故障模糊诊断专家系统FFDES

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.s2.009 第16卷增刊 北京科技大学学报 Vol.16 1994年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.1994 故障模糊诊断专家系统FFDES 孙民生陈济平 北京科技大学机械工程学院.北京100083 摘要完成了一个故障模糊诊断专家系统(Fault Fuzzy Diagnose Expert System).FFDES由知识 库维护，故障诊断、诊断解释、列表打印4个基本模块组成，此系统基于模糊数学中的模糊变换的 原理建立推理诊断机制，经实例考察，结果满意， 关健词模糊关系，故障诊断，专家系统 中图分类号TP391.5,0159 Fault Fuzzy Diagnose Expert System Sun Minsheng Chen Jiping Mechanical Engineer College.USTB.Beijing 100083.PRC ABSTRACT The paper is about a Fault Fuzzy Diagnose Expert System.FFDES is composed by four basic module.These are:knowledge base,fault diagnose,interpretation of diagnose and list print.This system bases on thoery of Fuzzy convert in Fuzzy Mathematics.Through example test,its result of diagnosis is satisfied. KEY WORDS Fuzzy resations,Fault diagnosis,Expert system. 故障诊断专家系统是一种人工智能的计算机诊断系统.它能模拟故障诊断专家的思维方式，运用 已有的故障诊断技术知识和专家经验、对收集到的诊断对象信息进行推理，作出判断，并能不断修改、 补充知识，完善专家系统的性能，这对于复杂系统的诊断是十分有效的，是当前做障诊断的发展方向， 1 FFDES诊断数学模型 FFDES根据模糊变换原理建立多故障症状群诊断的模糊数学模型.它的诊断机理为：在 故障空间建立模糊向量，在症状空间根据症状群分别建立模糊分向量，在这二维空间依据故 障向量与各症状群分向量的对应关系建立各个模糊关系矩阵，对各症状模糊分向量对应的诊 断（关系）矩阵进行模糊变换产生故障阶段模糊向量，再把各阶段向量进行综合得到最终故障 模糊向量.该向量的各元素值即为各故障产生的隶属度（可能性）. 假如有m种故障和n种故障症状. 设U为症状论域.U={u,u,…,u,},且满足 u,=UU,∩U,=Φ，i≠iij=1.2,,s 1994-03-01收稿 第一作者男57岁副教授

第 卷 增刊 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 恤 、 ，川 故 障模糊诊断专家系 统 孙 民生 陈济平 北 京 科技 大学 机械 工 程 学 院 ， 北 京 以犯 摘要 完成 了一个故 障模糊诊 断专家系 统 “ 互 ， ” 由知 识 库维护 、 故 障诊断 、 诊 断解 释 、 列表打印 个基 本模块组成 ， 此 系统基 于 模 糊 数 学 中 的 模 糊 变换 的 原理 建立 推理诊 断机制 ， 经实例考察 ， 结果满 意 关健词 模糊 关 系 ， 故 障诊 断 ， 专家系 统 中图分类号 开 ， 月 司 ， ， 〕 ， 石卿 ， ， 五污 巴 石 岛 此 ， 万 ， ， 故障诊断专家系统是一种人工智能的计算机诊断系统 它能模拟故障诊断专家的思维力式 ， 运用 已有的故障诊断技术知识和专家经验 ， 对收集到的诊断对象信自进行推哩 ， 作出判断 ， 并能不断修改 、 补充知识 ， 完善专家系统的性能 ， 这对于复杂系纤泊勺诊断是十分有效的 ， 是当育示玫障诊断的发展方向 诊断数学模型 根据模 糊变换 原理建 立 多故 障症状 群诊 断的模 糊 数 学模 型 它 的诊 断机理 为 在 故 障空 间建立模糊 向量 ， 在症 状空 间根 据症 状 群 分 别 建 立 模 糊 分 向量 ， 在 这 二 维 空 间依 据 故 障 向量 与各症状群分 向量 的对应 关 系建立 各 个模 糊 关 系矩 阵 对各症 状模糊 分 向量 对应 的诊 断 关 系 矩 阵进行模糊变换产 生故 障阶段模糊 向量 ， 再把 各 阶段 向量 进行 综 合 得 到 最 终 故 障 模糊 向量 该 向量 的各元 素值 即 为各故 障产 生 的隶 属度 可 能性 假如有 种故 障和 种故 障症 状 设 为症状论域 二 ， ，’ · ， … ， ， 且 满足 以 ，一 门 一 中 ， ‘并 ， ‘ ， 一 ’ ， 么 一 望弄攀一 一 收稿 第一 作者 男 岁 副教 授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．s2．009

