Ứng dụng logic mờ chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của hệ thống nhiên liệu trên động cơ xe lu Hamm

Bài viết Ứng dụng logic mờ chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của hệ thống nhiên liệu trên động cơ xe lu Hamm trình bày nghiên cứu xây dựng logic mờ trong việc chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của hệ thống nhiên liệu trên động cơ lắp trên xe Lu Hamm.

Phạm Quốc Thái, Huỳnh Đức Trí 96 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ CHẨN ĐỐN TÌNH TRẠNG KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ XE LU HAMM APPLICATION OF FUZZY LOGIC FOR FAULT DIAGNOSIS OF THE ENGINE FUEL SYSTEM OF HAMM ROLLER Phạm Quốc Thái*, Huỳnh Đức Trí Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; *pqthai@dut.udn.vn, hdtri@dut.udn.vn Tóm tắt - Logic mờ nghiên cứu ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: Kỹ thuật, y học, điều khiển học, kinh tế Ứng dụng điều khiển mờ điêu khiển chẩn đoán hệ thống ô tô máy chuyên dụng dần quan tâm nhữngnăm gần Bài báo trình bày nghiên cứu xây dựng logic mờ việc chẩn đoán trạng thái kỹ thuật hệ thống nhiên liệu động lắp xe Lu Hamm Hệ mờ chẩn đoán xây dựng bao gồm bước: Chọn thông số vào-ra, xây dựng đặc trưng thông số, xây dựng tập luật với quy tắc mờ Mamdani chọn giải mờ phương pháp trọng tâm Mô hệ thống thực công cụ Fuzzy Logic Designer phần mềm Matlab Kết mô cho thấy, hệ mờ chẩn đoán thực thuận lợi, nhanh chóng hiệu với kết xác tin cậy Abstract - Fuzzy logic is widely studied and applied in many fields, such as engineering, medicine, cybernetics, and economics The application of fuzzy logic in controlling and diagnosing systems of automobiles and specialized machines has attracted increasing interest in recent years This paper presents research on fuzzy logic in the fault diagnosis of the engine fuel system of Hamm roller The fuzzy diagnostic system is built up including the following steps: Selecting the input and output parameters, setting the parameter characteristics, developing a rule set with Mamdani fuzzy rule, and defuzzification with the centiod method The simulation of the designed fuzzy system is performed with the toolbox of Fuzzy Logic Designer in Matlab software The results show that the diagnostic fuzzy system has performed smoothly and effectively with accurate and reliable results Từ khóa - Logic mờ; hệ thống cung cấp nhiên liệu; động diesel; chẩn đoán kỹ thuật; xe Lu Hamm Key words - Fuzzy logic;fuel system; diesel engine; technical diagnostics; Hamm roller Đặt vấn đề đốn lỗi cơng trình nghiên cứu Song nhóm nhiên cứu [4] Logic mờ (fuzzy logic) hay cịn gọi hệ chun gia mô tả đầy đủ trực quan trạng thái kỹ thuật chi tiết hệ thống Ngoài ra, logic mờ cịn tổ hợp tri thức nhiều chuyên gia hệ thống để mang lại kết chẩn đốn xác Do đó, logic mờ nghiên cứu ứng dụng chẩn đoán kỹ thuật nhiều lĩnh vực khác như: Điều khiển học, y học, khí động lực,… Trong năm qua, có nhiều nghiên cứu liên quan đến logic mờ đề xuất Baban cộng ước lượng trạng thái đĩa phanh công cụ mờ [5] Chẩn đoán