文档建立和诊断实施两大部分。诊断实施 则由信号检测、特征提取、状态识别和诊断决策四部分组成，分别建立在以下技 术基础上： 1 检测技术：适当的检测方法是获得有效故障信息的重要条件，是诊断成败 的关键。检测技术又涉及到检测对象、检测系统、测量方式、采样方法、测试内 容及信息记录和存储等问题。 2 特征提取技术( 信号处理) ：是故障诊断的核心。包含降低干扰、保留增 强有用信号，精化故障特征信息等内容。分析设备的状态信号既可以从统计的观 点出发，也可以从系统分析的观点出发，分别在时间域、幅值域、频率域、相位 域及倒频域中弄清信号的波形、强度、分布特性、幅值概率、频率结构及传递特 性等反映设备不同状态的信息特征。 3 识别理论：可以说，设备故障诊断是一个典型的模式识别过程。无论进行 故障分类、建立样式模板、去掉冗余信息、提取特征量，或将待检模式与已知徉 板模式对比，按相似程度或距离指标进行判别或聚类，都离不开识别理论的指导 和识别技术的支待常用的基本识别方法包括：主成分分析法、因子分析法、聚 类分析法、模式识别法及系统辨识法等 4 预测技术：用于估计故障的传播、发展，对设备的劣化趋势、剩余寿命作 出预报，是事故预防与进行无破坏性检测的主要手段。经常使用的预测方法有：斜 率预报法、主观概率法、回归预测法、确定型时间序列预测法及随机型时间序列 预测法。 5 计算机技术：在故障诊断研究中，要想建立一个高度自动化、智能化的系 统，几乎大部分工作都得靠计算机完成。可以这样认为：没有计算机技术的支持， 就不会有现代化的诊断技术。 1 4 2 故障诊断方法 当今汽车故障诊断的主要方法如下【i “6 1 ： 1 极值检测 当系统正常运行时，各种参数的范围是有限的，一般事先可知其上，下限，当 运行中参数超出这个范围时，可判断出现故障。 2 冗余检测 在a m t 电控系统的故障检测与诊断中，应用最多，同时也最有效的方法是利 用各传感器的数学与逻辑关系分析，诊断各种故障。在对a m t 电控系统的结构和 工作原理深入了解的基础上就可以对a m t 电控系统的数学关系进行分析。我们讨 论一种非常有用的冗余关系。 冗余有物理冗余和解析冗余两种形式。物理冗余是一种硬件冗余，采用物理 冗余的方法可以提高系统的可靠性，但需增加成本。解析冗余是指系统中部件的 输入，输出和开关信号在功能上的重叠。对电控系统的解析冗余进行分析，找出 具有冗余关系的部件，则可利用部件问的解析冗余关系对某个部件是否有故障进 行诊断，当某个部件发生故障时，基于解析冗余，其全部或部分功能可用与其有 解析冗余关系的部件经过计算来进行代替所以，解析冗余是提高系统可靠性的 经济而有效的方法。 电控系统中的解析冗余有以下两种形式： 1 ) 直接冗余不同传感器同一时刻输出信号的静态功能重叠，只存在于传感 器之间 2 ) 动态冗余传感器的输出信号和和执行机构的动态重叠功能，可存在于传 7 感器及传感器与执行机构间。 通过控制过程的机理分析和数学分析就可以确定电控系统的解析冗余，对 a m t 电控系统来说，系统的结构和功能分析是确定解析冗余的前提，在此基础上， 与数学分析方法相结合，就可以确定a m t 系统中的所有解析冗余关系。利用专用 传感器或执行器。极限检测传感器、异常声、振动传感器等，或对一个任务设置 多个传感器。当各测量值不一致时说明有故障出现。 3 时域、频域分析 1 ) 双时域分析法 双时域分析法可对变速器的振动信号作出初步分析，对变速器的振动状况作 出初步评价。但要对变速器故障进行精密诊断还必须借助频域分析方法。目前应 用比较有效的是频谱分析、细化频谱分析、解调频谱分析、离线三维功率谱阵分 析和w i g n e r 分布时域分析法 2 ) 频谱分析 随着电子技术和f f t 技术的发展，频谱分析已成为目前应用最广的变速器故 障诊断方法，它可以分析信号能量和幅值随频率的分布，其中幅值谱是幅值的线 性分布，自谱突出了主要矛盾，而对数谱将次要的频率成分显示出来。 3 1 细化频谱分析 频谱分析虽然能对信号的频域特征作出分析，但受频率分辨率的限制，要想 进一步对信号某些感兴趣的频带做进一步研究，频谱分析有很大的局限性。