基于模糊Petri网的混凝土泵液压系统故障诊断.pdf

E QUI P M E NT MANAGE ME NT AND MAI NT E NANCE 文章 编 号 1 0 0 0 0 33 X 2 0 1 5 0 5 0 0 8 7 05 基于模糊 P e t r i 网的混凝土泵液压系统故障诊断 张 超 ， 晁 鹏 军 ， 张接 信 1 ．长安大学 工程机械学 院 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ； 2 ．天津一汽 丰 田汽车有限公司 ， 天津3 0 0 4 5 7 摘 要 为 了研 究混凝 土 泵泵 送 液 压 系统故 障发 生的 原 因 ， 以混 凝 土 泵 泵 送 液 压 系统作 为研 究对 象 ， 通过 分析 该 系统 的故 障形 式及 其 产 生原 因 ， 提 出 了基 于模 糊 P e t r i 网的对 混凝 土泵 泵 送 液压 系 统 的故 障诊 断 方法 ， 建 立 了相 应 的模 糊 P e t r i 网故 障诊 断推理 模 型 ， 以混凝 土泵 泵送 液 压 系统功 能 故 障 为诊 断 实例 ， 结合 AME S i m 液压仿 真 曲线 ， 验 证 了该 方法 应 用 于诊 断 工程 机械 液 压 系统故 障 的 准确 性与 有 效性 。 关键词 P e t r i 网； 故障诊 断； 液压 系统； 混凝土泵 中图分 类号 U4 1 5 ． 5 文 献标 志码 B Fa u l t Di a g no s i s o f Hy d r a u l i c S y s t e m o f Co nc r e t e Pu mp Ba s e d o n Fu z z y Pe t r i Ne t wo r k ZHANG C h a o ，CHAO P e n g j u n ，Z HANG J i e x i n 1 ．Sc ho ol of Cons t r uc t i on M a c hi ne r y，Cha ng’ a n Uni v e r s i t y，Xi ’ a n 7 1 006 4，Sh aa nxi ，Chi n a； 2 ．Ti a n j i n FAW TOYOTA Mo t o r C o ．L t d ．，Ti a n j i n 3 0 0 4 5 7，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p u mp i n g h y d r a u l i c s y s t e m o f c o n c r e t e p u mp wa s t a k e n a s a n o b j e c t t o s t u d y t h e f a i l ur e o f t h e s ys t e m． Di a gno s i s m e t ho d b a s e d o n f uz z y Pe t r i n e t wo r k wa s p r op os e d i n t e r ms o f t he a n a l ys i s of f a i l ur e mod e s a n d c au s e s，a nd r e l a t e d d i a g no s t i c r e a s o ni ng m o de l wa s bui l t ． By t a k i ng f u nc t i o na l f a i l ur e a s a n e x a m p l e a n d c o m b i n i ng wi t h s i m u l a t i o n c ur v e pr o du c e d by AM ESi m ，t h e a c c u r a c y a nd e f f c t i v e ne s s of t he di a