Nghiên cứu chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của hệ thống nhiên liệu động cơ D4DB bằng lý thuyết tập mờ research on status diagnostics of D4DB engine fuel system using the fuzzy theory

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu chẩn đốn tình trạng kỹ thuật hệ thống nhiên liệu động D4DB lý thuyết tập mờ Research on status diagnostics of D4DB engine fuel system using the fuzzy theory Nguyễn Tiến Hán*, Nguyễn Xuân Tuấn, Ngô Quang Tạo, Nguyễn Thế Anh Khoa Cơng nghệ Ơtơ, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội *Email: hannt@haui.edu.vn Tel: 0912067289 Tóm tắt Từ khóa: Chẩn đốn kỹ thuật; Động diesel; Hệ thống nhiên liệu; Lý thuyết tập mờ; Matlab Trong q trình hoạt động, tính kỹ thuật hệ thống nhiên liệu động Diesel thay đổi dần theo hướng xấu Động D4DB sử dụng nhiên liệu Diesel sử dụng số ô tô khai thác nước ta, việc chẩn đốn tốt đánh giá tình trạng kỹ thuật hệ thống chi tiết, có khả dự báo xác hư hỏng cố xảy ra, từ định chế độ bảo dưỡng sửa chữa thích hợp, đảm bảo tuổi thọ, độ tin cậy cho động Bài báo đề cập đến việc nghiên cứu chẩn đoán hệ thống nhiên liệu (HTNL) động D4DB dùng hệ mờ sử dụng tập liệu “Vào Ra”, nhằm xác định tình trạng kỹ thuật chi tiết hệ thống mà tháo rời, tiết kiệm sức lao động, tính kinh tế đảm bảo độ tin cậy Bài báo sử dụng công cụ fuzzy phần mềm matlab để mô kết nghiên cứu Abstract Keywords: Technical Diagnostics; Diesel Engine; Diesel Engine Fuel System; Fuzzy Theory; Matlab In the process of exploiting, the technical features of the diesel fuel system will gradually change in the direction of deterioration D4DB diesel engine is used on some cars are exploited, the good diagnosis can properly evaluate the technical status of the system and details, which can accurately predict possible failures or problems, thereby identifying constraints Proper maintenance and repairs ensure longevity and reliability of the system The study deals with the application of fuzzy theory to the diagnosis of diesel fuel systems, in order to determine the technical state of the components in the system without sacrificing labor efficiency economical and reliable The article uses fuzzy tools in matlab to simulate research results Ngày nhận bài: 17/7/2018 Ngày nhận sửa: 12/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong trình khai thác, sử dụng tình trạng kỹ thuật hệ thống nhiên liệu động Diesel thay đổi dần theo hướng xấu đi, diễn liên tục tác động số nguyên nhân sau: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 - Ảnh hưởng điều kiện làm việc: nhiệt độ, áp suất cao làm tăng độ mài mòn bơm cao áp, vịi phun… - Ảnh hưởng mơi trường trình độ sử dụng: độ ẩm, bụi bặm…, hiểu biết, thói quen người sử dụng - Ảnh hưởng công nghệ, chế tạo: vật liệu chế tạo, độ xác… Trong thực tế chẩn đốn, người (chuyên gia) thường có đánh giá chủ quan, trực giác, kết phân tích chẩn đốn thường ước lượng, tùy ý (ví dụ: bơm dầu bị hỏng, động cịn tốt…), chẩn đốn ranh giới hỏng hóc thường mắc phải sai lầm chẩn đốn hư hỏng thuộc biên (khó chẩn đoán rõ ràng) Lý thuyết tập mờ cung cấp cơng cụ chẩn đốn thích hợp gần thực tế Việc ứng dụng lý thuyết tập