冷轧机液压故障诊断专家系统的关键技术研究.pdf

w w w .b z f x w .c o m 2 0 0 8 年 9月 第 3 6卷 第9期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS S e p ． 2 0 0 8 Vo 1 ． 3 6 No ． 9 冷轧机液压故障诊断专家系统的关键技术研究 袁林忠，陈宝薇，李焱华 浙江万里学院，浙江宁波 3 1 5 1 0 1 摘要通过对液压 A G C系统的分析 ，研究了建立冷轧机液压故障诊断专家系统的关键技术，分析了诊断知识处理的两 大关键问题知识的获取与知识的存储；给出了面向被诊断系统、领域专家和故障诊断系统的分层次的知识获取策略；分 析了诊断系统的推理过程，根据知识库的规则顺序和知识库不断更新、扩充的需要，给出了两种最基本的推理方法 正向 推理和逆向推理。 关键词液压 A G C系统；故障诊断技术；专家系统 中图分类号 T H1 3 7 ；T H1 6 5 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 0 8 9 1 6 03 Re s e a r c h o n Ke y Te c h no l o g i e s o f Fa u l t Di a g no s i s Ex pe r t S y s t e m o f Co l d． r o l l Hy dr a u l i c Pr e s s u r e AGC S y s t e m YUAN L i n z h o n g， CHEN Ba o we i ． L I Ya n h u a Z h e j i a n g Wa n l y U n i v e r s i t y ，N i n g b o Z h e j i a n g 3 1 5 1 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t B y a n a l y z i n g t h e h y d r a u l i c AGC s y s t e m， t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f f a u l t d i a g n o s i s e x p e r t s y s t e m we r e s t u d i e d ． T h e t w o k e y p r o b l e ms ，t h e a c q u i r e me n t o f k n o w l e d g e a n d t h e s t o r g e o f k n o wl e d g e w e r e a n a l y z e d ． A h i e r a r c h i c a l s t r a t e g y o f k n o w l e d g e a c q u i r e me n t o r i e n t e d t h e d i a g n o s e d s y s t e m，d o ma i n e x p e r t s a n d f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m w a s p r e s e n t e d ．T h e r e a s o n i n g p r o c e s s o f d i a g n o s i s s y s t e rn wa s a n aly z e d ． Base d o n t h e r u l e o r d e r s o f k n o wl e d g e b a s e a n d t h e r e q u i r e me n t o f k n o wl e d g e b a s e f o r u p d a t i n g a n d e x t e n d i n g c o n t i n u o u s l y ， t w o b asi c r e a s o n i n g me t h o d s ，f o r w ard r e a s o n i n g a n d b a c k w a r d r e a s o n i n g w e r e p r e s e n t e d ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c AGC s y s t e m； T h e t e c h n o l o g y o f d i a g n o s i n g h i t c h ； E x p e r t s y s t e m 由于轧机 自动化水平 以及对板带材 的质量要求的 提高，对冷轧机的执行机构和控制机构的性能要求越 来越高，导致冷轧机的液压系统结构和信息传递过程 越来越复杂，尤其是以冷轧机 A G C系统为代表的工 业电伺服系统，它是一个结构复杂的机械、电气和液 压的综合系统。其工作的可靠程度直接影响生产的连 续性和轧机工作的可靠性。因此研究冷轧机液压系统 的故障诊断技术具有现实意义。 