而细 化谱分析( z o o m ) 可以对我们感兴趣的频带进行局部放大，大大提高了这一频 段内频率分辨率和谱分析的精度。借助它可以进一步看清谱中一些边频带及调制 峰群的分布情况，对分析诊断变速器的调制型故障十分有效。频率细化方法有多 种，如复调制细化相位补偿细化c h i r p - z 变换最大商谱分析和d f t 细化方法等。 4 ) 解调谱分析 调制型故障是变速器最常见的故障，其发生时会出现复杂的调幅、调相或调 频现象，频谱上会出现不同程度的调制边带，变速器故障诊断的成败往往决定于 对调制边频带的分析。解调分析包括幅值解调和频率解调两类。 幅值解调有带细化的检波滤波解幅值调制，带细化的高通绝对值解幅值调制 带细化的希尔伯特变换幅值调制等分析方法。 5 ) 时频分析法 有效的分析振动信号的时频域特征对于诊断设备至关重要，传统的频谱方法 只适用于分析平稳信号，只能提供信号能量在频域中的分布，不能确切的提供信 号能量在时域中的分布信息。而机械设备故障诊断中涉及的信号不仅仅是平稳信 号，常常遇到不平稳信号。时频分析力图在整体上提供信号的全部信息，给出任 意局部时间内信号变化的剧烈程度。由于其较高的时频分辨率及良好的特性，在 一定程度上可有效分析时变。瞬变和非线性信号为机械设备故障诊断提供了一种 新的强有力的分析手段，尤其是对于分析变速器的调制信号非常有效。 6 ) 变速器故障综合振动诊断法 变速器故障原因复杂、形式多样，单独用某一种方法，诊断能力是有限的， 必须采用综合诊断法。通过大量工程实践的理论研究，我们认为实际诊断中采用 原始时域及包络时域分析。频谱分析、细化谱分析、解调谱分析相结合的“二时 三频”综合分析法，加上w i g n e r 分布和三维功率谱阵时频分析法可有效地对变速 器多种常见故障进行诊断。 7 ) 小波分析 故障诊断领城中的振动信号分析一般采用以快速傅立叶交换为核心的经典信 号处理方法，这种方法要求信号平稳，但许多工程中的信号，尤其是机械设备的 振动信号往往是非平稳的，致使以傅立叶变换为基础的基函数难于适应，短时傅 立叶分析的“窗”也难以兼顾时域和频域均具有足够的分辨率。而八十年代发展 起来的小波分析为多分辨率分析，对不同特征的信号具有很强的自适应能力。 4 油样分析 磨损失效是变速器最常见、最主要得失效形式之一，不同的磨损作用过程产 生的磨粒有不同的特征，它们反映和代表了不同的磨损失效类型，根据磨屑颗粒 的材料和形状不同就可以分辨颗粒的来源。油样分析对研究机械磨损的部位和过 程、磨损失效的类型、磨损的机理、油品评价有着重要的作用，它是在不停机、 不解体的情况下对机械设备进行状态检测和故障诊断的重要手段。油样分析技术 分为两大类；一类是油液本身的物理化学性能分析，即采用润滑油综合分析检查 仪，对使用中的润滑油粘度、酸值、水分及不溶物质等主要理化指标进行分析； 另一类是油液中的不溶物质的分析技术，也称为磨屑检测技术，磨屑检测方法有 光谱分析法和铁谱分析法，目前常用的是铁谱分析法。利用铁谱分析和油品性能 分析等油样分析技术对检测诊断变速器中的磨损类故障比较有效。振动诊断法虽 然也可在一定程度上对磨损类故障进行诊断，但有很大的局限性。油样分析法是 诊断变速器磨损故障的有力工具，有广阔的前景。 5 故障树 故障树分析法是目前分析复杂系统可靠性、安全性的一种好方法，且在机械、 电子，核能等许多领域中得到了广泛的应用。故障树分析是以布尔代数为基础获 得事件发生的概率。 6 人工智能 模糊数学 模糊数学是- - f - j 新兴学科。它已初步应用于模糊控制、模糊识别，模糊聚类 分析、模糊决策、模糊评判、系统理论、信息检索、医学、生物学等各个方面 在气象、结构力学、控制、心理学等方面已有具体的研究成果。 夺神经网络 人工神经网络故障诊断技术作为一门新的学科分支，自闯世以来取得了突破 性进展，成为现代神经科学、信息科学、计算机科学的前沿研究领域。目前人工 神经网络在故障诊断领域内已有许多成功应用，为故障诊断技术的发展开辟了新 的途径。同时，随着近二十年来人工神经网络的复兴与发展，其所涉及的应用领 域比传统的模式识别方法更为广泛。