劉建明等

摘 要 智能故障診斷在汽車電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)過程中都起著關(guān)鍵的作用。本文介紹了現(xiàn)有電子設(shè)備智能基于規(guī)則的故障診斷方法，故障樹診斷、模糊診斷方法和信息融合故障診斷方法，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)理論和方法對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障進(jìn)行了智能綜合評(píng)價(jià)，該方法有容錯(cuò)性好、評(píng)價(jià)方法簡單等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確、高效地判斷電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障的目的。

關(guān)鍵詞 故障診斷；模糊判斷；專家系統(tǒng)；電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2015）09-0080-03

汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由過去的純機(jī)械機(jī)構(gòu)發(fā)展為機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向，電控液壓助力轉(zhuǎn)向和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向成為一種發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向（Hydraulic Power Steering，簡稱HPS），電控液壓助力轉(zhuǎn)向（Electric Hydraulic Power Steering，簡稱EHPS），電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering，簡稱EPS）。以電機(jī)為動(dòng)力源的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在性能方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并且節(jié)能環(huán)保，結(jié)構(gòu)較HPS簡單。目前國外發(fā)展趨勢(shì)是用電機(jī)為動(dòng)力源的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐步取代液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。EHPS和EPS已成為世界汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。

汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、信號(hào)傳感系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)組成。信號(hào)傳感系統(tǒng)主要有：車速傳感器、扭矩傳感器、電流傳感器。電子控制系統(tǒng)主要有：電子控制單元、轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)主要有：電動(dòng)機(jī)、帶離合器的減速機(jī)構(gòu)。

扭矩傳感器檢測(cè)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的扭矩和方向，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換形成扭矩信號(hào)。車速傳感器檢測(cè)出車速信號(hào)?？刂茊卧瑫r(shí)接收車速和扭矩信號(hào)，再根據(jù)車速和扭矩信號(hào)確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和扭矩的大小，同時(shí)電流傳感器通過檢測(cè)電路的電流，監(jiān)控驅(qū)動(dòng)電路的狀況。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理見圖1。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接影響著車輛運(yùn)行的操縱穩(wěn)定性和安全性，但是目前國內(nèi)對(duì)于EPS的研究，還存在很多問題，主要是車輛在行駛中系統(tǒng)的故障自診斷、故障在線監(jiān)測(cè)和安全防范，EPS的行車安全性等方面。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向故障診斷專家系統(tǒng)的研究和運(yùn)用成為解決EPS安全使用的一個(gè)非常有效的途徑。EPS在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，運(yùn)行由無故障狀態(tài)到發(fā)生故障是一個(gè)漸變的過程，期間，它處于不是完全的損壞也不是完全沒有故障的狀態(tài)，是一個(gè)中間狀態(tài)，表現(xiàn)出來的征兆也是如此。這個(gè)過程是非常復(fù)雜的，因?yàn)榫S修專家通常維修的不止一種設(shè)備，而任何一種設(shè)備的故障診斷都是一個(gè)知識(shí)型密集型工作，同時(shí)只有具備對(duì)同一設(shè)備多年操作和維修經(jīng)驗(yàn)的人員才算是該設(shè)備故障診斷專家。因此，及時(shí)地排除故障有時(shí)變得非常的困難，這種情況下，擁有一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的故障診斷系統(tǒng)是非常必要的。操作人員只需要將設(shè)備故障癥狀告訴專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)就會(huì)迅速地進(jìn)行診斷，并進(jìn)行必要的維修，使設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 故障診斷的基本原理

隨著汽車安全技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的復(fù)雜電子裝備在車輛上應(yīng)用，系統(tǒng)內(nèi)部各種因素相互制約，存在著十分復(fù)雜的聯(lián)系，對(duì)最終故障的影響權(quán)重不易確定。每一個(gè)機(jī)械單元和電子裝備的部件都可能產(chǎn)生故障，而對(duì)故障進(jìn)行精準(zhǔn)的狀態(tài)定位和完整的故障模擬比較困難。引用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊邏輯判定、專家系統(tǒng)等成熟的智能信息處理技術(shù)可以準(zhǔn)確描述故障特征，符合客觀實(shí)際地進(jìn)行推理，要以提高對(duì)故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。通過智能信息處理技術(shù)對(duì)故障進(jìn)行診斷，即智能故障診斷技術(shù)。

智能故障診斷系統(tǒng)是在工作狀態(tài)下，能自動(dòng)查明導(dǎo)致某種系統(tǒng)功能失常的原因及性質(zhì)等，并能判斷劣化狀態(tài)發(fā)生以及預(yù)測(cè)狀態(tài)劣化的發(fā)展趨勢(shì)等的部位或部件，主要包括故障檢測(cè)、故障定位、故障預(yù)測(cè)。

