农用柴油机常见故障诊断系统的研究与开发

1、运城农业职业技术学院毕业论文农用柴油机常见故障诊断系统的研究与开发内容摘要： 柴油机在农机作业中起着举足轻重的作用，它工作质量的好坏将直接影响到农机工作的状况， 而柴油机在工作中难免发生许多故障，需要操作人员和维修人员实时诊断排除。但有些故障引起的原因很多，要想准确判断需要较多的知识，因此开发发动机故障诊断系统有一定的实用价值和意义。本系统从实用角度出发，针对农用柴油机的发动机进行故障诊断专家系统的开发研究。 根据发动机故障的复杂性，依据计算机数据结构原理，采用故障树的数据结构和关系数据库原理完成知识表示，建立了较完善的知识库，实现了确定性故障诊断所需的知识库和推理机。利用MicrosoftV

2、isualFoxPro 编程工具，设计并组建了农用柴油发动机故障诊断专家系统， 缓解了故障诊断专家供不应求的矛盾，提高了农用柴油机的常见故障诊断的效率和准确率。 系统主要实现的功能包括：发动机确定性故障诊断功能，故障模糊查询功能，用户诊断数据库浏览、打印功能，知识库维护修改和可扩充功能，并配有发动机结构图，便于用户学习掌握。关键词： 柴油机，故障诊断，专家系统，知识库，故障树1、 引言11 研究本课题的目的和意义发动机作为拖拉机的心脏，是机车行驶的动力来源。由于它的结构复杂、零件多、工作条件恶劣，因此在运行中故障最多且难排除。利用计算机对农用柴油机进行故障诊断既迅速又准确，因此开发农用故障诊断

3、专家系统是十分必要的。近年来， 中小型拖拉机在农村的发展较快，但使用操作人员科技文化素质总体低下，大都没有经过系统的理论学习和实践技能培训。调查结果表明，操作人员中初、高中文化的仅占47.5%，小学文化占34.3%，还有 18.2%属于文盲和半文盲，真正参加过农机培训的操作人员和农机维修人员不足5%。由于他们对机械结构、原理和性能没真正了解，对故障的判断处理能力差，平时根本谈不上什么维护保养，更不用说是机械维修。农忙时间机具因出故障得不到及时排除而延误农时的现象十分严重。更有不少的机手在拖拉机出现冒黑烟、烧机油和难起动等故障时也不及时检修，甚至挂挡打齿，前轮摇晃，制动跑1偏等危及行车安全的故障

4、出现时仍凑合使用，心存侥幸，带病作业。中小型农机仅能维持在“能用”、“能跑” 的水平， 根本谈不上效益和作业质量，大大缩短了机具的使用寿命，甚至引发机械和人身故障。因此，快速、高质量地确定故障原因和部位对恢复拖拉机性能是十分必要的。发动机诊断技术能以最小的劳动消耗，迅速、准确、可靠、客观地评价发动机及其技术状况，因此，开发“农用柴油机常见故障诊断系统”具有十分重要的意义。故障诊断专家系统是一种不解体诊断过程，它将柴油机维修领域专家的知识及大量实际维修经验进行汇总和提炼， 能模拟柴油机维修专家来进行诊断的计算机智能系统。计算机根据用户提供的故障线索及存储在计算机内部的知识库，来引导用户逐步进行深

5、入诊断，最终确定发动机故障的部位，并提出维修建议，并不断修改和完善知识库，从而达到维修专家的水平。开发农用柴油机常见故障诊断专家系统的目的是，从实用角度出发， 为普通用户进行常见故障诊断专家系统的开发，以满足广大普通用户的需求。12 本课题国内外研究现状发动机故障诊断系统的发展是随着发动机工业和设备诊断技术的发展而同步前进的。 20 世纪 80 年代，出现了第一代发动机故障诊断系统OBD-（1 On Board Diagnosis ）。1982 年，意大利米兰发动机工业大学首先成功研制了发动机电系故障诊断系统，该系统采用反向推理，知识库由100 多种规则组成， 主要来自修理工人的经验和维修手册