gn os i s me t ho d ba s e d o n f uz z y Pe t r i n e t wor k wa s v e r i f i e d ． Ke y wo r d sPe t r i ne t wo r k；f a u l t di a g no s i s；h yd r a ul i c s ys t e m ；c o nc r e t e p ump O 引 吾 P e t r i 网是 由德 国科 学 家 C a r l Ad a m P e t r i 于 1 9 6 2年 提 出的 ， 是一 种有 严格 数 学 定 义并 用 网状 图 形 表示 系 统模 型 的方 法 ， 它 不仅 能 描述 系统 的结 构 ， 又能模 拟 系 统 的 运 行l 1 ] 。 由于 P e t r i 网 具 有 异 步 、 并 发 的特 性 ， 故常 用 于描述 系 统 的动态 行 为 ， 目前 已 广 泛应 用 于计 算 机 科 学 、 网络 通 讯 、 自动 控 制 、 柔 性 制造 系统 F MS 等 领 域 ] 。在 实 际 的复 杂 系 统 里 ， 影 响因素 往往 复 杂 多 变 ， 使 得 故 障 诊 断 过程 更 加 复 杂艰 难 ， 具有 很强 的模 糊 性 和 不 确 定性 ， 而 P e t r i 网 只能处理精确知识 ， 对此类带有不确定性 、 模糊知识 的 问题无 法进 行 准 确 的分 析 。为 此 ， 引入 模 糊 数 学 收稿 日期 2 0 1 4 ～ 1 1 一 O 9 基金项 目 江苏省博士后科研资助计划项 目 1 3 0 2 1 8 2 C 中 的理论 ， 将 模 糊 数 学 中 的方 法 与 P e t r i 网 相 互 融 合 ， 提 出基 于 模 糊 P e t r i 网 的 故 障诊 断方 法 。该 方 法既能充分考虑到系统故 障的发生概率、 发生程度 和发 生部 位 的模 糊 性 ， 又 极 好 地 利 用 了 P e t r i 网推 理 问题严 密 、 表达 能力 强 的优点 ， 是对 大 型复杂 系 统 的可 靠性 与安 全性 进 行分 析推 理 的有 效 工具 。近 年 来 ， 模 糊 P e t r i 网 在 故 障 诊 断 领 域 中 的 应 用 研 究 取 得了很大的进展 ， 文献E a J 把模糊 P e t r i 网模型应用 于 电梯故 障诊 断 中 ， 实 现 了电梯 故 障诊 断 专 家 系 统 中知识 表 示 和 推 理 过 程 模 型 的集 成 和 统 一 。文 献 [ 4 ] 把模 糊 P e t r i 网 应 用 于 飞 机 电力 启 动 系统 故 障 诊断中， 讨 论 了其 故障 诊断 的模糊 P e t r i 网模 型。 然而 ， 目前模糊 P e t r i 网在 工 程 机械 液 压 系统 故 障诊 8 7 E QUI P ME NT MANAGE ME NT AN f D MAI NTE NANCE 断的应用研究还 很少 ， 为此 ， 本 文试 图将模 糊 P e t r i 网 应 用到工程机 械液压系统 故障诊断 中。 混 凝土 泵车 技术 含 量 高 且价 格 昂贵 ， 其 故 障诊 断 技术 的研 究对 于促 进 基 础 设施 建 设 、 加 快 国 民经 济 发展 具有 重要 意义 。及 时地进 行混 凝土 泵 的泵送 液 压 系统故 障诊 断 和维 护 工 作 ， 不 仅 可 以大 大 减 少 系统的故障发生率， 节约运行成本， 还可以提高设备 的运转 效率 、 可靠 性 和安全 性 。 1 基于模糊 P e t r i 网模型 的知识描述 1 ． 