一種用于自行式液壓載重車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于自行式液壓載重車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，該故障診斷系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)采集的超限傳感信息和單輪誤差傳感信息對(duì)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以決定是否啟動(dòng)基于ARX模型和FCM聚類的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回路局部診斷。液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回路局部診斷的結(jié)果通過車載顯示器告知駕駛員。采用本發(fā)明故障診斷系統(tǒng)有利于提高自行式液壓載重車的可靠性和安全性，確保現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全。
【專利說明】一種用于自行式液壓載重車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷，更特別地說，是指一種適用于自行式液壓載重車中液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基于有源自回歸模型（ARX模型）和模糊C均值聚類（FCM聚類）的故障診斷系統(tǒng)，該故障診斷系統(tǒng)存儲(chǔ)在液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的每一個(gè)控制器中。
【背景技術(shù)】
[0002]大型自行式液壓載重車，或稱液壓動(dòng)力平板運(yùn)輸車是一類特殊的輪胎式大型工程機(jī)械，通常是指額定載重在50噸以上，具有多輪液壓驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、自調(diào)平和提升作業(yè)裝置，并且各車輪均可獨(dú)立轉(zhuǎn)向的專用運(yùn)輸車輛。
[0003]2010年10月，化學(xué)工業(yè)出版社，趙靜一編著的《大型自行式液壓載重車》。在此書的第二章、第57頁(yè)介紹了轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的框圖如圖I所示，圖中，為了方便說明三個(gè)控制器各自實(shí)現(xiàn)的功能，將接收操作裝置信息的控制器稱為主控制器，將向多個(gè)比例閥發(fā)送控制信息的控制器稱為現(xiàn)場(chǎng)控制器，將接收多個(gè)角位移傳感器數(shù)據(jù)的控制器稱為數(shù)據(jù)采集控制器；主控制器根據(jù)操作裝置接收的駕駛員輸入的轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)綜合與協(xié)調(diào)控制，實(shí)時(shí)計(jì)算各車輪轉(zhuǎn)角，所以車輪轉(zhuǎn)角作為參考輸入通過CAN總線發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)控制器；現(xiàn)場(chǎng)控制器根據(jù)各車輪轉(zhuǎn)角參考輸入來控制比例閥開口的大小，以驅(qū)動(dòng)液壓缸推動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，從而克服轉(zhuǎn)向阻力矩和實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；角位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量各車輪的轉(zhuǎn)角，并通過數(shù)據(jù)采集控制器和CAN總線發(fā)出信息。液壓轉(zhuǎn)向采用電液比例控制系統(tǒng)，通過角位移傳感器閉環(huán)控制各懸掛的轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸掛轉(zhuǎn)向的精確控制和輪胎轉(zhuǎn)向時(shí)的近似純滾動(dòng)。
[0004]實(shí)際工程中，自行式液壓載重車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)多采用以物理分布進(jìn)行控制任務(wù)的劃分，如圖2所示，即主控制器完成載重車行走、轉(zhuǎn)向和調(diào)平等功能的運(yùn)動(dòng)綜合和協(xié)調(diào)控制，實(shí)時(shí)解算各車輪的理想轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)過角度和懸掛起升高度；現(xiàn)場(chǎng)控制器根據(jù)主控制器實(shí)時(shí)解算的期望信號(hào)分別完成控制范圍內(nèi)車輪的行走、轉(zhuǎn)向和起升等功能的閉環(huán)控制。其中，AA表示第一現(xiàn)場(chǎng)控制器、BB表示第二現(xiàn)場(chǎng)控制器、CC表示第三現(xiàn)場(chǎng)控制器、DD表示第四現(xiàn)場(chǎng)控制器；矩形框表示車輪，每2個(gè)車輪形成一個(gè)輪系，雙圓圈表示轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸，黑粗線表示現(xiàn)場(chǎng)總線（如CAN總線、Modbus總線、1553B總線)。