基于MATLAB的液压系统故障模糊综合评价软件开发.pdf

2 0 1 3年 1 1 月 第 4 1 卷 第 2 1期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS NO V ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 21 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 1 ． 0 4 6 基于 MA T L A B的液压系统故障模糊综合评价软件开发 杨秀萍1 , 2 ，刘学新 1 ．天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应 用重点 实验室，天津 3 0 0 3 8 4； 2 ．天津理工大学机械工程学院，天津 3 0 0 3 8 4 摘要根据模糊综合评价原理，利用 MA T L A B强大的计算和图形功能，开发了液压系统故障模糊综合评价软件，建立 了人机交互界面，介绍了模糊评价的软件实施过程。利用该软件能够快速、准确地得到评价结果 ，使复杂的评价流程简单 化 ，减少了人为评价的误差和低效率 ，实现了模糊评价的程序化和定量化 ，可用于不同的评价系统 ，容易被工程技术人员 掌握。该软件具有开放性，用户可以根据实际情况对评价级别、评价因素及其权重予以调整 ，实现软件的扩展。 关键词液压系统；故障；模糊综合评价；软件开发 ；MA T L A B 中图分 类号 T H 1 3 7 ． 1 ；T P 3 9 1 ． 7 5 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 11 7 1 4 So f t wa r e De v e l o pme n t o f Fu z z y Co mpr e he ns i v e Ev a l u a t i o n o n Hy dr a ul i c S y s t e m Fa i l u r e Ba s e d o n M ATLAB YANG Xi u p i n g ． L I U Xu e x i nl ’ 1 ． T i a n j i n K e y L a b o r a t o r y f o r C o n t r o l T h e o ry A p p l i c a t i o n s i n C o m p l i c a t e d S y s t e m s ， T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，T i a n j i n 3 0 0 3 8 4 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e o f f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n a n d u s i n g t h e p o w e rf u l c o mp u t i n g a n d g r a p h i c a l i n t e rf a c e d e s i g n mo d u l e s o f MAT L AB，t h e s o f t wa r e o f f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n o n h y d r a u l i c s y s t e m f a i l u r e wa s d e v e l o p e d，i n c l u d i n g t h e e s t a b l i s h me n t o f gra p h i c a l u s e r i n t e rfa c e a n d t h e r e a l i z a t i o n o f e v a l u a t i o n c o mp u t a t i o n a l p r o c e s s ．T h e s o f t wa r e c a n b e u s e d t o g e t e v a l u a t i o n r e s u l t s q u i c k l y a n d a c c u r a t e l y ，wh i c h ma k e s t h e c o mp l e x e v a l u a t i o n p r o c e s s s i mp l e a n d q u a n t i f i e d，r e d u c e s h u ma n e r r o r a n d i m p r o v e s e ffic i e n c y ．