智能故障診斷的方法主要有：故障樹方法、基于規(guī)則的方法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法、模糊診斷方法和信息融合故障診斷方法。這些方法各有特點(diǎn)，但均存在各自的局限性。

故障診斷任務(wù)主要包括以下4個(gè)方面。1）建立系統(tǒng)故障模型，按照檢測(cè)信息在系統(tǒng)中的輸入輸出關(guān)系，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，形成故障檢測(cè)和診斷的算法依據(jù)。2）系統(tǒng)故障檢測(cè)，通過各種估計(jì)的變量，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警。3）系統(tǒng)故障的估計(jì)和識(shí)別，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能確定故障源的位置，并能識(shí)別出故障原因，如：傳感器故障、執(zhí)行器故障或者是被擾動(dòng)等，同時(shí)還能計(jì)算出故障的大小、嚴(yán)重程度及發(fā)生的時(shí)間等參數(shù)。4）系統(tǒng)故障分類、評(píng)價(jià)與決策，針對(duì)故障的嚴(yán)重程度，以及故障對(duì)系統(tǒng)的影響和發(fā)展趨勢(shì)，制定決策采取相應(yīng)的措施，如啟動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)等。

智能診斷系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫、解釋器、推理機(jī)和用戶界面等。知識(shí)庫存儲(chǔ)故障的專門知識(shí)，推理機(jī)按照一定的策略進(jìn)行推理，數(shù)據(jù)庫存放系統(tǒng)運(yùn)行過程采集的各種信息，解釋器對(duì)用戶的提問、求解過程、系統(tǒng)的狀態(tài)、結(jié)論等提供說明。用戶界面提供了必要的人機(jī)之間相互交換信息手段。專家系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)程序，它可以以人類專家的水平完成一般比較困難的專業(yè)任務(wù)，由人機(jī)接口、知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、解釋部分和知識(shí)獲取部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 模糊智能診斷方法

車載電子設(shè)備故障診斷過程中存在大量的不確定因素，如各種組合的工作電壓范圍，工作方式，電子元器件的老化程度以及絕緣結(jié)構(gòu)等因素均可能對(duì)診斷結(jié)論產(chǎn)生影響，而這些因素的影響往往是不確定的、模糊的。故障診斷專家系統(tǒng)的診斷水平很大程度上取決于對(duì)這些不確定因素的處理，本文采用模糊關(guān)系方程推理與模糊規(guī)則相結(jié)合的方法，首先采用模糊關(guān)系方程對(duì)故障原因進(jìn)行過濾，濾掉出現(xiàn)可能性極小的原因，然后再利用模糊規(guī)則推理對(duì)剩下的可能原因進(jìn)行驗(yàn)證，通過這兩種校驗(yàn)作為最后的故障原因。模糊關(guān)系方程推理過程就是通過故障征兆的隸屬度去求出各種故障原因的隸屬度。

模糊理論通過隸屬度來描述定量化。利用模糊理論解決實(shí)際問題的關(guān)鍵是找出一個(gè)恰當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)。通常，先建立粗略的隸屬函數(shù)，然后，通過學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)積累，逐步修正并調(diào)整權(quán)值，使隸屬函數(shù)符合客觀事實(shí)，趨于完善。模糊理論對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障進(jìn)行智能綜合評(píng)價(jià)其方法步驟如下：

設(shè)U是論域，U上的一個(gè)模糊集合A由隸屬函數(shù)表示：。設(shè)，用于表示x屬于A的程度關(guān)系。則是x模糊集合A的隸屬度函數(shù)。模糊診斷就是通過征兆的隸屬度求出故障原因的隸屬度。設(shè)：診斷對(duì)象表現(xiàn)出的征兆可能有m種，可記為；出現(xiàn)的故障原因可能有n種，可記為。故障征兆模糊矢量為是對(duì)象具有征兆的隸屬度。故障原因模糊矢量為，是對(duì)象有故障的隸屬度。則Y和X具有模糊關(guān)系：

是故障原因與征兆之間表示為模糊關(guān)系方程。符號(hào)。是模糊合成算子，R為診斷專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的模糊診斷矩陣。

模糊診斷矩陣R是維矩陣，矩陣元素是第i種征兆對(duì)第j種故障原因的隸屬度。行矢量X是故障征兆，列矢量Y表示故障原因，模糊診斷矩陣描述了故障征兆和故障原因的關(guān)系。

將傳統(tǒng)產(chǎn)生的規(guī)則模糊化是模糊技術(shù)的模糊規(guī)則，若干模糊推理規(guī)則組成模糊規(guī)則庫，模糊推理規(guī)則形

