发动机状态监测与故障诊断专家系统开题报告讲解

1、中北大学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 贾建辉 学 号： 0902034115学 院、系： 机械工程与自动化学院专 业 ： 过程装备与控制工程发动机状态监测与故障诊断专家系统设设 计 题 目：计指 导 教 师 : 姚竹亭2013年 3 月 19 日毕业设计开题报告1结合毕业设计情况， 根据所查阅的文献资料， 撰写 2000 字左右的文献 综述：文献综述一、本课题研究的背景 随着现代科学技术的迅速发展，现代化设备所引起的故障或事故所带来的损失不增 加，设备的故障诊断和维修越来越成为一个突出的问题。人们对机械设备的稳定性、安 全性、可靠性、可用性、可维修性、经济性等提出了越来越高的要求，现代工业

2、生产中 的设备系统也比以前更注重其效率和能耗，且环保要求也越来越高。因此，怎样在设备 运行中或在基本不拆卸的情况下，借助或依靠先进的传感器技术、动态监测技术以及计 算机信息处理技术，掌握设备运行状态，分析设备中异常的部位和现象，并预测故障可 能的发展和设备未来的发展趋势是目前亟待解决的问题 【5】。柴油机广泛运用于油田钻井、铁路牵引、动力发电、矿山机械、工程机械、船舶运 输等领域，其运行状态的好坏直接影响到整个机车的工作状态。目前，柴油机监控系统 已经成为现代柴油机视情维修管理的一种主要手段，因此，对其状态进行监控和对其故 障进行自诊断，提早发现和预告设备的故障，确保系统安全正常运行，时时处于

3、最佳运 行工况，提高设备的修理质量和效率是十分必要的 【6】。二、国内、外技术发展现状设备诊断技术是近 40 年来发展起来的一门新学科。 它是适应工程实际需要而形成的 各学科交叉的综合性学科。设备诊断的历史和人类对设备的维修方式紧紧相联。在工业 革命后的相当长时间内，由于当时的生产规模，设备的技术水平和复杂程度都较低，设 备的利用率和维修费用没有引起人们的重视， 人类对设备的维修方式基本上是事后维修， 即设备运行出现问题之后进行故障分析与维护 【1】。进入 20 世纪以后，由于大生产的发展， 尤其是流水线生产方式的出现，设备本身技术水平和复杂度大大提高，设备故障对生产 影响显著增加。这样，出现

4、了定期维修，以便在事故发生之前进行处理。大约在20 世纪60年代，美国军方意识到定期维修的一系列弊病，开始变定期维修为预知维修，即在设 备正常运行过程中就开始进行监护，以发现潜在的故障原因，及早采取措施，防止突发 性故障的产生。这种主动维修方式，不仅大大避免了灾难性的设备故障，而且避免了失 修和过剩维修，经济效益十分显著。这种维修方式很快被其他企业所效仿，设备诊断技 术很快发展起来。从科学发展的大环境来看，设备诊断技术的产生也是各学科交叉发展 规律的必然。 20 世纪 40 年代以来，人类的生产方式日益向大工业方向发展。生产系统 的庞大化和复杂化同时也暴露出一些问题，即如何避免运行中故障的发生

5、，这就要求有 一门相应的诊断技术。同一时期，电子技术，尤其是计算机技术的发展，为设备诊断技 术提供了必要的基础。 20 世纪 60 年代，快速傅里叶变换的出现，使诊断技术的发展产 生了飞跃。近年来，传感器技术的发展，信号处理的系列技术，如各种滤波技术、各种 谱分析技术，人工智能的系列技术，如专家系统、神经网络等，以及其他技术在诊断中 的应用，使设备诊断技术逐渐完善。柴油机故障诊断通常分为机械故障和性能故障两大 类。相应的诊断研究也分为两类： 针对柴油机的性能故障， 主要采用的是性能参数诊断； 针对柴油机的机械故障，主要采用油液监测技术和振声信号分析法。基于性能参数的柴 油机状态监测。这种方法是