I t c a n b e u s e d f o r d i ff e r e n t e v a l u a t i o n s y s t e ms a n d ma s t e r e d e a s i l y b y e n g i n e e r i n g t e c h n i c i a n s ．Ac c o r d i n g t o p r a c t i c al p r o b l e m s ， u s e r s c a n e x t e n d t h e s o f t w a r e b y a d j u s t i n g e v al u a t i o n l e v e l o r e v a l u a t i o n f a c t o r s a n d t h e i r w e i g h t ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s y s t e m ；F a i l u r e ；F u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n；S o ft w a r e d e v e l o p me n t ；MAT L AB 液压系统是一个复杂 的机 、电 、液综合 系统 ，可 视为由多个子系统组成 ，而每个子系统又由若干元件 组成。系统工作时，某些部位的工作参数仅能通过压 力表、流量计等来测量，因此出现故障时，只能靠专 家的经验来判断 。由于液压元件线性及非线性 环节 引 起的不稳定和使用、维护不当，使得液压系统的故障 存在随机性、模糊性和不确定性。如系统油温过高、 容积效率太低、马达转速太慢等故障，以及液压元件 质量差、油液不干净、维护保养不良、元件使用时间 过长，元件损坏的程度和产生故障所涉及的范围都具 有模糊性。因此，故障诊断的准确性受专家经验限 制 ，系统故障误诊现象时有发生。 近年来人们根据液压系统出现故障的因素多，影 响因素存在随机性、模糊性，难以用精确值描述的特 点 ，以模糊 数 学为基 础 ，研 究 液压 系 统故 障诊 断 方 法 ，取得了一系列成果。周曲珠等利用模糊综合评价 理论方法，对液压系统故障进行智能综合评 ；何 世权等运用模糊数学模型对安全阀失效进行综合评 价 ，以提高维修人员对安全阀故障的判断能力和综 合检修能力；采用模糊综合评价法对密封件的失效可 能性和失效后果做出等级评定 ；刘学新等对液压系 统密封失效进行模糊评价 。 模糊综合评价是以模糊数学为基础，对多因素、 不确定性系统进行智能诊断的一种评 价方法 。在对 主 观性 、模糊性和随机性指标 的评价 中，模糊综合评 价 具有容错性好 、评价方法简单等特点，对液压系统故 障进行 智能 综合 评价 ，可达 到 可靠 、高效 评 价 的 目 的 收稿 日期 2 0 1 21 0 2 8 基金项目天津市 自然科学基金资助项目 0 3 3 7 0 0 2 1 1 作者简介杨秀萍 1 9 6 2 一 ，女，硕士，教授 ，硕士研究生导师，主要从事流体力学、液压传动的教学与科研工作。E ma i l y hp 42 0 s i na ．c o m。 1 7 2 机床与液压 第4 1卷 由于评价 中运用 了很多模糊数学运算和模 糊变换 原理，评价过程 比较复杂，为此作者利用 MA T L A B 开发了用于模 糊评价 的软件 ，将复杂 的评价流程和矩 阵分析计算简单化，减少了人为评价和计算导致的误 差和低效率，使之容易为工程技术人员所掌握。 M A T L A B具有强大 的绘 图功能及面 向对象的图形 用户界面设计模块，把数值计算和可视化环境集成在 一 起 。利用 MA T L A B进 行矩 阵 的数 学运算 ，绘制 二 维或三维图形等只需要几条语句即可完成 ，使程序设 计方便 ，使用直观、便捷。 1 人机交互界面的设计 模糊综合评价流程如图 1 所示 ，在诊断过程 中确 定各 因素的隶属度 ，建立评判矩阵 ；运用层次分析法 确定判断矩阵及各 因素在因 素集 中的权重值；运用相应 的模糊评判函数，计算出各 评价的隶 属 程度 ；根据 最大 隶属度 原则 确定 出最 客观 的 评价结果 。以下针对该 流程 ， 以文 献 [ 4 ]建 立 的液 压 系 统密封失效评价模 型为例 ， 说 明应用 MA T L A B开发模糊 综合评 价软件 的方法 。 图 1 模糊综合 评 价流程 建立二级评价因素集体 系 ，其人机交互界面如图 2所示 。