汽車發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)的虛擬樣機硬件研發(fā)

文/廣東 廖中文 楊旭志 吳志平

汽車發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)的虛擬樣機硬件研發(fā)

文/廣東 廖中文 楊旭志 吳志平

發(fā)動機是汽車的心臟，影響到汽車行駛的動力性和經(jīng)濟性，伴隨著資源的匱乏和道路的擁擠，人們對發(fā)動機提出了越來越高的要求。電控發(fā)動機已逐漸發(fā)展成為集電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)于一體的智能控制系統(tǒng)，這也給汽車維修人員提出了更高的技術(shù)要求，傳統(tǒng)的發(fā)動機故障診斷方法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代發(fā)動機故障診斷的要求。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有容錯、聯(lián)想、推測、記憶、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和處理復(fù)雜多模式的獨特功能，利用虛擬儀器技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的方法，可方便快捷地對發(fā)動機不同工況進行實時數(shù)據(jù)采集，并對采集的數(shù)據(jù)作有效的分析，直接給出診斷結(jié)果，這樣可使汽車發(fā)動機故障診斷在一定程度上實現(xiàn)自動化和智能化。

一、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行故障模式識別的特點

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷，網(wǎng)絡(luò)的輸入神經(jīng)元對應(yīng)著故障征兆，輸出神經(jīng)元對應(yīng)著故障原因。在整個診斷過程中，首先利用一組故障樣本對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，以確定網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)(中間層的傳遞函數(shù)和數(shù)目)和參數(shù)(連接權(quán)值和閉值)。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完畢后，故障的模式分類就是根據(jù)給定的一組征兆，實現(xiàn)征兆集到故障集之間的非線性映射的過程。

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行故障模式識別具有以下特點:①可用于系統(tǒng)模型未知或系統(tǒng)模型較為復(fù)雜以及非線性系統(tǒng)的故障模式識別；②兼有故障信號的模式變換和特征提取功能；③對系統(tǒng)含有不確定因素、噪聲及輸入模式不完備的情況不敏感；④可用于復(fù)雜多模式的故障診斷；⑤可用于離線診斷，也能適應(yīng)實時監(jiān)測的要求。

典型的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷過程分為兩步，首先，基于一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本集(通常稱為“征兆—故障”數(shù)據(jù)集)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，得到期望的診斷網(wǎng)絡(luò)；其次，根據(jù)當(dāng)前診斷輸入對系統(tǒng)進行診斷，診斷的過程即為利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行計算的過程。在學(xué)習(xí)和診斷之前，通常需要對診斷原始數(shù)據(jù)和訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)奶幚恚A(yù)處理和特征選取、提取等，目的是為診斷網(wǎng)絡(luò)提供合適的診斷輸入和訓(xùn)練樣本。

二、研究方案的提出

由于電控發(fā)動機在運行過程中，可以從相關(guān)傳感器和執(zhí)行器的信號和工作情況得知發(fā)動機的運行工況，因為這些傳感器和執(zhí)行器的信號相關(guān)關(guān)系包含了很多的信息，足以反映發(fā)動機的運行工況。

當(dāng)發(fā)動機發(fā)生故障時，發(fā)動機電控單元就不能按照原先設(shè)定的程序正常工作，致使發(fā)動機的故障原因和發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、冷卻液溫度、進氣溫度、進氣壓力存在不確定的對應(yīng)關(guān)系，而這些不確定的對應(yīng)關(guān)系又反映于不同的故障類別與上述參數(shù)的特征規(guī)律中。根據(jù)這種特點，可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來從中抽取出各自的特征規(guī)律，得出數(shù)學(xué)模型，從而識別出對應(yīng)于這種特征規(guī)律的故障。所以，基于這種情況，本文探討一種基于虛擬樣機技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)故障診斷程序，從數(shù)據(jù)采集到得出結(jié)論，操作過程簡便快捷。

在以上詳細分析了電控發(fā)動機常見故障之后，選擇以下能反映其規(guī)律的特征參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量：發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、冷卻液溫度、進氣溫度、進氣壓力和噴油脈寬。理論上，選擇的相關(guān)參數(shù)越多，對分析越有幫助，因為越多的特征向量，越容易判別出具備這些特征的故障類型。所以，選取了上述信號作為特征向量，因為它們能反映發(fā)動機運行和工作情況。本文方案流程如圖2所示。

整個過程是分兩個階段完成的。第一階段使用圖形編程軟件LabVIEW8.5按要求設(shè)計出用以采集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)的采集樣機。第二階段將采集到的樣本數(shù)據(jù)進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練至性能合格可用，就可在LabVIEW中調(diào)用這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，進行實時測量分析，當(dāng)有預(yù)先設(shè)定的故障出現(xiàn)時，由實時采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件分析，可立即給出診斷結(jié)果。

三、虛擬樣機硬件開發(fā)

為了采集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本，按設(shè)計制作了基于虛擬樣機技術(shù)的采集樣機，用來采集試驗數(shù)據(jù)。跟元征X-431、金奔騰電腦診斷儀比較，采集的數(shù)據(jù)誤差很小，達到了實驗要求。整個系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，如圖3所示。硬件主要包括傳感器、執(zhí)行器、數(shù)據(jù)采集卡(NI公司M系列USB-6251卡)、筆記本個人電腦、連接線等。

