基于模糊診斷理論的柴油機(jī)故障診斷方法

車 蕊，張鳳登，劉魯平

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于模糊診斷理論的柴油機(jī)故障診斷方法

車 蕊，張鳳登，劉魯平

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對(duì)柴油機(jī)電子控制單元(ECU)的故障診斷與控制能力，文中將SAE J1939 CAN總線協(xié)議應(yīng)用于ECU網(wǎng)絡(luò)通信，并將模糊故障診斷算法應(yīng)用于柴油機(jī)故障診斷系統(tǒng)。對(duì)診斷ECU實(shí)行在線監(jiān)控，利用對(duì)柴油機(jī)故障數(shù)據(jù)及其原因的分析，在模糊故障診斷原理和模糊故障診斷算法的基礎(chǔ)上，建立了基于模糊故障診斷理論的柴油機(jī)故障診斷模型。通過(guò)對(duì)模型和實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證了其有效性。

柴油發(fā)電機(jī)；ECU；模糊故障診斷

柴油機(jī)在重工業(yè)中占有重要比重，若發(fā)生故障將帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失[1]。因此，需要一套實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)[2-3]來(lái)輔助維護(hù)柴油機(jī)。本文提出將模糊故障診斷算法應(yīng)用于柴油機(jī)故障診斷系統(tǒng)，由于柴油機(jī)本身的好壞沒(méi)有明確界限，除了突發(fā)故障外，柴油機(jī)的故障與非故障屬于兩個(gè)模糊集。為解決模糊的問(wèn)題，可以借助模糊數(shù)學(xué)的方法，把現(xiàn)象與征兆用數(shù)學(xué)式的方式來(lái)進(jìn)行描述，多現(xiàn)象、多因素綜合推理，以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。所以在解決柴油機(jī)故障診斷[4]時(shí)，本文選擇模糊故障診斷的方法分析柴油機(jī)故障。

1 柴油機(jī)在線監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)柴油機(jī)生產(chǎn)廠商的文檔中顯示，如沃爾沃的EDC4柴油機(jī)電控系統(tǒng)通信協(xié)議[5]，診斷ECU要獲取柴油機(jī)ECU的有效數(shù)據(jù)，只有兩種方式：一種是診斷ECU被動(dòng)接受柴油機(jī)ECU周期性廣播的J1939[6-8]參數(shù)群報(bào)文；另一種是診斷ECU發(fā)送帶請(qǐng)求幀的報(bào)文給柴油機(jī)ECU，柴油機(jī)ECU收到請(qǐng)求后，會(huì)將診斷ECU請(qǐng)求的數(shù)據(jù)通過(guò)報(bào)文的形式反饋到CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，診斷ECU收到報(bào)文，再自行解析報(bào)文即可得到所需數(shù)據(jù)。

診斷ECU通過(guò)接收周期性的報(bào)文，可以得到大部分所需參數(shù)，比如柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗、冷卻水溫度、燃油溫度、啟動(dòng)壓力、機(jī)油壓力、機(jī)油液位、冷卻液液位、蓄電池電壓等?？梢詫⑵鋵?shí)時(shí)顯示在液晶屏或上位機(jī)軟件中，只要通訊不中斷，監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)實(shí)時(shí)運(yùn)行。

2 模糊診斷理論

2.1 模糊診斷原理

診斷一個(gè)故障，必須先理清楚故障可能發(fā)生的原因和可能的故障征兆。由于故障征兆是界限不分明的模糊集[9-10]，所以用相應(yīng)的隸屬函數(shù)來(lái)描述這些故障現(xiàn)象可能產(chǎn)生的程度。模糊診斷方法就是通過(guò)一些故障現(xiàn)象的隸屬度來(lái)求出各種故障原因的隸屬度，用來(lái)表示故障存在的可能性。根據(jù)故障原因和征兆之間的因果關(guān)系，所以可得到Y(jié)與X之間的模糊關(guān)系方程為