lỗi hệ thống phanh hệ thống mờ Murphey trình bày báo [6] Modi đề cập đến điều khiển mờ hệ thống phanh chống bó cứng bánh xe [7] Xe Lu nói riêng máy chuyên dụng nói chung thiết bị có giá trị kinh tế lớn Lại thường xuyên làm việc môi trường khắc nghiệt nên dễ gặp cố kỹ thuật Việc chẩn đoán hư hỏng, bảo dưỡng sửa chữa phương tiện lại địi hỏi nhiều chi phí thời gian Hệ thống cung cấp nhiên liệu thành phần quan trọng động diesel trang bị máy chuyên dùng Trạng thái làm việc hệ thống nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến suất làm việc động Tuy nhiên, trình hoạt động, tính kỹ thuật hệ thống nhiên liệu thay đổi dần theo hướng xấu Do đó, việc chẩn đốn, xác định trạng thái kỹ thuật hệ thống, giúp dự báo xác cố xảy cần thiết Cơng tác chẩn đốn, xác định trạng thái kỹ thuật máy chuyên dụng thực tế phụ thuộc chủ yếu vào kinh nghiệm kiến thức cán kỹ thuật (chuyên gia) trường Trong đó, chuyên gia thường có đánh giá chủ quan dựa vào trực giác, dẫn đến kết phân tích chẩn đốn thường ước lượng thiếu xác Ngồi ra, máy chun dụng đối tượng có nhiều tính chất đặc thù, chưa có thơng số hồn chỉnh để mơ tả tình trạng hư hỏng chi tiết hệ thống cách rõ ràng Bên cạnh đó, q trình sử dụng, trạng thái kỹ thuật máy thay đổi dần khó biết trước Cần phải có giải pháp phương pháp chẩn đốn hiệu máy chuyên dụng [1] Trong năm qua có nhiều nhà khoa học giới đề xuất nhiều giải pháp chẩn đoán trạng thái hệ thống động ô tô Sabeh cộng áp dụng giả thuyết cấu trúc vào chẩn đoán hệ thống cung cấp nhiên liệu [2] Phương pháp phổ rung động Marcin cộng giới thiệu [3] Trong đó, thuật tốn IFOA-VMD HDE sử dụng phương pháp chẩn Nghiên cứu xây dựng mơ hình chẩn đốn cho hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động diesel xe Lu Hamm logic mờ Biến vào hệ chẩn đoán mờ lựa chọn dựa vào tượng biểu động nguyên nhân sai hỏng tương ứng Cơ sở lý thuyết 2.1 Thông số chẩn đốn thơng số kết cấu Thơng số chẩn đốn, ký hiệu C, thông số phản ánh trạng thái đối tượng Các biến nhận biết, xác định thiết bị đo người Thông số kết cấu, ký hiệu H, thông số đánh giá tình trạng kỹ thuật đối tượng Trong q trình làm việc, giá trị thơng số kết cấu thay đổi từ giá trị ban đầu H đến giá trị giới hạn H gh , hàm số tương quan với thời gian làm việc Đồ thị mơ tả tính tương quan thơng số kết cấu theo thời gian làm việc biểu diễn Hình ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 5.1, 2020 97 Ta tính giá trị thật quy tắc (1) là: H T (( P1  P2 ) → Q ) = I (T (  A ( x1 ),  A ( x2 )),  B ( y )) H gh (2) Trong đó, T toán tử thực phép giao I toán tử thực phép kéo theo Phép giao dùng toán tử T biểu diễn liên từ (AND), phép kéo theo dùng toán tử I biểu diễn suy luận, liên từ nếu-thì H cp H T2 T1 Vùng hư hỏng Vùng tốt Như vậy, quy tắc mờ biểu diễn quan hệ mờ Hàm liên thuộc quan hệ mờ R biểu diễn quy tắc (1) cho bởi: T (giờ) Vùng hỏng R ( x1 , x2 , y) = I (T (A ( x1 ), A ( x2 )), B ( y)) Hình Biểu diễn mối quan hệ thơng số kết cấu thời gian làm việc đối tượng (3) Do đó, quan hệ mờ R biểu diễn quy tắc viết dạng sau: 2.2 Tập hợp mờ Hệ chuyên gia