某型裝甲車發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)設計

【摘要】針對裝甲車輛發(fā)動機裝置特點，將嵌入式傳感器采集技術與專家系統(tǒng)結合，研制了裝甲車輛發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)。使用證明，該系統(tǒng)界面友好、使用方便、診斷準確率高，具有很好的推廣價值。

【關鍵詞】傳感器;專家系統(tǒng);故障診斷

隨著以信息技術為核心的高新技術武器裝備不斷裝備部隊，裝甲車輛的發(fā)展速度更為迅猛，裝備朝著通用化、系列化和模塊化的方向發(fā)展。[1]裝甲車輛在日常訓練中使用頻率高，發(fā)動機設備故障時有發(fā)生。由于裝甲車輛發(fā)動機結構復雜，涉及的專業(yè)極多，而且故障原因沒有確定的規(guī)律可循，給故障的診斷和排除帶來了極大的困難。目前故障診斷主要依靠簡易診斷儀器和一線維修人員的主觀診斷法，依賴性強、自動化程度低、通用性差。

發(fā)動機專家系統(tǒng)技術是解決這個難題的有效方法。本文以某型裝甲車輛發(fā)動機為研究對象，基于嵌入式技術與傳感器檢測技術，開發(fā)出一種專家系統(tǒng)與車載診斷技術相結合的發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)，指導維修人員較迅速、準確地找出發(fā)動機故障原因，滿足發(fā)動機故障診斷效率和準確性的需求。

1.發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)可分為嵌入式數(shù)據(jù)采集設備和專家系統(tǒng)軟件兩部分。

數(shù)據(jù)采集設備為標準的嵌入式系統(tǒng)，以安裝在裝甲車輛發(fā)動機上的各種傳感器為基礎，對車輛狀態(tài)進行實時監(jiān)測，對表征發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)的特征信號進行檢驗。傳感器主要包括熱電阻型溫度傳感器、電流型油壓傳感器、霍爾型轉速傳感器等。嵌入式控制板采集傳感器數(shù)據(jù)后，通過RS232串行接口上傳到專家系統(tǒng)軟件分析處理。

圖1 總體方案示意圖

專家系統(tǒng)軟件通過虛擬儀表的形式直觀顯示出各傳感器參數(shù)，并分析處理。如特征信號超出正常范圍，可根據(jù)故障現(xiàn)象，依據(jù)故障診斷系統(tǒng)存儲的故障知識庫，運用推理方法完成故障診斷過程，并顯示在人機界面上，給維修人員以維修指導（見圖1）。[2]

2.嵌入式電路設計與實現(xiàn)

嵌入式數(shù)據(jù)采集設備為典型的嵌入式設備，具有CPU、Flash存儲器，SRAM內(nèi)存、隔離電源、模擬信號調(diào)理以及放大、SWD調(diào)試接口、串行通信接口等硬件資源，可實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的信號隔離、放大、AD轉換、存儲、上傳等功能。

硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 嵌入式硬件原理框圖

2.1 車載電源電路設計

車載電子設備穩(wěn)定工作，需要有穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。車載電源要求能夠工作在更寬的輸入電壓、更大的電流以及更高的溫度極值條件下，并且需要更高的散熱效率。因此，高性能的車載電源設計是車載電子設備可靠工作的保障。

車載電源系統(tǒng)的應用環(huán)境比普通電源系統(tǒng)要復雜，因為車輛內(nèi)部的電磁環(huán)境較為惡劣。車內(nèi)電氣設備在運行時會產(chǎn)生大量電磁干擾，這些干擾的頻帶很寬，通過傳導、耦合或者輻射的方式，傳播到電源系統(tǒng)內(nèi)，進而影響到電子設備的正常工作。最惡劣的情況往往是由于車輛自身產(chǎn)生的干擾所產(chǎn)生的，如點火系統(tǒng)、發(fā)電機及整流器系統(tǒng)的干擾脈沖。對整機系統(tǒng)來說，必須有針對性地對電源進行凈化處理。除了對干擾源的消除，最重要的是提升電源系統(tǒng)的抗干擾能力。常用的提升電源系統(tǒng)抗干擾能力的方法包括：用吸收法進行尖峰濾除，以消除正脈沖干擾，采用的器件可以是熱敏電阻、TVS管等;對于負脈沖，可以采用增加電容容量，利用蓄能抵抗干擾。對于電源跌落干擾，可以增加電源的濾波電容數(shù)量。在滿足成本和性能指標要求的同時，盡量選用寬壓輸入范圍的電源芯片。

如圖3所示，車載24V電源首先經(jīng)過保險絲F2，可有效避免電流過大時，損壞后級電路。D1為TVS管，可對流向后端的電流分流，箝制后端電路電壓，抑制脈沖干擾。C51、L16、C52構成π型濾波電路，凈化后端電源。U10為寬壓輸入DC/DC電源，具有9～36V的寬電壓輸入范圍，固定輸出為24V，且輸入輸出完全隔離，工作溫度范圍可以達到-40度至85度。輸入端的電容C50具有濾除噪聲以及儲能的作用，可保證電源快速跌落瞬間DC/DC電源正常工作。