3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障診斷實(shí)現(xiàn)方法

在EPS智能診斷系統(tǒng)中，模糊推理機(jī)根據(jù)自然語言處理過的事實(shí)證據(jù)，選擇相應(yīng)的規(guī)則，進(jìn)行推理。1）自然語言接口模塊對(duì)FES的輸入信息進(jìn)行理解，從中獲取證據(jù)關(guān)鍵詞及相應(yīng)的模糊屬性及模糊詞。2）在知識(shí)庫中查找與模糊詞相對(duì)應(yīng)的模糊度。3）從知識(shí)庫中取出與規(guī)則的前提條件與證據(jù)關(guān)鍵詞進(jìn)行模糊匹配的規(guī)則。4）用模糊推理計(jì)算結(jié)論，并將該結(jié)論加入到證據(jù)庫中；匹配失敗時(shí)，取下一條規(guī)則繼續(xù)模糊匹配。5）所有的規(guī)則都已經(jīng)匹配完畢，結(jié)束模糊推理。在證據(jù)庫中搜尋最終結(jié)論，輸出故障及其隸屬度。

故障自診斷系統(tǒng)的作用是監(jiān)測(cè)、診斷電子控制系統(tǒng)的傳感器、電子控制器以及執(zhí)行器的工作狀況。在EPS模糊專家系統(tǒng)中，我們采用LCD顯示和信號(hào)、故障指示燈閃爍來表示系統(tǒng)故障，當(dāng)某個(gè)信號(hào)超出規(guī)定范圍時(shí)，系統(tǒng)判定該相關(guān)電路及傳感器或執(zhí)行器發(fā)生了故障，由ECU控制系統(tǒng)啟動(dòng)相應(yīng)的措施，將故障信息存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，故障指示燈閃爍報(bào)警。故障排除后，故障指示燈熄滅，故障信息仍儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，通過CAN接口可以將故障代碼顯示出來。故障代碼診斷顯示見表1。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩、車速等傳感器出現(xiàn)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)處于嚴(yán)重故障的狀態(tài)時(shí)，就會(huì)斷開電磁離合器，停止轉(zhuǎn)向助力的控制，確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全、可靠。

下面通過電機(jī)故障自診斷舉例說明：由于是通過控制電機(jī)的電流來控制轉(zhuǎn)向助力，因此，檢測(cè)電機(jī)的電流可以獲得電機(jī)的工作狀態(tài)。在驅(qū)動(dòng)回路中串聯(lián)精密電阻R62，采集電路測(cè)量其兩端的電壓，經(jīng)過濾波和放大，從ADC2端口反饋給CPU。將此電壓與理論計(jì)算電壓比較，如果兩者懸殊過大；或者連續(xù)時(shí)間內(nèi)，平均電流超過預(yù)定的數(shù)值時(shí)，就判斷電機(jī)及其線路有故障，以防止電機(jī)因過載而燒壞或工作狀態(tài)不穩(wěn)定。因選用的精密電阻值約7mΩ，遠(yuǎn)小于電動(dòng)機(jī)電樞電阻168mΩ，不影響系統(tǒng)工作。

通過上述信號(hào)比較，可以診斷電機(jī)系統(tǒng)的如下故障：1）電機(jī)過載，電機(jī)的控制電流就會(huì)過大。2）系統(tǒng)故障時(shí)檢測(cè)的控制電流與計(jì)算值相差太大。3）電機(jī)存在故障時(shí)，有控制電流傳遞給電機(jī)，電機(jī)仍不能啟動(dòng)。

5 結(jié)論

通過上述的理論分析和實(shí)例，選用各信號(hào)間和信號(hào)與規(guī)定界限值間進(jìn)行比較的EPS系統(tǒng)故障診斷方法容易與主控制程序協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和調(diào)試，具有簡單、可行等特點(diǎn)。在試驗(yàn)臺(tái)上，通過模擬各種故障（如斷路、接觸不良、短路等），觀察故障燈顯示情況，驗(yàn)證了本自診斷方法具有可行性，并可以得到以下結(jié)論：1）采用模糊理論方法診斷電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障具有可靠性高、評(píng)價(jià)方法簡單等特點(diǎn)。2）對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是建立合理的評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，對(duì)大型汽車電子設(shè)備故障評(píng)價(jià)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。3）本課題的理論和實(shí)驗(yàn)研究為采用模糊理論方法診斷電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障方法的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉普寅，吳孟達(dá).模糊理論及其應(yīng)用[M].北京：國防科技大學(xué)出版社，2001.

[2]黃紅鐘.機(jī)械設(shè)計(jì)模糊化原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1997.

[3]陳舉樺.機(jī)械結(jié)構(gòu)模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4]何新貴.模糊知識(shí)處理的理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，1996.