发动机状态监测与故障诊断专家系统开题报告

中北大学毕业设计开题报告学生姓名：贾建辉学号：0902034115 学院、系：机械工程与自动化学院专业：过程装备与控制工程设计题目：发动机状态监测与故障诊断专家系统设计指导教师:姚竹亭2013年 3月19日毕业设计开题报告1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文献综述一、本课题研究的背景随着现代科学技术的迅速发展，现代化设备所引起的故障或事故所带来的损失不增加，设备的故障诊断和维修越来越成为一个突出的问题。

人们对机械设备的稳定性、安全性、可靠性、可用性、可维修性、经济性等提出了越来越高的要求，现代工业生产中的设备系统也比以前更注重其效率和能耗，且环保要求也越来越高。

因此，怎样在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，借助或依靠先进的传感器技术、动态监测技术以及计算机信息处理技术，掌握设备运行状态，分析设备中异常的部位和现象，并预测故障可能的发展和设备未来的发展趋势是目前亟待解决的问题【5】。

柴油机广泛运用于油田钻井、铁路牵引、动力发电、矿山机械、工程机械、船舶运输等领域，其运行状态的好坏直接影响到整个机车的工作状态。

目前，柴油机监控系统已经成为现代柴油机视情维修管理的一种主要手段，因此，对其状态进行监控和对其故障进行自诊断，提早发现和预告设备的故障，确保系统安全正常运行，时时处于最佳运行工况，提高设备的修理质量和效率是十分必要的【6】。

二、国内、外技术发展现状设备诊断技术是近40年来发展起来的一门新学科。

它是适应工程实际需要而形成的各学科交叉的综合性学科。

设备诊断的历史和人类对设备的维修方式紧紧相联。

在工业革命后的相当长时间内，由于当时的生产规模，设备的技术水平和复杂程度都较低，设备的利用率和维修费用没有引起人们的重视，人类对设备的维修方式基本上是事后维修，即设备运行出现问题之后进行故障分析与维护【1】。

进入20世纪以后，由于大生产的发展，尤其是流水线生产方式的出现，设备本身技术水平和复杂度大大提高，设备故障对生产影响显著增加。

这样，出现了定期维修，以便在事故发生之前进行处理。

大约在20世纪60年代，美国军方意识到定期维修的一系列弊病，开始变定期维修为预知维修，即在设备正常运行过程中就开始进行监护，以发现潜在的故障原因，及早采取措施，防止突发性故障的产生。

这种主动维修方式，不仅大大避免了灾难性的设备故障，而且避免了失修和过剩维修，经济效益十分显著。

这种维修方式很快被其他企业所效仿，设备诊断技毕业设计开题报告２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、本课题主要解决的问题该课题以柴油发动机为研究对象，研究如何实时在线监测其运行状态，以及如何实现柴油机故障诊断分析和处理的问题。

课题所要解决的问题有柴油机的故障类型分析及优化，故障信号的获取以及柴油发动机运行状态监测与故障诊断等。

柴油机是一个复杂的往复式机械系统，其故障十分复杂，表现为不确定性、多维性，同样的故障可能有几个因素造成。

目前柴油机的故障诊断技术是比较成熟的技术，因此本课题重点不是研究柴油机故障，而是利用传感器技术、计算机技术和网络通讯技术等，测量柴油机运行时的故障特征参数。

然后利用这些特征参数，实现柴油机故障诊断、分析处理。

同时根据柴油机各个系统的特性，本文从柴油机的结构及工作原理入手，通过柴油机的各主要组成系统(如燃油系统、进排气系统、润滑油系统等)对柴油机工作状态的影响，利用传感器技术，来获取柴油机故障信息，实时在线显示设备运行的即时状态并报警，提示故障原因和发生故障的部位；预测可能发生的故障，提高柴油机车运行的可靠性和安全性。

课题根据柴油机工作特点和故障特征，用柴油机气缸压力传感器监测气缸压力信号，绘制出气缸压力波形，通过获取压力波形上的特征量，并结合其它压力、温度、液位等传感器信号来分析柴油机工作状况，如缸内燃烧过程，燃烧放热率，进排气过程，燃油雾化情况等。

同时通过这些信号作为系统故障诊断分析的特征参量，实现柴油机不解体实时在线动态监测、故障诊断与分析【4】。

二、本课题的研究手段2．1专家系统的结构一般认为专家系统是一种智能程序系统，它具有相关领域内大量的专家知识，能应用人工智能技术模拟专家求解问题的思维过程并进行推理，解释相关领域内的难问题，并达到领域专家的水平。

不同的专家系统，其功能和结构有所不同。

但其基本结构一般包括知识获取机构、知识库、数据库、推理机、人机接口和解释机构6大部分，见 图l图1 专家系统的基本结构2．2故障诊断专家系统运用面向对象的程序设计语言Visual C++编写主控程序，用与之有良好接几的Microsoft SQL Server 与Microsoft Access 进行规则匹配和编写知识库主体，开发出基于Windows 操作环境下的汽车发动机故障诊断专家系统，其具有以下特点：1)先进性该系统基本上包括了电控发动机所有的故障类型，并引入数据流分析，维修人员可根据不同情况选择不同诊断模式，完成故障定位及排除，大大减少盲目性。