2.2 AD轉換電路設計

圖4所示電路是一個典型的同相放大電路，目的是測量電流輸出型傳感器的數(shù)據(jù)。

選擇運放的主要目的如下：1）阻抗變換。運放的輸入電阻高，可實現(xiàn)源阻抗與AD采樣電路的有效隔離，以高輸入電阻減少對前級的影響，增大負載能力;2）其低輸出電阻、瞬間大輸出電流、高壓擺率、快速建立時間可以滿足ADC內(nèi)部采樣保持電路快速準確采樣的需求。3）抗混疊濾波。在運放輸出端添加一階低通濾波器，既可以濾除干擾噪聲，還能為AD采樣提供電荷保持電路，減小AD內(nèi)部電壓保持電容對輸入電壓的影響。

圖4的測量原理描述如下：4-20mA電流環(huán)的接法為兩線制，一端接AGND，一端接AIN1+，4-20mA電流環(huán)經(jīng)過高精度采樣電阻R59后，將電流信號轉換為模擬電壓信號，之后經(jīng)過運放電路以及RC濾波處理后，由CPU經(jīng)過AD轉換，將模擬量轉換為數(shù)字量，供嵌入式系統(tǒng)存儲、分析。

3.專家系統(tǒng)軟件設計

專家系統(tǒng)軟件負責完成故障知識數(shù)據(jù)庫的建立，故障原因推理、故障解釋，給出維修參考意見。原理框圖如圖5所示。

3.1 故障知識數(shù)據(jù)庫建立

知識庫用于存儲領域內(nèi)的原理知識、維修經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及事實常識。首先通過應用工程師咨詢維修領域專家，獲取專業(yè)知識，之后通過人機接口更新、完善故障診斷數(shù)據(jù)庫。知識庫的完善要經(jīng)過反復的改進與歸納，才能使設備在一定程度上達到人類專家的水平。[3]

圖5 專家系統(tǒng)原理框圖

知識庫的設計是實現(xiàn)故障診斷系統(tǒng)的重要組成部分，每一個模塊的運行都離不開知識庫。本系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫來存儲故障信息。利用ADO進行數(shù)據(jù)訪問，采用結構化查詢語言SOL進行數(shù)據(jù)查詢。

針對信息的不同，建立原始知識庫（包括規(guī)則知識和發(fā)動機資料知識）和推理知識庫（主要為隸屬度數(shù)據(jù)）兩種知識庫。

3.2 專家系統(tǒng)軟件設計

專家系統(tǒng)是一種計算機程序，它通過收集故障知識，運用智能推理方法完成故障診斷過程。[3-4]設計該故障診斷系統(tǒng)的目的，就是要使計算機在該領域中起到一定的人類專家的作用，其基本思想是使計算機能夠模擬某領域專家解決實際問題的工作過程，如解決問題的經(jīng)驗、方法和步驟等。[5]

當數(shù)據(jù)采集部分監(jiān)測到發(fā)動機工況參數(shù)異常時，通過故障診斷系統(tǒng)的推理機制，按照一定的規(guī)則和策略進行推理，分析出故障原因的范圍，并通過人機接口，為維修人員提出供參考的維修步驟和建議。

專家系統(tǒng)軟件作為人機交互接口，除了輸出故障信息以外，也接收操作者的信息，比如人工輸入故障現(xiàn)象、添加知識庫等。

專家系統(tǒng)軟件采用面向對象的C#編程語言設計，依托微軟公司的VS2010開發(fā)。在線檢測界面通過虛擬儀表的形式直觀顯示出各傳感器參數(shù)，并有故障報警提示功能。[2]

4.應用實例

以發(fā)動機轉速過低為例演示系統(tǒng)應用。用戶進入在線檢測界面后，點擊“檢測開始”按鈕，系統(tǒng)開始在線采集傳感器數(shù)據(jù)并顯示。如數(shù)據(jù)異常，則顯示故障現(xiàn)象。用戶點擊“離線檢測”按鈕進入離線檢測界面，進一步判斷故障原因（見圖6、圖7）。

如圖6、圖7所示，用戶在故障類別中選擇“轉速異常”，選擇故障現(xiàn)象為“啟動轉速低于100轉/分”，故障程度為明顯，點擊“診斷”按鈕，專家系統(tǒng)推理出故障原因為“需要更換電平或者充電”。

5.結束語

本文針對裝甲車輛發(fā)動機經(jīng)常出現(xiàn)的各種故障，結合嵌入式傳感器和專家系統(tǒng)技術，提出了智能故障診斷方法，設計和實現(xiàn)了裝甲裝備發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)界面友好、工作穩(wěn)定可靠，能夠很好地滿足在線監(jiān)測和離線診斷的要求。應用中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對發(fā)動機故障診斷準確率高，能為發(fā)動機故障維修人員提供有力的技術支持，可有效提高發(fā)動機故障診斷自動化與智能化水平。

參考文獻

[1]李芳，田忠舜.坦克裝甲車輛虛擬儀表研究[J].車輛與動力技術，2003（1）：40-46.

[2]胡文江，江杰，李杰.全數(shù)字化車輛儀表的應用研究[J].微計算機息，2006，22（12-2）：220-222.

[3]武波，馬玉祥.專家系統(tǒng)[M].北京：北京理工大學出版，2000.

[4]吳今培，肖建華.智能故障與專家系統(tǒng)[M].北京：科學出版社，1997.

[5]肖云魁.汽車故障診斷學[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

作者簡介：賈偉崗（1980—），男，工學碩士，研究方向：數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)。