mờ chẩn đoán gọi “hệ chuyên gia” nhu cầu thực tế cấp thiết lý sau: - Có thể làm việc lúc nào, khơng hạn chế thời gian làm việc - Có thể dễ dàng chép, lưu trữ khó bị - Tổ hợp tri thức nhiều chuyên gia Năm 1965, giáo sư Lofti A.Zadeh đưa ý tưởng xây dựng sở tính tốn cho suy luận mờ lý thuyết mờ ông đề trình bày nhiều tài liệu ứng dụng để xây dựng lên mơ hình trợ giúp chẩn đốn kỹ thuật nói Việc sử dụng lý thuyết có ưu điểm sau: Cho phép sử lý thơng tin định tính, dạng ngơn ngữ; Sử dụng logic suy diễn gắn liền với tri thức người [1] Những ứng dụng điều khiển mờ nhóm tác giả Mandani Assilian năm 1974 Tiếp logic mờ ứng dụng cho điều khiển lò nung xi măng Larsen (1980); quản lý bãi đỗ xe Sugeno (1984)… số ứng dụng thành cơng logic mờ cịn phải kể đến FLC (Fuzzy Logic Control) dùng quản lý sân bay Clymer (1992); hệ điều khiển “The camera tracking control system” NASA (1992)[2] Hệ thống nhiên liệu động diesel D4DB cụm chi tiết phức tạp, lúc phân tích đầy đủ tất chi tiết hệ thống toán chẩn đoán trở nên cồng kềnh, phức tạp, có chi tiết ảnh hưởng khơng đáng kể đến thay đổi tình trạng kỹ thuật động phận thường thay thế, bảo dưỡng định kỳ, ví dụ lọc nhiên liệu, thùng chứa… Do báo nghiên cứu đến thay đổi tình trạng kỹ thuật số phận bơm cao áp, vòi phun van CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NGHIÊN CỨU 2.1 Thông số kết cấu thông số chẩn đốn Thơng số chẩn đốn (ký hiệu C) thông số biểu kết cấu, biểu thị q trình lý hóa, thơng số người hay thiết bị đo nhận biết, đo đạc Thông số kết cấu (ký hiệu H) biến Ra dùng để đánh giá tình trạng kỹ thuật đối tượng chẩn đoán; biểu thị đại lượng vật lý, thông qua giá trị xác định chúng về: kích thước (độ dài, diện tích, thể tích); (lực, áp suất, tần số, biên độ); nhiệt (độ, calo); điện (điện trở, cường độ, điện áp)… Trong trình sử dụng giá trị thông số kết cấu thay đổi từ giá trị ban đầu H0 đến giá trị giới hạn Hgh (từ đến hỏng) hàm số tương quan với thời gian làm việc (hình 1) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Biễu diễn quan hệ thông số kết cấu thời gian làm việc H0 : giá trị thông số kết cấu ban đầu nhà sản xuất quy định; Hcp : giá trị cho phép ranh giới xuất hư hỏng; Hgh : giá trị tới hạn giới hạn khả làm việc (hư hỏng) 0T1 : Thời gian làm việc không hỏng; T1T2 : Thời gian làm việc có hư hỏng; 2.2 Hệ mờ sử dụng tập liệu “Vào - Ra” Các biến “Vào” thông số chẩn đốn - thơng số biểu kết cấu; nhiên khơng phải tồn thơng số biểu kết cấu coi thông số chẩn đốn [3] Các biến “Ra” thơng số kết cấu Giả sử đối tượng cần nghiên cứu có sẵn tập liệu gồm n cặp: (xi0 , yi0) với i = 1,2,…, n, biến “Vào” biến “Ra” Nghiên cứu đối tượng logic mờ dựa tập liệu “Vào - Ra” chình việc xây dựng hệ mờ xác định mối quan hệ biến “Vào” biến “Ra”: y = f(x) Mỗi biến “Vào” “Ra” định lượng tập mờ (giá trị ngôn ngữ): “Tốt”, “Khá”, “Trung bình”, “Yếu”; ký hiệu là: T, K, TB, Y Dạng hàm thuộc tập mờ (hình 2) lựa chọn dạng hình thang - Trapmf (hình 2a), dạng hình tam giác - Trimf (hình 2b), [4]: Hình Các dạng hàm thuộc Các thơng số nêu có giá trị vật lý bao gồm: trị số khai thác X, trị số xác định trạng thái kỹ thuật X0 , trị số xác định giới hạn thay bảo dưỡng sửa