6、，此系统的实际目的是为了教学。日本丰田中央研究所开发了发动机故障诊断专家系统ATERX，它根据司机日常注意到现象，推断引起发动机故障的原因及维修方法，该系统是一个产生式系统，知识结构中约120 条规则， 采用正向推理， 把可能的故障原因全部输出。国内在基于知识的发动机故障诊断系统方面的研究较晚。1988 年天津工程学院的PC机上用DBASE语言开发，以TURBE-PROLOG语言改写的发动机故障诊断专家系统，该系统以老解放汽油车为主要研究对象。南京大学的1998 年开发的发动机故障维修专家系统的基础ABDES，运用基于CASE的推理模式，采用可视化编程手段，提供了一个可视化的知识获取工具，可以

7、完成基本的发动机故障诊断。这些系统普遍存在的问题是实用性差，知识库不完善，推理效率低。目前，国内外对农用柴油机故障诊断系统的研究还较少，特别是对中小型拖拉机的故障诊断的研究更加缺少。本课题的研究可填充此空白，对广大农机用户有较强的实用价值。13研究内容及研究方法鉴于以上现状， 笔者决定在这方面作些尝试。根据柴油发动机的常见故障， 应用人工智能专家系统原理和面向对象的设计方法，建立知识库和相应知识表达推理机制，利用编程工具面向对象的可视化编程软件MicrosoftVisualFoxPro29 ，设计并组建拖拉机发动机的常见故障诊断专家系统，实现的功能包括: 发动机故障诊断功能；故障模糊查询功能；

8、用户诊断数据库浏览、打印、 保存功能； 知识库维护修改和可扩充的功能。另配有大量的发动机构造图和维修图片，以便用户学习掌握 30。以缓解故障诊断专家供不应求的矛盾，提高发动机常见故障诊断的效率和准确率。研究方法分以下几步：收集整理发动机故障现象及排除方法；针对发动机的故障， 依据计算机数据结构原理， 采用故障树的数据结构和关系数据库原理完成知识表示，建立了知识库， 实现了故障诊断所需的知识库和推理机，构建发动机故障诊断系统的诊断流程；在此基础上利用编程工具MicrosoftVisualFoxPro ，分别设计各种工作界面，实现上述功能；最后对软件反复进行测试，以进一步完善软2运城农业职业技术学

9、院毕业论文件的功能。2、 故障诊断专家系统分析及开发简介21农用柴油机故障类型经过分析， 我们把专业领域的专家知识即发动机常见故障归纳为十大类 2 ：发动机起动困难或无法启动；功率不足；排气不正常；柴油机运转不稳；柴油机运转中有不正常响声；柴油机过热；柴油机突然自行熄火；飞车；窜烧机油；机油压力不足。22 专业领域知识库的生成及知识表示用合适的形式表示领域专家的知识是构造知识库的重要环节。 近年来， 面向对象的编程技术得到了迅速发展，在此基础上发展起来的面向对象的知识表示方法为解决专家系统中的知识获取、知识表示、 知识库的组织、 知识推理等方面提供了非常有效的途径。为此，知识库的建立重点采用了

10、面向对象的程序设计语言。针对发动机的故障，依据计算机数据结构原理， 采用故障树的数据结构和关系数据库原理完成知识表示，建立了知识库， 实现了故障诊断所需的知识库和推理机。1 用面向对象程序设计语言MicrosoftVisual FoxPro（简称 VFP）开发工具开发了发动机故障诊断专家系统。该系统主要实现的功能包括：发动机故障诊断功能，故障模糊查询功能，用户诊断数据库浏览、打印、保存功能，知识库维护修改和可扩充的功能，另配有大量的发动机构造图和维修图片，便于用户学习掌握。23 开发工具简介本系统采用VFP开发工具及结构化查询语言(SQL)，其简介如下5 ，4 ：Visual FoxPro是目

11、前微机上优秀的数据库管理系统之一，被人们誉为“大众数据库”。正如其名称中冠之的Visual一样，它采用了可视化的面向对象的程序设计方法，VFP采用的是关系数据库模型，数据库系统以其开发成本低、简单易学、方便用户等优点得到迅速推广。关系型数据库使用的标准语言是结构化查询语言(StructuredQuery Language， SQL)，它是操纵和管理数据库的系统软件。VisualFoxPro 属于一种关系型数据库管理系统，是以一定的组织形式存放在计算机存储介质上的相互关联的数据的集合。具有最小的冗余度，具有数据独立性、实现数据共享、安全可靠、保密性能好等特点。关系数据库基本概念:关系模式 :Vi