各輪系回路眾多，故障點(diǎn)或故障環(huán)節(jié)多；而大型自行式液壓載重車又長(zhǎng)期處于露天、粉塵等惡劣工作環(huán)境下，因此極易引發(fā)設(shè)備故障，輕則影響工程進(jìn)度，嚴(yán)重的甚至危及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種用于自行式液壓載重車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過有源自回歸模型（ARX模型）提取出轉(zhuǎn)向回路故障特征，通過模糊C均值聚類(FCM聚類）進(jìn)行故障模式識(shí)別，從而診斷出轉(zhuǎn)向回路中的故障。
[0006]本發(fā)明的一種用于自行式液壓載重車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，該故障診斷系統(tǒng)存儲(chǔ)在液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的每一個(gè)控制器中，其特征在于：該故障診斷系統(tǒng)包括有傳感器閾值監(jiān)測(cè)模塊（I)、閾值超限處理模塊（2)、單輪跟蹤誤差監(jiān)測(cè)模塊（3)、誤差超限處理模塊(4)和局部診斷處理模塊（5)；
[0007]傳感器閾值監(jiān)測(cè)模塊（I)第一方面用于接收各個(gè)輪系實(shí)測(cè)傳感信息sH ;第二方面按照接收時(shí)間的先后將各個(gè)所述的
s.櫨7；saJ存儲(chǔ)到液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的每一個(gè)控制器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中；第三方面
采用滑動(dòng)均值濾波方法對(duì)所述的進(jìn)行濾波處理，得到傳感監(jiān)測(cè)值
7^h第四方面將傳感監(jiān)測(cè)值=輸出給閾值
超限處理模塊（2);各個(gè)輪系的實(shí)測(cè)傳感信息Sg3j包括有角位移傳感器采集的單輪的轉(zhuǎn)向信息Y 、壓力傳感器輸出的負(fù)載敏感泵出口壓力P 、溫度傳感器輸出的液壓油的溫度T
油溫；
[0008]閾值超限處理模塊（2)第一方面用于接收各個(gè)輪系傳感監(jiān)測(cè)值

rT it 丨 > Wm^SS^^Ym,sAu^ ；第二方面采用超限條件=.；；『1對(duì)傳感監(jiān)
測(cè)值進(jìn)行超限判斷，得到閾值監(jiān)測(cè)的結(jié)果RSa ;第三方面將RSa
=I閾值監(jiān)測(cè)結(jié)果輸出給局部診斷處理模塊（5);第四方面將RSa = O閾值監(jiān)測(cè)結(jié)果輸出給單輪跟蹤誤差監(jiān)測(cè)模塊（3)；
[0009]單輪跟蹤誤差監(jiān)測(cè)模塊（3)第一方面依據(jù)接收到的閾值監(jiān)測(cè)結(jié)果RSa = O對(duì)出現(xiàn)傳感器閾值超限的輪系CL的轉(zhuǎn)向信息 ￥_進(jìn)行比較，得到轉(zhuǎn)向超限跟蹤誤差Ea = R-Y, R表不輪子的轉(zhuǎn)向輸入量，Y表不輪子的響應(yīng)輸出量；第二方面依據(jù)輪子的前一時(shí)刻t-i的轉(zhuǎn)
向超限跟蹤誤差Efi計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻t下的轉(zhuǎn)向超限變化量￡^ = Ea- — El);第三方面將Efh -￡冗輸出給誤差超限處理模塊（4)；
[0010]誤差超限處理模塊（4)第一方面用于接收當(dāng)前時(shí)刻t下的轉(zhuǎn)向超限變化量EfL 二 Ecl - Ef:1;;第二方面依據(jù)轉(zhuǎn)向回路超限條件
'I ( EclI > Emm AND Ecl X Ef1 > O) OR (\eci > Emh AND Iff U O)
Reci,對(duì)單輪
* [0 (\ECL\<Eum) OR (|￡α|>￡麵 AND ECLxEfL <-δ)
跟蹤誤差進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到當(dāng)前時(shí)刻下的單輪監(jiān)測(cè)結(jié)果輸出；其中，δ >0，δ為檢測(cè)靈
敏度閾值；第三方面將α =0單輪未超限結(jié)果輸出給控制器；第四方面將=1單輪超限結(jié)果輸出給局部診斷處理模塊（5)；
[0011]局部診斷處理模塊（5)第一方面用于接收RSa = I的閾值監(jiān)測(cè)結(jié)果；第二方面用于接收=I的單輪超限結(jié)果；第三方面依據(jù)ARX模型分別對(duì)RSa = I的閾值監(jiān)測(cè)結(jié)果和= I的單輪超限結(jié)果進(jìn)行處理，得到故障表征；第四方面依據(jù)FCM聚類對(duì)故障表征進(jìn)行處理，得到故障模式。