1模糊 P e t r i 网的定 义 通 用 的模糊 P e t r i 网定 义为 一个 8元 组 F PN一 P， T， D， I ， 0， 厂 ， a ， 式 中 P一{ P ， P ， L， P } ， 是一个库所的有限集合； T一 { ， t ， L， t l ， 是 一个 变迁 的有 限集 合 ； Pn T一 ； D一 { d ， d ， L， d } ， 是 一 个 命 题 的有 限 集 合 ； 为 PT 一 { 0 ， 1 } 的输 入 函数 ， 表示 从 库 所 到变 迁 的 映 射 ， 若 I P ， 一l ， 则 表示 P与 t之 间有 联 系 ， 若 I P ， ￡ 一0 ， 则表 示 P与 t 之 间无联 系 ； 0 为 TP一 { 0 ， 1 的输 出 函数 ， 表 示 从 变 迁 到库 所 的映 射 ， 若 0 ， P 一1 ， 则表 示 t 与 P 之 间有 联 系 ， 若 0 t ， P 一 0 ， 则表 示 t 与 P之 间无联 系 ； f 即 丁一 [ O ， 1 ] 为 变迁 的可信度函数 ， 表示从变迁 丁至一个 0到 1之间的 实数的映射 ； a为 P一[ O ， 1 ] 时 P 的一个关联 函数， 从 库所 至一 个 0到 1之 间的实数 的 映射 ； 为 P D 时 P 的关 联 函数 ， 表示 从 库所 P集 合至命 题 集合 的 映射 。 1 ． 2 模糊 产生 式规 则 模 糊产 生式 规 则 ， 即 以模 糊 关 系式 表示 故 障 的 征 兆 和故 障 的原因 ， 是针 对具有 不确 定性 、 带有 模糊 性 、 不 精确 知识 的一种 常用 的描 述 方 法 。其 主要 包 括 3种基本 类 型Ⅲ 6 。 。 1 类 型 1 I F P 1 AN D P 2 AND⋯ AND P THEN P CF一 。 3 类 型 2 I F P THEN P AND P2 AND⋯ A ND P CF一 。 3 类 型 3 I F P 1 OR P 2 OR⋯O R P THE N P CF 一 肛。 其中 P ， P 。 ， ⋯ ， P 。 ， 为模糊命题 ， 为模糊 规则 的置 信度 。应 用模 糊 P e t r i 网 表示 模 糊 产 生 式 时 ， 将规则的前提和结论都 当作 P e t r i 网中的库所， 上述 3种类 型产生式 规则 的模 糊 P e t r i 网表示 如 8 8 图 1所 示 。 a 规则类型1 的模糊P e 网表示 b 规则类型2 的模糊P e t r i 网表示 c 则 类 型 3 的模 糊P e t r i I酬袭 不 图 1 模糊 P e t r i 网表示模糊产生式规则 的模型 1 ． 3模 糊 P e t r i 网的推理 算 法 采用模糊 P e t r i 网进行故 障诊断 的过 程， 就是 采取适 当的推理 算 法对 模 糊 P e t r i 网模 型 中 的 知识 进 行推 理 ， 从 而 由故 障 现 象 推理 出故 障 的原 因 与结 论 。首先 ， 假设模 糊 P e t r i 网 中 t 为 一 变迁 ， P ， P ， ， P 为 3 个库所 ， 若 P ∈I t ， 并且 P ∈O t ， 则称 P 可 以从 P 立 即可 达 。也 就是 说 P 经过 一次 变迁 t 可到达 的库 所 。所 有 可 以从 P 立 即可 达 的库 所 组成 的集合 称 为 P 的 立 即可 达 集 ， 记 为 J S R P ； 若 P 可 以从 P 立 即可 达 ， P 可 以从 P 立 即可 达 ， 则称 P ， 可 以从 P 可达 。也 就 是 说 P 经 过 一 系列 变迁 发生 后到 达 的 库 所都 是 P 的可 达 集 。所有 可 以从 P 可 达 的库 所 组 成 的集 合 称 为 P 的可 达 集 ， 记为 R S P ； 若 P ∈I t 。 ， 并且 P ， ∈ t ， 则 称 库 所 P 和 P， 是关 于 变迁 t 。 的相 邻库 所 。下面 给 出几 个重 要定 义 。 1 最近 向后 库 所 若 P ∈I t ， 则 P 称 为 变 迁 t 的最 近 向后库 所 ， 即变迁 t 。的输 入库 所为 它 的 最近 向后 库 所 。