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方面的研究起步較晚，但是發展很快。泵站系統由于受液壓組件質量差、液壓系統設計不合理、油液不干凈、維護不良、組件使用時間過長、操作人員素質低的影響，經常出現各種各樣的故障。如壓力波動嚴重、系統油溫過高、容積效率太低、液壓泵壓力過高、液壓缸爬行、液壓馬達轉速太慢等。引起這些故障的原因非常多，而且復雜。故障主要表現在液壓系統或其回路中的元件損壞，伴隨漏油發熱、振動、噪聲等現象，導致系統不能發揮正常功能。故障按性質，可以分為突發性及緩發性兩種。由此可見要能快速正確的得到故障的原因實在不是一件容易的事情。因此，為了能能正確區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

現在人們提出的不精確推理模型可以說是不計其數，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，并且已成功地應用于如MYCIN這樣的推理鏈較短、概率計算精度要求不高的專家系統中。但是當推理長度較長時，由可信度的不精確估計而產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(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:領域專家為每條規則提供兩個規則強度LS和LN，同時還要給出每個命題的先驗可能性，即命題單位元。原始證據的不確定性值由用戶在系統運行時提供，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計計算工作。

2.3 證據理論

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

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質性的區別。前面介紹的三種不確定性推理的理論基礎是概率論。模糊推理的理論基礎是模糊集理論以及在此基礎上發展起來的模糊邏輯，它所處理的事物自身是模糊的，概念本身沒有明確的外延。液壓設備故障的模糊現象到處可見，如壓力波動嚴重、系統油溫過高、容積效率太低、液壓泵過高、液壓缸爬行、液壓馬達轉速太慢等的故障狀都是模糊的;從故障原因的角度看，液壓組件質量差、液壓系統設計不合理、油液不干凈、維護不良、組件使用時間過長、操作人員素質低等也是模糊的;液壓組件損壞的程度和產生故障所涉及的范圍也是模糊的;液壓系統的漸變性故障，其邊界是不清晰的因此說來泵站系統的故障診斷利用模糊推理來解決其優越性顯而易見。

3 基于模糊綜合評判法的泵站故障系統的數學模型現以“液壓泵站流量不夠”為例建立數學模型，敘述運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，問題是復雜的。模糊綜合評判又稱模糊變換或模糊推理。在液壓系統故障診斷中，引入模糊綜合評判的方法，就是應用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮在出現多種故障癥狀情況下，與故障源檢修排序相關的各種因素，對其作出綜合的評判。評判時，以故障癥狀嚴重度表示癥狀的隸屬度，以故障源檢修優先級表示故障源的隸屬度。根據癥狀的隸屬度，作模糊變換來進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，為人們判斷設備的故障和采取檢修措施的決策提供科學的依據。

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，系統嚴重泄漏，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。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的故障的故障源集合用優先級向量PD'表示，對癥狀和故障源論域之間的模糊關系用關系矩陣R[rij]m×n。表示。其中，元素rij為癥狀xj相應于故障源的隸屬度。當己知模糊向量YD和模糊關系矩陣R時，可作模糊變換來進行綜合評判YD’=YD×R其模糊合成運算的結果PD’為評判結果，按最大隸屬度原則，選擇最大的PD’值。

4 模糊綜合評判實例

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重，也就是5個原因的輕重度由此取因素權重集為: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泵殼內預先沒有充好油，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部摩擦等原因，使變量機構不能達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.泵殼內預先沒有充好油，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部摩擦等原因，使變量機構不能達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

對于不同場合的設計，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其重要性程度給以不同的評語，得到一個評語集是根據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、良、中、及格、不及格”等詞語表達。此評估通過專家評分法進行。

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，專家認為其屬于第j等級的可能性，k為評估專家數，Kij為認為第i指標專家認為其屬于第j級的專家數。每一個指標的隸屬度rij=kij/k。

結束語：根據泵站故障現象成因引出不確定理論，模糊綜合評判法;得出了應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學模型的建立過程為系統程序設計奠定了理論基礎。

[1]鄧紹萍.液壓泵損壞導致管道堵塞的故障排除.工程機械，2000-02-10.