基于灰色模型的柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障預(yù)診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障診斷方法，具體地說，是一種基于灰色 模型的柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障預(yù)診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃油系統(tǒng)是柴油機(jī)的重要組成部分，其技術(shù)狀態(tài)直接決定了柴油機(jī)的工作性能。 一旦燃油系統(tǒng)發(fā)生故障，將會引起柴油機(jī)的振動噪聲、功率下降以及有害排放物增多，嚴(yán)重 影響設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。然而，燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很多部件處在高溫、高壓、高負(fù)荷的 惡劣環(huán)境下工作，使得系統(tǒng)的故障發(fā)生率較高。統(tǒng)計顯示，在柴油機(jī)各類故障中，約有27% 是由燃油系統(tǒng)引起的。燃油系統(tǒng)已成為柴油機(jī)最主要的故障源，對燃油系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行 診斷維護(hù)是確保柴油機(jī)的安全運行的重要內(nèi)容。
[0003] 預(yù)測維修是當(dāng)前柴油機(jī)故障診斷與健康管理理念的發(fā)展方向。該理念強(qiáng)調(diào)對柴油 機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測、實時評估其性能退化情況，在此基礎(chǔ)上完成對故障的早期預(yù) 報，并指導(dǎo)工作人員對柴油機(jī)的健康維護(hù)。預(yù)測維修有效實施的基礎(chǔ)是在柴油機(jī)性能劣化 初期對故障進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷和預(yù)測。已有的燃油系統(tǒng)故障診斷方法均是通過分析當(dāng)前的運 行參數(shù)特征，識別出系統(tǒng)的故障模式，并對系統(tǒng)性能退化態(tài)勢進(jìn)行評估。然而，燃油系統(tǒng)的 性能衰退是一個漸變的過程，其運行參數(shù)也經(jīng)歷著逐漸的劣化。在燃油系統(tǒng)性能劣化初期， 運行參數(shù)的異變程度較小，直接對參數(shù)特征進(jìn)行分析的診斷方法難以準(zhǔn)確識別系統(tǒng)當(dāng)前的 故障類型；而在故障進(jìn)一步發(fā)展之后對其進(jìn)行模式識別與維護(hù)，又無法有效避免因故障造 成的損失，不能保證柴油機(jī)處于最佳運行狀態(tài)，使得柴油機(jī)運行、維護(hù)成本較高。因此，發(fā)明 一種能夠在燃油系統(tǒng)性能劣化初期，及時、準(zhǔn)確地診斷出故障模式，并對故障劣化趨勢進(jìn)行 準(zhǔn)確預(yù)測的柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障診斷方法，對于實現(xiàn)對燃油系統(tǒng)的預(yù)測維修具有十分重要 的意義。
[0004] 目前，灰色關(guān)聯(lián)度模型和灰色GM預(yù)測模型在柴油機(jī)故障診斷、預(yù)測研究中有著較 為廣泛的應(yīng)用。然而，現(xiàn)有的研究均是對故障診斷模型與性能預(yù)測模型的單獨應(yīng)用，未能真 正融合兩種模型的優(yōu)勢，實現(xiàn)對故障的精確診斷;且模型均是直接將當(dāng)前的運行參數(shù)作為 分析對象，因此同樣存在初期故障識別精度低這一問題，無法實現(xiàn)在燃油系統(tǒng)性能劣化初 期對故障的準(zhǔn)確辨識。
[0005] 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，公開文件"基于動量BP網(wǎng)絡(luò)的柴油機(jī)故障診斷" (控制工程，2007)提出的一種柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障診斷方法，該公開文件中記載："利用神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射，及其高度的自組織和自學(xué)習(xí)能力，將改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于柴油機(jī)的 故障診斷。應(yīng)用夾持式傳感器獲得柴油機(jī)噴射系統(tǒng)的燃油壓力波形，對波形時域分析和特 征提取，再根據(jù)所取得故障信息及其對應(yīng)的故障類型來構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用附加動量的BP 算法，從而實現(xiàn)對故障的分類。