6、通过测定柴油发动机的各种工作参数 （如功率、转速、气缸压 力、温度等 ）与其在正常工作状态下的参数相比较来分析判断发动机的工作状态。在这方 面，德国、日本和美国等国家的技术比较先进。这些国家的通用机械故障诊断技术比较 发达，如信号处理技术、测振仪器仪表等。其中日本开发的一些使用简单方便的简易测 定诊断仪，如气缸压力表、光电转速表、油压测定仪等。美国在柴油机上安装在线监测 系统，采用不同的传感器来测量柴油机的曲轴箱压力、转速、油温等参数，从而实现对 柴油机工作状态的监测。我国近年来也加强了这方面的研究先后研制出了一些柴油机工 况自动监测系统，可对柴油机的气缸压力和转速，各部位的温度、压力、液位及

7、各项技 术参数进行巡回检测和监控 【2】。基于油液分析的柴油机故障诊断。它是随着摩擦学的发 展而日益发展起来的。它是通过分析柴油机机油的性能变化和携带的磨损微粒的情况， 获得机器的润滑和磨损状态的信息， 评价机器的工作状态和预测故障， 并确定故障原因、 类型及零件的技术。油液监测可以延长设备的换油期，并通过及时预报潜在的故障避免 灾难性损坏或延长设备的正常运行时间获得经济效益。在这方面，美国、日本、加拿大 及欧洲一些国家较早进入实际应用，并积累了丰富的经验，也开发出了比较先进的测量 和分析设备，而我国在 80 年代开始这方面的研究， 到现在已经进入实用的研究阶段。 近 年来，基于油液分析的柴油

8、机监测方法主要有： 油液监测的颗粒计数法、 铁谱分析技术、 红外光谱仪等。基于振声的柴油机故障诊断。这项技术始于 20 世纪 70 年代，目前已经 取得了突破性进展，世界航运先进国家已经开始运用，一些专家系统也相继建立。我国 从 20 世纪 80 年代开始，一些学院和研究机构在利用声振技术诊断故障方面做了大量的 工作，也取得了很多成果，但基本上都还处于实验室研究阶段，虽然研究很快，但距实 际应用还有一定距离 【3】。三、本课题研究目的柴油机故障诊断系统研究的对象是矿运卡车柴油发动机， 它常年处于地下 50 多米矿 井中工作，工作温度在 30左右，光线能见度只有 2 3 米，并且粉尘严重、有油污

9、、 潮湿、振动强烈。因此本系统的设计目标主要有下面几点：针对矿运卡车目前存在的对 设备工作状况缺乏有效的自动监测手段， 系统要求能实时在线地反映系统的运行状态 【7】。 在不改变系统结构的前提下，全面监测矿运卡车柴油机燃油系统、润滑系统、冷却系统 等运行状况，找出潜在或突发故障，并进行诊断、显示、报警。提供故障原因及维修方 法指示，解决矿运卡车目前故障维修纯粹依赖于工人的技术经验的问题，大大提高设备 的使用率。系统采用三级报警机制，对设备重要部件起到监控、保护作用，从而降低设 备配件更换成本，避免恶性事故的发生。整个系统在设计时将充分考虑系统的工作稳定 性、实用性和先进性，并在系统的设计上、结

10、构上以及配件的选型上充分考虑设备的实 际工作环境，在防潮、防水、防腐、防振上提出较高的要求，从而保证系统能在实际工 作环境中长时间地正常工作 【6】。参考文献 ：【1】曹龙汉，等。油机故障诊断技术的现状及展望。大学学报， 2001，24(6)：134-138 【2】曹龙汉。油机智能化故障诊断技术北京：国防工业出版社， 20051-22。 【3】Lyon RH， Dejong R G Design of Higll Level Diagnostic SystemJournal of Vibration ，Acoustics，Stress and Reliability in Design，1 9

