模糊專(zhuān)家智能診斷系統(tǒng)在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉建明等

摘 要 智能故障診斷在汽車(chē)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)過(guò)程中都起著關(guān)鍵的作用。本文介紹了現(xiàn)有電子設(shè)備智能基于規(guī)則的故障診斷方法，故障樹(shù)診斷、模糊診斷方法和信息融合故障診斷方法，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)理論和方法對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障進(jìn)行了智能綜合評(píng)價(jià)，該方法有容錯(cuò)性好、評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確、高效地判斷電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障的目的。

關(guān)鍵詞 故障診斷；模糊判斷；專(zhuān)家系統(tǒng)；電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向

中圖分類(lèi)號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2015）09-0080-03

汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由過(guò)去的純機(jī)械機(jī)構(gòu)發(fā)展為機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向，電控液壓助力轉(zhuǎn)向和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向成為一種發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向（Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱(chēng)HPS），電控液壓助力轉(zhuǎn)向（Electric Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱(chēng)EHPS），電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering，簡(jiǎn)稱(chēng)EPS）。以電機(jī)為動(dòng)力源的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在性能方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并且節(jié)能環(huán)保，結(jié)構(gòu)較HPS簡(jiǎn)單。目前國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)是用電機(jī)為動(dòng)力源的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐步取代液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。EHPS和EPS已成為世界汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。

汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、信號(hào)傳感系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)組成。信號(hào)傳感系統(tǒng)主要有：車(chē)速傳感器、扭矩傳感器、電流傳感器。電子控制系統(tǒng)主要有：電子控制單元、轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)主要有：電動(dòng)機(jī)、帶離合器的減速機(jī)構(gòu)。

扭矩傳感器檢測(cè)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的扭矩和方向，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換形成扭矩信號(hào)。車(chē)速傳感器檢測(cè)出車(chē)速信號(hào)。控制單元同時(shí)接收車(chē)速和扭矩信號(hào)，再根據(jù)車(chē)速和扭矩信號(hào)確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和扭矩的大小，同時(shí)電流傳感器通過(guò)檢測(cè)電路的電流，監(jiān)控驅(qū)動(dòng)電路的狀況。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接影響著車(chē)輛運(yùn)行的操縱穩(wěn)定性和安全性，但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)于EPS的研究，還存在很多問(wèn)題，主要是車(chē)輛在行駛中系統(tǒng)的故障自診斷、故障在線監(jiān)測(cè)和安全防范，EPS的行車(chē)安全性等方面。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的研究和運(yùn)用成為解決EPS安全使用的一個(gè)非常有效的途徑。EPS在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，運(yùn)行由無(wú)故障狀態(tài)到發(fā)生故障是一個(gè)漸變的過(guò)程，期間，它處于不是完全的損壞也不是完全沒(méi)有故障的狀態(tài)，是一個(gè)中間狀態(tài)，表現(xiàn)出來(lái)的征兆也是如此。這個(gè)過(guò)程是非常復(fù)雜的，因?yàn)榫S修專(zhuān)家通常維修的不止一種設(shè)備，而任何一種設(shè)備的故障診斷都是一個(gè)知識(shí)型密集型工作，同時(shí)只有具備對(duì)同一設(shè)備多年操作和維修經(jīng)驗(yàn)的人員才算是該設(shè)備故障診斷專(zhuān)家。因此，及時(shí)地排除故障有時(shí)變得非常的困難，這種情況下，擁有一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的故障診斷系統(tǒng)是非常必要的。操作人員只需要將設(shè)備故障癥狀告訴專(zhuān)家系統(tǒng)，專(zhuān)家系統(tǒng)就會(huì)迅速地進(jìn)行診斷，并進(jìn)行必要的維修，使設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 故障診斷的基本原理

隨著汽車(chē)安全技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的復(fù)雜電子裝備在車(chē)輛上應(yīng)用，系統(tǒng)內(nèi)部各種因素相互制約，存在著十分復(fù)雜的聯(lián)系，對(duì)最終故障的影響權(quán)重不易確定。每一個(gè)機(jī)械單元和電子裝備的部件都可能產(chǎn)生故障，而對(duì)故障進(jìn)行精準(zhǔn)的狀態(tài)定位和完整的故障模擬比較困難。引用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊邏輯判定、專(zhuān)家系統(tǒng)等成熟的智能信息處理技術(shù)可以準(zhǔn)確描述故障特征，符合客觀實(shí)際地進(jìn)行推理，要以提高對(duì)故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。通過(guò)智能信息處理技術(shù)對(duì)故障進(jìn)行診斷，即智能故障診斷技術(shù)。

智能故障診斷系統(tǒng)是在工作狀態(tài)下，能自動(dòng)查明導(dǎo)致某種系統(tǒng)功能失常的原因及性質(zhì)等，并能判斷劣化狀態(tài)發(fā)生以及預(yù)測(cè)狀態(tài)劣化的發(fā)展趨勢(shì)等的部位或部件，主要包括故障檢測(cè)、故障定位、故障預(yù)測(cè)。

