毕业论文-农用柴油机常见故障诊断系统的研究与开发

-农用柴油机常见故障诊断系统的研究与开发 山 西 农 业 大 学 毕 业 论 文 农用柴油机常见故障诊断系统的研究与开发 作 者:刘建理 指导教师:贾利恒 专 业:计算机应用技术 学 院:计算机科学与技术学院 中国?山西?太谷 2006年09月 山西农业大学毕业论文 目录 1 引言 ...................................................................... - 1 - 研究本课题的目的和意义 .................................................. - 1 - 1.1 1.2 本课题国内外研究现状 .................................................... - 1 - 1.3 研究内容及研究 ...................................................... - 2 - 2 故障诊断专家系统分析及开发简介 .............................................. - 2 - 2.1 农用柴油机故障类型 ...................................................... - 2 - 2.2 专业领域知识库的生成及知识表示 .......................................... - 2 - 2.3 开发工具简介............................................................ - 2 - 3 故障诊断专家系统的基本原理.................................................. - 3 - 3.1 发动机故障形成原因 ...................................................... - 3 - 3.2 发动机故障诊断方法 ...................................................... - 3 - 3.3 故障诊断的故障树依据原理 ................................................ - 3 - 3.3.1 数据结构基本原理及基本概念 ........................................ - 3 - 3.3.2 树状结构介绍 ...................................................... - 3 - 3.3.3 发动机故障树与树状数据结构 ........................................ - 4 - 3.3.4 二叉树及其操作 .................................................... - 4 - 3.3.5 森林与二叉树的转换 ................................................ - 4 - 3.3.6 故障森林与故障二叉树的转换 ........................................ - 4 - 3.4 故障诊断的知识表示 ...................................................... - 5 - 3.5 故障诊断推理机制基本思想 ................................................ - 5 - 3.6 诊断流程................................................................ - 5 - 4 基于VFP的诊断型专家系统的实现 .............................................. - 5 - 4.1 概述 ................................................................... - 5 - 4.2 系统功能简介............................................................ - 5 - 4.3 系统主要实现的模块功能 .................................................. - 5 - 4.3.1 项目的建立 ........................................................ - 5 - 4.3.2 知识库的建立步骤 .................................................. - 5 - 4.3.3 故障诊断推理模块 .................................................. - 6 - 4.3.4 图片资料的利用 .................................................... - 6 - 4.3.5 知识库修改完善 .................................................... - 6 - 4.3.6 知识库浏览、打印模块 .............................................. - 6 - 4.4 总结 ................................................................... - 6 - 第 - 2 - 页 共 9 页 山西农业大学毕业论文 农用柴油机常见故障诊断系统的研究与开发 摘 要 柴油机在农机作业中起着举足轻重的作用，它工作质量的好坏将直接影响到农机工作的状况，而柴油机在工作中难免发生许多故障，需要操作人员和维修人员实时诊断排除。但有些故障引起的原因很多，要想准确判断需要较多的知识，因此开发发动机故障诊断系统有一定的实用价值和意义。本系统从实用角度出发，针对农用柴油机的发动机进行故障诊断专家系统的开发研究。根据发动机故障的复杂性，依据计算机数据结构原理，采用故障树的数据结构和关系数据库原理完成知识表示，建立了较完善的知识库，实现了确定性故障诊断所需的知识库和推理机。利用Microsoft Visual FoxPro编程工具，并组建了农用柴油发动机故障诊断专家系统，缓解了故障诊断专家供不应求的矛盾，提高了农用柴油机的常见故障诊断的效率和准确率。系统主要实现的功能包括:发动机确定性故障诊断功能，故障模糊查询功能，用户诊断数据库浏览、打印功能，知识库维护修改和可扩充功能，并配有发动机结构图，便于用户学习掌握。 关键词:柴油机，故障诊断，专家系统，知识库，故障树 1 引言 1.1 研究本课题的目的和意义 发动机作为拖拉机的心脏，是机车行驶的动力来源。由于它的结构复杂、零件多、工作条件恶劣，因此在运行中故障最多且难排除。利用计算机对农用柴油机进行故障诊断既迅速又准确，因此开发农用故障诊断专家系统是十分必要的。 近年来，中小型拖拉机在农村的发展较快，但使用操作人员科技文化素质总体低下，大都没有经过系统的理论学习和实践技能培训。调查结果表明，操作人员中初、高中文化的仅占47.5%，文化占34.3%，还有18.2%属于文盲和半文盲，真正参加过农机培训的操作人员和农机维修人员不足5%。由于他们对机械结构、原理和性能没真正了解，对故障的判断处理能力差，平时根本谈不上什么维护保养，更不用说是机械维修。农忙时间机具因出故障得不到及时排除而延误农时的现象十分严重。更有不少的机手在拖拉机出现冒黑烟、烧机油和难起动等故障时也不及时检修，甚至挂挡打齿，前轮摇晃，制动跑偏等危及行车安全的故障出现时仍凑合使用，心存侥幸，带病作业。中小型农机仅能维持在“能用”、“能跑”的水平，根本谈不上效益和作业质量，大大缩短了机具的使用寿命，甚至引发机械和人身故障。 开发农用柴油机常见故障诊断专家系统的目的是，从实用角度出发，为普通用户进行常见故障诊断专家系统的开发，以满足广大普通用户的需求。 1.2 本课题国内外研究现状 发动机故障诊断系统的发展是随着发动机工业和设备诊断技术的发展而同步前进的。20世纪80年代，出现了第一代发动机故障诊断系统OBD-1(On Board Diagnosis)。1982年，意大利米兰发动 第 - 1 - 页 共 9 页 山西农业大学毕业论文 机工业大学首先成功研制了发动机电系故障诊断系统，该系统采用反向推理，知识库由100多种规则组成，主要来自修理工人的经验和维修手册，此系统的实际目的是为了教学。日本丰田中央研究所开发了发动机故障诊断专家系统ATERX，它根据司机日常注意到现象，推断引起发动机故障的原因及维修方法，该系统是一个产生式系统，知识结构中约120条规则，采用正向推理，把可能的故障原因全部输出。 