2)可靠性本系统根据故障信息特征．建立不同的诊断模式，各诊断模式的推理流程科学合理，保证了系统给出结论的可靠性。

3)实用性该系统容量较小，易于发布。

采用中文视窗操作系统。

所有功能都以菜单和命令按钮实现，便于维修人员掌握和使用。

4)拓展性该系统实现了知识库外挂，知识库与系统具有更大的独立性。

知识库的维护功能可以完全由数据库管理系统实现，具有较强的拓展性。

系统的应用程序在开发过程中，主要采用分模块开发的调用程序结构【11】。

使其便于集体开发和软件功能的扩展，知识库 知识获取子系统 领域专家、知识工程师推理机 全局数据库 解释系统 人机接口 用 户其逻辑结构图如图2所示。

图2专家系统逻辑结构图2．3知识库的建立专家系统的工作过程是一个获得知识并运用知识的过程，也是一个知识处理系统。

知识获取、知识表示和知识利用是专家系统的3个基本问题。

2．3．1知识获取知识库是系统进行开发的依托，知识库中知识的准确可靠直接影响到系统可信度。

采用外部知识获取和知识工程师输入相结合的方式，将所需的各类知识存储到知识库中，进行系统推理时调用【14】。

2．3．2知识表示本系统采用产生式表示系统。

产生式表示法也叫规则表示法。

这是专家系统中使用信息输入主 控 模 块故 障 诊 断 模 块 故障码诊断模块 数 据 流 诊 断 模 块 故 障 征 兆 跨 断 模块故 障 波 形 诊 断 模 块 远 程 连 接 模 块 数 据 查 询 模 块 数 据 应 管 理 模 块 维 修 档 案 管 理 系 统 帮 助 知识库最多的一种知识表示法。

产生式通常用于表示具有因果关系的知识。

其基本形式是：IF P THEN Q其中。

P是产生式的前提，用于指出该产生式规则的条件；Q是一组结论或操作，用于指出当前提条件满足时应该得出什么样的结论或应该进行的操作。

一个产生式系统包括3个基本要素：规则库(Rule Base)、综合数据库(Global Database)、控制系统(Control System)。

1)故障诊断准备知识的表示这类知识是用来提醒维修人员在进行正式的检测诊断之前，先对整体进行必要的观察和检查。

以避免不必要的拆卸和检测。

对于这类知识的表示，是以Word文件的形式直接存储在程序的窗体上，而且可以通过打印命令转化到Word形式下进行编辑。

2)有代码故障的知识表示有代码故障及其知识表示是以数据库文件的形式存储在计算机中。

采用产生式规则表示法。

其故障代码即为规则的左部，故障原因及其维修办法为规则的右部，只要用户输入代码号，规则右部即被激活。

从数据库中调用相应的内容显示在窗体上。

数据流诊断知识的表示跟故障码诊断知识的表示是一样的。

3)故障征兆诊断模式知识的表示这部分知识的表示是系统的核心内容，它关系到后面的推理机制的建屯和推理策略的确定。

故障征兆诊断知识的获取和推理是以故障树分析技术为基础的，故障树分析法(Fault Tree Analysis)就是把所研究系统的最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标。

然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成下一级事件发生的全部直接因素，一直追查到那些原始的、勿须再深究的因素为止。

2．4知识的基本管理2．4．1知识的检验管理1)正确性检验其主要是对故障诊断知识库中的知识进行语检查，对语法检查不合格的记录，将其状态设为不激活状态。

为实现对知识库中不合法的知识进行检验，本系统采用SQL设计的关系数据库中的触发器在新知识增加时自动、及时地检验知识的合法性，保证了将这螳错误消除在萌发阶段。

2)多义性检验对规则库中的规则来说．当已经给出完备的规则前提时应得到唯一的结论。

如果知识库中存在前提相同而结论不同的规则就出现了多义性的错误。

当发现此类错误后，知识库管理系统将这些记录提交给领域专家进行处理。

3)冗余检验它是检查知识库中是否存在完全相同或非常相似的记录，特别是在规则库中要检查是否在结论相同而规则前提中除有些条件互反外其余的条件都相同或等价的规则。

如有，则将这些知识进行合并，消除知识冗余。

2．4．2知识的存入知识的存入是将经过领域专家认可的知识输入到知识库中。

在输入知识前，需明确将知识添加到知识库中哪张表中去。

通过选择知识库中设定的索引机制进入该表的操作界面，点击输入子菜单即可对知识进行输入。

2．4．3知识的修改和删除若发现一些知识误差很大或错误很多，可选择要删除或修改的记录，再点击删除或修改子菜单。

2．5推理机制推理是按某种策略由已知判断推出另一判断的思维过程。

推理方向用于确定推理的驱动方式．可分为正向推理、逆向推理、混合推理和双向推理4种。

本系统采用正向推理。

正向推理(Foreward Chaining)是以已知事实作为出发点的一种推理。

其又称为数据驱动推理、前向链推理，模式制导推理及前件推理等【9】。

正向推理的基本思想：系统根据用户提供的原始信息，在知识库中寻找能与之匹配的规则。

若找到，则将推出的新事实加入到数据库中作为下一步推理的已知事实，在此之后再在知识库中选取适用的知识进行推理，如此反复进行这一过程。

直到得出最终结果。

其推理过程如图3所示【14】。

2．6 人机接口人机接口是专家系统的重要组成部分。

直接影响到用户对专家系统的使用和维护的方便及其功能的发挥。

因此，构建该专家系统的时候，将以用户使用的简便性、可操作性为目标，确保该系统的完好功能。

针对这一要求，选用了可视化编程语占Visual C++来编制程序。

该专家系统充分体现了人性化，是图文并茂的诊断手册。

在使用中，配以相应的实物原形图来表示故障发生的具体部位以及维修使用的工具，并用相应的文字说明，让使用维修人员能够很快地识别并做出反应。

其用户界面友好、灵活，由弹出菜单和屏幕菜单回答系统来实现，数据输入根据屏幕提出的问题由键盘响应来回答【11】。