Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của động cơ bằng logic mờ

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, ứng dụng logic mờ trong việc chẩn đoán, đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ đốt trong. Nghiên cứu cho thấy, việc ứng dụng logic mờ để chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ rất thuận lợi, nhanh chóng và hiệu quả. Mức độ chính xác của kết quả chẩn đoán bằng logic mờ phụ thuộc vào việc lựa chọn đúng các thông số chẩn đoán, hàm phụ thuộc và xây dựng được bảng tập luận hợp lý. Sử dụng logic mờ trong chẩn đoán đặc biệt có hiệu quả đối với phần cơ khí của động cơ.

ISSN 2354-0575 CHẨN ĐOÁN TRẠNG THÁI KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ Đào Chí Cường Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 08/01/2018 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 15/03/2018 Ngày báo duyệt đăng: 20/03/2018 Tóm tắt: Việc ứng dụng logic mờ toán điều khiển nghiên cứu, sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, lĩnh vực chẩn đoán kỹ thuật, việc nghiên cứu, ứng dụng Logic mờ hạn chế Bài báo trình bày kết nghiên cứu, ứng dụng logic mờ việc chẩn đoán, đánh giá trạng thái kỹ thuật động đốt Nghiên cứu cho thấy, việc ứng dụng logic mờ để chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động thuận lợi, nhanh chóng hiệu Mức độ xác kết chẩn đoán logic mờ phụ thuộc vào việc lựa chọn thơng số chẩn đốn, hàm phụ thuộc xây dựng bảng tập luận hợp lý Sử dụng logic mờ chẩn đoán đặc biệt có hiệu phần khí động Từ khóa: Logic mờ, Chẩn đốn trạng thái Đặt vấn đề Việc chẩn đoán để phát dự báo sớm trạng thái kỹ thuật động đốt nhằm tăng hiệu sử dụng, kéo dài tuổi thọ động cần thíết, đặc biệt cơng tác sửa chữa, việc xác định hư hỏng động mà tháo rời có ý nghĩa kinh tế lớn Tuy nhiên cơng tác chẩn đốn, xác định trạng thái kỹ thuật lại động hư hỏng số phận động nước ta cịn gặp nhiều khó khăn chưa có phương pháp chẩn đốn hiệu Logic mờ phương pháp nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như: Điều khiển học, kỹ thuật số hóa, chẩn đốn kỹ thuật… Tuy nhiên việc ứng dụng logic mờ chẩn đoán động đốt nước ta cịn mẻ Hiện có vài cơng trình nhiên cứu phạm vi hẹp vấn đề Việc nghiên cứu ứng dụng logic mờ để chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động đốt mang lại hiệu thiết thực thực tế sản xuất đào tạo nghiên cứu chuyên ngành Cơ sở lý thuyết Logic mờ phương pháp để biểu diễn xử lý thơng tin hệ thống có kiện không rõ ràng Đặc biệt lĩnh vực chẩn đốn, biểu diễn xử lý kiến thức giải tích hay xác suất dạng thuật toán logic mờ Thuật toán lựa chọn để thực chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động dựa triệu chứng trường hợp thuật toán logic AND luật IF - THEN với toán tử Minimum Việc sử dụng logic chẩn đoán kỹ thuật giúp người có khả suy luận nhanh chóng 24 đưa kết luận hợp lý tình trạng kỹ thuật đối tượng bao gồm kết luận: tốt, xấu; hỏng, không hỏng Mặt khác người dễ tạo nên suy luận logic máy tính, thơng qua việc xây dựng mạng trí tuệ nhân tạo dùng cơng tác chẩn đốn tình trạng kỹ thuật Có thể sử dụng luật logic thực chất sử dụng lý luận “nhân quả” việc suy luận Nhờ đại số “Boole” toán logic xem xét thuận lợi nhanh chóng hơn, đặc biệt thơng tin chẩn đốn (là véc tơ trạng thái đối tượng) gia tăng Trạng thái kỹ thuật đối tượng xác định hàm Boole, hàm tương ứng với trạng thái 0,1 (hỏng hay không hỏng) Sử dụng tốn logic để diễn tả mối quan hệ triệu chứng – hư hỏng hàm logic với biến logic * Biến logic Biến logic biểu thị hai trạng thái hay hai tính chất đối lập (0,1) như: tốt xấu, sai, có khơng Khi chẩn đốn có: thông số trạng thái, thông số biểu biến logic - Các thông số trạng thái kỹ thuật tập liệu ký hiệu: Hj = {h1; h2; h3; ; hn} - Các thông số biểu dùng để chẩn đoán tập liệu ký hiệu: Ci = {c1; c2; c3; ; cn} Các thông số tạo lập thành thông số chẩn đoán Trong chẩn đoán động cơ, biến logic thơng số trạng thái kỹ thuật động như: mịn vòng găng động cơ, mòn bạc biên, bạc cổ trục chính, mịn, thơng số chẩn đốn như: công suất động cơ, vận tốc, lượng tiêu hao nhiên liệu, lượng tiêu hao dầu nhờn… Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 * Hàm logic Hàm gọi hàm logic hàm tập biến logic lấy hai giá trị Các đại lượng Ci , Hj quan hệ với giá trị (ký hiệu: 1) sai (ký hiệu: 0) theo hàm tương quan: Hj = g(Ci ) Ci = f(Hj ) Các hàm tương quan thực sở phép toán đại số “Boole”, là: Phép cộng logic (phép tuyển), Phép nhân logic (phép hội) Việc tiến hành suy luận q trình thực phép tính tổng quát thành khái niệm; tiền mệnh đề, suy luận liên ứng -Tiền mệnh đề điều kiện vào toán suy luận, số lượng mệnh đề hay nhiều, chúng ràng buộc với phép tính như: AND, OR, NOT - Liên ứng điều kiện kết luận, đích cần tiến tới toán Với phép suy luận logic hai giá trị có liên ứng, cịn logic nhiều giá trị có nhiều liên ứng tùy theo khái niệm đặt - Suy luận thực luật suy luận tiến hành tốn, suy luận theo phương pháp khác kết khác nhau, phụ thuộc vào mục đích suy luận Có thể tóm tắt mối quan hệ tổng quát: Ứng dụng logic mờ chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động Để ứng dụng logic mờ chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cần tiến hành theo bước sau: Phân tích thơng số động để lựa chọn thơng số chẩn đốn Lựa chọn hàm phụ thuộc Xác định thuật toán chẩn đoán Xác định biến mờ Xác định sở tri thức logic mờ cách lập bảng giá trị dựa vào kiến thức chuyên gia Vẽ đồ thị biến mờ độc lập Xây dựng bảng luật phù hợp (xây dựng luật điều khiển) Ứng dụng fuzzy logic phần mềm Matlab 3.1 Lựa chọn thơng số chẩn đốn động Để chẩn đốn trạng thái động ta sử dụng thông số chẩn đốn sau đây: - C1 Cơng suất động - C2 Thay đổi thành phần màu sắc khí Khoa học & Cơng nghệ - Số 17/Tháng - 2018 xả (ge) - C3 Độ tăng lượng cung cấp nhiên liệu - C4 Áp suất cuối kỳ nén (Pc ) - C5 Áp suất dầu bôi trơn - C6 Độ ồn động 3.2 Lựa chọn hàm phụ thuộc Để mô tả vùng triệu chứng đóng kín, chọn hàm phụ thuộc hình thang, xác định giá trị trung bình, khoảng giá trị bên cạnh Tính chất tăng giảm khơng giới hạn triệu chứng mơ hình hóa hàm bậc thang mở mở Việc định dạng hàm phụ thuộc thực sở số liệu thống kê triệu chứng nhờ kinh nghiệm chuyên gia Do chuẩn hóa nên tất triệu chứng có hàm phụ thuộc giống cho giá trị ngôn ngữ Khi xếp chồng hàm phụ thuộc nằm cạnh cần ý rằng, chập vùng lớn dẫn đến làm giảm tính xác kết chẩn đốn 3.3 Xác định thuật toán chẩn đoán Thuật toán chẩn đoán xây dựng sở quan hệ hư hỏng - triệu chứng lưu giữ máy tính, cho biết dấu hiệu quan hệ tất triệu chứng hư hỏng xác định Thuật toán lựa chọn để thực chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động tìm hư hỏng dựa triệu chứng trường hợp thuật toán logic AND luật IF –THEN [12] 3.4 Xác định biến mờ Để chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ, lựa chọn biến mờ gồm biến vào biến Biến vào thơng số chẩn đốn xác định cách phân tích thơng số động Biến trạng thái kỹ thuật tổng thể động chẩn đoán Bảng 3.1 giới thiệu biến mờ chọn để chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động diesel 3.5 Cơ sở tri thức Cơ sở tri thức toán chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động xây dựng khái niệm xác định khoảng giá trị biến mờ Các biến vào biến định nghĩa rõ ràng thông qua khái niệm với mức biểu cụ thể Các khái niệm mức biểu biến mờ kí hiệu ngắn gọn để thuận lợi đưa vào phần mềm Matlab Các thông số hàm phụ thuộc chọn theo dạng hình thang với đặc điểm đặc trưng cho mức giá trị là: α, β, γ, δ Để tăng độ tin cậy kết Journal of Science and Technology 25 ISSN 2354-0575 chẩn đoán, biến vào chọn với tập mờ con, biến chọn với tập mờ Bảng 3.2 thể khái niệm khoảng xác định biến mờ lựa chọn toán chẩn đoán trạng thái động diesel Bảng 3.1 Bảng biến mờ Đơn vị Áp suất cuối kỳ nén Pc thấp thapC4 25 25 28 31 Áp suất cuối kỳ nén Pc vừa vuaC4 28 31 34 37 Áp suất cuối kỳ nén Pc cao caoC4 34 37 40 40 Áp suất dầu bôi trơn thấp thapC5 0 0.5 1.5 Áp suất dầu bôi trơn vừa vuaC5 0.5 1.5 2.5 3.5 Áp suất dầu bôi trơn đủ duC5 2.5 3.5 4 Độ ồn động nhỏ nhoC6 40 40 50 60 Độ ồn động vừa vuaC6 50 60 70 80 Tên biến ngôn ngữ Kiểu Số thứ biến tự biến Công suất động (C1) Vào % so với công suất định mức Độ tăng khói động (C2) Vào % lượng khói so với mẫu chuẩn Độ tăng lượng cung cấp nhiên liệu (C3) Vào % so với lượng cung cấp nhiên liệu định mức Áp suất cuối kỳ nén Pc (C4) Vào (kG/cm2) Áp suất dầu bôi trơn (C5) Vào (kG/cm2) Độ ồn động lớn lonC6 70 80 90 90 Độ ồn động (C6) Vào (dB) Trạng thái động hỏng hong 0 15 Trạng thái động Ra % trạng thái kỹ thuật động Trạng thái động ratkem 15 25 35 Trạng thái động kem 25 35 45 55 Trạng thái động vừa vua 45 55 65 75 Trạng thái động tốt tot 65 75 85 95 Trạng thái động tốt rattot 85 95 100 100 Bảng 3.2 Bảng giá trị biến mờ TT 26 Khái niệm Tên khái niệm Các thông số hàm phụ thuộc a β Công suất động cao caoC1 90 95 100 100 Công suất động vừa vuaC1 75 80 90 95 Công suất động yếu yeuC1 60 65 75 80 Công suất động thấp thapC1 55 55 60 65 Độ tăng khói động itC2 0 15 25 Độ tăng khói động vừa vuaC2 15 25 40 50 Độ tăng khói động nhiều nhieuC2 40 50 65 65 Độ tăng lượng cung cấp nhiên liệu itC3 0 10 20 Độ tăng lượng cung cấp nhiên liệu vừa vuaC3 10 20 30 40 Độ tăng lượng cung cấp nhiên liệu nhiều nhieuC3 30 40 50 50 γ δ 3.6 Bảng luật phù hợp Để xây dựng luật điều khiển (gọi tập luận) phải dựa vào chất vật lý, dựa vào thuật toán chẩn đoán, dựa vào kinh nghiệm chuyên gia Các tập luận xây dựng xếp bảng gọi bảng luật phù hợp Độ xác tập luận yếu tố định độ xác kết toán Các giá trị trọng số bảng luật phù hợp cho biết luật chọn phù hợp với giá trị thực tế luật (tức đánh giá mức độ xác tập luận lựa chọn) Trọng số yếu tố tùy thuộc vào mục đích chẩn đốn, thường chọn theo kinh nghiệm Với mục đích chẩn đốn trạng thái kỹ thuật động cơ, để đánh giá mức độ xác tập luận xây dựng, đề tài sử dụng trọng số Trạng thái kỹ thuật động xác định thông qua mức độ biểu triệu chứng Dựa vào thuật toán logic AND luật IF — THEN, tác giả xây dựng tập luận trình bày bảng luật phù hợp (Bảng 3.3) Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Bảng 3.3 Bảng luật phù hợp STT C1 C2 C3 C4 C5 C6 Trạng thái động Trọng số caoC1 itC2 itC3 caoC4 duC5 nhoC6 rattot caoC1 itC2 itC3 caoC4 duC5 vuaC6 rattot caoC1 itC2 itC3 vuaC4 duC5 nhoC6 rattot 0.9 … … … … … … … … … 76 yeuC1 nhieuC2 nhieuC3 thapC4 vuaC5 lonC6 ratkem 77 yeuC1 nhieuC2 nhieuC3 vuaC4 vuaC5 nhoC6 ratkem 0.8 3.7 Ứng dụng fuzzy logic phần mềm Matlab Phần mềm fuzzy Toolbok Matlap