Y=X°R

(1)

其中，Y定義為一個(gè)故障原因集；“° ”表示模糊故障診斷的模糊算子；X定義故障原因引起的故障征兆集；R為模糊關(guān)系矩陣，又稱模糊診斷關(guān)系矩陣[11-12]。

模糊關(guān)系矩陣R的構(gòu)造，需要大量的觀察數(shù)據(jù)，其精度的高低直接影響模糊診斷的質(zhì)量。最后根據(jù)觀察到的征兆向量X，通過(guò)模糊運(yùn)算，就可以得到模糊故障向量Y。得出故障產(chǎn)生原因流程如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)故障診斷流程圖

2.2 模糊診斷算法

根據(jù)故障征兆X={x1,x2,x3…xm}求故障原因Y={y1,y2,y3…ym}的計(jì)算公式為

(y1,y2…ym)

(2)

在模糊數(shù)學(xué)中，稱上式為模糊綜合評(píng)判。式中,Y為模糊綜合評(píng)判結(jié)果，即模糊原因；X為評(píng)判因數(shù)，即故障征兆的權(quán)重，R為單因素評(píng)判矩陣，即從原因集到征兆集的模糊關(guān)系矩陣。因此，模糊診斷就是將權(quán)重模糊向量和單因素評(píng)判矩陣R按照一定的方式進(jìn)行模糊運(yùn)算。式中，“ ?！狈Q為模糊診斷算子，常用模糊故障診斷算子有以下4類模型。

算子模型1M(∧,∨),即先取小在取大

(3)

算子模型2M(·,∨)，即先乘法再取大

(4)

算子模型3M(∧，⊕)即先取小再與有上限1求和

(5)

算子模型4M( ·，⊕)即先乘法再與有上限1求和

(6)

本文運(yùn)用算子模型4的式(6)來(lái)計(jì)算模糊故障原因矩陣。通過(guò)對(duì)故障征兆模糊向量X與模糊關(guān)系矩陣R的模糊關(guān)系合成運(yùn)算，獲得故障原因模糊向量Y，即為樣本數(shù)據(jù)對(duì)故障原因[13]。

3 柴油機(jī)故障診斷模型實(shí)現(xiàn)

3.1 柴油機(jī)常見(jiàn)故障及原因

柴油機(jī)常見(jiàn)故障如下：(1)柴油機(jī)啟動(dòng)困難，具體原因?yàn)?，蓄電池電量不夠，啟?dòng)馬達(dá)無(wú)反應(yīng)，或者燃油箱無(wú)油或閥門未開(kāi)，燃油系統(tǒng)中有空氣，油中有水，噴油器無(wú)霧，氣缸壓縮壓力不足等；(2)柴油機(jī)功率不足，具體原因?yàn)椋汗┯土坎蛔?，噴油器霧化不良或與燃燒室不匹配，有空氣進(jìn)入等；(3)柴油機(jī)煙色異常(黑色)，具體原因?yàn)椋哼M(jìn)氣不足，排氣不暢或噴油器霧化不良，噴油壓力錯(cuò)誤，各缸供油不均勻，氣缸壓縮壓力不足等；(4)柴油機(jī)煙色異常(白色)，具體原因?yàn)椋豪鋮s水溫度低，或噴霧器霧化不良，各缸供油不均，氣缸壓縮壓力不足；(5)柴油機(jī)煙色異常(藍(lán)色)，具體原因?yàn)椋夯钊h(huán)出問(wèn)題導(dǎo)致機(jī)油進(jìn)入燃燒室，或機(jī)油油面過(guò)高、機(jī)油進(jìn)入氣缸；(6)柴油機(jī)游車，具體原因?yàn)椋喝紵到y(tǒng)內(nèi)有空氣、水等造成供油不穩(wěn)定，噴油泵霧化不良，各缸供油量不均勻；(7)柴油機(jī)溫度異常(機(jī)油)，具體原因?yàn)椋焊邷厣崞鲀?nèi)水量不足，水泵故障，散熱器散熱效果差、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速低等；(8)柴油機(jī)溫度異常(排溫)，具體原因?yàn)椋汗┯吞崆敖沁^(guò)晚，個(gè)別油缸供油量過(guò)大，噴油霧化器不良，燃油品質(zhì)差，氣缸壓縮壓力不足。