12、sualFoxPro 中，一个关系就是一张二维表，每个关系有一个关系名。在 VisualFoxPro中，一个关系存储为一个文件，文件扩展名为.dbf ，称为表。对关系的描述称为关系模式，一个关系模式对应一个关系结构，其格式为:关系名 ( 属性名 1，属性名2，属性名N)在 Visual FoxPro表示为表结构 :表名 ( 字段名 1，字段名2，字段名N)元组 : 在一个二维表( 一个具体关系) 中，水平方向的行称为元组，每一行是一个元组。元组对应存储文件中的一个具体记录。例如，职工表和工资表两个关系各包括多条记录( 或多个元组 ) 。属性 : 二维表中垂直方向的列称为属性， 每一列有一个属性

13、名， 与前面讲的实体属性相同， 在 Visual FoxPro 中表示为字段名。每个字段的数据类型、宽度等在创建表的结构时规定。例如，职工表中的职工号、姓名、性别等字段名及其相应的数据类型、宽度等。3域: 属性的取值范围，即不同元组对同一个属性的取值所限定的范围。例如，姓名的取值范围是文字字符；性别只能从“男”/ “女”两个汉字中取一；逻辑型属性婚否只能从逻辑“真”和逻辑“假”两个值中取值。关键字 : 属性或属性的组合，其值能够唯一的标识一个元组。在 Visual Foxpro中表示为字段或字段的组合，职工表中的职工号可以作为标识一条记录的关键字。由于具有某一职称的可能不止一个人，职称字段就不

14、能作为起唯一标识作用的关键字。在visualFoxPro中，主关键字或候选关键字就起唯一标识一个元组的作用。（ 6）外部关键字: 如果表中的一个字段不是本表的主关键字或候选关键字，而是另外一个表的主关键字或候选关键字，这个字段( 属性 ) 就称为外部关键字。在 Visual FoxPro中，把相互之间存在联系的表放在一个数据库中统一管理。数据库文件的类型为 .dbc 。例如，在职工管理数据库中可以加入职工表/ 工资表。在图书管理数据库中可以加入读者表/图书表 / 借阅表。结构化查询语言(Structured Query Language)SQL是基于关系模型的数据库查询语言，它是一种非过程化的

15、程序语言，也就是说，没有必要写出将如何做某事情，只需写出做到什么就可以了。写出的语句可看作是一个问题，称为“查询”( Query) ，针对这个查询，得到所需的查询结果。下面是一个例子 :Select Name,Total from Class where Total600这个查询意为从数据库表Class中将总分(Total)大于600 的所有人选出来，并列出他们的姓名（ Name)和总分(Total)。把 SQL描述为子语言更适当一些，因为它没有任何屏幕处理或用户输入/ 输出的能力。它的主要目的是为了提供访问数据库的标准方法，而不管数据库应用的其余部分是用什么语言编写的，它既是为数据库的交互式

16、查询设计的( 因此被称为动态SQL)，同时也可在过程化语言编写的数据库应用程序中使用( 因此被称为嵌入式SQL)。SQL的优点 :(1) 非过程化语言SQL是一个非过程化的语言，因为它一次处理一个记录，对数据提供自动导航。SQL允许用户在高层的数据结构上工作，而不对单个记录进行操作，可操作记录集。所有 SQL语句接受集合作为输入，返回集合作为输出。SQL的集合特性允许一条SQL语句的结果作为另一条SQL语句的输入。SQL不要求用户指定对数据的存放方法。这种特性使用户更易集中精力于要得到的结果。所有SQL语句使用查询优化器，它是 RDBMS的一部分， 由它决定对指定数据存取的最快速度的手段。查询

17、优化器知道存在什么索引，哪儿使用合适，而用户从不需要知道表是否有索引，表有什么类型的索引。(2) 统一的语言SQL可用于所有用户的DB 活动模型，包括系统管理员、数据库管理员、应用程序员、决策支持系统人员及许多其它类型的终端用户。基本的 SQL命令只需很少时间就能学会，最高级的命令在几天内便可掌握。4运城农业职业技术学院毕业论文SQL为许多任务提供了命令，包括:. 查询数据. 在表中插入、修改和删除记录. 建立、修改和删除数据对象. 控制对数据和数据对象的存取. 保证数据库一致性和完整性以前的数据库管理系统为上述各类操作提供单独的语言，而SQL将全部任务统一在一种语言中。(3) 是所有关系数据