gồm phần hình soạn thảo (Hình 3.1) Hình 3.2 Giao diện hình soạn thảo xác định số biến vào biến Hình 3.1 Màn hình soạn thảo Fuzzy-logic - FIS Editor: nhập số lượng biến vào, - Membership Funtion Editor: xây dựng biến vào, - Membership Funtion Editor: xây dựng biến vào, - Ruler Editor: xây dựng luật điều khiển - Ruler View: cho kết ứng với giá trị đầu vào - Surface View: quan hệ biến vào, thông qua luật điều khiển Nhập số lượng biến vào, (FIS EDITOR) Các biến đầu vào: input1, input2, input3, input4, input5, input6 Biến ra: output Tên biến đặt phù hợp với toán đặt ra, tên biến đặt ô Name cửa sổ FIS type Tương ứng ta có biến đầu vào cơng suất động (C1), độ tăng khói động (C2 ), độ tăng lượng cung cấp nhiên liệu (C3), áp suất cuối kỳ nén Pc (C4 ), áp suất dầu bôi trơn (C5), độ ồn động (C6 ), biến đầu trạng thái kỹ thuật động Kích chuột vào biến vào biến hình để đặt tên biến Sau đặt tên biến hình soạn thảo có dạng Hình 3.2 Khoa học & Cơng nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Xây dựng biến vào, (MEMBERSHIP FUNCTION EDITOR) * Xây dựng biến vào Biến cơng suất động (Hình 3.3) - Tên biến: C1 - Số lượng tập mờ: - Dạng hàm phụ thuộc: hình thang - Miền giá trị: từ (55 ÷ 100)% -Tên tập mờ: thap C1, yeuC1, vuaC1, caoC1 Hình 3.3 Biến cơng suất động Biến độ tăng khói động (Hình 3.4) - Tên biến: C2 - Số lượng tập mờ: - Dạng hàm phụ thuộc: hình thang - Miền giá trị: từ (0 ÷ 65)% Journal of Science and Technology 27 ISSN 2354-0575 - Tên tập mờ: itC2, vuaC2, nhieuC2 Biến áp suất dầu bơi trơn (Hình 3.7) - Tên biến: C5 - Số lượng tập mờ: - Dạng hàm phụ thuộc: hình thang - Miền giá trị: từ (0 ÷ 4)kG/cm2 - Tên tập mờ: thapC5, vuaC5, duC5 Hình 3.4 Biến độ tăng khói động Biến độ tăng lượng cung cấp nhiên liệu (Hình 3.5) - Tên biến: C3 - Số lượng tập mờ: - Dạng hàm phụ thuộc: hình thang - Miền giá trị: từ (0 ÷ 50)% - Tên tập mờ: itC3, vuaC3, nhieuC3 Hình 3.7 Biến áp suất dầu bơi trơn Biến độ ồn động (Hình 3.8) - Tên biến: C6 - Số lượng tập mờ: - Dạng hàm phụ thuộc: hình thang - Miền giá trị: từ (40 ÷ 90)dB - Tên tập mờ: nhỏC6, vuaC6, lonC6 Hình 3.5 Biến độ tăng lượng cung cấp nhiên liệu Biến áp suất cuối kỳ nén Pc (Hình 3.6) - Tên biến: C4 - Số lượng tập mờ: - Dạng hàm phụ thuộc: hình thang - Miền giá trị: từ (25 ÷ 40)kG/cm2 - Tên tập mờ: thapC4, vuaC4, caoC4 Hình 3.8 Biến độ ồn động Hình 3.6 Biến áp suất cuối kỳ nén Pc 28 * Xây dựng biến Có hai cách chọn biến ra, đơn giản chọn biến tập đơn trị (Single ton) có giá trị từ ÷ Để đảm bảo độ xác kết luận tình trạng kỹ thuật động cơ, chọn biến có dạng hàm phụ thuộc hình thang, số lượng tập Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 mờ lớn, chia thành khoảng miền giá trị từ ÷ 100% (rattot, tot, vua, kem, ratkem, hong) Biến trạng thái kỹ thuật động (Hình 3.9) - Tên biến: trangthai - Số lượng tập mờ: - Dạng hàm phụ thuộc: hình thang - Miền giá trị: hình từ (0 ÷ 100)% - Tên tập mờ: rattot, tot, vua, kem, ratkem, hong Cho kết ứng với giá trị đầu vào (RULE VIEW) Sau hoàn thành việc xây dựng bảng tập luật điều khiển, phần mềm Matlab xử lý, ứng với giá trị biến vào cho kết “nét” biến (kết % tình trạng kỹ thuật động cơ) Ví dụ, với giá trị nét biến vào Bảng 3.4, dựa vào tập luật điều khiển xây dựng, fuzzy logic phần mềm Matlab xử lý cho kết giá trị biến trạng thái kỹ thuật động Bảng 3.4 Giá trị “nét” biến mờ Giá trị biến mờ Trạng thái động C1 C2 C3 C4 C5 C6 (%) 2 (%) (%) (%) (kG/cm ) (kG/cm ) (dB) 85 10 35 3.5 45 81.8 Hình 3.11 giao diện hình