經(jīng)柴油機(jī)維修廠商統(tǒng)計(jì)，表1為其主要維修的故障器件的故障率。

表1 柴油機(jī)故障器件的故障率

3.2 柴油機(jī)故障征兆的確定

故障征兆是由診斷ECU在線監(jiān)測(cè)內(nèi)容和故障原因共同決定。本模糊故障診斷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中選用的故障征兆集有12個(gè)故障征兆，故障征兆集為(X1,X2,X3,…,X12)。其中，X1為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速異常；X2為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)慢；X3為冷卻水溫度過(guò)高；X4為噴油嘴燃油溫度過(guò)高；X5為機(jī)油溫度過(guò)高；X6為機(jī)油液位異常；X7為機(jī)油壓力異常；X8為冷卻水水位異常；X9為蓄電池電壓過(guò)低；X10為排氣管溫度過(guò)高；X11為啟動(dòng)馬達(dá)異常；X12為油料消耗量大。

3.3 隸屬函數(shù)的確定

模糊數(shù)學(xué)對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以0～1之間的模糊數(shù)來(lái)描述，用隸屬函數(shù)將運(yùn)行中的參數(shù)和數(shù)據(jù)模糊化，將柴油機(jī)的故障征兆進(jìn)行模糊化運(yùn)算。表2為柴油機(jī)各個(gè)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置的正常范圍。本文根據(jù)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的正常范圍來(lái)確定該參數(shù)的隸屬函數(shù)。

表2 隸屬函數(shù)

3.4 模糊診斷實(shí)例驗(yàn)證

故障1 在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障征兆有X1：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速異常；X5：機(jī)油溫度過(guò)高；X10：排氣溫度過(guò)高；X12：油料消耗量大。根據(jù)故障征兆的明顯程度，定義故障征兆集合為

X=(0.9,0,0,0.7,0,0,0,0.7,0,0,0.3)

(7)

模糊關(guān)系矩陣R表示為

R=

(8)

根據(jù)Y=X·R,R為式(2)，取模型4:M(·，⊕)求得

Y=(1,0.96,0,0.33,0.24,0,0,0,0,0.92,0,0,0.24)

(9)

由最大隸屬度原則[14]和閥值原則[15]判斷引起故障征兆的原因?yàn)閅1：噴油器和供油系統(tǒng)故障，由于供油出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致出現(xiàn)以上征兆，與實(shí)際診斷結(jié)果一致。

故障2 在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障征兆有X2：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)慢；X6：機(jī)油液位過(guò)低；X9：蓄電池電壓過(guò)低；X11：?jiǎn)?dòng)馬達(dá)異常。根據(jù)故障征兆的明顯程度，定義故障征兆集合為

X=(0,0.8,0,0,0.3,0,0,0,0.5,0,0,0.6)

(10)

根據(jù)公式Y(jié)=X·R,R為式(2)，取模型4:M(·，⊕)求得

Y=(0.38,0,0,0.16,0,0,0.24,0,0,1,0,0.6)

(11)

由最大隸屬度原則和閥值原則判斷引起故障征兆的原因?yàn)閅2：其他故障，蓄電池或者啟動(dòng)馬達(dá)引起的故障導(dǎo)致出現(xiàn)以上征兆，與實(shí)際診斷結(jié)果一致。