1.3 研究内容及研究方法 鉴于以上现状，笔者决定在这方面作些尝试。根据柴油发动机的常见故障，应用人工智能专家系统原理和面向对象的设计方法，建立知识库和相应知识表达推理机制，利用编程工具——面向对象的可视化编程软件Microsoft Visual FoxPro[29]，设计并组建拖拉机发动机的常见故障诊断专家系统，实现的功能包括:发动机故障诊断功能;故障模糊查询功能;用户诊断数据库浏览、打印、保存功能;知识库维护修改和可扩充的功能。另配有大量的发动机构造图和维修图片，以便用户学习掌握[30]。以缓解故障诊断专家供不应求的矛盾，提高发动机常见故障诊断的效率和准确率。 研究方法分以下几步:收集整理发动机故障现象及排除方法;针对发动机的故障，依据计算机数据结构原理，采用故障树的数据结构和关系数据库原理完成知识表示，建立了知识库，实现了故障诊断所需的知识库和推理机，构建发动机故障诊断系统的诊断流程;在此基础上利用编程工具Microsoft Visual FoxPro，分别设计各种工作界面，实现上述功能;最后对软件反复进行测试，以进一步完善软件的功能。 2 故障诊断专家系统分析及开发简介 2.1 农用柴油机故障类型 经过分析，我们把专业领域的专家知识即发动机常见故障归纳为十大类[2]:?发动机起动困难或无法启动;?功率不足;?排气不正常;?柴油机运转不稳;?柴油机运转中有不正常响声;?柴油机过热;?柴油机突然自行熄火;?飞车;?窜烧机油;?机油压力不足。 2.2 专业领域知识库的生成及知识表示 用合适的形式表示领域专家的知识是构造知识库的重要环节。近年来，面向对象的编程技术得到了迅速发展，在此基础上发展起来的面向对象的知识表示方法为解决专家系统中的知识获取、知识表示、知识库的组织、知识推理等方面提供了非常有效的途径。 为此，知识库的建立重点采用了面向对象的程序设计语言。针对发动机的故障，依据计算机数据结构原理，采用故障树的数据结构和关系数据库原理完成知识表示，建立了知识库，实现了故障诊断所需的知识库和推理机。[1]用面向对象程序设计语言Microsoft Visual FoxPro(简称VFP)开发工具开发了发动机故障诊断专家系统。该系统主要实现的功能包括:发动机故障诊断功能，故障模糊查询功能，用户诊断数据库浏览、打印、保存功能，知识库维护修改和可扩充的功能，另配有大量的发动机构造图和维修图片，便于用户学习掌握。 2.3 开发工具简介 本系统采用VFP开发工具及结构化查询语言(SQL) ，其简介如下[5，4]: Visual FoxPro是目前微机上优秀的数据库管理系统之一，被人们誉为“大众数据库”。正如其名称中冠之的Visual一样，它采用了可视化的面向对象的程序设计方法，VFP采用的是关系数据库模型，数据库系统以其开发成本低、简单易学、方便用户等优点得到迅速推广。 关系型数据库使用的语言是结构化查询语言(Structured Query Language，SQL)，它是操纵 第 - 2 - 页 共 9 页 山西农业大学毕业论文 和管理数据库的系统软件。Visual FoxPro属于一种关系型数据库管理系统，是以一定的组织形式存放在计算机存储介质上的相互关联的数据的集合。具有最小的冗余度，具有数据独立性、实现数据共享、安全可靠、保密性能好等特点。 3 故障诊断专家系统的基本原理 3.1 发动机故障形成原因 发动机故障形成原因主要有: 1)本身存在着易损零件。发动机设计中不可能做到所有的零件都具有同等寿命，发动机本身 ( 有些零件为易损件，如空气滤清器、机油滤清器等使用寿命较短，均需定期更换，如没有及时更换或提前损坏发动机就会发生故障。 (2)零件本身质量差异。发动机零件是由不同厂家大批量生产的，不可避免地存在质量差异。原厂配件使用中会出现问题，协作厂和不合格的配件装到发动机上更会出现问题，因此各厂家都在努力提高配件质量，消除零件本身质量缺陷。 (3)发动机消耗品质量差异。发动机上的消耗品主要有燃油和润滑油等，其质量好坏会严重影响发动机的使用性能和使用寿命。而这些用品的添加往往很难由用户来保证，稍不注意就会加入劣质燃油和润滑油，对发动机的危害极大，可能用户还没在意，发动机就出问题了。 3.2 发动机故障诊断方法 发动机使用过程中，不可避免的要发生各种故障。农用车辆在行车途中，要由驾驶员当场检查、当场诊断、当场排除故障，才能使车辆行驶;有些故障比较大或比较复杂，驾驶员较难自己解决，要由修理工来检查、诊断和排除。