菜单栏 包括 评价 流程 、帮 助和退 出子菜单 。 在一级评价和二级评 价中 ，分别创建按钮 ，用于输入 矩阵，同时建立与之对应的文本框，用于显示数据， 利用坐标轴控件建立一个图形显示 ，将评价结果以二 维柱状图输出。当用户的鼠标停留在按钮或文本框等 控件上时 ，可显示相应 的提示信息 ，以帮助用户识别 控件 的功能 。 图 2 模糊评价人机交互界面 在 M A T L A B的 g u i d e 环境 中添加控件 ，并对控 件 赋予属性 ，以便在其对应 的 M文件中对控件编辑相 应的响应 函数 。通 过 M A T L A B编译 器调 用 m c c 命 令 将 M文件编译成可执行文件，即可在没有 MA T L A B 的环境 中运行该软件平 台 。 2 模糊运算在 M A T L A B中的实现 2 ． 1 评价运算相关矩阵的输入 评价运算需要输入较多的矩阵数据，利用 i n p u t d i g 数据输入对 话框可 以实现数 据 的输 入 ，并传 递到运算程序 中。通过点击矩 阵输入按钮 ，可 以弹出 图 2所示的矩阵输 入对话框 。 输入数据后，需调用数据输入对话框的句柄来读 取这些矩 阵数据 ，进行相应的模 糊运算 ，然后调用可 编辑文本框 的句柄 ，将结果输出到文本框 中。实现输 入和输出数据的程序代码如下 a { } ； ‘ ％输入对话框设定初始值 h i n p u t d l g ’ 输入评判矩 阵 ’ ， ’I n p u t m a t r i x ’ ， 1 ， a ； ％ h为输入对话框 的句柄 s t r 2 n u m h { 1 } ； k⋯ ％进行相应 的模糊运算 ， 并将结果赋值于 k s e t h a n d l e s ． e d i t ， ’ s t ri n g ’ ， n u m 2 s t r k ； ％取得可 编辑文本框 的句柄 ，并显示数据 k 输入矩阵时，列数和行数应符合评价运算的要 求 ，软件应对此进行判断 。由函数 s i z e 可 以得 到 输入矩阵的行数及列数 ，当不符合输入要求时，利用 错误对话框 e r r o r d l g 提示用户输入错误 。 需要注意 的是 ，在 M A T L A B中输人 矩 阵 时 ，行 与行元素之间用 “ ； ” 隔开 ，列 与列元素 之间用空格 或 “ ， ”隔开。由于输入数据为字符串类型，因此需 要通过 s t r 2 n u m 等数 据类 型转换 函数将 其转换 为 相应 的数据类型 。 2 ． 2 判 断矩 阵的 一致性检 验及 权重 向量 的确 定 判断矩阵采用 1～ 9标度 法来建 立两两 比较 的正 互反矩 阵 ，权重 向量应用特 征根法 ，得到最大特征根 m a x和特征 向量 ，对判断矩 阵进行一致 性检 验 ，其步 骤 为 1 计算一致性指标 C I A一 一n ／ n一1 1 2 查找相应的平均随机 一致性 指标 彤 表 1 给 出了 3～9阶平均 随机一 致性指标 。一 阶与二阶正互反矩 阵总是一致 的，故 R I 0 。 第 2 l 期 杨秀萍 等基于 MA T L A B的液压系统故障模糊综合评价软件开发 1 7 3 表 1 3 9阶平均随机一致-陛指标 n 3 4 5 6 7 8 9 脚 O ． 52 0． 8 9 1 ．1 2 1 ． 2 6 1 ． 36 1 ． 41 1 ． 4 6 3 计算一致性比例 C R C R C I ／ R I 2 利用函数 e i g 可以求出判断矩阵的特征值及 特征 向量矩 阵。由函数 i s r e a l 判 断得 到 的特 征值 是否为实数 ，不为实数时，令其为负无穷 ，再利用 m a x 函数求出最大实数特征值。程序代码为 [ v ， d ] e i g A ； ％求 n阶方阵 A的特征值矩阵和特征向量矩阵 f 0 r k 1 s i z e A， 1 i f～ i s r e a l d k ， k ％判断矩阵 A的第 k个特征值是否为实数 b k一i n f ； ％特征值不为实数时， 将其赋值为负无穷 e l s e b k d k ， k ； ％特征值为实数时， 直接赋值 e n d e n d ma x bma x b ； ％将最大的实数特征值赋值于 m ax b 利用公式 1 、 2 判断一致性，当 C R i f s i z e A， 1 3 ＆ m a x 一3 ／ 2 ／ 0 ． 5 2 0 ． 1、 l l s i z e A， 1 4 m a x 一 4 ／ 3 ／ 0 ． 8 9 0 ． 1 e o r d l g ‘ 所输入的判断矩阵 不满足 一致性 ， 请重 新输人 ’ ％提示用户输入错误 s e t h a n d l e s ． e d i t l， ’ s t n n g ’ ， ％清 空输入 的数据 e n d 最后 ，将最大实数特征值对应的特征向量取绝对 值 ，并进行归一化处理，得到相应判断矩阵所对应的 权重向量。