液压系统的故障诊断技术是在吸收和应用其它领 域的一些成果和方法的基础上发展的一种诊断技术。 结合液压系统特有的失效形式和故障机制，建立相应 的知识库和规则库，利用现代信息与处理技术，对提 取的状态监测信号进行模式识别或分类 ，对系统故障 进行诊断、故障原因进行分析以及故障定位和故障预 报等。对于液压系统的故障诊断如果采用纯数学 的方 法就无法解决状态信息的提取和处理 ，而在传 统方法 基础上发展起来的智能信息处理技术有助于解决这个 问题，许多生产应用实例表明，利用人工智能和领域 专家知识是液压系统故障诊断的一种有效途径。 1 冷轧机液压 A G C系统的组成 液压压下装置主要由传感器、液压缸以及电液伺 服阀等组成 ，通过 电液伺服阀对液压缸的流量及压力 的调节来控 制液压缸上 、下移动 的行程 ，从 而控制轧 辊的辊缝值 。系统结构如图 1 所示。 图 1 液压 A G C系统 的结构框图 一 个完整的液压控制系统 ，主要由一套以计算 机 、检测元件为主的控制装置和以一套液压系统 、液 压缸为主的执行机构组成。检测元件主要有测厚仪、 测压仪 以及 安装在液 压缸 上的传 感器 位置传 感 器 和压力传感器 ，系统通过测厚仪、位移传感器和压 收稿 日期 2 0 0 7一l 1 1 9 基金项 目浙江省教育厅资助项 目 作者简介袁林 忠，男，浙江万里学院教师，主要从事机 械方面的教学与研究。电话 0 5 7 48 8 3 5 7 7 7 3 ，Em a i l y l z 6 6 0 2 0 2 1 6 3 ． c o rn。 维普资讯 第 9期 袁林忠 等冷轧机液压故障诊断专家系统的关键技术研究 ’1 6 1 力传感器等对相应参数的连续测量 ，连续调整压下缸 位移 、轧制力等 ，从 而完成对板带材厚度的控制 。系 统 主要由以下几个 回路组成 压 下缸 位置闭环 回路 、 轧制压力闭环 回路及测厚仪监控闭环 回路 系统最易 在伺服阀和压下液压缸 出现故障 ，如果出现故 障，将 在 以下几个方面表现出以下特征 首先 ，位置控制精 度达不到要求 ；其次 ，压下液压缸压 力过高或过低 ， 或者压力 建立不起来 ；第三 ，伺服 阀驱动零偏 电流大 于正常范围 ；最后 ，压下液压缸可能偏向一端或者不 受控制。 2故障诊断专家系统的组成 专家 系统主要 由知识库和推理机组 成。图 2为专 家系统的基本结构。 知识 工程 师 专家 用 户 图 2 专 家系统的基本结构 知识库主要用于存放领 域专家提供 的专 业知识 。 知识库中的知识来源于知识 获取机构 ，同时它又为推 理机提供求解 问题所需要的知识 。 3 故障诊断知识的获取与存储 液压故障诊断 包括对 机械设 备液 压系统 状态 检 测 、识别及预测 3 个方面 ，最后形成诊 断报告 。诊断 过程通常包括信息 的采集 、故障信号的处理和状态识 别以及判断和预报 。诊断的准确程度取决于被诊断的 对象所提供的信息 以及专家 系统所提供 的专家知识和 推理过程。图 3为液压故障诊 断的基本过程框 图。 鱼 r - 1 墼 塑坌 堑H堡 堑 堡 堡 堑H堡 堑竺 堡I 图 3 液压故障诊 断的基本过程框图 故障诊断知识的处理是液压故障诊断专家系统的 关键技术之～ 。它包括 2个方面的内容 一是知识的 获取问题 ，其次是知识如何存储 的问题。建立一个完 善 的知识库 ，是故障诊断系统首先 必须解决 的问题 ， 故障诊断知识 的获取是 目前建立智能诊断系统 的一个 “ 瓶颈” 。故 障诊断 主要涉 及诊 断系统 、被诊 断对 象 以及人 3个方面 ，因此在考虑获取知识 时 ，可 以从 以 下几个方面进行考虑 诊断系统 的知识 、被诊断对象 的知识以及专家的知识 。 根据液压 A G C系统故 障诊断知识 范 围，可 以采 取面向被诊 断系统 、面向领域专 家和面 向故 障诊断系 统的分层次 的诊 断知识获 取策 略。具 体获 取过程 如 F 1 首先 通 过 A G C系统设 计 工程 师 从 设计 图 纸、技术文件、使用说明以及操作规程等获取液压 A G C系统 以及其元 部件 的结 构 、功能 、工 作环境 及 操作规范等方面 的知识 ，并将这部 分知识分类建立液 压 A G C系统及元部件的知识数据库。 2 其次通过故障机制分析人员 、系统操作人 员 、故障诊断专家以及故障发生的历史资料，获取液 压 A G C系统及元部件的故障发生机制方面的知识 。 3 最后通 过领域专 家 、操作 人员 以及现场 实 际加工过程中参数测量和信号分析、处理工作者 ，利 用他们在长期的故障诊 断实践 中积累起来的经验 ，获 取液压 A G C系统及其元部件的故障、故障征状及故 障与故障征状之间关系方面的知识。 诊断知识的存储是知识处理的另一个问题 ，知识 存储就是如何 以计算机能够存储 的形式来表达 知识。 根据液压 A G C系统 的特点 ，可以采用产 生式 知识表 示法 ，它 的具体形式为 如果条件是 A 结论就是 B 每条知识即构成一条事实 ，有多条前提事实和一 条结论事 实 即构 成一 条规则 ，所 有 的规则组 成知识 库。并把事实和规则分别进 行分类 ，由规则类生成 的 所有规则对象 以链 表 的形 式连接 起来便 构成 了知识 库。