18、库的公共语言由于所有主要的关系数据库管理系统都支持SQL语言，用户可将使用SQL的技能从一个RDBMS转到另一个。所有用SQL编写的程序都是可以移植的。3、故障诊断专家系统的基本原理31 发动机故障形成原因发动机故障形成原因主要有：本身存在着易损零件。发动机设计中不可能做到所有的零件都具有同等寿命，发动机本身有些零件为易损件， 如空气滤清器、机油滤清器等使用寿命较短，均需定期更换，如没有及时更换或提前损坏发动机就会发生故障。零件本身质量差异。发动机零件是由不同厂家大批量生产的，不可避免地存在质量差异。原厂配件使用中会出现问题，协作厂和不合格的配件装到发动机上更会出现问题，因此各厂家都在努力提高

19、配件质量，消除零件本身质量缺陷。发动机消耗品质量差异。发动机上的消耗品主要有燃油和润滑油等，其质量好坏会严重影响发动机的使用性能和使用寿命。而这些用品的添加往往很难由用户来保证，稍不注意就会加入劣质燃油和润滑油，对发动机的危害极大，可能用户还没在意，发动机就出问题了。发动机使用环境影响。农用机械的使用环境大多较为恶劣，道路不平， 严重颠簸， 长期大负荷工作，工作场所尘土较大等，发动机容易发生故障，或引起突发性损坏。用户使用方法的影响。使用方法正确与否对发动机故障影响很大。发动机使用管理不当，不能按规定进行走合和定期维护，野蛮启动等都会使发动机早期损坏和出现故障。发动机故障诊断技术和维修技术的影

20、响。发动机在使用过程中要定期维修，出了故障要做出准确的诊断，才能修好。在发动机使用、维护、故障诊断和维修作业中都需要有技术，不会修不能乱修，不懂不能乱动，以免旧病未除，新毛病又出现。发动机故障广泛地存在于发动机的制造、 使用、维护和修理工作的全过程， 对于每一个环节都应十分注意，特别是在使用中要注意发动机的故障，有故障要及时发现、及时排除，才能使发动机在使用过程中减少出现事故。 23.2 发动机故障诊断方法发动机使用过程中，不可避免的要发生各种故障。农用车辆在行车途中，要由驾驶员当场检查、当场诊断、当场排除故障，才能使车辆行驶；有些故障比较大或比较复杂，驾驶员较难自己解决，要由修理工来检查、诊

21、断和排除。发动机故障千变万化，千奇百怪，种类繁多，但是故障诊断的方法和步骤都是一定的，只要基本方法正确，思路清晰，方法得当，故障诊断也是容易做出的。5发动机故障诊断的方法基本上可以归纳为12 种：望问法、观察法、听觉法、试验法、触摸法、嗅觉法、替换法、仪表法、度量法、分段检查法和局部拆装法等。3应用这些方法，要有理论做指导，充分了解发动机的使用和维修情况，充分了解故障的发生情况。对于发动机上出现的比较简单的故障，只凭经验和感官即可找到原因和所发部位；对于疑难故障， 只能凭仪器和应用专门的故障诊断设备才能找到，有了仪器和设备， 也要会使用， 使用中还要结合维修经验，灵活的运用这些故障诊断方法，对

22、故障做出综合评价。在诊断中不断实践，不断总结和积累经验， 就会应用自如。3.3 故障诊断的故障树依据原理结合发动机故障诊断专家系统要实现的功能，经过对发动机故障的分析则可知， 对于发动机故障的每一种存在的现象都有多种一级原因与之相对应，且每一种一级原因有可能会分为多种二级原因，甚至三级原因。 以此种思想结构可知，数据与数据元素之间的关系，正好符合计算机数据结构中树的基本特点，则对于发动机故障来说，可采用此种数据的表现形式来完成。 2331 数据结构基本原理及基本概念数据结构是指相互之间存在一种或多种特定的数据元素的集合。 在任何问题中， 数据元素都不是孤立存在的，而是在他们之间存在着某种关系，

23、这种数据元素相互之间的关系称为结构。根据数据元素之间关系的不同特征，通常有以下4 种基本结构 :集合：结构中的数据元素之间除了“同属于一个集合”的关系外，别无其他关系；线性结构：结构中的数据元素之间存在一对一的关系；树形结构：结构中数据元素之间存在一对多的关系；图状结构或网状结构：结构中数据元素之间存在多对多的关系。在数据结构 4 种基本结构之上加载的一组操作称为抽象数据类型。抽象数据类型的定义仅取决于它的一组逻辑特性， 而与其在计算机内部如何表示和实现无关，即不论其内部结构如何变化， 只要他的数学特性不变，都不影响其外部的使用。另一方面，抽象数据类型的范畴更广，它不再局限于各处理器中一定一并