mờ dùng thông số chẩn đoán biến “Vào”, biến “Ra” thơng số kết cấu Từ đó, xác định mối quan hệ biến “Vào” biến “Ra” Tập mờ A xác định tập sở X tập hợp mà phần tử cặp giá trị (x, μ A ( x)) , x  X μ A ( x) ánh xạ μ A : X → [0,1] R = I (T (A1 , A2 ), B) Giải mờ xác định giá trị rõ đầu theo hàm liên thuộc hợp thành tìm từ luật hợp thành điều kiện đầu vào Trong nghiên cứu này, phương pháp trọng tâm để giải mờ, mô tả sau: y = Ánh xạ μ A ( x) hàm liên thuộc tập mờ A (4) 2.4 Giải mờ   C ( y ) ydy S  (5) C ( y )dy S Dạng hàm liên thuộc phổ biến dạng hình thang - Trapmf (Hình 2a), dạng hình tam giác – Trimf (Hình 2b),  ( x)  ( x) Về mặt hình học, phương pháp trọng tâm gán giá trị rõ cho biến ngõ giá trị mà hàm liên thuộc chia làm hai phần có diện tích Phương pháp mơ tả trực quan Hình      x (a)    x (b) Hình Các dạng hàm liên thuộc phổ biến 2.3 Quy tắc mờ Quy tắc mờ phát biểu nếu-thì Trong đó, mệnh đề điều kiện mệnh đề kết luận mệnh đề mờ Xét quy tắc sau đây: Nếu x1 A1 x2 A2 y B (1) Trong đó, tập mờ A1 , A2 B tương ứng xác định hàm liên thuộc A1 ( x1 ) , A2 ( x2 ) B ( y) Đặt: P1 : x1 A1 P2 : x2 A2 Q : y B y* y S Hình Phương pháp trọng tâm Xây dựng hệ mờ chẩn đoán hư hỏng hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động diesel xe lu Hamm Quy trình xây dựng hệ mờ chẩn đốn hư hỏng hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel xe lu Hamm mô tả sơ đồ Hình Bước 1: Xác định thơng số Vào-Ra Bước 2: Xây dựng đặc trưng cho biến Vào-Ra Ta viết lại quy tắc (1) sau: ( P1  P2 ) → Q Bước 3: Xây dựng luật điều khiển Lại có T ( P  Q) = A B ( x) Bước 4: Chọn quy tắc mờ T ( P → Q) = I ( A ( x), B ( y)) với I :[0,1]  [0,1] → [0,1] Bước 5: Giải mờ Hình Quy trình xây dựng hệ mờ chẩn đốn Phạm Quốc Thái, Huỳnh Đức Trí 98 3.1 Xác định thơng số Vào-Ra Đối tượng chẩn đoán hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel xe lu Hamm Việc chọn thơng số chẩn đốn – biến Vào, thơng số kết cấu – biến Ra, dựa tình trạng làm việc, thay đổi hệ thống cung cấp nhiên liệu gây động ý kiến chuyên gia Nghiên cứu lấy sở lựa chọn theo phương pháp giới thiệu [8] - [9] Hệ thống nhiên liệu động xe Lu Hamm cụm chi tiết phức tạp Do đó, tốn phân tích chẩn đốn tất cụm chi tiết tồn hệ thống trở nên cồng kềnh phức tạp Trong đó, có chi tiết ảnh hưởng đáng kể đến tình trạng kỹ thuật động Bài báo tập trung phân tích thay đổi tình trạng kỹ thuật phận như: Bơm cao áp, bơm thấp áp, bầu lọc, vòi phun Theo đó, thơng số Vào gồm biến: Giảm cơng suất động cơ, màu sắc khí thải, rung động động Thông số Ra hư hỏng thường gặp đối tượng gồm biến: hỏng bơm cao áp, hỏng bơm thấp áp, hỏng bầu lọc, hỏng vòi phun Các biến mờ chọn để chẩn đốn tình trạng hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel mô tả Bảng sau Bảng Thông số Vào-Ra Đặc trưng Tập mờ biến “Ra” Ngôn ngữ Tốt Khá Trung bình Yếu Miền xác định (%) 0-40 20-60 40-80 60-100 3.3 Xây dựng luật điều khiển Luật điều khiển hệ mờ xây dựng sở khảo sát hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel xe Lu Hamm Kỹ thuật bảo dưỡng sửa chữa hệ thống nhiên liệu diesel [10] ý