对知识库的操作 由规则类的操作方法提供 。根据 程序设计 的不同思路和不同的开发工具 ，可 以分别定 义事实类 和规则类成员变量的意义 。 知识库 中的知识是 一个不断更新 和积累的过程 ， 因此为了使知识库 的编程 、修改方便 ，同时也为了使 程序具有可移植性 ，可 以把这些知识存放在文本文件 中。在系统运行 时，选择所需 要 的知识 库放入 内存 ； 退出系统时，将修改后的知识存入计算机的硬盘。 4推理机的设计 推理过程的设计是故障诊断系统的又一个关键技 术。推理过程是一个思维过程 ，是一个根据已知条件 来求解 问题 的过 程。问题求 解结 果 的准确性 ，一 方 面 ，依赖于求解 问题所 采用 的求解 方法 ；另一方面 ， 与求解的策略有关 ，即推理 的控制策略。推理可以分 为正向推理和逆 向推理 ，所谓正向推理就是从 已知事 实出发 ，当规则 的条件部分 与 已有 的事 实相匹配时 ， 该规则就成立 。逆 向推理就是先提出某个假设 ，然后 找到使该假设成立 的条 件 ，如果条件 能够 找到 的话 ， 原假设就成立；如果找不到使该假设成立的条件，原 假设就不成立。 如果在编写知识库时，将规则前提是非结论性 前提的规则放在前 面 ，将 规则 前提 是结论 性前提 的 规则放在后面 ，图 4就可 以实现 推理过 程 ，即正 向 推理 维普资讯 1 6 2 机床与液压 第3 6卷 开 始第 一条规 则 可信度数据清零 P f 规 则前 提头 指针 ，＼ 芝竺 ／ 此 前提 可信 度存 入数 翊 秘 动 驯 下 一 前 辊 是 I 甚 菱 磊 j戛 舞 y e s 链 和 结论链 中 是 茬 霖 卜 是 否 移 动到 下一条 规 则 图 4 正 向推理过程框 图 考虑到知识库内容需要扩充和修改，但扩充和修 改一定会引起已排好顺序的知识 库的改变 。有可能 出 现如下 的情况 A B，C} D，B C 已知条件 A，此时如果按 照正 向推理进行推理 的 话 ，最后就无法推 出结论 D 。如果采用逆 向推理就可 以解决上述问题 ，图 5为逆 向推理过程框图。 开始 第一 条规 则 篁 禾 造 竺 竺 墨 可信 度数 据清 零 P f 规 则 前 提 头 指 针 是 退 出 否 l 计算可信度 ， 加入结论链 垄 _ ． 一 中 ，标 志此 规则 已匹 配成 I 功． 如不是最终结论则将 I 结论加 ／ y e s 链 中 互 一置 此 规 则 无 法 匹 配 成 功 标 志 移动 到下 一条 规则 图 5 逆向推理过程框 图 在推理过程 中的可信度 ，指的是条件 可信度和结 论可信度。计算方法如下 条件可信度，如果条件是 多个的话 ，则可信度取 C F E ra i n { C F E ， c F E ， ⋯， C F E } 其 中C F E 是可与 E 匹配的证据可信度。 结论可信度由下式计算 C F H C F 日， E m a x { 0 ， C F E } 其 中 m a x { 0 ， C F E } 意义是 如果 C P E 小 于 0 ，则 此规则不能启用 ，如大于 0 ，结论可信 度就等于规则 强度与条件可信度的乘积 。 如果 2条规则具有 同样 的结论 ，则可信度按如下 计算 首先计算 C F C F H， E ， m o x { 0 ， C F E } C F 2 H C F H， E m a x { 0 ， C F E } 最后计算 C F C F 日 C H 一C F H C F H 5结论 液压故障诊断系统的诊断知识处理 和推理过程的 设计是智能专家系统 的关键技术。是衡量智能诊断专 家 系统性能 的重 要指标 。作者 通过对液 压 A G C系统 的分析 ，分析了诊断知识处理的两 大关键 问题 知识 的获取与知识的存储 ；给 出了面向被诊断 系统 、领域 专家和故障诊断系统 的分层次的知识获取策略 。同时 也分析 了诊断系统的推理过程 ，根据知识库的规则顺 序 和知识库不断更新 、扩充的需要 ，给 出了两种最基 本的推理方法正向推理和逆向推理。为建立故障诊 断专家系统奠定了技术基础 。 参考文献 【 1 】张建华 ，王 占林．液压系统故障诊断处理方法研究 [ J ] ．液压与气动 ，1 9 9 8 ． 【 2 】王海芳 ，高英杰，等．液压 A G C系统故障诊断知识 处理方法研究 [ J ] ．液压与气动，2 0 0 1 ．1 0 ． 【 3 】陈章位， 路甬祥．电液伺服系统故障诊断专家系统的 研究 [ D ] ．浙江大学，1 9 9 4 ． 【 4 】史济建．专家系统实现技术 [ M] ．杭州浙江大学 出版社 ，1 9 9 5 ． 【 5 】吴今培．智能故障诊断与专家系统 [ M] ．北京科 学出版社 ，1 9 9 7 ． 【 6 】祝海林，邹昱．人工智能在液压系统故障诊断中的应 用 [ J ] ．液压与气动，1 9 9 5 ． 【 7 】袁林忠．冷轧机液压 A G C系统数学模型研究 [ J ] ． 机械设计与制造 ，2 0 0 7 ．5 ． ● 。 ●●0● ●‘ ● o●●0●0‘0。 ● ●0● ‘o‘0‘ 0●、 V 欢迎订阅 机床与液压杂志 2 ●0● - 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