变 迁 t 。的所 有 最 近 向后 库 所 组 成 的集 合记 为最 近 向后库所 集 S NBP ￡ 。 2 最近 向前库所 若 P ∈O t ， 则 P 称为变迁 t 的最近 向前库 所 。同样 ， 变迁 t 的所有 最近 向前 库 所组成 的集合记 为最近 向前库所 集 S NF P ￡ 。 3 向前库所 若存在有 向弧序列使得变迁 t 的发生 能够 到达 P ， 则称 P 为 t 的 向前 库所 ， 所 有 E QUI P ME NT MANAGE M E NT AND MAI NT ENANCE t 向前 库 所组 成 的集 合记 为 S FP 。 2 混凝土泵泵送液压 系统故 障与产 生 原 因的模糊 P e t r i 网模 型 通过实地考察和查 阅文献[ 8 ] ， 可知混凝土泵泵 送液压系统 发生故 障 以及故 障发 生 的原 因如表 1 所 示 。 根 据 表 1 混 凝 土泵 泵送 液压 系统 故 障形式 及原 因 ， 用 上述 模糊 产 生式 规则 表示 出故 障诊 断知识 ， 就 可 以建 立 一个 简单 的混 凝土 泵泵 送 液压 系统 的故 障 诊 断 知识 库 。下 面 是 形 成 的 知 识 库 中 相 关 的规 则 由于文章篇幅有限， 这里仅对泵送液压系统功能故 障 P 。 进 行 分 析 ， 其 中模 糊 产 生 式 规 则 的 可 信 度 C F应 由专 家 根据 经验 总结 给 出 。 表 1 混凝土泵泵送液压 系统故障发生原 因 故 障 故障原 因分解 混凝土活塞故障 P 1 3 插装阀磨损 P 1 ； 密封件磨损 p 2 ； 插装 阀盖板阻尼孔堵塞 s 泵送液压系统 泵送系统换向故障 p l 电磁铁故障 p 4 ； 摆缸小液动 阀故障 s ； 主四通 阀故 障 p 6 ； 摆缸 四通 阀故障 p 7 ； 泄油 阀内阻孔故 障 P 8 混 凝 土 功能故障 p s 恒压阀故障 p 9 ； 换 向阀故障 p l o ； 泵泵送 泵送系统压力不足 p l s 插 装阀卡死上位 pl 1 ； 主溢流阀阀芯磨损 p l 2 液压系 冷却系统 故障 风马达转速低 ； 风马达散 热片冷却不 畅； 风 马达不转 统故障 油温 异常 P 1 液压 油 油温过高 超负载运转 ； 装 配不 良； 油粘 度大； 主溢 流阀溢 流 被污染 过滤器故障 过滤器损坏 ； 过滤器检测不合格使 用 液 压 油 被 污 染 液压油中有颗粒 零件之间磨损形成颗粒 ； 油化学反应形成颗粒 ； 由外部环境 带人颗粒 监测和应急不到位 注 l ， 户2， ⋯ ， P 为 事 件 编 码 。 R1 I F P1 TH EN P1 3， CF 一 0．92； R2 I F P2 THEN P1 3， CF 0． 93； R3 I F P3 TH EN P1 3， CF 一 0 ．8 3； R4 I F P4 THEN P1 4， CF一 0． 8 0； R5 I F P 5 TH EN P1 4， CF 一 0 ．7 5； R 6 I F P 6 TH EN P】 ， CF一 0 ．8 3； R7I F P 7 THEN P1 4 ， CF 一 0 ．7 5； R8I F 8 THEN P1 4， CF一 0 ． 85； R 9I F P9 TH EN Pl 5 ， CF一 0 ．9 0； R1 0 I F P1 o TH EN Pl 5， CF一 0 ．9 2； R 1 1 I F Pl 1 THEN Pl s， CF 0． 8 0； R1 2I F Pl 2 TH EN P1 5 ， CF一 0 ．8 5； R 1 3 I F P1 3 TH EN P1 6， CF 0． 9 0； R1 4I F Pl 4 TH EN P1 6， CF一 0 ．9 1； R 1 5 I F P1 5 THEN P1 6， CF 0． 8 6； R1 6I F P1 6 TH EN P1 ， CF一 0 ．9 2。 