1．實驗發(fā)動機平臺

本文研究實驗平臺型號為本田飛度i-DSI 1.3L發(fā)動機(如圖4所示)，其相關(guān)參數(shù)如下：

類型：水冷、四沖程、SOHC單頂置凸輪軸、8氣門、i-DSI智能雙火花塞點火，直列四缸

缸徑與沖程：73×80

排量：1340mL

壓縮比：10.8∶1

最大功率：83kW，5700r/min

最大轉(zhuǎn)矩：119N·m，2800r/min

2．傳感器信號測量分析

電子技術(shù)的發(fā)展，使汽車電子化程度不斷提高，通常的機械系統(tǒng)已經(jīng)難以解決某些與汽車功能要求有關(guān)的問題，而被電子控制系統(tǒng)代替。傳感器的作用就是根據(jù)規(guī)定的被測量的大小，定量提供有用的電輸出信號的部件，即傳感器是把光、時間、溫度、壓力及氣體等的物理、化學(xué)量轉(zhuǎn)換成按一定規(guī)律的電信號的變換器。傳感器作為汽車電控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接影響汽車的技術(shù)性能的發(fā)揮。

本文在發(fā)動機實驗平臺本田飛度i-DSI發(fā)動機上采集的信號有點火控制模塊(ICM)、節(jié)氣門開度信號、進氣壓力信號、冷卻液溫度信號和噴油脈寬信號，進氣溫度為當(dāng)時室內(nèi)溫度。

(1)冷卻液溫度(ECT)傳感器

發(fā)動機冷卻液溫度傳感器內(nèi)部設(shè)有一負溫度系數(shù)熱敏電阻。當(dāng)發(fā)動機冷卻液溫度升高時，熱敏電阻阻值下降。熱敏電阻阻值隨溫度的這種變化，將引起ECT電壓值的變化，所以，不同的電壓值對應(yīng)不同的溫度。其關(guān)系如表1所示。水溫由X-431電腦診斷儀讀取，電壓信號由萬用表讀取，擬合曲線如圖5。由回歸結(jié)果，關(guān)系式可取：

表 1 ECT溫度與輸出電壓的關(guān)系

編程時，操作界面的冷卻液溫度是由這關(guān)系式計算得出的，不同的電壓值對應(yīng)不同的冷卻液溫度。在采集時，可以直接把傳感器輸出的電壓信號送入數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入端，不需要調(diào)理信號。把ECT傳感器的輸出電壓信號直接通過數(shù)據(jù)采集卡讀入電腦，系統(tǒng)會根據(jù)公式顯示相應(yīng)的冷卻液溫度。

(2)進氣歧管壓力(MAP)傳感器

進氣壓力傳感器的工作原理為真空封裝的彈性膜片和一個鐵心。當(dāng)受到壓迫時，膜片和鐵心將在高精度的線圈里產(chǎn)生位移，進而生成一個0～5V線性電壓輸出變化信號。輸出不同的電壓值對應(yīng)不同的進氣歧管壓力。其關(guān)系表2所示。進氣壓力由X-431電腦診斷儀讀取，電壓信號由萬用表讀取，擬合曲線如圖6。關(guān)系式可取：

表2 MAP壓力與輸出電壓的關(guān)系

(3)節(jié)氣門位置(TPS)傳感器

節(jié)氣門位置傳感器由一個電位計構(gòu)成，與節(jié)氣門軸相連接。隨著節(jié)氣門開度的變化，節(jié)氣門位置傳感器輸出的電壓信號也將變化。輸出不同的電壓值對應(yīng)不同的節(jié)氣門開度。其關(guān)系表3所示。節(jié)氣門位置由X-431電腦診斷儀讀取，電壓信號由萬用表讀取，擬合曲線如圖7。關(guān)系式可取：

表3 TPS開度與輸出電壓的關(guān)系

(4)點火控制模塊

發(fā)動機轉(zhuǎn)速是根據(jù)曲軸位置傳感器(CKP)信號來確定的，但CKP傳感器是電磁感應(yīng)式的，產(chǎn)生的信號在LabVIEW采集中相當(dāng)不穩(wěn)，造成發(fā)動機轉(zhuǎn)速跳動幅度很大，因此這里采用點火控制模塊的脈沖信號來測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速。發(fā)動機曲軸每轉(zhuǎn)兩圈，各缸火花塞點火一次，即ECU向ICM發(fā)出4個脈沖信號，根據(jù)這個關(guān)系，有發(fā)動機轉(zhuǎn)速N等于兩倍的ICM脈沖信號個數(shù)n，所以，只要能測出n，就能推算出發(fā)動機轉(zhuǎn)速。ICM脈沖信號是一個方波脈沖信號，最高電壓為5V，最低電壓為0。圖8為ICM脈沖信號示意圖。

3.數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡

本文用到的數(shù)據(jù)采集卡是NI公司USB總線的M系列6251(如圖9所示)，因為NI公司的硬件與它的圖形編程軟LabVIEW有很好的兼容性，而且都有配套軟件，用戶無須擔(dān)心硬件的驅(qū)動問題，只需在應(yīng)用前做些簡單的設(shè)置即可。以下是NI USB-6251DAQ卡的一些參數(shù)：

16路模擬輸入(16位)，每通道1.25 M/s采樣率(總計1 MS/s)；

2路模擬輸出(16位, 2.8 MS/s)，24路數(shù)字I/O(每8共享一個時鐘)，32位計數(shù)器；

使用對傳感器與高電壓測量進行SCC信號調(diào)理的Mass終端版；

使用用于 OEM 的僅含板卡的套件；

與LabVIEW、LabWindows/CVI和Visual Studio.NET的Measurement Studio兼容；

NI-DAQmx驅(qū)動軟件和NI LabVIEW SignalExpress交互式數(shù)據(jù)記錄軟件。

四、結(jié)論

通過虛擬樣機硬件及相應(yīng)的軟件配合使用，輔以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實時運算功能，測得的結(jié)果表明，這種方法是有效可行的，但對于系統(tǒng)模型的優(yōu)化、算法的完善等還需進一步深入探討。