·40· 北京科技大学学报 A:为U,上的模糊子集. A=[ain ai,ax] (1) 且满足u,=n 设V为症状论域，B,B,,B,分别为V上的模糊子集. B=[a,a,…,am] (2) Bi=[bi b12.,bm] (3) 设R:为对应于B:与A,的模糊关系矩阵，有 R;(Ix)mxik (4) 有关系B=RA,令 B=B,+B-1=1,2,…,s-1) (5) B=B,-1 (6) 式(6)即为FFDES的诊断数学模型 2FFDS系统结构 FFDES的系统结构见图1， 知识库：由模糊推理中的模糊诊 户 面 断矩阵组成，它是整个系统的核心， 该知识库可以动态扩充，只要计算机内 存允许，知识库规模可不受限制.此 知识管理 推理机 黑板 解释机构 外，知识库还具有可更换性，当输人适 当的诊断知识，FFDES对任何类型的故 障诊断均适用. 知识库 推理机：根据用户输人的故障症状和 围1系统结构 模糊变换原理进行故障诊断.FFDES在 Fig.1 System structure 推理过程中，可智能提问，用户回答简便， 解释机构：根据诊断结果，对确定性故障和可能性故障进行解释， 黑板：由设备参数分区、症状分区和故障分区组成.它是一种中间数据库，用来存放推理诊 断的初始信息、中间结果、诊断结论和系统与用户交互的各种信息. 知识管理：它是一种知识编辑器，包括故障名维护、症状名维护、诊断矩阵系数维护和诊断 矩阵显示功能. 用户界面：FFDES的用户界面非常友好.显示器画面色彩协调、形式多样，在操作过程中 的每一步均有提示.操作方便可靠，无需特别指导，此外在打印输出功能块中，FFDES可 对当前或历史诊断数据打印输出，并且兼有打印报告文件的磁盘管理功能. 3实验结果及分析 FFDES经过实例检验，效果良好，实验是参照参考文献[5]中的实例进行的.其诊断主

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 鑫 为 上 的模糊 子集 鑫 ， 【 ， ，… ， 且满足 艺 设 为症状 论域 ， 旦 ， 易 ，… ， 旦 分别 为 上 的模 糊 子集 旦 ， ， … ， 」 旦 、 二 【 月 ， ， … ， 】 ‘ 设 尽 ，为对应于 旦 、 与 感 的模糊 关 系矩 阵 ， 有 ， 」 有 关系 旦 尽么 ， 令 旦 旦 旦 ， ， ， ’ “ ， 一 旦 旦 一 式 即 为 的诊 断数学模型 系统结构 的系 统结构见 图 知 识 库 由模 糊 推 理 中 的模 糊 诊 断 矩 阵组 成 它 是 整 个 系 统 的 核 心 该 知 识 库可 以 动态 扩 充 ， 只 要 计 算 机 内 存 允 许 ， 知 识 库 规 模 可 不 受 限 制 此 外 ， 知 识 库 还 具 有 可 更 换 性 ， 当输 人 适 当的诊 断知 识 ， 对任何 类型 的故 障诊 断均适 用 推理机 根据用户输人 的故 障症状和 模糊变换原理进行 故 障诊 断 在 推理过程中 ， 可智育目是问 ， 用户回答简便 用 户 界 面 知 识 管理 推理机 黑板 解释机构 知 识库 图 系统结构 触 州匕 创” 州 此 解 释机构 根 据诊 断结果 ， 对确定性 故 障和 可 能性 故 障进行解 释 黑板 由设备参数分 区 、 症 状分 区 和 故 障分 区组成 它 是一种 中间数据库 ， 用来存放 推理 诊 断 的初始 信 息 、 中间结果 、 诊 断结论和 系统与用 户交互 的各种信 息 知 识 管理 它 是 一 种知 识编 辑 器 包括 故 障名 维护 、 症状名维护 、 诊断矩 阵系数维护 和诊 断 矩 阵显 示 功 能 用 户界 面 的用 户界 面 非 常友好 显示器画面色彩协调 、 形 式多 样 在 操 作过程 中 的每 一步 均有 提 示 操作 方 便 可 靠 ， 无需 特 别 指 导 此 外 在 打 印 输 出 功 能 块 中 ， 可 对 当前 或历史 诊 断数据 打 印输 出 ， 并 且兼 有 打 印报告 文件 的磁盘 管理 功 能 实验结果 及分析 经过 实例检验 ， 效 果 良好 实验 是 参 照 参 考 文 献 【 中的实例进行 的 其诊断主