kiến chuyên gia [11] Tập luật xây dựng gồm 20 luật trình bày Bảng Bảng Tập luật chẩn đoán mờ hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel động xe Lu Hamm STT c1 c2 c3 h1 h2 h3 h4 T T T T T T T Y Y Y Y Y Y Y K T K T K K T K K K K K T K TB TB K K TB K K TB Y TB K TB T Y TB K TB TB Y Y K Y Y Y Y Y TB Y Y Y TB Y K STT Tên biến ngôn ngữ (ký hiệu) Tên viết tắt Kiểu biến Đơn vị Y K Giảm công suất động (c1) CSDC Vào % 10 Y TB Y TB Y TB Y Màu sắc khí thải (c2) MSKT Vào % 11 Y TB TB TB TB K TB Rung động động (c3) RDDC Vào % 12 TB K Y TB Y TB K Hỏng bơm cao áp (h1) BCA Ra % 13 TB K K TB TB TB K Hỏng bơm thấp áp (h2) BTA Ra % 14 Y TB K K TB K Y Hỏng bầu lọc (h3) BLNL Ra % 15 TB TB K K TB T Y Hỏng vòi phun (h4) VPCA Ra % 16 TB Y Y TB Y TB Y 17 TB TB Y TB TB TB Y 18 TB Y K TB K T Y 19 TB Y TB K Y TB Y 20 Y K TB TB K TB K 3.2 Xây dựng đặc trưng cho thông số Vào-Ra Các biến định nghĩa rõ ràng thông qua khái niệm với giá trị cụ thể Các thông số hàm liên thuộc chọn theo dạng hình thang hình tam giác với điểm đặc trưng α, β, γ, δ Mỗi biến vào chọn với tập mờ con, biến chọn với tập mờ Bảng Tập mờ biến “Vào” Đặc trưng Ký hiệu (i =  3) Tập mờ biến “Vào” ci ci Thông số (%) 0-0-20-40 20-40-60 ci Kết mô ci 40-60-80 60-80-100-100 Ngơn ngữ Tốt Khá Trung bình Yếu Miền xác định (%) 0-40 20-60 40-80 60-100 Bảng Tập mờ biến “Ra” Đặc trưng Ký hiệu (i =  4) Tập mờ biến “Ra” hi hi Thông số (%) 0-0-20-40 20-40-60 hi Chọn quy tắc mờ Mamdani để biểu diễn hệ tri thức toán phương pháp trọng tâm để giải mờ nghiên cứu hi 40-60-80 60-80-100-100 Mơ hình chẩn đốn hư hỏng cho hệ thống cung cấp nhiên liệu xe Lu Hamm xây dựng phần mềm Matlab Giao diện mô hình thể trực quan cấu trúc mơ hình gồm biến vào, quy tắc mờ Mamdani biến ngõ ra, mơ tả Hình Đặc trưng biến Vào-Ra thể Hình Hình Mỗi biến Vào-Ra gồm tập mờ với hàm liên thuộc tương ứng Hình giao diện xây dựng tập luật hệ mờ gồm 20 luật điều khiển khối quy tắc mờ Mamdani ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 5.1, 2020 99 Hình 10 thể kết mơ hệ mờ chẩn đốn hệ thống nhiên liệu động diesel dạng ba chiều Kết mơ Hình cho thấy xu hướng hư hỏng vòi phun tăng độ rung động động độ giảm công suất động tăng Xu hướng tương tự phản ánh Hình 10 Độ rung động độ giảm cơng suất động tăng dấu hiệu nhận biết mức độ hư hỏng lọc nhiên liệu Hình Giao diện mơ hình chẩn đốn Hình Quan hệ độ giảm công suất động rung động động với hư hỏng vòi phun cao áp Hình Đặc trưng thơng số Vào Hình 10 Quan hệ độ giảm công suất động rung động động với hư hỏng lọc nhiên liệu Hình Đặc trưng thơng số Ra Hình Tập luật điều khiển khối quy tắc Mamdani Kết luận hướng phát triển Trong nghiên cứu này, hệ mờ chẩn đoán trạng thái kỹ thuật hệ thống cung cấp nhiên liệu động diesel xe lu Hamm xây dựng mô công cụ Fuzzy Logic Designer Kết mô cho thấy, hệ mờ xây dựng thực việc chẩn đốn hiệu với kết xác tin cậy cao Điều cho thấy tính khả thi phương pháp ứng dụng logic mờ chẩn đoán kỹ thuật cho đối tượng khác phương tiện giao thông máy chuyên dụng Hệ mờ xây dựng có ưu điểm có tính mở Do đó, tiếp tục cập nhật