除了在模式识别中作为分类器应用之外，人 工神经网络体现出来的非线性映射以及联想记忆等功能使它在传统模式识别领域 之外也得到了广泛的应用。 专家系统 专家系统是人工智能研究的主要领域，是其应用研究的一个突破口。它是人 工智能从一般思维规律探索走向知识利用，从理论研究走向实际应用的标志。自 从美国斯坦福大学教授弗根鲍姆( e f e i g e n b a u m ) 在1 9 6 5 年研制的d e n d r a l 专 家系统闯世以来，专家系统过程已经取得了很快的发展，产生了很好的经济效益 9 和社会效益。专家系统实际上是一个具有大量专门知识和经验的计算机程序系统， 它能够以人类专家的水平完成某一专业领域比较困难的任务，即能够模拟人类专 家，运用它们的知识和经验去解决所面临的问题。 夺灰色诊断法 灰色系统理论是我国学者郑聚龙教授于1 9 8 2 年提出的，不仅成功应用于社会 经济各领域，在故障诊断方面的应用也很有成效。当系统的参数、内部结构及特 征部分已知、部分未知时，这种系统被称为“灰色”系统。灰色系统理论就是利 用已知信息确定系统之未知信息而使系统由“黑”变“白”的过程。一台运行中 的设备就是一个复杂的灰色系统。灰色诊断法是依据灰色理论所提出的关联度分 析方法，实现机器的状态识别。基本思路是：选择合适的待征参数，按照设备的 无故障状态和各种故障状态，建立一系列用作状态识别标准的基准模，然后采用 某种方法判断待检模( 待检的设备状态) 属于或接近哪个基准模。 当前受到重视的是以信息冗余为主导的故障检测与诊断方法。这项技术要求 综合的充分利用系统的各种可观测信息，是一门综合性技术。随着其不断发展， 各种新的信息处理手段都渗透到这项技术中。但已系统模型为基础的信息冗余故 障检测诊断方法对模型的准确性程度依赖大，对输入和输出的干扰敏感，对经验 知识、系统历史数据以及环境因素都无法利用。由于这些原因，那些既能利用系 统深层信息，又对模型依赖性小的信息处理方法，在故障诊断中越来越受到重视。 基于人工神经网络、人工智能、模糊逻辑的方法，能充分利用系统结构深层信息， 又不要求精确模型，正在得到越来越多的应用。 1 5 本课题的主要内容 本课题的内容主要分为以下几个部分： 1 构造a m t 故障诊断系统的整体结构，对a m t 的故障进行分析和总结。 2 设计a m t 故障诊断系统的硬件结构，并对硬件的各个模块进行讨论。选 择所需要硬件的型号，并给出电路原理图。 3 设计下位机的软件体系结构，写出u s b 通讯的软件流程及结构。将故障诊 断原理实践化，并编写应用程序。 4 进行故障诊断系统的实验研究。 i o 第2 章a m t 故障诊断系统 2 1a m t 故障诊断系统 a m t 的故障诊断系统，我们需要用传感器采集需要的信号，并编写下位机的 数据处理程序对这些信号进行处理。根据数据处理结果对离合器和油门进行控制， 且一旦发现故障进行报警。发生故障的时候，将上位机与下位机相连，对故障进 行诊断，给出故障原因。因为需要处理的数据很多，就需要扩展外部存储器。所 以由上可知a m t 的故障诊断系统结构如图2 1 所示： 几面一 i _ j 图2 - 1 a m t 故障诊断系统 由图可以看出a m t 故障诊断系统主要可分为4 个部分： 1 上位机部分 上位机内有高级故障诊断程序，通过从下位机中获得的数据进行诊断，给出 故障原因。并将故障原因和车速、离合器行程、发动机转速等测量量显示给用户 上位机与下位机之间的连线为虚线是表示：在正常情况下，车上并无上位机，只 是当出现故障时，才将上位机与下位机相连，由下位机将数据传给上位机，由上 位机给出故障诊断结果。 2 下位机部分 下位机内写有简单的故障诊断程序，下位机对采集到的数据进行处理，如果 发现故障就进行报警，并在出现故障时进行紧急处理。但下位机并不能得出故障 原因。如果需要得到故障原因，则要由下位机将数据传给上位机，由上位机给出 故障的原因。 3 l c d 和蜂鸣器 当下位机诊断出故障则通过l c d 进行显示和通过蜂鸣器进行报警。 4 离合器和油门的控制 下位机对采集到的各种数据进行处理，并对离合器和油门发出指令进行控制。 2 1 1 硬件部分 因为需要对