電控CNG發(fā)動機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.天津機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津，300350）

0 引言

CNG發(fā)動機是在原有柴油機基礎(chǔ)上進行改進，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。一旦某個部件出現(xiàn)問題，發(fā)動機可能會出現(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)動機與常規(guī)汽、柴油發(fā)動機在燃燒特性上的差異，使得其組成結(jié)構(gòu)、故障機理以及故障特點也在許多方面與汽、柴油機不同，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行電控CNG發(fā)動機故障診斷策略的研究。

1 模糊故障診斷模型

1.1 知識庫的建立

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

1.2 不確定性知識的表示

針對CNG發(fā)動機故障現(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照，針對這種復(fù)雜的不確定性知識引入模糊數(shù)學(xué)理論進行分析和表示。同時，需要注意在知識的表示時采用規(guī)范化的計算機容易識別的形式有利于模糊系統(tǒng)的知識的自動獲取，可以直接輸入到計算機中。在知識的表示和組織中，最頂層的對象應(yīng)是發(fā)動機本身，其下層關(guān)系為發(fā)動機的各子系統(tǒng)，再下層應(yīng)為各子系統(tǒng)的部件。為了便于計算機接受，可將故障按照層次分類，首先分為燃?xì)?、進氣、點火、怠速、電控和機械等六類系統(tǒng)級別故障。然后，每個系統(tǒng)級別故障又可分為若干部件故障。最后，行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜抑R可以歸納為三個層級，分別是典型故障癥狀、系統(tǒng)級別故障和部件故障。

電控CNG發(fā)動機是在柴油機基礎(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)驗知識及企業(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、故障原因知識庫。

表1 電控CNG發(fā)動機故障知識庫

由于電控CNG發(fā)動機結(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，需要用模糊理論將CNG的故障輸入量進行模糊化表示，其隸屬度的確定是依據(jù)專家經(jīng)驗法及維修實際情況給出[1]。將故障存在的程度分為5個層次，見表2。

表2 故障層次

以故障y1進氣管漏氣為例，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CNG發(fā)動機燃?xì)庀到y(tǒng)常見故障進行模糊化表示，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)進行故障診斷的重要組成部分，依據(jù)電控CNG發(fā)動機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。式中表達了兩個變量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)則進行的推理可寫作：

式（2）可以由如下公式計算：

式（3）采用了（∧,∨）模糊算子。當(dāng)規(guī)則有多個前提時，也可以采用類似與式（3）進行計算[2]。

鑒于電控CNG發(fā)動機出現(xiàn)故障的隨機性和人工經(jīng)驗的模糊性等特點，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）和模糊子集法進行綜合診斷，避免出現(xiàn)診斷時間過長，過程繁瑣的問題。

3 模糊診斷過程實現(xiàn)

模糊診斷方法是一種基于知識的自動診斷方法，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)識別問題[3]。在實際故障診斷時，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，需要實時獲取故障相關(guān)的輸入信息，利用計算機的自學(xué)習(xí)功能修正權(quán)系數(shù)，最終得到動態(tài)的模糊診斷矩陣。

3.1 模糊矩陣

依據(jù)專家經(jīng)驗分析判斷，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，對模糊推理結(jié)果進行綜合評判。針對發(fā)動機故障的模糊關(guān)系，引入模糊關(guān)系矩陣表示。實際出現(xiàn)的發(fā)動機故障不是“非此即彼”，而是復(fù)雜的、不明確的對應(yīng)關(guān)系，這種對應(yīng)關(guān)系就決定了CNG發(fā)動機故障的復(fù)雜性和模糊性。

對故障原因集Y中的故障原因yj(j=1，2，...，n)做出故障評判，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時故障原因是yi的可信度）rij。這樣n個故障原因?qū)?yīng)m個故障癥狀的評價集就構(gòu)成了評價模糊矩陣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，故障原因為列，第i種征兆xi對第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時故障原因是yi的可信度。

3.2 模糊診斷實例

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

表3 故障癥狀等級和專家評分表

表4 “發(fā)動機起動困難”對應(yīng)故障原因表

表5 “發(fā)動機怠速不穩(wěn)易熄火”對應(yīng)故障原因表

空氣濾清器堵塞 0.8×0.5 進氣系統(tǒng)故障燃?xì)鈬娮炻┯?、霧化不良或堵塞 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 點火系統(tǒng)故障進氣壓力傳感器故障 0.1×0.5 進氣系統(tǒng)故障發(fā)動機缸壓過低 0.4×0.5 機械系統(tǒng)故障

表6 各系統(tǒng)可信度統(tǒng)計表

通過計算，發(fā)現(xiàn)進氣系統(tǒng)發(fā)生故障的可信度最大，即引起發(fā)動機起動困難和怠速不穩(wěn)易熄火故障的原因最大可能是進氣系統(tǒng)問題，可按照系統(tǒng)提供的檢修建議優(yōu)先級別進行檢查，若該系統(tǒng)確有故障，可對該系統(tǒng)中的可疑部件依次進行檢修，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系統(tǒng)，直到確診。經(jīng)實踐檢修，驗證診斷結(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，則會得到比較接近實際的，能客觀反映故障原因的結(jié)論。實驗證明，模糊推理結(jié)論符合實際診斷結(jié)果。