phần mềm Matlab thể kết chẩn đoán Ứng với giá trị biến vào Bảng 3.4, nhờ fuzzy logic Matlab xử lý, cho kết giá trị biến trạng thái kỹ thuật động mức 81.8% Với kết ta kết luận động trạng thái tốt Hình 3.9 Biến trạng thái kỹ thuật động Xây dựng luật điều khiển (RULER EDITOR) Các luật điều khiển chọn theo bảng luật phù hợp xây dựng (Bảng 3.3) Nếu số lượng luật điều khiển lớn ảnh hưởng đến tốc độ tính tốn nhớ, cịn số lượng luật điều khiển q khơng điều khiển cho kết khơng xác Do vậy, thường chọn luật điều khiển hay xảy Bảng tập luật xây dựng phần mềm Matlab có kết hiển thị hình soạn thảo (Hình 3.10) Hình 3.10 Bảng tập luật điều khiển Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Hình 3.11 Giao diện hình thể kết chẩn đốn Kết luận Kết chẩn đoán cho thấy, việc sử dụng fuzzy logic phần mềm Matlab/Simulink cho phép sử dụng lượng thơng tin đa dạng, q trình đánh giá chất lượng “mềm hóa” có khả bám sát thay đổi thông số thực tiễn Nhờ thuật toán suy luận fuzzy logic, cho phép xác định xác trạng thái kỹ thuật cụ thể động cơ, biểu qua kết khoảng % chất lượng Ngoài việc đánh giá trạng thái kỹ thuật chung động cơ, logic mờ cho phép chẩn đoán theo hướng dạng hư hỏng cụ thể Điều khẳng định việc ứng dụng logic logic mờ vào việc chẩn đốn hồn tồn hiệu Journal of Science and Technology 29 ISSN 2354-0575 Tài liệu tham khảo [1] Đào Chí Cường, Nghiên cứu xây dựng sở liệu cho hệ thống chẩn đoán động diesel dung nông nghiệp, nông thôn Việt Nam Luận án tiến sĩ kỹ thuật, trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, 2011 [2] Nguyễn Khắc Trai Kỹ thuật chẩn đốn Ơtơ, NXB Giao thơng vận tải, 2004 [3] Bùi Hải Triều Một số vấn đề chấn đốn Ơtơ-Máy kéo, Trường đại học Nơng Nghiệp I Hà Nội, 2002 [4] Mogens Blanke, Michel Kinnaert, Jan Lunze, Marcel Staroswiecki Diagnosis and FaultTolerant Control, Lyngby - Brussels - Bochum - Lille, 2006 DIAGNOSIS TECHNICAL STATUS OF THE ENGINE BY FUZZY LOGIC Abstract: The application of fuzzy logic in control problems has been studied and used extensively However, in the field of technical diagnostics, the study, application of fuzzy logic is very limited This paper presents the results of research, application of fuzzy logic in the diagnosis and assessment of technical status of internal combustion engines Research shows that the application of fuzzy logic to diagnose technical state of the engine is very convenient, fast and effective The accuracy of the diagnostic results in fuzzy logic depends on the correct selection of diagnostic parameters, dependent functions, and rationalized logics The use of fuzzy logic in diagnostics is particularly effective for the mechanical part of the engine Keywords: fuzzy logic, Status diagnosis 30 Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ... Ứng dụng logic mờ chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động Để ứng dụng logic mờ chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cần tiến hành theo bước sau: Phân tích thơng số động để lựa chọn thơng số chẩn đoán Lựa... (kG/cm2) Độ ồn động lớn lonC6 70 80 90 90 Độ ồn động (C6) Vào (dB) Trạng thái động hỏng hong 0 15 Trạng thái động Ra % trạng thái kỹ thuật động Trạng thái động ratkem 15 25 35 Trạng thái động kem 25... chọn để thực chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động tìm hư hỏng dựa triệu chứng trường hợp thuật toán logic AND luật IF –THEN [12] 3.4 Xác định biến mờ Để chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ, lựa chọn