電控CNG發(fā)動(dòng)機(jī)模糊故障診斷策略研究

張莉，蘇曉芳，陳娜娜

（1.北京城市學(xué)院，北京，101300；2.天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津，300350）

0 引言

CNG發(fā)動(dòng)機(jī)是在原有柴油機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，且采用電控技術(shù)控制相應(yīng)部件，使其控制的精度不斷提高，因此采用的控制策略和控制邏輯也越來越復(fù)雜。一旦某個(gè)部件出現(xiàn)問題，發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)一種或多種故障癥狀；故障癥狀的表征不一，而且同一種故障癥狀引起的原因有多種，這就導(dǎo)致了故障癥狀和故障原因之間存在模糊不確定的關(guān)系，故引入模糊推理方法來診斷這種不確定性、模糊性問題。

另外，電控CNG發(fā)動(dòng)機(jī)與常規(guī)汽、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒特性上的差異，使得其組成結(jié)構(gòu)、故障機(jī)理以及故障特點(diǎn)也在許多方面與汽、柴油機(jī)不同，其故障診斷的內(nèi)容也更加復(fù)雜。鑒于此，引入模糊邏輯推理來進(jìn)行電控CNG發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷策略的研究。

1 模糊故障診斷模型

1.1 知識(shí)庫的建立

由于電控CNG發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況和故障診斷內(nèi)容的復(fù)雜性，發(fā)動(dòng)機(jī)故障現(xiàn)象與故障部位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系也較為復(fù)雜，導(dǎo)致CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的故障多為不確定性故障。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷知識(shí)的表示要考慮諸多因素，要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障進(jìn)行分析和歸類。

1.2 不確定性知識(shí)的表示

針對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)故障現(xiàn)象與原因之間的復(fù)雜關(guān)系，且二者之間沒有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系和規(guī)律可循。為了能夠利用故障癥狀快速而準(zhǔn)確的判斷故障，必須先從故障癥狀與故障原因的相關(guān)性分析入手，通常引入隸屬度函數(shù)來表示這種關(guān)聯(lián)。相互關(guān)系一般是在歸納總結(jié)、統(tǒng)計(jì)分析、不斷校正的基礎(chǔ)上獲得的，由于二者之間沒有明確的對(duì)照，針對(duì)這種復(fù)雜的不確定性知識(shí)引入模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行分析和表示。同時(shí)，需要注意在知識(shí)的表示時(shí)采用規(guī)范化的計(jì)算機(jī)容易識(shí)別的形式有利于模糊系統(tǒng)的知識(shí)的自動(dòng)獲取，可以直接輸入到計(jì)算機(jī)中。在知識(shí)的表示和組織中，最頂層的對(duì)象應(yīng)是發(fā)動(dòng)機(jī)本身，其下層關(guān)系為發(fā)動(dòng)機(jī)的各子系統(tǒng)，再下層應(yīng)為各子系統(tǒng)的部件。為了便于計(jì)算機(jī)接受，可將故障按照層次分類，首先分為燃?xì)狻⑦M(jìn)氣、點(diǎn)火、怠速、電控和機(jī)械等六類系統(tǒng)級(jí)別故障。然后，每個(gè)系統(tǒng)級(jí)別故障又可分為若干部件故障。最后，行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)可以歸納為三個(gè)層級(jí)，分別是典型故障癥狀、系統(tǒng)級(jí)別故障和部件故障。

電控CNG發(fā)動(dòng)機(jī)是在柴油機(jī)基礎(chǔ)上改制而成的，增加了相應(yīng)的燃?xì)饪刂撇考腿細(xì)釫CU，使得故障高發(fā)率主要集中在燃?xì)夤┙o系統(tǒng)。根據(jù)行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)及企業(yè)調(diào)研建立如表1所示的燃?xì)庀到y(tǒng)的常見故障現(xiàn)象、故障原因知識(shí)庫。

表1 電控CNG發(fā)動(dòng)機(jī)故障知識(shí)庫

由于電控CNG發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障信息模糊，使得故障征兆和故障原因之間難以建立正確的數(shù)學(xué)模型，所以在建立故障訓(xùn)練樣本時(shí)，需要用模糊理論將CNG的故障輸入量進(jìn)行模糊化表示，其隸屬度的確定是依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)法及維修實(shí)際情況給出[1]。將故障存在的程度分為5個(gè)層次，見表2。

表2 故障層次

以故障y1進(jìn)氣管漏氣為例，其故障癥狀x經(jīng)模糊化處理的輸入向量為{0.9,0.9,0.7,1,0,0}。參照以上可對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)常見故障進(jìn)行模糊化表示，得到表1所示的訓(xùn)練樣本。

2 模糊推理策略

推理策略是系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的重要組成部分，依據(jù)電控CNG發(fā)動(dòng)機(jī)故障癥狀和故障原因之間的模糊關(guān)系，采用模糊推理策略。

模糊推理規(guī)則表示：

式（1）中A-論域X的模糊集合、B-論域Y的模糊集合。通常，稱“x is A”為前件或前提，“y is B”為后件或結(jié)論。式中表達(dá)了兩個(gè)變量x∈X，y∈Y之間的關(guān)系，把if-then規(guī)則定義為乘積空間X×Y上的二元模糊關(guān)系R。則有：