[0012]本發(fā)明基于ARX模型和FCM聚類的故障診斷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0013]①根據(jù)液壓載重車物理分布和控制任務(wù)的分布式特點(diǎn)，在各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器上對(duì)控制范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回路進(jìn)行故障診斷，從而減少診斷過程中不必要的通信開銷。
[0014]②基于ARX模型和FCM聚類的故障診斷,使用有源自回歸模型（auto-regressivewith extra inputs model,簡(jiǎn)稱ARX模型)進(jìn)行故障特征的提取,ARX模型方法是一種時(shí)間序列的分析方法，通過對(duì)相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)的線性擬合可將系統(tǒng)狀態(tài)凝聚到其模型參數(shù)中，當(dāng)擬合精度較高、ARX模型準(zhǔn)確時(shí)，能深刻、集中地表達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。
[0015]③針對(duì)具體診斷樣本提取得到的ARX模型參數(shù)，使用模糊C-均值聚類（fuzzyC-means，簡(jiǎn)稱FCM聚類)的方法根據(jù)同類故障模式具有相似特征，而不同類故障模式具有不相似特征的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)由不同故障模式組成的集合按其特征的劃分。FCM聚類適用于模糊數(shù)據(jù)分類，可以對(duì)系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行有效的識(shí)別。
[0016]④基于ARX模型和FCM聚類的故障診斷，診斷過程不需要復(fù)雜的信號(hào)處理過程，不需要運(yùn)行準(zhǔn)確的系統(tǒng)模型，也不需要建立復(fù)雜的診斷推理過程，診斷過程中消耗計(jì)算機(jī)資源小且適用于計(jì)算機(jī)輔助診斷，診斷方式簡(jiǎn)單高效，易于實(shí)現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖I是傳統(tǒng)自行式液壓載重車的轉(zhuǎn)向液壓控制系統(tǒng)框圖。
[0018]圖2是傳統(tǒng)自行式液壓載重車的輪系布局示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明的基于ARX模型和FCM聚類的故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0020]圖3A是本發(fā)明的局部診斷處理的流程圖。
[0021]圖4是本發(fā)明的基于ARX模型和FCM聚類的故障特征庫(kù)的構(gòu)建流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0023]本發(fā)明的一種用于自行式液壓載重車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，該故障診斷系統(tǒng)是基于ARX模型和FCM聚類的，采用C++語(yǔ)言編程得到，該故障診斷系統(tǒng)存儲(chǔ)在液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的每一個(gè)控制器(如圖2所示）中。所述的ARX模型為有源自回歸模型，auto-regressive with extra inputs model,簡(jiǎn)稱 ARX模型。所述的 FCM聚類為模糊 C-均值聚類，fuzzy C-means，簡(jiǎn)稱FCM聚類。在本發(fā)明中，引用ARX和FCM模型定義請(qǐng)參考賀湘宇、何清華發(fā)表的“基于有源自回歸模型與模糊C-均值聚類的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷”，吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008，38 (I) : 13-187。對(duì)于本發(fā)明對(duì)ARX模型的構(gòu)建和FCM聚類分析所需的信息量是不同的，故處理的技術(shù)方案就不同了。
[0024]參見圖3、圖3A所示，本發(fā)明的故障診斷系統(tǒng)包括有傳感器閾值監(jiān)測(cè)模塊I、閾值超限處理模塊2、單輪跟蹤誤差監(jiān)測(cè)模塊3、誤差超限處理模塊4和局部診斷處理模塊5。
[0025]傳感器閾值監(jiān)測(cè)模塊I
[0026]在本發(fā)明中，各個(gè)輪系的實(shí)測(cè)傳感信息括有角位移傳感器采集的單輪的轉(zhuǎn)向信息Yi^、壓力傳感器輸出的負(fù)載敏感泵出口壓力Pkj、溫度傳感器輸出的液壓油的溫度tm。對(duì)于實(shí)測(cè)傳感信息米用集合表達(dá)形式為
【權(quán)利要求】
1.一種用于自行式液壓載重車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，該故障診斷系統(tǒng)存儲(chǔ)在液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的每一個(gè)控制器中，其特征在于：該故障診斷系統(tǒng)包括有傳感器閾值監(jiān)測(cè)模塊（I)、閾值超限處理模塊（2)、單輪跟蹤誤差監(jiān)測(cè)模塊（3)、誤差超限處理模塊（4)和局部診斷處理模塊（5)； 傳感器閾值監(jiān)測(cè)模塊（I)第一方面用于接收各個(gè)輪系實(shí)測(cè)傳感信息
