基于模糊理論的液壓泵站故障推理

張奎

（大連港礦石碼頭公司，遼寧 大連116001）

1 引言

我國在故障診斷技術(shù)方面的研究起步較晚，但是發(fā)展很快。泵站系統(tǒng)由于受液壓組件質(zhì)量差、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、油液不干凈、維護(hù)不良、組件使用時間過長、操作人員素質(zhì)低的影響，經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的故障。如壓力波動嚴(yán)重、系統(tǒng)油溫過高、容積效率太低、液壓泵壓力過高、液壓缸爬行、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速太慢等。引起這些故障的原因非常多，而且復(fù)雜。故障主要表現(xiàn)在液壓系統(tǒng)或其回路中的元件損壞，伴隨漏油發(fā)熱、振動、噪聲等現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)不能發(fā)揮正常功能。故障按性質(zhì)，可以分為突發(fā)性及緩發(fā)性兩種。由此可見要能快速正確的得到故障的原因?qū)嵲诓皇且患菀椎氖虑?。因此，為了能能正確區(qū)分故障類型和解決故障，要探討不精確的推理方法。

2 不精確推理理論

現(xiàn)在人們提出的不精確推理模型可以說是不計(jì)其數(shù)，其中有代表性的方法主要有如下四種方法:確定性理論、主觀Bayes方法、證據(jù)理論和模糊集理論。

2.1 確定性理論

確定性理論是由肖特里非(E.H.shortli)均等人于1975年提出的一種不精確推理模型。在確定性理論中，不確定性是用可信度來表示。該方法比較簡單、直觀，易于掌握和使用，并且已成功地應(yīng)用于如MYCIN這樣的推理鏈較短、概率計(jì)算精度要求不高的專家系統(tǒng)中。但是當(dāng)推理長度較長時，由可信度的不精確估計(jì)而產(chǎn)生的積累誤差會很大，所以它不適合長推理鏈的情況。

2.2 主觀Bayes方法

主觀Bayes方法是由杜達(dá)(R.0.Duda)等人于1976年提出的一種不精確推理模型。其推理過程是:領(lǐng)域?qū)＜覟槊織l規(guī)則提供兩個規(guī)則強(qiáng)度LS和LN，同時還要給出每個命題的先驗(yàn)可能性，即命題單位元。原始證據(jù)的不確定性值由用戶在系統(tǒng)運(yùn)行時提供，其它所有命題的不確定性值均由不確定性的更新算法求出。主觀Bayes方法通過使用專家的主觀概率，避免了所需的大量統(tǒng)計(jì)計(jì)算工作。

2.3 證據(jù)理論

證據(jù)理論是由德普斯特(A.P.DemPster)首先提出來的，后來由沙佛(G.shafer)加以擴(kuò)大和發(fā)展。證據(jù)理論是用集合表示命題的一種處理不確定性的理論，它引人信任函數(shù)而非概率來度量不確定性，并引人似然函數(shù)來處理不知道所引起的不確定性問題。證據(jù)理論基礎(chǔ)嚴(yán)密、專門針對專家系統(tǒng)，是一種很有吸引力的不精確推理模型且十分靈活。證據(jù)理論的不足之處在于證據(jù)間的獨(dú)立性不易保證，而且基本概率指派函數(shù)要求給的值太多。

2.4 模糊推理

模糊推理是利用模糊性知識進(jìn)行的一種不確定性推理。它與我們前面所討論的三種不確定性推理有著實(shí)質(zhì)性的區(qū)別。前面介紹的三種不確定性推理的理論基礎(chǔ)是概率論。模糊推理的理論基礎(chǔ)是模糊集理論以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的模糊邏輯，它所處理的事物自身是模糊的，概念本身沒有明確的外延。液壓設(shè)備故障的模糊現(xiàn)象到處可見，如壓力波動嚴(yán)重、系統(tǒng)油溫過高、容積效率太低、液壓泵過高、液壓缸爬行、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速太慢等的故障狀都是模糊的;從故障原因的角度看，液壓組件質(zhì)量差、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、油液不干凈、維護(hù)不良、組件使用時間過長、操作人員素質(zhì)低等也是模糊的;液壓組件損壞的程度和產(chǎn)生故障所涉及的范圍也是模糊的;液壓系統(tǒng)的漸變性故障，其邊界是不清晰的因此說來泵站系統(tǒng)的故障診斷利用模糊推理來解決其優(yōu)越性顯而易見。

3 基于模糊綜合評判法的泵站故障系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型現(xiàn)以“液壓泵站流量不夠”為例建立數(shù)學(xué)模型，敘述運(yùn)用模糊綜合評判法選擇出故障原因的步驟。

