基于结构及行为的柴油机智能故障诊断

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Intelligent Fault Diagnosis of Diesel Engine Based on Structure and BehaviorZhang Tong ， Han Jing ， Liu Ping(1.School ofMechanical and Vehicular，Beijing Institute ofTechnology，Beijing 100081 China；2.Beijing Institute ofAerospace Testing Technology，Beijing 100074，China)Abstract：Intelligent Technique of Fault Diagnosis is a new fault analysis，which pays moreattention to doing research on the overall structure of the system and transmission relationshipbetween the different faults.Structure and behavior-based diagnosis is a thought breakthrough inthe intelligent diagnosis.It is a kind of model-based diagnosis.M odeling，diagnostic generationand diagnostic tests are studied in depth and a diagnostic system which can be applied to theactual production system is brought out.Then it is applied to the fault diagnosis of the intakesystem of diesel engine。

Key words：fault diagnosis；fault location；structure and behavior-based diagnosis；Rodelica；the intake system of diesel engine由于柴油机自身的结构特点和工作原理，限制了-些测试方法和分析方法的应用，旋转机械设备状态检测与故障诊断的成熟技术不能很好地推广至柴油机故障诊断中。柴油机故障的复杂性主要表现在以下几个方面lqJ：故障的多层次性，故障的模糊性，故障的相对性和相关性以及多故障并发性等。

基于结构及行为的诊断能够克服传统诊断方法 (主要依赖于专家对诊断对象的经验积累)的缺点，其诊断的全部过程为：建立模型、冲突识别、诊断产生、诊断测试。从工程应用的角度来看，柴油机故障诊断的-般过程主要包括以下收稿臼期：2012 10 10；定稿 日期 ：2012-112基金项目：国家自然科学基金资助项目 (10872031)：北京市自然科学基金资助项目 (3102025)作者简介：张 彤 (1966-)，女，陕西西安人，副教授，主要研究方向为机械可靠性、工程图学。E-mail：zh tl1###263-net图 学 学 报 201 3丘几个方面 ]：故障机理的研究，状态信号的收集，特征信息选取与提取以及故障分析与诊断等。

基于结构及行 为的诊断所采取 的方法是冲突搜索诊断，图 1模型描述了系统的行为模式 。

图 1 冲突搜索诊断基于结构及行为的诊断的基本思想是 ]：根据系统组成部件和部件间的连接关系，建立待诊断系统的模型，然后根据建立的系统模型以及系统的实际输入，逻辑推导出系统在正常工作情况下的预期行为，如果预期行为与实际观测到的行为有差异，就说明系统存在故障。利用模型诊断方法，能够确定引发故障的元件集合。

从解释或者推理的角度可将基于结构及行为模型的诊断分为：基于-致性的诊断，基于溯因诊断。前者只使用系统元件的正常行为模型，建模效率高，能够处理在设计阶段没有预见到的故障，但系统模型中不含元件的故障行为模型，所以不能指出故障元件所处的具体故障模式。后者引入元件的故障行为模型，给出了从故障到观测的因果关系，但当出现未预见的故障时，将得不到正确的诊断。为了使诊断得到进-步的优化，可将这两种方法相结合地用于模型诊断中。

基于结构及行为诊断的基本过程包括系统建模，候选诊断生成，候选诊断测试和候选诊断鉴别 4个阶段，如图2所示。

系统建模 七二二二 候选诊断生成 -、>l 候选诊断测试 --- 候选诊断鉴别任务：为待诊断系统构建-适当的模型。

关键性：直接关系到后续工作进行的顺利程度 以及最终诊断结果的准确度。

任务：已知预测与 观 测 之 间 的差异，确定哪些元件失效导致 了这个差异。

3种典型的测试方法：约束暂停，设 计 自动 推 理 工具 ，通 用 诊 断机GDE。

图2 诊断-般过程1 相关算法研究及诊断系统设计基于结构和行为诊断中，由冲突集计算碰集是诊断必不可少的-个步骤。用约束传递来计算最小冲突集，可以保证每次求解的-定是-个冲突集合[ 。对于碰集的计算，可以采用 HS-dag算法，该算法按宽度优先 (先处理完某-层上的全部节点，才能继续处理下-层的节点)生成任务：鉴别那些通过了测试 的假设 以找出真正的诊断。

DAG(Directed Acyclic Graph) J～冲突集合计算方法与 HS-dag的碰集算法结合起来，使冲突集合和碰集合的求解同时进行，完成算法的优化 。

对于不同的领域，有不同的建模语言。采用的RODON软件平台可以对复杂技术系统进行高效 的工程 建模 。通 过使用 RODON 集成 的Rodelica建模语言，几乎可以对任何系统 (部件)进行建模，其所建立的模型重复使用率高，减少第 3期 张 彤等：基于结构及行为的柴油机智能故障诊断 159了建模的时间和成本。RODON通过对系统建立虚拟产品模型并利用基于冲突的故障搜索机制，对系统故障进行推理和仿真，完成系统故障诊断，生成故障诊断知识。

为求得诊断结果，构建的系统主要包括：扫描解析拈、输入观测值拈和故障诊断拈。

诊断系统输入观测值拈扫描观测值文件给约束网络赋值扫描解析拈扫描建模描述文解析生成约束网图 3 诊断系统结构图设计思路是：对 Rodelica语言描述的模型文件加以解析扫描，得到诊断需要的约束网络，有了约束网络之后可以根据它来计算冲突集合和碰集，从而得到诊断结果。

2 柴油机进气系统常见故障诊断应用研究进气系统作为发动机的关键组成部分，在实故障诊断拈冲突识别算法实现碰集算法实现际工程应用中，其典型故障是传感器故障、堵塞和泄漏。使用基于结构及行为的诊断系统主要对传感器的故障进行诊断研究。

2.1 进气系统的结构图4描述了发动机的进气系统结构。在系统内，用来模拟测量温度和压强的积分电路有4种状态。同时，有 3个传感器测量周围的压强、温度和工况。

图 4 进气系统结构图2.2 传感器故障诊断研究对于传感器的行为的模拟，可以用-个方程来表述： 厂 (1)其中， 代表气流计的真值， 是使用诊断系统仿真得到的值，而 代表故障 (故障发生，0)。