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14、Flalne，1998(114)：149-177.毕业设计开题报告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） ：一、本课题主要解决的问题该课题以柴油发动机为研究对象，研究如何实时在线监测其运行状态，以及如何实 现柴油机故障诊断分析和处理的问题。课题所要解决的问题有柴油机的故障类型分析及 优化，故障信号的获取以及柴油发动机运行状态监测与故障诊断等。柴油机是一个复杂的往复式机械系统， 其故障十分复杂， 表现为不确定性、 多维性， 同样的故障可能有几个因素造成。目前柴油机的故障诊断技术是比较成熟的技术，因此 本课题重点不是研究柴油机故障， 而是利用传感器技术、 计算机技术和网络通讯技术等，

15、测量柴油机运行时的故障特征参数。然后利用这些特征参数，实现柴油机故障诊断、分 析处理。同时根据柴油机各个系统的特性，本文从柴油机的结构及工作原理入手，通过柴油 机的各主要组成系统 （如燃油系统、进排气系统、润滑油系统等 ） 对柴油机工作状态的影 响，利用传感器技术，来获取柴油机故障信息，实时在线显示设备运行的即时状态并报 警，提示故障原因和发生故障的部位；预测可能发生的故障，提高柴油机车运行的可靠 性和安全性。课题根据柴油机工作特点和故障特征， 用柴油机气缸压力传感器监测气缸压力信号， 绘制出气缸压力波形，通过获取压力波形上的特征量，并结合其它压力、温度、液位等 传感器信号来分析柴油机工作状况

16、，如缸内燃烧过程，燃烧放热率，进排气过程，燃油 雾化情况等。同时通过这些信号作为系统故障诊断分析的特征参量，实现柴油机不解体 实时在线动态监测、故障诊断与分析二、本课题的研究手段21 专家系统的结构一般认为专家系统是一种智能程序系统， 它具有相关领域内大量的专家知识， 能应 用人工智能技术模拟专家求解问题的思维过程并进行推理，解释相关领域内的难问题， 并达到领域专家的水平。不同的专家系统，其功能和结构有所不同。但其基本结构一般 包括知识获取机构、知识库、数据库、推理机、人机接口和解释机构 6 大部分，见 图l图1 专家系统的基本结构22 故障诊断专家系统运用面向对象的程序设计语言 Visual

17、 C+编写主控程序，用与之有良好接几的Microsoft SQL Server 与 Microsoft Access 进行规则匹配和编写知识库主体，开发出基于Windows 操作环境下的汽车发动机故障诊断专家系统，其具有以下特点：1）先进性该系统基本上包括了电控发动机所有的故障类型， 并引入数据流分析， 维 修人员可根据不同情况选择不同诊断模式，完成故障定位及排除，大大减少盲目性。2）可靠性本系统根据故障信息特征 建立不同的诊断模式，各诊断模式的推理流程 科学合理，保证了系统给出结论的可靠性。3）实用性该系统容量较小，易于发布。采用中文视窗操作系统。所有功能都以菜单 和命令按钮实现，便于维修人

18、员掌握和使用。4）拓展性该系统实现了知识库外挂， 知识库与系统具有更大的独立性。知识库的维 护功能可以完全由数据库管理系统实现，具有较强的拓展性。系统的应用程序在开发过 程中，主要采用分模块开发的调用程序结构 【11】。使其便于集体开发和软件功能的扩展，逻辑结构图如图 2 所示图 2 专家系统逻辑结构图23 知识库的建立 专家系统的工作过程是一个获得知识并运用知识的过程，也是一个知识处理系统。知识 获取、知识表示和知识利用是专家系统的 3 个基本问题。231 知识获取 知识库是系统进行开发的依托，知识库中知识的准确可靠直接影响到系统可信度。采用外部知识获取和知识工程师输入相结合的方式，将所需的