发动机故障千变万化，千奇百怪，种类繁多，但是故障诊断的方法和步骤都是一定的，只要基本方法正确，思路清晰，方法得当，故障诊断也是容易做出的。 3.3 故障诊断的故障树依据原理 结合发动机故障诊断专家系统要实现的功能，经过对发动机故障的分析则可知，对于发动机故障的每一种存在的现象都有多种一级原因与之相对应，且每一种一级原因有可能会分为多种二级原因，甚至三级原因。以此种思想结构可知，数据与数据元素之间的关系，正好符合计算机数据结构中树的基本特点，则对于发动机故障来说，可采用此种数据的表现形式来完成。[2] 3.3.1 数据结构基本原理及基本概念 数据结构是指相互之间存在一种或多种特定的数据元素的集合。在任何问题中，数据元素都不是孤立存在的，而是在他们之间存在着某种关系，这种数据元素相互之间的关系称为结构。根据数据元素之间关系的不同特征，通常有以下4种基本结构: 集合:结构中的数据元素之间除了“同属于一个集合”的关系外，别无其他关系; 线性结构:结构中的数据元素之间存在一对一的关系; 树形结构:结构中数据元素之间存在一对多的关系; 3.3.2 树状结构介绍 树状结构是一类重要的非线性数据结构。直观的看来是以分支关系定义的层次结构。树结构在客观世界中广泛存在，同时在计算机领域中也得到了广泛应用，尤其在数据库系统中，树形结构也 第 - 3 - 页 共 9 页 山西农业大学毕业论文 是信息的重要组织形式之一。 发动机故障诊断系统后台的数据库就是采用树形结构来完成的，即故障树。 树是n(n>=0)个结点的有限集。在任意一个棵非空树中，当n>1时，其余结点可分为m(m>0)个互不相交的有限集T1,T2，„，Tm，其中每一个集合本身又是一棵树，并且称为根的子树。如图3-1(图略)所示为树的示例。它是有13个结点的树，其中A是根，其余结点分成3个互不相交的子集:T1={B,E,F,K,L},T2={C,G},T3={D,H,I,J,M};T 1,T2和T3都是根为A的子树，且本身也是一棵树。例如T1其根为B，其余结点分为两个互不相交的子集。T11={E,K,L}和T12={F}都是B的子树。而T11中E是根，{K}和{L}是E的两棵互不相交的子树，其本身又是只有一个根结点的树，如图3-1所示(图略)。 3.3.3 发动机故障树与树状数据结构 发动机故障树完全符合树的各种思想特点。 如图3-2(图略)所示，发动机起动困难故障树，A:表示发动机系统,第一层表示十大确定性功能故障现象;B:表示发动机起动困难;C: 表示功率不足;D: 表示排气不正常;E: 表示运转不稳;F: 表示运转中有不正常响声;J: 表示机油压力不足等等。 第二层表示上一级故障现象下的一级故障原因，N: 表示燃油供给系统不正常;O: 表示气缸压力不足;P: 表示配气机构工作不正常;Q: 表示配气机构不正常;R:表示燃油系工作不正常;S: 表示润滑系工作不正常等等。 3.3.4 二叉树及其操作 在数据结构当中有一种特殊树的抽象数据类型——二叉树。二叉树是另一种树状结构，它的特点至多只有两棵子树(即二叉树中不存在度大于2的结点)，并且，二叉树的子树有左右之分，其次序不能任意颠倒。对于二叉树重点讨论它的存储结构及操作。二叉树的存储结构一般采用双链式存储结构来存储，因为在二叉树的一些应用中，常常要求在树中查找具有某种特征的结点，或者对树中全部结点逐一进行某种处理。这里提出一个遍历二叉树的问题，即如何按某条搜索路径巡访树中每个结点，使得每个结点均被访问一次，而且仅被访问一次。“访问”的含义很广，可以是对结点作各种处理，表现在数据库当中一般为检索、插入和删除等操作。 3.3.5 森林与二叉树的转换 经过上述分析，发动机故障采用故障树的结构来组织，多个故障就意味着一个故障森林，可以仔细的思考思考，对于多个故障树的操作是相当的困难的，所以就必须把故障森林转化成一棵故障树，这就是森林转化为二叉树的操作，如图3-4(图略)所示。 由于二叉树和树都可用二叉链表作为存储结构，则以二叉链表作为媒介可导出树与二叉树之间的一个对应关系。也就是说，给定一棵树，可以找到唯一的一棵二叉树与之对应。故障森林与故障二叉树的关系如图3-4(图略)所示。 从树的二叉链表表示的定义可知，任何一棵和树对应的二叉树，其右子树必空。若把森林中的第二棵树的干结点看成是第一棵树的根结点的兄弟，则同样可导出森林和二叉树的对应关系。如图3-5(图略)所示。 