智能故障診斷的方法主要有：故障樹(shù)方法、基于規(guī)則的方法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法、模糊診斷方法和信息融合故障診斷方法。這些方法各有特點(diǎn)，但均存在各自的局限性。

故障診斷任務(wù)主要包括以下4個(gè)方面。1）建立系統(tǒng)故障模型，按照檢測(cè)信息在系統(tǒng)中的輸入輸出關(guān)系，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，形成故障檢測(cè)和診斷的算法依據(jù)。2）系統(tǒng)故障檢測(cè)，通過(guò)各種估計(jì)的變量，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警。3）系統(tǒng)故障的估計(jì)和識(shí)別，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能確定故障源的位置，并能識(shí)別出故障原因，如：傳感器故障、執(zhí)行器故障或者是被擾動(dòng)等，同時(shí)還能計(jì)算出故障的大小、嚴(yán)重程度及發(fā)生的時(shí)間等參數(shù)。4）系統(tǒng)故障分類(lèi)、評(píng)價(jià)與決策，針對(duì)故障的嚴(yán)重程度，以及故障對(duì)系統(tǒng)的影響和發(fā)展趨勢(shì)，制定決策采取相應(yīng)的措施，如啟動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)等。

智能診斷系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、解釋器、推理機(jī)和用戶界面等。知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)故障的專(zhuān)門(mén)知識(shí)，推理機(jī)按照一定的策略進(jìn)行推理，數(shù)據(jù)庫(kù)存放系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程采集的各種信息，解釋器對(duì)用戶的提問(wèn)、求解過(guò)程、系統(tǒng)的狀態(tài)、結(jié)論等提供說(shuō)明。用戶界面提供了必要的人機(jī)之間相互交換信息手段。專(zhuān)家系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)程序，它可以以人類(lèi)專(zhuān)家的水平完成一般比較困難的專(zhuān)業(yè)任務(wù)，由人機(jī)接口、知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)、解釋部分和知識(shí)獲取部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 模糊智能診斷方法

車(chē)載電子設(shè)備故障診斷過(guò)程中存在大量的不確定因素，如各種組合的工作電壓范圍，工作方式，電子元器件的老化程度以及絕緣結(jié)構(gòu)等因素均可能對(duì)診斷結(jié)論產(chǎn)生影響，而這些因素的影響往往是不確定的、模糊的。故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的診斷水平很大程度上取決于對(duì)這些不確定因素的處理，本文采用模糊關(guān)系方程推理與模糊規(guī)則相結(jié)合的方法，首先采用模糊關(guān)系方程對(duì)故障原因進(jìn)行過(guò)濾，濾掉出現(xiàn)可能性極小的原因，然后再利用模糊規(guī)則推理對(duì)剩下的可能原因進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)這兩種校驗(yàn)作為最后的故障原因。模糊關(guān)系方程推理過(guò)程就是通過(guò)故障征兆的隸屬度去求出各種故障原因的隸屬度。

模糊理論通過(guò)隸屬度來(lái)描述定量化。利用模糊理論解決實(shí)際問(wèn)題的關(guān)鍵是找出一個(gè)恰當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)。通常，先建立粗略的隸屬函數(shù)，然后，通過(guò)學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)積累，逐步修正并調(diào)整權(quán)值，使隸屬函數(shù)符合客觀事實(shí)，趨于完善。模糊理論對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障進(jìn)行智能綜合評(píng)價(jià)其方法步驟如下：

設(shè)U是論域，U上的一個(gè)模糊集合A由隸屬函數(shù)表示：。設(shè)，用于表示x屬于A的程度關(guān)系。則是x模糊集合A的隸屬度函數(shù)。模糊診斷就是通過(guò)征兆的隸屬度求出故障原因的隸屬度。設(shè)：診斷對(duì)象表現(xiàn)出的征兆可能有m種，可記為；出現(xiàn)的故障原因可能有n種，可記為。故障征兆模糊矢量為是對(duì)象具有征兆的隸屬度。故障原因模糊矢量為，是對(duì)象有故障的隸屬度。則Y和X具有模糊關(guān)系：

是故障原因與征兆之間表示為模糊關(guān)系方程。符號(hào)。是模糊合成算子，R為診斷專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的模糊診斷矩陣。

模糊診斷矩陣R是維矩陣，矩陣元素是第i種征兆對(duì)第j種故障原因的隸屬度。行矢量X是故障征兆，列矢量Y表示故障原因，模糊診斷矩陣描述了故障征兆和故障原因的關(guān)系。

將傳統(tǒng)產(chǎn)生的規(guī)則模糊化是模糊技術(shù)的模糊規(guī)則，若干模糊推理規(guī)則組成模糊規(guī)則庫(kù)，模糊推理規(guī)則形