19、各类知识存储到知识库 中，进行系统推理时调用 【14】。232 知识表示本系统采用产生式表示系统。 产生式表示法也叫规则表示法。 这是专家系统中使用最多的一种知识表示法。产生式通常用于表示具有因果关系的知识。其基本形式是：IF P THEN Q其中。 P是产生式的前提，用于指出该产生式规则的条件； Q 是一组结论或操作，用于 指出当前提条件满足时应该得出什么样的结论或应该进行的操作。一个产生式系统包括 3个基本要素：规则库 (Rule Base)、综合数据库 (Global Database)、控制系统 (Control System)。1) 故障诊断准备知识的表示这类知识是用来提醒维修人员在

20、进行正式的检测诊断 之前，先对整体进行必要的观察和检查。以避免不必要的拆卸和检测。对于这类知识的 表示，是以 Word 文件的形式直接存储在程序的窗体上，而且可以通过打印命令转化到 Word 形式下进行编辑。2) 有代码故障的知识表示有代码故障及其知识表示是以数据库文件的形式存储在 计算机中。采用产生式规则表示法。其故障代码即为规则的左部，故障原因及其维修办 法为规则的右部，只要用户输入代码号，规则右部即被激活。从数据库中调用相应的内 容显示在窗体上。数据流诊断知识的表示跟故障码诊断知识的表示是一样的。3) 故障征兆诊断模式知识的表示这部分知识的表示是系统的核心内容， 它关系到后 面的推理机制

21、的建屯和推理策略的确定。 故障征兆诊断知识的获取和推理是以故障树分 析技术为基础的，故障树分析法 (Fault Tree Analysis)就是把所研究系统的最不希望发生 的故障状态作为故障分析的目标。然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素，再找出 造成下一级事件发生的全部直接因素， 一直追查到那些原始的、 勿须再深究的因素为止。24 知识的基本管理241 知识的检验管理1) 正确性检验其主要是对故障诊断知识库中的知识进行语检查， 对语法检查不合格 的记录，将其状态设为不激活状态。为实现对知识库中不合法的知识进行检验，本系统 采用 SQL 设计的关系数据库中的触发器在新知识增加时自动、及时地检

22、验知识的合法 性，保证了将这螳错误消除在萌发阶段。2) 多义性检验对规则库中的规则来说 当已经给出完备的规则前提时应得到唯一的 结论。如果知识库中存在前提相同而结论不同的规则就出现了多义性的错误。当发现此 类错误后，知识库管理系统将这些记录提交给领域专家进行处理。3) 冗余检验它是检查知识库中是否存在完全相同或非常相似的记录，特别是在规则 库中要检查是否在结论相同而规则前提中除有些条件互反外其余的条件都相同或等价 的规则。如有，则将这些知识进行合并，消除知识冗余。242 知识的存入知识的存入是将经过领域专家认可的知识输入到知识库中。 在输入知识前， 需明确 将知识添加到知识库中哪张表中去。 通

23、过选择知识库中设定的索引机制进入该表的操作 界面，点击输入子菜单即可对知识进行输入。243 知识的修改和删除若发现一些知识误差很大或错误很多， 可选择要删除或修改的记录， 再点击删除或 修改子菜单。25 推理机制 推理是按某种策略由已知判断推出另一判断的思维过程。推理方向用于确定推理的驱动 方式可分为正向推理、逆向推理、混合推理和双向推理 4 种。本系统采用正向推理。 正向推理 (Foreward Chaining)是以已知事实作为出发点的一种推理。 其又称为数据驱动推 理、前向链推理，模式制导推理及前件推理等 【9】。正向推理的基本思想： 系统根据用户提供的原始信息， 在知识库中寻找能与之匹配 的规则。若找到，则将推出的新事实加入到数据库中作为下一步推理的已知事实，在此 之后再在知识库中选取适用的知识进行推理，如此