3.3.6 故障森林与故障二叉树的转换 依据计算机数据结构原理，发动机故障采用故障树的结构来组织，多个故障就意味着一个故障森林，对于多个故障树的操作是相当困难的，所以就必须把故障森林转化成一棵故障树，这就是森 第 - 4 - 页 共 9 页 山西农业大学毕业论文 林转化为二叉树的操作。 从树的二叉链表表示的定义可知，任何一棵和树对应的二叉树，其右子树必空。 若把森林中的第二棵树的干结点看成是第一棵树的根结点的兄弟，则同样可导出森林和二叉树的对应关系。如图3-6所示，发动机起动困难的故障树: 故障森林转换成一棵故障二叉树是发动机故障诊断专家系统的重要的前提条件，只有把后台的数据库结构完善后才能作各种给予二叉故障树的操作。 3.4 故障诊断的知识表示 从故障树的顶事件至每一个底事件形成了故障分析支路。这样的支路在程序实现时均与一个链表结构对应。为了方便解释，在系统中采用了双向链表结构来表示这些支路，并用数据库表结构表 (表略)。 示，见表3-1 下面对各个字段进行解释。 3.5 故障诊断推理机制基本思想 首先用户选择故障名称，找到相应的故障入口，然后根据故障入口给出相应的提问，并在用户回答问题以后进行推理，如此反复，引导用户完成诊断过程。如果用户没有找到结果，允许用户重新诊断。 3.6 诊断流程 柴油机常见故障诊断流程如图3-7(图略)所示。 4 基于VFP的诊断型专家系统的实现 4.1 概述 在开发研究本系统时选用大众数据库Microsoft Visual FoxPro 6.0开发工具。利用关系数据库原理建立的知识库、故障库简单易懂，便于用户理解掌握，使计算机根据用户掌握的故障线索及存储在计算机内部的知识库中的数据进行选择推理，最终确定发动机的故障部位，并提出维修建议。其特点是:检索速度快，用户可很方便地浏览打印知识库数据，并可根据实践经验随时修改、完善知识库。但是，对复杂故障推理难于实现。 4.2 系统功能简介 所设计的诊断型专家系统具有如下的功能: (1)发动机故障诊断功能;(2)故障模糊查询功能;(3)知识库浏览、打印功能;(4)知识库维护修改和可扩充功能。 系统具体功能及使用方法见附录。 4.3 系统主要实现的模块功能 4.3.1 项目的建立 项目管理器的作用是把应用系统中使用的所有文件如:表单、数据库、表、报表、菜单等不同类型的文件有效的组织和管理起来。设计好的主程序、程序、表单、数据库、表、报表、菜单等都必须添加到项目管理器中。 4.3.2 知识库的建立步骤 第 - 5 - 页 共 9 页 山西农业大学毕业论文 VFP采用关系数据库模型，将知识库划分后，每个库中含有多个表，分别为:故障现象表、一级故障原因表、二级故障原因及排除方法表。将“故障现象”表中的“故障现象”字段和“故障原因” -1(图略)所示，建立表间关联，设置参照完整性。 表中的“一级原因”字段设置为主索引。如图4 4.3.3 故障诊断推理模块 对于发动机的故障，本系统根据用户选定的故障现象进行搜索，然后推理，进而得出结论并提供维修建议，推理采用SQL查询语言。 以发动机启动困难或无法启动为例，介绍故障诊断模块的确定。 4.3.4 图片资料的利用 为使用户能够更加准确地了解和掌握发动机的构造，我们收集了大量的发动机构造和维修示意图，利用OLE技术将word文档和图片(*.jpg格式)嵌入到本系统中，用户可以通过开始界面调用这些资料。图4-5(图略)、图4-6(图略)、图4-7(图略)为系统调用的有关气门间隙调整方法的示意图。实现方法是，先将图片与word文档使用超链接的方式连接起来，再组建图片库，将图片定义成通用字段。然后利用OLE技术将word文档嵌入到表单中来，就可实现图片的浏览。 4.3.5 知识库修改完善 为使用户使用系统过程中，学会故障诊断，并随着自己修车经验的提高，不断扩充、修改和完善知识库，同时，通过使用此软件，不断积累经验，修正错误，最终由一个发动机故障诊断与维护的新手变成专家，本系统特设计了一个知识编辑模块。 此模块的功能是为了方便管理数据和随时完善知识库，但必须取得修改的权限后方可进行编辑修改。而且采用参数传递的智能化设计，界面设计简单明了，容易掌握。 4.3.6 知识库浏览、打印模块 在图4-8(图略)、图4-9(图略)所示模块中，用户可详细浏览知识库中各故障现象及其所对应的各级原因及排除方法，并可打印出来形成书面资料。通过此模块，用户可对知识库随时进行修改、添加、删除等操作，从而进一步完善本系统。 4.4 总结 参考文献 [1] 尹朝庆等. 人工智能与专家系统[M]. 北京:中国水利水电出版社,2002,1-332. 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