用模 糊 P e t r i 网表示 这些 规 则 ， 如 图 2所 示 。 3基 于模糊 P e t r i 网 的混凝 土泵 泵送 液压 系统故障诊断 实例与验证 3 ． 1 诊 断实例 过 程分 析 由泵送液压系统功能故 障诊断 的模糊 P e t r i 网 图 2 泵 送 液压 系 统 功 能 故 障诊 断模 糊 Pe t r i 网模 型 模 型可 知 ， 初 始 库 所 为 { P ， P ， P 。 ， P ， P ， P ， P ， P s ， P 。 ， P P P z } ， 目标 库 所 为 { P } 。诊 断 推 理 过 程 为改 进 的模 糊 P e t r i 网正 向 推 理 算 法 ， 推 理 并 计算出导致 目标库所的故障原因的可信度 ， 从而实 现 对故 障现 象 的诊 断 ] 。具体 推 理步骤 如 下 。 1 根 据 图 2建 立 各 变 迁 的 最 近 向后 库 所 集 S NB P、 最 近 向 前 库 所 集 S NF P 和 向 前 库 所 集 S F P， 如表 2所示 。 89 E QUI P ME NT MANAGE ME NT AND MAI NTE NANCE 表 2模糊 P e t r i 网混 凝 土 泵 泵 送 液 压 系统 功能故障诊断模型的 S N B P、 S NF P、 s F P 变迁 S NBP t ． S NF P t ， S FP t t 1 P1 1 3 1 3 ， P1 6 ， p1 7 t 2 P2 P1 3 PI 3 p1 6 ’ P1 7 ￡ 3 p a l 3 p1 3 ， Pl o ， p1 7 ￡ 4 p 4 户1 4 pl 4 ， pl 6 pl 7 f 5 P5 P1 4 Pn， P1 6 ， P1 7 ￡ 6 p 6 P1 4 1 4 ， p1 6 ， Pi T ￡ 户7 P1 4 p1 4 ’ P1 6 ， Pl f 8 P8 pl 4 P1 4 ， Pt 6 ’ Pl r 9 P9 p1 5 ／ 1 5 ， P1 6 ’ pl 7 t 1 0 声1 o P1 5 P1 5 ， P , 6 ， P1 7 t 1 1 Pl 1 P1 5 pl 5 ， l 6 ， P1 7 t 1 2 P1 2 P1 5 Pl 5 p1 6 ， P1 7 t 1 3 P1 3 pl 6 P1 6 ， pl 7 t I 4 p1 4 P1 6 P1 6， P1 7 t 1 5 P1 5 p1 6 P1 6 ， Pl 7 t l 6 Pl 6 P1 7 P l r 2 设 定 初 始 库 所 的 可 信 度 。设 初 始 库 所 为 P ， 其 可信 度 为 0 ． 9 ， 设 定 系统 的阈值 为 0 ． 6 。 3 已知 混凝 土泵泵 送 液压 系统 的故 障现 象 为 “ 泵送 液压 系统 功 能故 障” ， 输 入 目标库 所 P 4 输入 可信 度 为 0 ． 9 ， 变迁 t 发 生 ， 建立 新 的 结 点” P 。 ， 。 ， 其 中 a P 。 一 a P x F t 一O ． 9 0 ． 9 2 0 ． 8 2 8 ； 把新 结 点移 人 ， 旧结点 移 除 ， 没有发 生过的变迁集 合 { ， 0 ． 9 ， 0 ． 8 2 8 } 。 5 输入 可信 度 为 0 ． 8 ， 变 迁 t 发 生 ， 建立 新 的 结点 ” P 。 ， d P 。 ， 其 中 a P 。 一a z F t z 一 0 ． 8 0 ． 9 3 0 ． 7 4 4 ； 由于 已有 结 点 T t f P 3 ， 0 ． 8 2 8 1 ， 经比较 0 ． 7 4 4 0 ． 6 ， 目标 库所 的可 信度 为 0 ． 8 6 4 8 ， 比较 没有 发生 过 的变 迁集 合 中各个 库 所 的 可信 度 ， 得 出混 凝 土 泵 泵 送液 压系 统功 能故 障 的原 因为插装 阀磨 损 P 。 3 ． 