模糊綜合評判法：影響液壓系統(tǒng)正常工作的因素很多，且故障癥狀與故障源之間存在著交錯與重疊現(xiàn)象。一種癥狀可能有不同的原因，一個故障源也會引起多種癥狀。因此，問題是復(fù)雜的。模糊綜合評判又稱模糊變換或模糊推理。在液壓系統(tǒng)故障診斷中，引入模糊綜合評判的方法，就是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮在出現(xiàn)多種故障癥狀情況下，與故障源檢修排序相關(guān)的各種因素，對其作出綜合的評判。評判時，以故障癥狀嚴(yán)重度表示癥狀的隸屬度，以故障源檢修優(yōu)先級表示故障源的隸屬度。根據(jù)癥狀的隸屬度，作模糊變換來進(jìn)行綜合評判求出各種故障源的隸屬度，用以表征各種故障源存在的傾向性，為人們判斷設(shè)備的故障和采取檢修措施的決策提供科學(xué)的依據(jù)。

模糊綜合評判的方法原理考慮兩個論域，即故障源論域V，V=(泵配流盤磨損，系統(tǒng)嚴(yán)重泄漏，溢流閥閥芯損壞，換向閥損壞，PLC繼電器損壞，油液污染)和癥狀論域V，V=(壓力不足，油缸位移小，泵體溫度過熱，噪聲過大)。將某一液壓回路YD表示YD=(YD1，YD2，…YDM)M表示各種癥狀的總數(shù)。YD為癥狀論域V上的一個隸屬度向量。并且將所有可能引發(fā)的故障的故障源集合用優(yōu)先級向量PD'表示，對癥狀和故障源論域之間的模糊關(guān)系用關(guān)系矩陣R[rij]m×n。表示。其中，元素rij為癥狀xj相應(yīng)于故障源的隸屬度。當(dāng)己知模糊向量YD和模糊關(guān)系矩陣R時，可作模糊變換來進(jìn)行綜合評判YD’=YD×R其模糊合成運(yùn)算的結(jié)果PD’為評判結(jié)果，按最大隸屬度原則，選擇最大的PD’值。

4 模糊綜合評判實(shí)例

4.1.故障源集

液壓泵站流量不夠的影響原因主要考慮以下5條:油管及濾油器，箱油面，安全閥換向閥出口壓力，泵出口壓力。在故障分析時必須考慮因素權(quán)重，也就是5個原因的輕重度由此取因素權(quán)重集為:Ui={ul，u2，u3，u4，u5}i=l，2…，5。式中:u為因素集;ul為油管及濾油器，u2箱油面，u3安全閥，u4換向閥出口壓力，u5泵出口壓力。

4.2.建立癥狀集

常見原因如下幾條：①箱油面過低；②泵殼內(nèi)預(yù)先沒有充好油，留有空氣；③液壓泵中心彈簧折斷，使柱塞回程不夠或不能回程，引起缸體和配油盤之間失去密封性能；④配油盤及缸體或柱塞與缸體之間磨損；⑤對于變量泵如為低壓可能是油泵內(nèi)部摩擦等原因，使變量機(jī)構(gòu)不能達(dá)到極限位置造成偏角小所致;；⑥對于變量泵如為高壓，可能是調(diào)整誤差所致；⑦油管堵塞或阻力太大；⑧漏氣；⑨濾油器堵塞。因此取癥狀集為：Vj={v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,v8,v9}式中 V1—V9代表：V1.箱油面過低；V2.泵殼內(nèi)預(yù)先沒有充好油，留有空氣；V3.液壓泵中心彈簧折斷，使柱塞回程不夠或不能回程，引起缸體和配油盤之間失去密封性能；V4.配油盤及缸體或柱塞與缸體之間磨損；V5.對于變量泵如為低壓可能是油泵內(nèi)部摩擦等原因，使變量機(jī)構(gòu)不能達(dá)到極限位置造成偏角小所致;V6.對于變量泵如為高壓，可能是調(diào)整誤差所致；V7.油管堵塞或阻力太大；V8.漏氣；V9.濾油器堵塞。

4.3.確定評語集

對于不同場合的設(shè)計(jì)，要求和使用條件不同，使以上各因素的重要性也各不相同，因此必須對以上各因素分別根據(jù)其重要性程度給以不同的評語，得到一個評語集是根據(jù)泵站流量不夠的影響原因不同，評語是對評估對象好壞程度的定性描述。評語集一般用“優(yōu)、良、中、及格、不及格”等詞語表達(dá)。此評估通過專家評分法進(jìn)行。

4.4.建立單因素評判矩陣

評價矩陣是Rij對評語集A的隸屬度。如果有M個指針，n個評語等級，則評價矩陣可表示如下:r11，r12…rln 式中，rij=kij/k，表示對第 i指標(biāo)，專家認(rèn)為其屬于第j等級的可能性，k為評估專家數(shù)，Kij為認(rèn)為第i指標(biāo)專家認(rèn)為其屬于第j級的專家數(shù)。每一個指標(biāo)的隸屬度rij=kij/k。

結(jié)束語：根據(jù)泵站故障現(xiàn)象成因引出不確定理論，模糊綜合評判法;得出了應(yīng)用模糊綜合評判法和貝葉斯方法去解決故障診斷問題的方法，完成了模糊綜合評判法數(shù)學(xué)模型的建立過程為系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

[1]鄧紹萍.液壓泵損壞導(dǎo)致管道堵塞的故障排除.工程機(jī)械，2000-02-10.