基于模糊診斷專家系統(tǒng)的空壓機(jī)故障診斷方法

杜文禮 張書(shū)娟 張旭

摘要：目前空壓機(jī)故障診斷方法是在電纜傳輸信號(hào)的情況下，通過(guò)監(jiān)測(cè)的手段對(duì)故障進(jìn)行診斷。這種方法會(huì)造成嚴(yán)重的信號(hào)干擾，難以保證故障診斷的明確性。本文提出了一種基于模糊診斷專家系統(tǒng)的空壓機(jī)故障診斷方法。首先建立螺旋式空壓機(jī)的故障庫(kù)和征兆庫(kù)，將系統(tǒng)特征參數(shù)模糊化，確定系統(tǒng)模糊關(guān)系矩陣，進(jìn)而確定系統(tǒng)模糊算子。系統(tǒng)的推理機(jī)將空壓機(jī)待診斷故障的模糊向量通過(guò)去模糊化方法推理出準(zhǔn)確的設(shè)備故障結(jié)論。該方法提高了空壓機(jī)故障診斷方法的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：模糊理論；專家系統(tǒng)；空壓機(jī)；診斷故障

1 緒論

目前空壓機(jī)故障診斷方法是在電纜傳輸信號(hào)的情況下，通過(guò)監(jiān)測(cè)的手段對(duì)故障進(jìn)行診斷。這種方法會(huì)造成嚴(yán)重的信號(hào)干擾，難以保證故障診斷的明確性。現(xiàn)在各種智能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，所以我們需要提高對(duì)裝置控制程度和診斷故障的技術(shù)。所以本文提出了一種基于模糊診斷專家系統(tǒng)的空壓機(jī)故障診斷方法。

吳祖炯等人以 SVM 作為分類器來(lái)進(jìn)行壓縮機(jī)質(zhì)量的檢測(cè)，[1]得到了較高的識(shí)別率。但是由于訓(xùn)練樣本不夠多，從訓(xùn)練樣本中提取得到的故障特征信息并不能完全代替所有故障機(jī)的信息，所以會(huì)影響診斷的準(zhǔn)確。

戴俊等人通過(guò)對(duì)單BP網(wǎng)絡(luò)和組合式BP網(wǎng)絡(luò)兩種方法進(jìn)行對(duì)比，[2]得到采用組合式BP網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法更加簡(jiǎn)單實(shí)用。但是由于該空壓機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)的局限性，模型還有待于進(jìn)一步完善。

本文提出了一種基于模糊診斷專家系統(tǒng)的空壓機(jī)故障診斷方法。首先建立螺旋式空壓機(jī)的故障庫(kù)和征兆庫(kù)，將系統(tǒng)特征參數(shù)模糊化，確定系統(tǒng)模糊關(guān)系矩陣，進(jìn)而確定系統(tǒng)模糊算子。[35]系統(tǒng)的推理機(jī)將空壓機(jī)待診斷故障的模糊向量通過(guò)去模糊化方法推理出準(zhǔn)確的設(shè)備故障結(jié)論。該方法提高了空壓機(jī)故障診斷方法的準(zhǔn)確性。

2 專家系統(tǒng)

2.1 專家系統(tǒng)的基本構(gòu)造流程

專家系統(tǒng)基本構(gòu)造流程如圖1所示。

2.2 故障診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。[6]用戶和專家訪問(wèn)人機(jī)界面，人機(jī)界面與知識(shí)獲取程序、解釋程序、推理機(jī)的數(shù)據(jù)是共通的。無(wú)線傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送給綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)給解釋程序、推理機(jī)。系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)將數(shù)據(jù)給知識(shí)獲取程序、解釋程序、推理機(jī)。

2.3 故障診斷專家系統(tǒng)的知識(shí)獲取

設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)診斷專家系統(tǒng)的知識(shí)獲取主要涉及獲取設(shè)備結(jié)構(gòu)、原理、功能、技術(shù)條件和工作環(huán)境的知識(shí)，獲取設(shè)備故障機(jī)制相關(guān)知識(shí)以及獲取設(shè)備故障、設(shè)備故障征狀、兩者之間的相互關(guān)系方面的知識(shí)。[7]

3 模糊診斷

模糊診斷的流程圖，如圖3所示。流程圖包括構(gòu)造隸屬函數(shù)、建立診斷矩陣、輸入模糊向量計(jì)算A，=B，oR。通過(guò)選擇診斷原則即選擇最大隸屬原則和閥值原則，進(jìn)而分析得到診斷結(jié)果。4 螺旋式空壓機(jī)故障診斷

4.1 系統(tǒng)的基本架構(gòu)

本系統(tǒng)的架構(gòu)圖包括無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線檢測(cè)參數(shù)表、系統(tǒng)知識(shí)管理模塊、系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)表、推理機(jī)、系統(tǒng)結(jié)論表、人機(jī)接口模塊、模糊庫(kù)表、模糊計(jì)算模塊，如圖4所示。