通過MATLAB仿真理論表明，該方法可以有效地對故障進(jìn)行識 別分類"。其不足之處是:該方法直接利用當(dāng)前的運行參數(shù)特征分析燃油系統(tǒng)性能狀態(tài)，難 以在系統(tǒng)性能劣化初期準(zhǔn)確識別故障類型，無法有效地指導(dǎo)對燃油系統(tǒng)的健康維護(hù);且該 方法診斷模型的建立需要大量、典型的學(xué)習(xí)樣本，使得算法運行效率低、故障診斷成本較 高，難以滿足實際應(yīng)用中對利用小樣本數(shù)據(jù)診斷的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種可實現(xiàn)在燃油系統(tǒng)性能劣化初期對故障類型的準(zhǔn)確 診斷，診斷精度高的基于灰色模型的柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障預(yù)診斷方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0008] 1、利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等時長檢測柴油機(jī)燃油系統(tǒng)當(dāng)前運行參數(shù)；
[0009] 2、將采集到的運行參數(shù)作為原始建模序列，建立灰色GM(1，1)模型，通過灰色GM (1，1)模型分析燃油系統(tǒng)運行參數(shù)劣化趨勢，獲得運行參數(shù)的預(yù)測值，利用預(yù)測值構(gòu)建燃油 系統(tǒng)的待檢模X，描述燃油系統(tǒng)當(dāng)前的性能狀態(tài)；
[0010] 3、獲取燃油系統(tǒng)在不同故障狀態(tài)下運行參數(shù)的樣本數(shù)據(jù)，建立燃油系統(tǒng)故障的基 準(zhǔn)模h，利用標(biāo)準(zhǔn)化公式對基準(zhǔn)模1與待檢模X下的運行參數(shù)進(jìn)行初值像處理；
[0011] 4、對初值像處理后的待檢模X'與基準(zhǔn)模￥/，計算運行參數(shù)間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)心 (k)，并根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)一步獲得待檢模X'與基準(zhǔn)模￥/的灰色關(guān)聯(lián)度γ i，選取與待檢 模灰色關(guān)聯(lián)度最大的基準(zhǔn)模ΥΛ識別燃油系統(tǒng)當(dāng)前性能狀態(tài)為所表征的故障類型。
[0012] 本發(fā)明還可以包括：
[0013] 1、所述當(dāng)前運行參數(shù)包括噴油提前角X1、噴油持續(xù)角Χ2、針閥啟噴壓力Χ3、最高噴 射壓力Χ4、針閥落座壓力Χ5、高壓油管余波峰值Χ6、針閥升程Χ7。
[0014] 2、所述運行參數(shù)的預(yù)測值表示為：
[0015]
[0016] 其中，#())(t)為運行參數(shù)的第t個預(yù)測值；1為預(yù)測序列長度，且有l(wèi)>n;a為發(fā)展系 數(shù)、b為灰色作用量。
[0017] 3、所述的標(biāo)準(zhǔn)化公式為：
[0018]
[0019] 其中x(k)表示變換前的第k個運行參數(shù);x(k)m_表示第k個運行參數(shù)的平均值 (x(k))表示第k個運行參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。
[0020] 4、所述故障類型為:Yi* = arg maxi{ γ i}。
[0021] 5、建立灰色GM(1，1)模型的具體過程為：
[0022] 第一步:對任一燃油系統(tǒng)運行參數(shù)，將檢測到的數(shù)據(jù)作為原始建模序列x(())，
[0023] X⑶=(x(0)( 1)，x⑶（2)，…，x⑶（η));
[0024] 第二步:計算原始建模序列χ(())-次累加之后的緊鄰均值生成序列ζ(1)，
[0025] ζ⑴=(ζ⑴（2)，ζ⑴（3)，…，ζ⑴（η));
[0026] 其中，ζ(1)中任一元素 z(1)(t)的計算方法為
[0027]
[0028] 第三步:利用最小二乘法估計灰色GM(1，1)模型中的參數(shù)，包括:發(fā)展系數(shù)a、及灰 色作用量b;
[0029] 、 ,
[0030] 其中，δ = [a, 6171?參數(shù)列，且有
[0031]
[0032] 第四步:建立燃油系統(tǒng)運行參數(shù)的灰色GM(1，1)模型；
[0033] x(0)(t)+az ⑴（t) =b。
[0034] 6、灰色關(guān)聯(lián)度γ i的具體計算過程為：
[0035] 第一步:對初值像處理后的待檢模X'與任一基準(zhǔn)模Y/，計算其在第k個運行參數(shù) 處的殘差△ i(k)，并將其構(gòu)成殘差序列Δ i;
[0036] Ai(k)= lYi7 (k)-X7 (k) I ,k=l,2,-'-,7
[0037] 上式中，X' (k)為待檢模X'中的第k個運行參數(shù);Y/ (k)為基準(zhǔn)模Y/中的第k個運行 參數(shù)，
[0038] Ai=(Ai(l), Δι(2),···, Δι(7))；
