基于模糊控制的工程机械故障诊断系统研究

引言

工程机械作为装备工业特别是道路工程施工企业的重要部分,主要用于综合性的机械化土方作业。对施工单位来说,工程装备的状况决定了企业能否正常生产。而工程机械中通常以柴油发动机驱动的液压传动为执行机构,故液压系统和发动机能否正常工作决定了工程机械的生产效率。而传统检测中通过表面现象和声响特征等手段不容易准确地判断出液压系统在工作过程中故障发生的部位和原因:有时还会凭个人经验判断故障,此过程获取的信息量也有限。

随着新兴技术的涌现与发展,工程机械的自动化水平提高,各种工作工况信息表现形式归于统一,采集故障信息的方法与手段日益丰富,从而所产生的信息量也随之增加,所需处理的数据也变得十分巨大。通过人工来分析处理这些故障表征和提出解决方案显然不现实,因此要提高设备故障诊断的自动化、智能化程度,就必须进行有效的信息获取。对此,人工智能如神经网络、遗传算法等策略在国内外的故障识别与诊断中采用较多。工程机械工况复杂,导致其故障类型多样,因而故障原因和原理也复杂多变,传感器故障、信号丢失、安装误差和传输错误等,都可导致故障检测不完整、不精确,即传统诊断系统的容错能力非常有限。

在传统的故障诊断领域,采用的故障诊断控制的精确与否是影响诊断过程优劣的最关键因素,整个诊断系统反馈的信息越详细,则越能达到精确检测故障的目的。由于现有工程机械状况复杂多变,且系统中变量较多,本文进一步加强对故障诊断机理的研究,将工程系统的动态变量进行简化,利用模糊控制策略,达到精确检测故障的目的,解决了传统检测手段检测效率低的问题,提高了检测结果的精确性和可靠性,有利于及时排除故障。

1模糊控制检测原理

模糊控制理论是将经典集合理论模糊化,并将语言变量和近似推理引入模糊控制逻辑中。模糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论,以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法。通过设置合适的隶属函数和模糊关系矩阵,对故障和征兆的不确定关系进行判定,从而在技术上实现故障的智能检测与诊断。该方法对所建立的数学模型没有较高的要求,通过采用合理的隶属函数和模糊规则,即可依靠故障状况对故障发生原因进行推理,从而实现对故障发生现象采用模糊控制策略进行诊断。

在模糊故障诊断中,采用合适的隶属函数,并选择具有代表性的特征值是实现故障正确诊断的关键。将测量得到的被控对象的状态经过模糊化接口转换为用人类自然语言描述的模糊量,而后根据人类的语言控制规则,经过模糊推理输出得到控制量的模糊取值,控制量的模糊取值再经过清晰化接口转换为执行机构能够接收的精确量。

模糊控制的具体流程化原理如图1所示。

2模糊控制检测系统设计

由图1可知,模糊控制器包含模糊化接口、知识库、决策逻辑、去模糊化接口等部分。输入到模糊控制器中的变量是系统设定值与过程实测变量之差值偏差量e,它是确定数值的清晰量,用模糊语言e来描述偏差。模糊控制器的输出变量是实时修正后的控制变量模糊量u,模糊量u在模糊控制器推理时,系统实施控制将其转化为清晰值,因此要对模糊变量进行清晰化处理,从而得到可供机器识别的确定值u。在整个模糊控制器控制过程中,隶属度函数的选取可通过u的调整来控制,从而尽量降低偏差e。逻辑决策规则是模糊控制检测系统的核心,也是设计整个故障诊断系统的主要内容。一系列的模糊条件语句构成了模糊语言规则。该语句是模糊推理中的出发点和得到正确结论的根据和基础。每条模糊条件语句都给出模糊蕴含关系,即一条控制规则。假设有n条不同的模糊规则,则赋予其n个不同的模糊蕴含关系(i=1,2,…,n）,然后做并运算,构成系统总的模糊蕴含关系:

确定模糊控制器为单变量二维模糊控制器,定义输入、输出模糊集对误差e、误差变化ec及控制量u的模糊集及其论域,e、ec和u的模糊集均为:（NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB）,e、ec、u的论域均为（-6,-4,-2,0,2,4,6）。在Mat1ab软件中构建如图2所示的误差隶属度函数,如图3所示的误差变化隶属度函数,如图4所示的输出隶属度函数。

在Matlab中simulink环境下搭建模糊控制系统,搭建模型结果如图5所示。

将故障原因集为非空时的结果作为模糊控制器的输出诊断结果集,模糊控制诊断结束。模糊控制器故障诊断流程如图6所示。

以发动机异响为例,对于工程机械来说,由于工程机械的作业速度缓慢,柴油发动机转速一旦降低,就会产生异响信号,按流程图所述,将异响信号预处理后转化为故障代码,将现象模糊化,变为模糊变量输入到故障库中,经过故障库的搜索,并通过模糊逻辑规则找出对应原因的故障代码,然后将该代码经清晰化后,放入故障集中,最后给出诊断结果报告,提醒操作人员维修发动机。

3结语

综上所述,传统工程机械维修人员应在已有故障诊断技术的基础上,借助新型模糊控制器故障诊断这一先进技术,科学全面地进行工程机械的故障诊断、排除、维修,并结合自身经验共同查明造成故障现象的明确原因,从而及时、有效、合理地解决所发生的故障,提高工程机械的维修效率,降低传统维修过程的成本。模糊控制技术在故障诊断方面的应用,使故障检测过程更加高效与准确,在整个工程机械领域各种机械的故障诊断方面具有十分广泛的实用价值。