tri thức, kinh nghiệm chuyên gia vào hệ thống để tăng độ xác, đáp ứng tốt cơng tác chẩn đốn hệ thống nhiên liệu động trường Lời cám ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đề tài có mã số T2020-02-04 Phạm Quốc Thái, Huỳnh Đức Trí 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yi Lu, Tie Qi Chen and B Hamilton, "A fuzzy system for automotive fault diagnosis: fast rule generation and self-tuning”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2000, vol 49, no 2, pp 651-660 [2] Zahi Sabeh, José Ragot, Frédéric Kratz, "Structured hypothesis testbased diagnosis: application to a common rail diesel injection system”, International Mediterranean Modeling Multiconference, 2004 [3] M Kluczyk and A Grządziela, "Vibration diagnostics of common rail injectors”, Journal of Marine Engineering & Technology, 2017, vol 16, no 4, pp 177-184 [4] E Song, Y Ke, C Yao, Q Dong and L Yang, "Fault Diagnosis Method for High-Pressure Common Rail Injector Based on IFOAVMD and Hierarchical Dispersion Entropy”, Entropy, 2019, vol 21, no 10, p 923 [5] M Baban, C Baban, C Bungau, G Dragomir and R Pancu, "Estimation of the Technical State of Automotive Disc Brakes Using Fuzzy Logic”, International Journal of Computers Communications & Control, 2014, vol 9, no 5, pp 531 [6] Y L Murphey, Abul Masrur, ZhiHang Chen and BaiFang Zhang, "A fuzzy system for fault diagnostics in power electronics based brake-by-wire system”, NAFIPS 2005 - 2005 Annual Meeting of the North American Fuzzy Information Processing Society, Detroit, MI, USA, 2005, pp 326-331 [7] D Modi, Z Padia and K Patel, "Fuzzy Logic Anti Lock Brake System”, International Journal of Scientific and Engineering Research, 2012, pp 1-8 [8] Nguyễn Tiến Hán, Ngô Xuân Tuấn, Ngô Quang Tạo and Nguyễn Thế Anh, “Nghiên cứu chẩn đốn tình trạng kỹ thuật hệ thống nhiên liệu động D4DB lý thuyết tập mờ”, VCME 2018 [9] Nguyễn Khắc Trai Kỹ thuật chẩn đốn tơ Trường Đại học Giao thông Vận tải: Giao thông vận tải, 2007 [10] Lê Hồi Đức Chẩn đốn bảo dưỡng kỹ thuật động đốt trường Đại học Giao thông vận tải: Giao thông vận tải, 2008 [11] Nguyễn Xuân Tuấn “Ứng dụng lý thuyết tập mờ chẩn đoán trạng thái kỹ thuật hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel.” Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, 2009 (BBT nhận bài: 02/4/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 04/5/2020) ... tâm Xây dựng hệ mờ chẩn đoán hư hỏng hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động diesel xe lu Hamm Quy trình xây dựng hệ mờ chẩn đốn hư hỏng hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel xe lu Hamm mơ tả sơ... cứu này, hệ mờ chẩn đoán trạng thái kỹ thuật hệ thống cung cấp nhiên liệu động diesel xe lu Hamm xây dựng mô công cụ Fuzzy Logic Designer Kết mô cho thấy, hệ mờ xây dựng thực việc chẩn đoán hiệu... 40-80 60-100 3.3 Xây dựng lu? ??t điều khiển Lu? ??t điều khiển hệ mờ xây dựng sở khảo sát hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel xe Lu Hamm Kỹ thuật bảo dưỡng sửa chữa hệ thống nhiên liệu diesel [10] ý kiến