2诊 断结 果仿真 验证 根据 多年 收集 的混 凝土 泵泵送 液 压 系统 的试 验 数据 整理 出样 本数 据 ， 采 用 AME S i m 仿 真软件 建 立 泵送液压系统的仿真模型 ， 通过优化使得模 型的特 性 曲线 与实 际相接 近 。上 述 基 于 模 糊 P e t r i 网 的混 凝土泵泵送液压系统故障诊断实例中， 得出混凝土 泵 泵送液 压 系统 功 能故 障 的原 因 为 插 装 阀磨 损 ， 现 对仿 真模 型 中的插装 阀元 件模 型 图 3 进行仿 真 ， 仿 真参 数为混凝 土泵 泵送 液压 系统发 生故 障后 的插装 阀的实际测试数 据 ， 两种数据得 出的仿 真 曲线 对 比如 图 4 所 示 。由图 4可知 ， 插装 阀确实发生 了故障 。 图 3 泵送液压系统插装 阀仿 真模 型 4 结 语 由本文 分析可 知 ， 模 糊 P e t r i 网 的推 理算 法 与 其 EQUI P ME NT MANAGE ME NT AND MAI NTE NANCE 高 图 4 样 本 数 据 仿 真 曲 线 与 实 测数 据 仿 真 曲 线 对 比 他 算法一 样 ， 能 够得 到 一致 的推理 结 果 ， 且具 有 以 下 优点 采 用模糊 P e t r i 网作 为知识 表示模 型 ， 表 示模 糊 产生式 规则 ， 能够 很好地 处理和表示 模糊 知识 和模 糊 故障信息， 使得系统知识的逻辑关系更加简单、 清晰； 可 以直 接利用模 糊 P e t r i 网具有 的 同步 并发 特性对 知 识表示模型分层、 分块进行推理 ， 使得推理过程更加 直 观 ， 易于在计 算 机 上实 现 ； 推理 机 首先 根 据 用户 输 人 的可信 度 ， 将知识 库 中的规 则可信 度按 照一定 的公 式 进行计 算 ， 有利 于 减小 用 户 信息 输 入量 ； 算 法 在推 理过程中只考虑与目标库所相联系的库所及变迁 ， 避 免 无关路 径推 理 ， 提 高 了推 理 效率 ； 该 方 法 的推 理过 程 将现场 的实测 数据与专 家经验数 据相 结合 ， 使得分 析诊 断结 果更加 接近实 际工程 。总之 ， 通过插 装 阀磨 损引起混凝土泵泵送液压系统功能故障的实例验证 ， 表 明利用 模糊 P e t r i 网来建立 工程机 械液 压系统 的故 障诊 断系统 ， 可 以提高 故 障诊 断 的速 度 与准 确性 ， 是 一 种 有效 的故 障检测方法 。 参 考 文献 [1 ] 李文敬 ， 廖伟志 ， 元 昌安 ， 等． 高级 P e t r i 网并行化 预处理方 法 的研究[ J ] ． 广 西大 学学 报 自然 科学 版 ， 2 0 1 3 ， 3 8 5 1 1 0 0 1 1 O 8 ． [2 ] 谭旭． 模糊 P e t r i 网在 网络故 障诊断 中的应用 E D] ． 长沙 长 沙理 工大学 ， 2 0 0 5 ． [3] 宗群 ， 王波 ， 牙淑红． 模糊 P e t r i 网在 电梯故障诊断 中的应 用[ J ] ． 起重运输机械 ， 2 0 0 4 4 4 4 4 8 ． [4] 张允 ， 毕明爽． 基于模糊 P e t r i 网的发动 机故障诊 断[ J ] ． 长 春工程学院学报 自然科学版 ， 2 0 0 3 ， 4 4 1 2 1 4 ． [5] 王永庆． 人工智能原理与应用 [ M] ． 西安 西安交通 大学出版 社 ， 1 9 9 8 ． [6] 诸静． 模糊控 制原 理与应 用[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 7] 何新贵． 模糊知识处理 的理论与技术[ M] ． 第 2版． 北京 国防 工 业 出版 社 ， 1 99 9 ． [8 ]隆建 波． 故 障树 理论在混凝 土泵车泵送 液压系统 故障诊 断与 维护中的维护中的应用 [ D] 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