实现代码为 [ m a x b， i n d e x ] m ax b ； ％i n d e x 为最 大实数 特征值对 应 的特征 向量所 在 的 列数 q a b s v ， i n d e x ； ％将 特征向量取绝对值 q q ／ s u m q ； ％得到归一化的权重向量 q 2 ． 3 评判 矩 阵的 归一化 评判矩阵是被评价各因素对评价集的隶属度所组 成的矩阵，其列数为评价集的元素个数 ，行数为待评 价因素 的个数。隶属度可 以设定 为 [ 0 ，1 ]或者 [ 0 ，1 0 ]中的任意值 ，输入矩阵时，系统会对所输 入的矩阵进行归一化处理，使矩阵每一行元素的和为 1 。采用 s u m 函数可实现这一转化，程序代码如 下 A 1 s u m A’ ； ％ A’ 为矩阵 A的转置 ， 此时 A 中各元素为 A中各 行元素的和 f 0 r i 1 s i z e A， 1 A i ， A i ， ／ A ， i e n d ％此时 ， 矩阵 A中各行元素的和为 1 2 ． 4 模糊运算与评价结果的输 出 评价模型采用加权平均型模糊评价函数。由于评 价运算涉及的数据较多 ，不同的运算模块在调用数据 时需要通过 g l o b M 函数声 明全局变 量 。对归一化 的评判矩阵与权重向量进行模糊运算时，其结果利用 b a r 函数以柱状 图 的形式输 出到人 机交互 界面 的 坐标系中。一级评价结果的横坐标表示 3 个评价因素 集 ，每个因素集包括 5个评价集，纵坐标表示评价集 的隶属度 ；二级评价结果的横坐标表示评价集，纵坐 标表示隶属度。模糊评价运算及输出结果的程序代码 为 g l o b a l p l p 2 p 3 q l q 2 q 3 A ％声 明全局变量 p j 1q l p l ； o j 2q 2 p 2 p j 3q 3 p 3； A[ p j 1 ； p j 2 ； p j 3 ] ； a x e s h a n d l e s ． axe s 1 ； ％设定 axe s 1 为指定的坐标轴 b e A ； ％将矩阵 A以柱状图的形式显示于当前坐标系中 3 软件的扩展 该软件建立了二级评价 、9～1 2个子因素及 5个 评价等级的评价系统。在实际工程应用中，用户可根 据待评价系统的具体情况进行调整 ，如进行多级评价 及改变子因素的个数等。这时相应的输入判断矩阵及 1 7 4 机床与液压 第 4 1卷 检验矩阵行列数的程序代码可修改如下 a { 一 ， ， 一 ， ⋯ } ； ％生成多个输入框 hi n p u t d l g ’ 输入 判 断矩 阵 ’ ， ’I n p u t m a t r i x ’ ， 1 ， a ； k l s t r 2 n u m h { 1 } ； k 2 s t r 2 n u m h { 2 } ； i f s i z e k l ， 1 ～ s i z e k l ， 2 I l s i z e k l ， 1 ～n l ％n 1 为子 因素 的个数 e r r o r d l g ’ 输入的判断矩阵 k 1 不符合要求， 请重 新输入 ’ e l s e i f s i z e k 2 ， 1 一s i z e k 2 ， 2 l I s i z e k 2 ， 1 ～ n 2 e r r o r d l g ’ 输入的判断矩阵 l 2不符合要求， 请重 新输入 ’ e l s e i f ． ． e l s e s e t h a n d l e s ． e d i t ， ’ s t r i n g ’ ， ’ h’ e n d 4结束语 利用 MA T L A B开发了模糊综合评价软件 ，能够 快速 、准确地得到评价结果 ，实现 了模糊评价的程序 化和定量化 ，可用 于不 同的评价系统 ，容易被工程技 术人员掌握，有助于提高他们对故障的判断能力，并 为合理设计系统提供科学依据。该软件具有开放性 ， 用户可以根据实际情况对评价的级别、评价因素及其 权 重等予 以调整 ，实现软件的扩展 。 参考文献 【 1 】 周曲珠 ， 芮延年． 模糊理论在液压系统故障诊断中的应 用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 1 1 2 2 4 2 2 5 ． 【 2 】 何世权， 孟静华 ， 李斌． 安全阀失效模糊综合评价方法的 研究[ J ] ． 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