有了模糊規(guī)則就有模糊推理，且多數(shù)情況下是近似推理。根據(jù)式（1）規(guī)則進(jìn)行的推理可寫作：

式（2）可以由如下公式計(jì)算：

式（3）采用了（∧,∨）模糊算子。當(dāng)規(guī)則有多個(gè)前提時(shí)，也可以采用類似與式（3）進(jìn)行計(jì)算[2]。

鑒于電控CNG發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的隨機(jī)性和人工經(jīng)驗(yàn)的模糊性等特點(diǎn)，也可使用正反向混合演繹推理（此處不是本文核心，故不再贅述）和模糊子集法進(jìn)行綜合診斷，避免出現(xiàn)診斷時(shí)間過長(zhǎng)，過程繁瑣的問題。

3 模糊診斷過程實(shí)現(xiàn)

模糊診斷方法是一種基于知識(shí)的自動(dòng)診斷方法，它是利用模糊邏輯描述故障原因與故障現(xiàn)象之間的模糊關(guān)系，通過隸屬度函數(shù)和模糊關(guān)系方程解決故障原因與狀態(tài)識(shí)別問題[3]。在實(shí)際故障診斷時(shí)，要在傳統(tǒng)模糊關(guān)系矩陣基礎(chǔ)上，構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)模型比較困難，需要實(shí)時(shí)獲取故障相關(guān)的輸入信息，利用計(jì)算機(jī)的自學(xué)習(xí)功能修正權(quán)系數(shù)，最終得到動(dòng)態(tài)的模糊診斷矩陣。

3.1 模糊矩陣

依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)分析判斷，在分析異常故障現(xiàn)象的基礎(chǔ)上得出故障原因。依靠模糊邏輯推理，對(duì)模糊推理結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)判。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的模糊關(guān)系，引入模糊關(guān)系矩陣表示。實(shí)際出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障不是“非此即彼”，而是復(fù)雜的、不明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系就決定了CNG發(fā)動(dòng)機(jī)故障的復(fù)雜性和模糊性。

對(duì)故障原因集Y中的故障原因yj(j=1，2，...，n)做出故障評(píng)判，確定該故障原因?qū)收习Y狀xi(i=1，2，...，m)的隸屬度（或發(fā)生故障癥狀xi時(shí)故障原因是yi的可信度）rij。這樣n個(gè)故障原因?qū)?yīng)m個(gè)故障癥狀的評(píng)價(jià)集就構(gòu)成了評(píng)價(jià)模糊矩陣R：

其中，0≤rij≤1，1≤i≤m，1≤j≤n

模糊矩陣R是故障原因論域Y與故障征兆論域X的一種模糊關(guān)系。模糊關(guān)系矩陣R是m×n維矩陣，其中故障征兆為行，故障原因?yàn)榱校趇種征兆xi對(duì)第j種原因yj的關(guān)聯(lián)度為矩陣元素rij，即發(fā)生故障癥狀xi時(shí)故障原因是yi的可信度。

3.2 模糊診斷實(shí)例

文章以電控CNG發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)易熄火故障為例具體說明模糊診斷過程的實(shí)現(xiàn)。其故障診斷表見表3～表6所示。

表3 故障癥狀等級(jí)和專家評(píng)分表

表4 “發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難”對(duì)應(yīng)故障原因表

表5 “發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)易熄火”對(duì)應(yīng)故障原因表

空氣濾清器堵塞 0.8×0.5 進(jìn)氣系統(tǒng)故障燃?xì)鈬娮炻┯汀㈧F化不良或堵塞 0.75×0.5 燃?xì)庀到y(tǒng)故障怠速調(diào)整不當(dāng) 0.6×0.5 怠速系統(tǒng)故障電子節(jié)氣門故障 0.1×0.5 怠速系統(tǒng)故障減壓器故障 0.1×0.5 燃?xì)庀到y(tǒng)故障火花塞工作不良 0.6×0.5 點(diǎn)火系統(tǒng)故障進(jìn)氣壓力傳感器故障 0.1×0.5 進(jìn)氣系統(tǒng)故障發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓過低 0.4×0.5 機(jī)械系統(tǒng)故障

表6 各系統(tǒng)可信度統(tǒng)計(jì)表

通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣系統(tǒng)發(fā)生故障的可信度最大，即引起發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難和怠速不穩(wěn)易熄火故障的原因最大可能是進(jìn)氣系統(tǒng)問題，可按照系統(tǒng)提供的檢修建議優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行檢查，若該系統(tǒng)確有故障，可對(duì)該系統(tǒng)中的可疑部件依次進(jìn)行檢修，檢修順序參照可信度大小排序檢查，依次排除，最終確定故障原因。若該系統(tǒng)無故障，則按照上述方法檢修下一個(gè)系統(tǒng)，直到確診。經(jīng)實(shí)踐檢修，驗(yàn)證診斷結(jié)果的正確性。

4 結(jié)論

通過分析，模糊邏輯診斷成功與否依賴于構(gòu)建動(dòng)態(tài)故障診斷模型和模糊矩陣的正確性。通過建立模糊診斷矩陣，并經(jīng)過修正，則會(huì)得到比較接近實(shí)際的，能客觀反映故障原因的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)證明，模糊推理結(jié)論符合實(shí)際診斷結(jié)果。