4.2 系統(tǒng)模糊診斷模型的建立

系統(tǒng)模糊診斷模型主要包括模糊化單元、模糊規(guī)則庫(kù)、模糊推理機(jī)和反模糊化單元，如圖5所示。首先將特征參數(shù)賦給模糊化單元，根據(jù)模糊規(guī)則庫(kù)求得故障征兆模糊向量，并輸入給模糊推理機(jī)，通過(guò)模糊診斷得到待診斷模糊向量，并輸入給反模糊化單元，通過(guò)最大隸屬度原則以及閥值原則得到故障診斷結(jié)果。

4.3 系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)

知識(shí)獲取是構(gòu)建空壓機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的基本。[910]通過(guò)對(duì)螺桿空壓機(jī)知識(shí)獲取的來(lái)源并結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn)，螺桿式空壓機(jī)典型故障表Ai和螺桿式空壓機(jī)故障征兆集合Bi。

4.3.1系統(tǒng)特征參數(shù)的模糊化

知識(shí)模糊化的目的就是確定故障特征參數(shù)的隸屬函數(shù)。[11]采用偏大型和偏小型函數(shù)作為隸屬函數(shù)：

偏大型：

μx0，

x-ab-a

1，x

a

SymbolcB@ x

SymbolcB@ b

x>b（1）

2）偏小型

μx1，

b-xb-a

0，x

a

SymbolcB@ x

SymbolcB@ b

x>b（2）

對(duì)于偏大型函數(shù)，a為正常工作時(shí)特征參數(shù)的最大值，b為特征參數(shù)的最大閥值；對(duì)于偏小型函數(shù)，a為特征參數(shù)的最小閥值，b為正常工作時(shí)特征參數(shù)的最大值。

4.3.2系統(tǒng)模糊關(guān)系矩陣的確定

模糊診斷矩陣表示著空壓機(jī)故障與各個(gè)故障征兆之間的關(guān)系。

當(dāng)故障征兆Bi出現(xiàn)時(shí)若引起故障征兆的原因?yàn)锳i的話，則rij′為1；如果故障和征兆之間沒(méi)有關(guān)系，則rij′為0；其余情況根據(jù)隸屬程度在區(qū)域之間取值。進(jìn)而確定初等診斷矩陣R，再通過(guò)歸一化處理，即用公式（3）對(duì)i=1，2，3，...，m，，分別求模糊關(guān)系矩陣R的rij。進(jìn)而得到空壓機(jī)模糊關(guān)系矩陣。

若Ai出現(xiàn)是因?yàn)楣收险髡譈i，則rij′為1；若Ai故障征兆Bi無(wú)關(guān)，則rij′為0；其他根據(jù)隸屬程度取值，從而得到初等診斷矩陣R，o根據(jù)歸一化原則，將通過(guò)公式（3）對(duì)i=1，2，3，...，m，分別求模糊關(guān)系矩陣R的rij。進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣。

rij=r，ij∑nj=1r，ij，j=1，2，3..，n（3）

4.3.3系統(tǒng)模糊算子的確定

通過(guò)計(jì)算公式（A′=B′。R）得到待診斷的故障向量，還需要一個(gè)模糊算子。[12]本文選擇用算子M

SymbolEC@ ）來(lái)計(jì)算，公式如下

aj=mi（1，∑ni=1birij），j=1，2，3..，n（4）

其中aj為空壓機(jī)故障Aj的隸屬度，bi為空壓機(jī)故障征兆Bi的隸屬。

4.4 系統(tǒng)的推理機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的推理機(jī)設(shè)計(jì)首先通過(guò)通過(guò)利用算法A′=B′。R計(jì)算出模糊向量A′。式中B′為輸入的故障征兆模糊向量，而模糊算子“o”和模糊矩陣R是已知的，從而得到待診斷故障的模糊向量A′。再通過(guò)通過(guò)利用閥值原理求出模糊向量A′的最大值，將這一值的一半設(shè)為判別空壓機(jī)故障與否的閥值

SymbollA@ 。接下來(lái)匹配模糊向量A′的各個(gè)模糊子集，如果大于

SymbollA@ ，則說(shuō)明該故障發(fā)生，并將對(duì)應(yīng)結(jié)論輸出。

5 結(jié)論

該方法通過(guò)建立螺旋式空壓機(jī)的故障庫(kù)和征兆庫(kù)，將系統(tǒng)特征參數(shù)模糊化，確定系統(tǒng)模糊關(guān)系矩陣及系統(tǒng)模糊算子。推理機(jī)將空壓機(jī)待診斷故障的模糊向量通過(guò)去模糊化方法推理出準(zhǔn)確的設(shè)備故障結(jié)論。并通過(guò)空壓機(jī)故障實(shí)例診斷，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法相比，該方法工作效率更高，增加了空壓機(jī)故障診斷方法的準(zhǔn)確性。所以該方法可以有效的診斷出空壓機(jī)的故障，可以有效大力的推廣使用。

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作者簡(jiǎn)介：杜文禮（1964），男，河北張家口人，工程師，現(xiàn)工作在石家莊四站廠供銷(xiāo)任處長(zhǎng)一職；第三作者張旭（1991），女，河北邢臺(tái)人，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)。

*通訊作者：張書(shū)娟（1992），女，河北河間人，碩士，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。