数控机床液压系统故障诊断专家系统的研究

徐坚+易竞

【摘要】作为数控机床重要的控制和传动部分，液压系统故障具有复杂性、不确定性、相关性和延时性等特点。传统检测方法和手段已经不能满足现代制造业的需求。因此数控机床液压系统故障诊断专家系统研究具有重大的现实意义。

【关键词】液压系统 故障诊断 故障树 专家系统

1 引言

液压系统故障具有复杂性、不确定性、相关性和延时性等特点，排除较为困难，所以在故障诊断和排除的过程中就需要大量的专家的实践经验以及诊断策略。

液压系统故障诊断专家系统实质上是一套应用软件系统，是一种基于知识的系统，这里的知识包括专家的实践经验以及诊断策略。

2 液压系统故障诊断专家系统工作原理与特征

2.1.1工作原理

故障诊断专家系统的任务是根据观察到的情况（或数据）来推断出某个对象机能发生故障的原因：首先根据所获得的液压系统运行的相关信息对对象系统运行状态进行鉴定，判断是否正常；判定对象系统故障之后要确定故障部位和性质；然后确定故障原因并预判故障发展趋势；最后得出诊断结论并给出具体的维修建议。它具体的工作内容包括：（1）利用专家丰富的经验和知识建立“知识库”，这个过程需要建立专家系统与领域专家的“人机交互界面”，便于知识库的更新与修改；（2）利用计算机语言和程序按照一定的推理算法建立“推理机”，“推理机”在利用“知识库”中的知识通过“解释程序”来决定知识的更新；（3）用户通过“人机交互界面”与计算机进行对话，用户回答专家系统提出的问题，专家系统根据问答过程获得的信息进行推理并给出最终的诊断结论。

2.1.2特征

专家系统应具备以下特征：具有专家水平的故障诊断知识、专家水平的求解能力、具有获取知识的能力、知识与推理机构相互独立。

液压系统故障诊断专家系统除了具备上述专家系统的四个特征外，还应具备下列特征：扩展性、严谨性、通用性。

2.2设计思路

液压系统故障诊断专家系统的主要特征是拥有一个由领域专家提供专业经验与知识的知识库，知识库中存储着液压系统故障诊断领域的专业诊断知识。

总体设计思路如下：（1）邀请液压系统故障诊断领域的专家为数控机床液压系统的故障诊断提供知识；（2）利用故障树分析法、框架法和产生式规则建立专家系统知识库，并邀请专家对故障树的中间事件和底层事件打分；（3）利用层次分析法建立专家系统推理机，通过数学计算对故障产生概率进行计算以判断故障原因，并使之具备解释功能；（4）人机交互界面采用目前应用最广泛的菜单式系统，达到方便用户使用、操作、维护的目的；（5）开发平台选择时下流行的PHP 5，数据库选择采用Mysql 5.5，以便于实现专家系统的开发和知识管理。

2.3结构设计

2.3.1总体结构设计

系统主要由人机交互界面、推理机、知识库等模块组成，其中核心部分为知识库和推理机。

2.3.2各种功能模块设计

根据设计思路，绘制出专家系统框图。数控机床液压系统故障诊断专家系统由知识库、推理机、人机交互界面、知识管理系统、解释机制等模块构成。

（1）人机交互界面

人机交互界面负责接受操作人员输入的信息和向操作人员输出专家系统处理后的信息，是专家系统使用人员与系统交流的界面和唯一渠道。系统人机交互界面采用目前应用最广泛的菜单式系统。菜单式系统能够以直观的界面和窗口形式，通过鼠标或触摸屏实现系统的使用和管理。本系统人机交互界面主要由人机诊断界面和知识管理界面两个界面构成，要求实现两个主要功能：用户能够利用界面很快的进入系统并进行与故障相关的查询和诊断；用户能够非常方便的对专家系统的知识库进行修改，达到系统及时更新和完善的目的。

（2）知识管理系统

知识库中知识的修改、更新和完善主要依靠知识管理系统的控制。首先，领域专家可以通过接口对知识库中已有知识进行修改、更新，同时还可以调用知识库中已有的知识；其次，由数控机床液压系统故障特征决定。液压系统故障的原因相对复杂，一个故障现象可能对应一种、几种甚至是多种原因，同时，一种故障原因故障逻辑不同也可能产生不同的故障现象。

（3）开发平台的选择

系统的开发平台选择时下流行的PHP 5，原因如下：

①PHP（ Hypertext Preprocessor）是一种HTML内嵌式的语言，是一种超文本预处理语言，是一种在服务器端执行的嵌入HTML文档的脚本语言。尽管目前计算机领域拥有众多的可视化编程工具可供选择，但PHP独特的语法混合了C、JAVA等语法，可以更为快速地执行动态网页，而且几乎支持所有流行的数据库以及操作系统；

②PHP作为编程工具，其本身免费且是开源代码，且运行在服务器端的脚本，可以运行在UNIX、LINUX、WINDOWS环境下；

③PHP程序开发快、运行快、技术本身学习快，由于其可以被嵌入HTML语言，它相对于其他语言编辑更为简单，实用性更强，更适合初学者。

数据库选择采用Mysql 5.5，原因如下：

①Mysql作为一款较为成熟的数据库软件，具备体积小、速度快、总体拥有成本低，性能卓越，尤其是开放源码，能够和PHP实现完美对接，不存在兼容性问题；

②Mysql作为一款中小型关系型数据库管理系统， 它将数据保存在不同的表中，而不是将所有数据放在一个大仓库内，增加的速度并提高了灵活性。

（4）解释机制

解释机制是专家系统不同于传统计算机程序的一个重要特征。传统计算机程序在解答问题的过程中往往只会告知用户结论，用户只能根据结论完成任务。专家系统与之不同的地方在于除了向用户提交结论，还向用户提供推理过程的解释，比如为何需要用户输入相关信息、为何根据输入的相关信息推理出此结论等。

3 结论

本文通过对液压系统故障诊断专家系统的工作原理和特征进行分析，对系统提出了总体设计思路和具体的结构、模块设计，使系统已具备实现的可能。

基金项目：湖南省教育厅科学研究项目（12C1117）。