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自行式液壓載重車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，其特征在于：傳感器閾值設(shè)置Wwtt包括有角位移傳感器的轉(zhuǎn)向閾值信息Yin、壓力傳感器輸出的負(fù)載敏感泵出口閾值壓力Pin、溫度傳感器輸出的液壓油的閾值溫度Tin，采用集合表達(dá)形式為W釀={Yin, Pin, TinI ;對(duì)于傳感監(jiān)測(cè)值
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自行式液壓載重車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，其特征在于：ARX模型的構(gòu)建是在一個(gè)采樣周期里轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ARX模型輸入變量為IN(t)={U，PA, Pb, Qa, Qb, v, F}，輸出變量為OUT (t) = DaPa-DbPb, Da表示液壓缸無桿腔的有效作用面積，Da表不液壓缸有桿腔的有效作用面積，U表不比例閥閥芯控制電壓、Pa表不液壓缸無桿腔壓力、Pb表示液壓缸有桿腔壓力、Qa表示液壓缸無桿腔流量、Qb表示液壓缸有桿腔流量、V表示液壓缸活塞移動(dòng)速度、F表示液壓缸上的負(fù)載力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自行式液壓載重車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，其特征在于：FCM聚類分析有下列步驟： 步驟A :記轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障模式總數(shù)為N，且a = 1，2，…，i,…，N，則將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所有故障模式對(duì)應(yīng)的ARX模型輸入變量IN(t) = {U, PA, Pb, Qa, Qb, v, F}合并得到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自回歸系數(shù)集合 X = [X1 X2--Xi-*-Xn]T 中； 其中，X1表不第一種故障模式對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自回歸系數(shù)，X2表不第二種故障模式對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自回歸系數(shù)，Xi表示第i種故障模式對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自回歸系數(shù)，也稱為任意一次的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自回歸系數(shù)，Xn表示第N種故障模式對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自回歸系數(shù)，也是最后一種故障模式對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自回歸系數(shù)，T為矩陣倒置的表示。 步驟B :將N個(gè)故障模式組成的集合分成C個(gè)故障特征類得到的分區(qū)矩陣記為G= (gab)。>^;且匕=1，2，…，C，并對(duì)自回歸系數(shù)集合X= [X1 X^xr"xN]T進(jìn)行分區(qū)矩陣G的初始化； 其中，分區(qū)矩陣G = (gab) CXN中a表示矩陣元素中的行號(hào)，也是第a種故障模式，b表示矩陣元素中的列號(hào)，也是特征類C中的第b種故障特征，gab表示第a種故障模式屬于第b種故障特征的隸屬度。記第k步迭代所得分區(qū)矩陣記為Gm =、gkuh)CxN ? k = 0時(shí)的分區(qū)矩陣
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自行式液壓載重車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，其特征在于：控制器在進(jìn)行局部診斷處理之前，首先要依據(jù)表1的相關(guān)內(nèi)容采集IN(t)={U, PA, Pb, Qa, Qb, v, F}和OUT (t) = DaPa-DbPb信息來構(gòu)建ARX模型，然后采用FCM聚類方法進(jìn)行分析，最后得到分區(qū)矩陣G= (gab)CXNO
【文檔編號(hào)】G06F19/24GK103481943SQ201310461135
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】楊麗曼, 張明, 李運(yùn)華, 李會(huì)東, 張獻(xiàn), 黃云濤, 宋云浩 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)