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基于模糊理论的液压油泵车故障诊断

作者: 张来丰 朱张青

  【摘要】 针对YYBC-2型液压油泵车的故障诊断需求和现有诊断方法存在的问题,本文基于模糊理论,设计了对油泵车液压系统的故障诊断系统,给出了具体实现方法。最后,通过诊断实例证明了本文方法的有效性。
  【关键词】 模糊理论故障诊断液压油泵车
  
  Fault Diagnosis for Hydraulic Oil Pump Vehicle Based on Fuzzy Theory
  
  Zhang Lai-feng, Zhu Zhang-qing
  (Department of Control & System Engineering, Nanjing University, Nanjing Jiangsu 210093, China)
  
  【Abstract】 According to the requirement of fault diagnosis for YYBC-2 hydraulic oil pump vehicle and the existing problems, fault diagnosis for hydraulic system of hydraulic oil pump vehicle is presented based on fuzzy theory, and the method to accomplish fault detection is discussed. Finally hydraulic system of YYBC-2 hydraulic oil pump vehicle is studied to explain that the fault diagnosis based on fuzzy theory is effective.
  【Keywords】 Fuzzy theoryFault diagnosisHydraulic oil pump vehicle
  1 引言
  随着现代工业和科学技术的飞速发展,各种设备日趋复杂化、大型化、智能化,相应的故障模式也越来越多,越来越难以诊断。当前的故障诊断技术主要有两种:一是基于系统数学模型的方法,对系统状态进行观测或参数估计,根据检测残差得到故障特征以实现故障诊断;二是基于知识的方法,不依据数学模型,而是根据故障现象与故障模式之间的因果关系进行故障诊断。前一种方法由于很多系统难以建立精确的数学模型,适用性不强;后一种方法基于知识,面对系统的不确定性和模糊性,也能做出准确诊断,应用范围广泛。
  航空液压油泵车是一类大型的航空地面保障设备,具有为飞机提供液压能源、油液清洁、加注和补油等功能。尤其是油泵车的液压系统,结构复杂,故障现象多样,故障模式较多。且其故障现象和故障模式往往不是一一对应的:一种现象可能出现在多种故障模式中;一种故障模式有多个故障现象,且故障现象与故障模式之间的关系具有模糊性。本文针对目前军用机场使用最为普遍的YYBC-2型航空液压油泵车,设计了基于模糊理论的故障诊断系统,提高了诊断效率和可靠性。最后通过诊断实例验证了系统的有效性。
  2 模糊诊断理论基础
  模糊诊断理论首先需建立设备故障现象集和故障模式集。
  假设设备的所有可列的故障现象有n个,则故障现象集可表示为
   (1)
  假设设备的所有可列的故障模式有m个,则故障模式集可表示为
  (2)
  如果故障现象(i=1,2,…,n)对故障模式(j=1,2,…,m)的隶属度为([0,1]),则二者的模糊关系矩阵为(3)
  上式中反映了第i个故障现象与第j个故障模式间的关系强度。若=0,表示第i个故障现象与第j个故障模式没有关系。越大则第i个故障现象与第j个故障模式之间关系越密切。
  以二值逻辑“1”和“0”代表各个故障现象的“有”和“无”,可得故障现象矢量V
  (4)以设备对各个故障模式的隶属度代表各个故障模式,可得故障模式矢量U
   (5)
  模糊诊断方法的实质是根据模糊关系矩阵R和故障现象矢量V进行模糊模式识别,从而得到引起故障现象的最可能的故障模式。故障诊断的诊断方程表示为
  (“O”为模糊算子) (6)
  3 模糊关系矩阵
  模糊关系矩阵是模糊故障诊断的关键组成,对于故障诊断的结果有重要影响。为了保证得到逼近实际的模糊关系矩阵,可以采用综合专家打分和模糊统计的方法。
  专家打分是由专家给出的分数,这个分数是专家根据历史维修经验给出,表示专家认为的第i个故障现象对第j个故障模式的隶属度。打分标准如表1所示:
  模糊统计是根据统计的故障现象和故障模式的历史信息,由下式得出i种故障现象对第j种故障模式的隶属度
  (7)
  其中表示第j种故障模式出现的总次数,表示第i种故障现象出现在第j种故障模式的次数。
  经过专家打分和模糊统计,再给予不同的权重S1,S2(S1+S2=1),可以得到最终的隶属度
   (8)
  S1,S2的值根据专家经验调整,当统计数据量比较大时,S2可适当增大。
  4 模糊诊断算子
  对于模糊故障诊断方程为,模糊算子“O”采用这四种:M(∧,∨)算子, M(,∨)算子,M(∧,)算子,M(·,)算子。
  M(∧,∨)算子:采用取小(∧)和取大(∨)运算方式
  
  M(·,∨)算子:采用乘(·)和取大(∨)运算方式
  M(∧,)算子:采用取小(∧)和(上限为1的求和)运算方式
  M(·,)算子:采用点乘(·)和(上限为1的求和)运算方式
  在模糊故障诊断中,一般采用M(∧,∨)算子。如果M(∧,∨)算子得到的数据偏小,可以改用M(∧,)算子。如果M(∧,∨)算子得到的数据偏大,可以采用M(,∨)算子。在具体的故障诊断中,可以分别用M(∧,∨)算子, M(·,∨)算子,M(∧,)算子,M(·,)算子求解故障诊断方程,根据所得结果进行比较,择优选用。
  5 模糊诊断原则
  经过,得到故障模式矢量U。
  判定最终的故障模式时一般有“最大隶属度原则”和“阈值原则”。
  5.1 最大隶属度原则
  当某次故障现象矢量V,经过诊断方程运算得到U。若
  uk=max{u1,u2,…,um} (10)
  则认为uk对应的故障模式ak即这次故障的故障模式。
  5.2 阈值原则
  根据给定的阈值,由得到的各个故障模式隶属度和阈值作比较,符合阈值条件的那个故障模式即认为是最终的故障模式。阈值原则比较灵活,可以有单一阈值,可以有阈值矢量,还可以有浮动阈值等。
  6 YYBC-2型航空液压油泵车故障诊断实例
  YYBC-2型航空液压油泵车具有与飞机对接、为飞机补油等功能,具有复杂的内部结构。根据现有的资料可以得到以下的故障现象集和故障模式集。
  6.1 故障现象集和故障模式集
  对YYBC-2型液压油泵车液压系统,根据其长期修理经验总结其有13种主要故障现象和11种主要的故障模式,由专家经验得到。对应式(1)(2)分别可得表2、表3:


常见问题解答