chữa Xgh Một chi tiết cụm chi tiết phép khai thác khi: X0  X  Xgh [4] Khoảng chênh lệch x =  Xgh – X0  xem khoảng giá trị cho phép quy đổi thành khoảng giá trị:  100%; Trị số 100% giới hạn phải bảo dưỡng, sửa chữa thay chi tiết, trị số 0% trạng thái kỹ thuật lúc HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.3 Luật điều khiển quy tắc hợp thành Khối luật điều khiển mờ bao gồm tập luật “Nếu…Thì…” Đây phần cốt lõi hệ mờ, luật điều khiển có biến phần điều kiện “Nếu…” biến phần kết luận “Thì…” hệ mờ tương ứng hệ đơn biến (SISO: single Input - Single Output) Nếu luật điều khiển có nhiều biến phần điều kiện nhiều biến phần kết luận, hệ mờ tương ứng hệ đa biến (MIMO: Multi Input - Multi Output) [3] Chọn quy tắc hợp thành Mandani để tìm hàm liên thuộc hợp thành tín hiệu Có hai quy tắc tính hàm liên thuộc hợp thành quy tắc MIN [4], sử dụng nghiên cứu HỆ MỜ CHẨN ĐỐN TÌNH TRẠNG KỸ THUẬT HTNL CỦA ĐỘNG CƠ D4DB VÀ MƠ PHỎNG KẾT QUẢ CHẨN ĐỐN 3.1 Xây dựng hệ mờ chẩn đốn Sơ đồ quy trình xây dựng hệ mờ chẩn đốn HTNL động D4DB hình Hình Sơ đồ quy trình xây dựng hệ mờ chẩn đốn Theo [5], thơng số chẩn đốn HTNL động Diesel, lựa chọn thơng số chẩn đốn - biến “Vào” gồm: công suất động cơ, tiêu hao nhiên liệu, màu sắc khí xả, nhiệt độ khí xả, tiếng gõ động Các thông số kết cấu - biến “Ra” hư hỏng cần quan tâm như: xilanh, piston bơm cao áp, hỏng van triệt hồi, hỏng vòi phun, sai áp suất phun, sai góc phun sớm, độ khơng đồng Các biến mờ đánh giá HTNL gồm biến “Vào” biến “Ra” cho bảng Bảng Biến mờ đánh giá hệ thống nhiên liệu động D4DB STT 10 11 Ký hiệu c1 c2 c3 c4 c5 h1 h2 h3 h4 h5 h6 Tên biến ngôn ngữ Suy giảm công suất động Tiêu thụ nhiên liệu tăng Màu sắc khí xả Nhiệt độ khí xả Tiếng gõ động Mịn xilanh, piston Hỏng van triệt hồi Hỏng vòi phun Sai áp suất phun Sai góc phun sớm Độ khơng đồng Tên viết tắt CS N.lieu MSKX NDKX Tiengon P-XL VAN VP Pf Phi KDD Kiểu biến Vào Vào Vào Vào Vào Ra Ra Ra Ra Ra Ra Đơn vị % % % % % % % % % % % HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Đặc trưng tập biến “Vào” biến “Ra” trình bày bảng bảng Bảng Tập mờ ngôn ngữ biến “Vào” Đặc trưng Ký hiệu (i = ÷ 5) Thông số (%) ci 0-0-20-40 Tập mờ biến “Vào” (c) ci ci 20-40-60 40-60-80 ci 60-80-100-100 Ngôn ngữ Tốt Khá Trung bình Yếu Miền xác định (%) 0-40 20-60 40-80 60-100 Bảng Tập mờ ngôn ngữ biến “Ra” Đặc trưng Ký hiệu (i = ÷ 6) Thông số (%) Ngôn ngữ Miền xác định (%) Tập mờ biến “Ra” (h) hi 0-0-20-40 hi 20-40-60 hi 40-60-80 hi 60-80-100-100 Tốt 0-40 Khá 20-60 Trung bình 40-80 Yếu 60-100 Tập luật hệ mờ xây dựng sở tiến hành khảo sát động D4DB, với số liệu động mới, động đến kỳ đại tu hư hỏng [6]; kinh nghiệm vận hành, bảo dưỡng sửa chữa; liệu thực nghiệm ý kiến chuyên gia [7] Tập luật hệ mờ xây dựng gồm 44 luật thể bảng Bảng Tập luật chẩn đốn mờ HTNL động D4DB 3.2 Mơ kết chẩn đoán Trong nghiên cứu báo, tác giả sử dụng công cụ fuzzy Matlab để mô kết chẩn đốn Hình biểu thị hình fuzzy gọi từ Matlab, hình thể đặc trưng biến mờ thơng số chẩn đốn - biến “Vào”, hình thể đặc trưng biến mờ thông số kết cấu - biến “Ra” HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Màn hình Fuzzy với biến vào luật hợp thành Mandani