孙民生等：故障模糊诊断专家系统FFDES ·41· 要结果见表1. 表1结果列表 Table 1 Result list 序号 故障表象名 表象隶属度 诊断故障名故障隶属度 10.01~0.39转速谐波大 0.00 初始不平衡 0.96 2 0.40~0.49转速谐波大 0.00 转子部件脱落 0.79 3 0.5转速谐波大 0.00 轴向碰磨 0.38 4 0.51~0.99转速谐波大 0.00 轴向不对中 0.70 5 转速谐波过大 0.80 轴承对轴颈偏心0.76 6 2倍转速谐波过大 0.60 轴裂纹 0.60 7 3~5倍转速谐波过大 0.80 轴承座松动 0.08 8 奇数倍转速谐波过大 0.00 联轴器不精确 0.42 9 >5倍转速谐波过大 0.00 间隙引起振动 0.60 10 电网倍频谐波过大 0.00 亚谐共振 0.00 11 振动与转速成正比 0.80 蒸汽祸动 0.00 12 … … 确定性故障：初始不平衡；可能性故障：转子部件脱落、轴向不对中、轴承对轴颈偏 心·该结论与实例中的初始不平衡是吻合的，初始不平衡、转子部件脱落、轴向不对中和 轴承对轴颈偏心在频谱特征上均表现为1倍、2倍或3~5倍“转速谐波过大”，但初始不平 衡还有“振幅与转速成正比”的区别于其它故障的特征，所以此诊断的故障机理也是合理的， 4 FFDES的实现及运行条件 FFDES是TURBO C系统语言编写的，移植性较强，而且实现了西文状态下显示、输 入、输出的全部汉化， FFDES的硬件支持环境：凡具有1兆以上内存，I0兆以上硬盘、VGA显示器的微机均可· FFDES的软件支持环境：在2.0以上的MS-DOS环境下均可运行. 5结束语 FFDS可以根据不同的诊断对象建立相应的模糊关系诊断知识库，从而进行不同类型的 故障诊断，该系统可作为一种故障模糊诊断专家系统外壳，具有一定的经济价值， 参考文献 1 De Kleer J,Williams B C.Diagnossing Mulliple Faults.Artificial Intelligence,1987,32 2涂序彦，人工智能及其应用·北京：电子工业出版社，1988 3虞和济、候广林，故障诊断的专家系统，北京：冶金工业出版社，1990 4唐李民.C语言多维动态数组的实现.微电子学与计算机，1992(2) 5虞和济等，振动诊断的工程应用，北京：冶金工业出版社，1992

孙 民生等 故 障模糊诊 断 专家 系统 下 要 结果见表 表 结果 列表 晚 份 】议 序号 故 障表 象名 表象隶属 度 诊 断故 障名 初 始 不 平衡 故障隶属度 一 转 速谐波 大 转速 谐波大 万 转速谐波大 卯 转速谐波大 转速谐波过大 倍转速 谐波过大 一 倍转 速谐波过 大 奇数倍转速谐波 过 大 倍转速 谐波过大 电网倍频谐波过大 振动 与转速 成正 比 图 住田 住印 住 转子部件脱落 轴 向碰 磨 轴 向不 对中 轴承 对轴颈偏 心 轴 裂 纹 轴承 座 松动 联 轴 器不 精确 间隙引起振 动 亚谐共振 蒸汽涡动 众 住 印 印 图 田 ，一了汉︼ ，几，立 确 定性 故 障 初 始不 平衡 可 能性 故 障 转 子 部 件 脱 落 、 轴 向不 对 中 、 轴 承 对 轴 颈 偏 心 该结论 与实例 中的初 始 不平 衡是 吻 合 的 初 始 不 平 衡 、 转 子 部 件 脱 落 、 轴 向不 对 中和 轴承 对轴颈偏 心 在 频谱特征上 均 表 现 为 倍 、 倍或 一 倍 “ 转 速谐波 过大 ” ， 但初始不平 衡 还有 “ 振 幅与转 速成正 比 ” 的 区 别 于 其它 故 障的特 征 所 以 此诊断的故障机理也是合理 的 邓 的实现及运行条件 是 系 统语 言编 写 的 ， 移 植性 较 强 ， 而且 实现 了西 文 状 态 下 显 示 、 输 人 、 输 出的全部 汉 化 的硬件支持环境 凡具有 兆以上 内存 ， 兆以上硬盘 、 显示器的微机均可 的软件 支持环 境 在 以 上 的 一 环境 下 均 可 运 行 结束语 可 以根据不 同 的诊 断对象建立 相 应 的模糊 关 系诊断知 识库 ， 从而进行不 同类型的 故 障诊 断 该系 统可 作 为一 种 故 障模 糊诊 断 专家 系 统外 壳 具有 一 定 的经 济 价值 参 考 文 献 众 晚 ， 函血璐 祖 “ 以 罗 ， ， 涂序彦 人工智能及 其应用 北京 电子 工 业 出版社 ， 虞和 济 、 候广林 故 障诊 断的 专家系 统 北 京 冶金 工 业 出版社 ， 男 唐李 民 语言多 维动态数组 的 实现 微 电子 学 与计算机 ， 卯 虞和济等 振 动诊 断的工 程 应 用 北京 冶 金工 业 出版社 ， 卯