3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障診斷實(shí)現(xiàn)方法

在EPS智能診斷系統(tǒng)中，模糊推理機(jī)根據(jù)自然語(yǔ)言處理過(guò)的事實(shí)證據(jù)，選擇相應(yīng)的規(guī)則，進(jìn)行推理。1）自然語(yǔ)言接口模塊對(duì)FES的輸入信息進(jìn)行理解，從中獲取證據(jù)關(guān)鍵詞及相應(yīng)的模糊屬性及模糊詞。2）在知識(shí)庫(kù)中查找與模糊詞相對(duì)應(yīng)的模糊度。3）從知識(shí)庫(kù)中取出與規(guī)則的前提條件與證據(jù)關(guān)鍵詞進(jìn)行模糊匹配的規(guī)則。4）用模糊推理計(jì)算結(jié)論，并將該結(jié)論加入到證據(jù)庫(kù)中；匹配失敗時(shí)，取下一條規(guī)則繼續(xù)模糊匹配。5）所有的規(guī)則都已經(jīng)匹配完畢，結(jié)束模糊推理。在證據(jù)庫(kù)中搜尋最終結(jié)論，輸出故障及其隸屬度。

故障自診斷系統(tǒng)的作用是監(jiān)測(cè)、診斷電子控制系統(tǒng)的傳感器、電子控制器以及執(zhí)行器的工作狀況。在EPS模糊專(zhuān)家系統(tǒng)中，我們采用LCD顯示和信號(hào)、故障指示燈閃爍來(lái)表示系統(tǒng)故障，當(dāng)某個(gè)信號(hào)超出規(guī)定范圍時(shí)，系統(tǒng)判定該相關(guān)電路及傳感器或執(zhí)行器發(fā)生了故障，由ECU控制系統(tǒng)啟動(dòng)相應(yīng)的措施，將故障信息存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，故障指示燈閃爍報(bào)警。故障排除后，故障指示燈熄滅，故障信息仍儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，通過(guò)CAN接口可以將故障代碼顯示出來(lái)。故障代碼診斷顯示見(jiàn)表1。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩、車(chē)速等傳感器出現(xiàn)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)處于嚴(yán)重故障的狀態(tài)時(shí)，就會(huì)斷開(kāi)電磁離合器，停止轉(zhuǎn)向助力的控制，確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全、可靠。

下面通過(guò)電機(jī)故障自診斷舉例說(shuō)明：由于是通過(guò)控制電機(jī)的電流來(lái)控制轉(zhuǎn)向助力，因此，檢測(cè)電機(jī)的電流可以獲得電機(jī)的工作狀態(tài)。在驅(qū)動(dòng)回路中串聯(lián)精密電阻R62，采集電路測(cè)量其兩端的電壓，經(jīng)過(guò)濾波和放大，從ADC2端口反饋給CPU。將此電壓與理論計(jì)算電壓比較，如果兩者懸殊過(guò)大；或者連續(xù)時(shí)間內(nèi)，平均電流超過(guò)預(yù)定的數(shù)值時(shí)，就判斷電機(jī)及其線路有故障，以防止電機(jī)因過(guò)載而燒壞或工作狀態(tài)不穩(wěn)定。因選用的精密電阻值約7mΩ，遠(yuǎn)小于電動(dòng)機(jī)電樞電阻168mΩ，不影響系統(tǒng)工作。

通過(guò)上述信號(hào)比較，可以診斷電機(jī)系統(tǒng)的如下故障：1）電機(jī)過(guò)載，電機(jī)的控制電流就會(huì)過(guò)大。2）系統(tǒng)故障時(shí)檢測(cè)的控制電流與計(jì)算值相差太大。3）電機(jī)存在故障時(shí)，有控制電流傳遞給電機(jī)，電機(jī)仍不能啟動(dòng)。

5 結(jié)論

通過(guò)上述的理論分析和實(shí)例，選用各信號(hào)間和信號(hào)與規(guī)定界限值間進(jìn)行比較的EPS系統(tǒng)故障診斷方法容易與主控制程序協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和調(diào)試，具有簡(jiǎn)單、可行等特點(diǎn)。在試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)模擬各種故障（如斷路、接觸不良、短路等），觀察故障燈顯示情況，驗(yàn)證了本自診斷方法具有可行性，并可以得到以下結(jié)論：1）采用模糊理論方法診斷電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障具有可靠性高、評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。2）對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是建立合理的評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，對(duì)大型汽車(chē)電子設(shè)備故障評(píng)價(jià)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。3）本課題的理論和實(shí)驗(yàn)研究為采用模糊理論方法診斷電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障方法的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉普寅，吳孟達(dá).模糊理論及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2001.

[2]黃紅鐘.機(jī)械設(shè)計(jì)模糊化原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1997.

[3]陳舉樺.機(jī)械結(jié)構(gòu)模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4]何新貴.模糊知識(shí)處理的理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，1996.