Hình Đặc trưng biến mờ thơng số chẩn đốn Hình Đặc trưng biến mờ thơng số kết cấu (Ra) Khối luật điều khiển soạn thảo dựa tập luật chẩn đoán mờ bảng theo nguyên tắc Mandani (thực phép tính logic mờ) hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Khối luật điều khiển theo nguyên tắc Mandani Kết mô biểu diễn đồ thị ba chiều hình 8, hình đồ thị hai chiều hình 10 Hình thể cơng suất giảm tiêu hao nhiên liệu tăng Piston-xilanh bơm cao áp mịn nhiều Hình thể góc phun sớm lớn tiêu hao nhiên liệu tăng tiếng gõ động nhiều Hình Quan hệ cơng suất tiêu hao nhiên liệu với mịn Piston-xilanh bơm cao áp Hình Quan hệ tiêu hao nhiên liệu tiếng gõ động với góc phun sớm Đồ thị hai chiều hình 10 thể tiêu hao nhiên liệu tăng áp suất phun nhiên liệu yếu: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình 10 Quan hệ tiêu hao nhiên liệu với áp suất phun KẾT LUẬN Bài báo trình bày sở lý thuyết mờ cho việc chẩn đoán kỹ thuật hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel; Xây dựng tập luật điều khiển (44 luật) cho chẩn đoán mờ hệ thống nhiên liệu động D4DB; Bài báo sử dụng công cụ Fuzzy phần mềm Matlab để mô đưa số kết chẩn đoán cho thấy giá trị theo hướng tương đối xác tin cậy, khẳng định tính khoa học phương pháp chẩn đoán ứng dụng lý thuyết tập mờ, nhiên nghiên cứu số hạn chế sau: - Cần tiến hành thực nghiệm nhiều loại động để đảm bảo xác luật điều khiển - Bổ sung xác hóa số luật điều khiển sở tiến hành thực nghiệm số liệu thực tế sở bảo dưỡng sửa chữa Hướng nghiên cứu xây dựng phần mềm chẩn đốn hồn chỉnh (được đóng gói) để phục vụ cơng tác chẩn đốn kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lofti A.Zadeh Fuzzy sets Information and control 1965; 8:338-353 [2] Nguyễn Văn Tuấn, Nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống trao đổi khí đến tiêu kỹ thuật động Diesel tàu thuỷ khai thác Việt nam Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Hàng hải 2005 [3] Phạm Thị Thu Hương, Nguyễn Văn Bang, Bùi Quang Vinh, Phạm Thanh Hà, Nguyễn Hiếu Cường (1999), Nghiên cứu xây dựng hệ trợ giúp chẩn đốn tình trạng kỹ thuật phương tiện giao thông vận tải sở logic mờ, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp B99-45-94 [4] Phạm Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật - 2006 [5] Lê Hồi Đức, Chẩn đốn Bảo dưỡng kỹ thuật động đốt trong, Trường Đại học Giao thông vận tải, 2008 [6] Hyundai Motor Co., Inc, Cẩm nang sửa chữa động Hyundai D4DB, tháng 3/2004 [7] 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  ... cịn phải kể đến FLC (Fuzzy Logic Control) dùng quản lý sân bay Clymer (1992); hệ điều khiển ? ?The camera tracking control system? ?? NASA (1992)[2] Hệ thống nhiên liệu động diesel D4DB cụm chi tiết... Bảng Tập luật chẩn đoán mờ HTNL động D4DB 3.2 Mô kết chẩn đoán Trong nghiên cứu báo, tác giả sử dụng công cụ fuzzy Matlab để mô kết chẩn đốn Hình biểu thị hình fuzzy gọi từ Matlab, hình thể đặc... (được đóng gói) để phục vụ cơng tác chẩn đốn kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lofti A.Zadeh Fuzzy sets Information and control 1965; 8:338-353 [2] Nguyễn Văn Tuấn, Nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống trao