[0039] 第二步:計算殘差序列△ i的最大差Μ和最小差m;
[0040]
[0041 ]第三步:計算待檢模X'與基準(zhǔn)模￥/在第k個運行參數(shù)處的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)￡1(1〇 ;
[0042]
[0043]上式中，α是分辨系數(shù)，ae (〇，1);
[0044] 第四步:通過對運行參數(shù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)￡1(1〇進(jìn)行均值處理，獲得待檢模f與基準(zhǔn) 模^'的灰色關(guān)聯(lián)度γη
[0045]
[0046] 本發(fā)明提供了一種基于灰色模型的柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障預(yù)診斷方法，所述灰色模 型包括灰色GM預(yù)測模型和灰色關(guān)聯(lián)度模型兩部分。首先基于灰色GM(1，1)模型預(yù)測燃油系 統(tǒng)運行參數(shù)劣化趨勢，并利用預(yù)測數(shù)據(jù)描述燃油系統(tǒng)當(dāng)前性能狀態(tài)，然后，通過灰色關(guān)聯(lián)度 模型檢測燃油系統(tǒng)待檢模與基準(zhǔn)模的關(guān)聯(lián)度，按照最大關(guān)聯(lián)度原則識別出燃油系統(tǒng)的故障 類型，據(jù)此指導(dǎo)對柴油機(jī)實施預(yù)防性維修，確保柴油機(jī)在最佳工作狀態(tài)下運行。
[0047] 與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)勢在于：本發(fā)明通過對運行參數(shù)劣化趨勢的灰色預(yù) 測，突出了燃油系統(tǒng)運行參數(shù)的異變特征，避免原參數(shù)特征的模糊性對診斷的影響，可實現(xiàn) 在燃油系統(tǒng)性能劣化初期對故障類型的準(zhǔn)確診斷;此外，本發(fā)明利用灰色關(guān)聯(lián)度模型在不 確定系統(tǒng)模式識別上的優(yōu)勢，通過比較運行參數(shù)序列的灰色關(guān)聯(lián)度，對燃油系統(tǒng)故障類型 進(jìn)行辨識，提高了在小樣本信息條件下故障診斷的精度。
【附圖說明】
[0048] 圖1為本發(fā)明基于灰色模型的柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障預(yù)診斷方法流程圖。
【具體實施方式】
[0049] 本發(fā)明的方法主要包括以下步驟：
[0050] 1、利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等時長檢測柴油機(jī)燃油系統(tǒng)當(dāng)前運行參數(shù)，所述運行參數(shù)包 括:噴油提前角^、噴油持續(xù)角 X2、針閥啟噴壓力X3、最高噴射壓力X4、針閥落座壓力X5、高壓 油管余波峰值X6、針閥升程X7;
[0051] 2、將采集到的運行參數(shù)作為原始建模序列，建立灰色GM(1，1)模型，通過灰色GM (1，1)模型分析燃油系統(tǒng)運行參數(shù)劣化趨勢，獲得運行參數(shù)的預(yù)測值，進(jìn)而利用預(yù)測值構(gòu)建 燃油系統(tǒng)的待檢模X，描述燃油系統(tǒng)當(dāng)前的性能狀態(tài)；
[0052] 3、獲取燃油系統(tǒng)在不同故障狀態(tài)下運行參數(shù)的樣本數(shù)據(jù)，建立燃油系統(tǒng)故障的基 準(zhǔn)模Υ:，利用標(biāo)準(zhǔn)化公式對基準(zhǔn)模1與待檢模X下的運行參數(shù)進(jìn)行初值像處理，消除因參數(shù) 量綱的不同對燃油系統(tǒng)性能狀態(tài)分析的影響；
[0053] 4、對初值像處理后的待檢模X'與基準(zhǔn)模￥/，計算運行參數(shù)間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)^ (k)，并根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)一步獲得待檢模X'與基準(zhǔn)模￥/的灰色關(guān)聯(lián)度γ i，進(jìn)而依據(jù)最 大關(guān)聯(lián)度原則，選取與待檢?；疑P(guān)聯(lián)度最大的基準(zhǔn)模Y^，識別燃油系統(tǒng)當(dāng)前性能狀態(tài)為 Υ/所表征的故障類型。
[0054]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明：本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
[0055] 如圖1所示，本發(fā)明包括以下步驟:燃油系統(tǒng)運行參數(shù)檢測、運行參數(shù)劣化趨勢的 灰色預(yù)測、運行參數(shù)的初值像處理、燃油系統(tǒng)故障的灰關(guān)聯(lián)診斷。具體如下：
[0056] 1、所述燃