24、实现的数据类型， 还包括用户在设计软件系统时自己定义的数据类型。为了提高软件的复用率，在近代程序设计方法学中指出，一个软件系统的框架应建立在数据之上，而不是建立在操作之上。即在构成软件系统的每个相对独立的模块上，定义一组数据和施于这些数据上的一组操作，并在模块的内部给出这些数据的表示及其操作的细节，而在模块外部使用的只是抽象的数据和抽象的操作，显然所定义数据类型的抽象层次越高， 含有该数据类型的软件模块的复用程度就越高，所以发动机故障诊断专家系统后台的数据库要经过仔细严密的思考，以提高软件的复用程度。332 树状结构介绍树状结构是一类重要的非线性数据结构。直观的看来是以分支关系定义的层次结构。

25、 树结构在客观世界中广泛存在，同时在计算机领域中也得到了广泛应用，尤其在数据库系统中，树形结构也是信息的重要组织形式之一。发动机故障诊断系统后台的数据库就是采用树形结构来完成的，即故障树。树是n(n=0)个结点的有限集。在任意一个棵非空树中，当 n1 时，其余结点可分为m(m0)个互不相交的有限集T1,T2 ， Tm，其中每一个集合本身又是一棵树，并且称为根的子树。如图3-1 （图略）所 示为树的示例。它是有13 个 结点的树，其中A 是 根，其余结点分成3 个互不相交的子集 :T1=B,E,F,K,L,T2=C,G,T3=D,H,I,J,M； T 1,T2 和 T3 都是根为 A 的子树，且

26、本身也是一棵树。6运城农业职业技术学院毕业论文例如 T1 其根为 B，其余结点分为两个互不相交的子集。T11=E,K,L 和 T12=F 都是 B 的子树。而 T11中 E 是根， K 和L 是 E 的两棵互不相交的子树，其本身又是只有一个根结点的树，如图3-1 所示（图略）。树的结构定义是一个递归的定义，即在树的定义中又用到树的概念，它道出了树的固有特性: 分支分层。树的结点包含一个数据元素及若干指向其子树的分支。结点拥有的子树数称为结点的度。例如在树的示例中，A的度为 3,C的度为 1，F 的度为 0。结点的子树的根称为该结点的孩子，相应的，该结点称为该子的双亲。例如，在树的示例所示的树中

27、，D 为 A 的子树，同时又是 T3 的根，则 D 是 A 的孩子，而 A 则是 D的双亲，同一个双亲的孩子之间互称兄弟。例如，H, I和 J 互为兄弟。结点的层次从根开始定义起，根为第一层，根的孩子为第二层。树中结点的最大层次称为树的深度或高度。如A 树的深度为 4。如果将树中结点的各子树看成从左至右是有次序的( 即不能互换 ) ，则称该树为有序树， 否则称为无序树。 在有序树中最左边的子树的根称为第一个孩子，最右边的孩子称为最后一个孩子。34 故障诊断的知识表示从故障树的顶事件至每一个底事件形成了故障分析支路。这样的支路在程序实现时均与一个链表结构对应。为了方便解释， 在系统中采用了双向链

28、表结构来表示这些支路，并用数据库表结构表示，见表3-1 （表略）。下面对各个字段进行解释。结点标识码ID ：节点标识码，字符串，是节点的标记。每一个显节点均对应唯一的标识码。标识码由数字组成。结点数据ask 1，ask2 ：根据类型的不同有不同的含义。当类型为“提问”时askl为现象或故障，ask2设置为空；当类型为“结论”时，askl为诊断结果，ask2为排除方法。父亲结点firstl：父亲结点标识；左孩子结点next1：左孩子结点标识；右孩子结点next2：右孩子结点标识。结点类型lei：结点的类型4、 结论与建议41 结论本论文根据发动机故障的复杂性，依据计算机数据结构原理，成功地实现了确定性故障诊断所需的知识库和推理机。运用面向对象程序设计的方法，重点以MicrosoftVisualFoxPro 为工具开发了农用柴油机故障诊断专家系统。该系统主要实现的功能包括：发动机确定性故障诊断功能，故障模糊查询功能，用户诊断数据库浏览、打印功能，知识库维护修改和自扩充的功能，发动机构造和维修图解功能等。采用故障树的数据结构完成知识表示，