故障3 在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障征兆有X3：冷卻水溫度過(guò)高；X4：噴油嘴燃油溫度過(guò)高；X5：機(jī)油溫度過(guò)高；X10：排氣溫度過(guò)高。根據(jù)故障征兆的明顯程度，定義故障征兆集合為

X=(0,0,0.4,0.5,0.3,0,0,0,0,0.3,0,0)

(12)

根據(jù)公式Y(jié)=X·R,R為式(2)，取模型4:M(·，⊕)求得

Y=(0.52,0.94,0,0,0,0,0,0.06,0.12,0,0)

(13)

由最大隸屬度原則和閥值原則判斷引起故障征兆的故障原因?yàn)閅3：漏水，由于漏水導(dǎo)致各項(xiàng)溫度系數(shù)偏高，與實(shí)際診斷結(jié)果一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了模糊診斷的理論，并建立其模型，將其應(yīng)用于柴油機(jī)故障診斷的分析中。首先分析了如何實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在線監(jiān)控的功能，然后解析了本文的重點(diǎn)，基于模糊診斷理論分析柴油機(jī)的故障原因。在模糊診斷理論的基礎(chǔ)上，研究了柴油機(jī)的常見(jiàn)故障及其原因，運(yùn)用模糊診斷算法，成功進(jìn)行了實(shí)際診斷，驗(yàn)證了診斷模型。

[1] 曹龍漢,曹長(zhǎng)修.柴油機(jī)故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,24(6):134-138.

[2] Mollenhauer K, Tsch?ke H, Mollenhauer K, et al. Handbook of diesel engines[M].Berlin Heidelberg:Springer,2010.

[3] 從勝輝.基于模糊診斷算法的柴油機(jī)故障診斷技術(shù)研究[D].天津:天津大學(xué),2005.

[4] 劉鑫.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2006.

[5] 肖云魁.汽車故障診斷學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

[6] SAE Standard.Physical layer SAE J1939/11 [S].USA:Issued,2001.

[7] SAE Standard.DataLink layer SAE J1939/21 [S].USA:Issued,2001.

[8] SAE Standard.Application layer SAE J1939/71 [S].USA:Issued,2001.

[9] 徐兆松.汽車故障診斷專家系統(tǒng)研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2003.

[10] 李峰.基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的柴油機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2009.

[11] 杜偉肖.基于模糊理論對(duì)柴油機(jī)燃油系的故障診斷研究[D].南寧:廣西大學(xué),2006.

[12] 黃凌潔.高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷方法的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2007.

[13] 曹龍漢.柴油機(jī)智能化故障診斷技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2001.

[14] 黃文虎,夏松波,劉瑞巖,等.設(shè)備故障診斷原理技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,1996.

[15] 吳今培.模糊診斷理論及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,1996.

Research on Fault Diagnosis of Diesel Engine Based on Fuzzy Diagnosis Theory

CHE Rui,ZHANG Fengdeng,LIU Luping

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

For the fault diagnosis and control capabilities of diesel engine electronic control unit (ECU), this article will apply SAE J1939 CAN bus protocol to ECU’s communications network, and apply fuzzy fault diagnosis algorithm to the diesel engine fault diagnosis system. Firstly, the diagnosis of ECU has been implemented on line monitoring, so through the diesel engine fault data and its analysis of the causes, the article establishes a diesel engine fault diagnosis model based on the theory of fuzzy fault diagnosis, on the basis of fuzzy fault diagnosis theory and fuzzy fault diagnosis algorithm and using real data to verify its validity.

diesel generator sets;ECU;fuzzy fault

2016- 06- 07

上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(15ZR1429300)

車蕊(1992-)，女，碩士研究生。研究方向：汽車電子與CAN總線。張鳳登(1963-)，男，教授。研究方向：汽車電子。劉魯平(1992-)，女，碩士研究生。研究方向：汽車電子與CAN總線。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.041

TP368.1;TM611.22

A

1007-7820(2017)03-149-04