毕业设计论文基于模糊推理的奥迪A6轿车发动机故障诊断系统设计

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1、基于模糊推理的奥迪A6轿车发动机故障诊断系统设计摘要：汽车是一个复杂的机械系统，发动机作为汽车的动力源，在汽车中起着重要的作用。特别是在电子控制技术的广泛应用，使汽车进入整车的电子化阶段。同时，也毫无疑问的带来了故障检测诊断的复杂化。要快速的诊断出汽车的故障，需要极其丰富的维修经验和专业的维修知识，并要同先进的诊断设备相配合。因此，本文在收集整理汽车专家的维修知识和经验的基础上，开发针对奥迪A6轿车电控发动机故障诊断系统。本文首先论述了汽车故障诊断技术及其特点、方法，并从宏观上论述了汽车故障诊断专家系统的发展过程。接着在研究奥迪A6发动机电控燃油喷射系统和专家系统的基础上，确定了采用符合专家常

2、规思维的正反向混合的模糊推理策略作为诊断的推理方法，实现了故障快速准确的诊断。在模糊诊断矩阵中隶属度的确定是整个诊断推理的关键，它的准确性决定了推理的准确性。本文采用常用的二元对比排序法确定故障的隶属度，并进行可信度的计算。利用计算机技术将专家的经验和知识以计算机语言的形式表示出来，通过友好的人机交互界面实现故障的诊断、知识的查询等功能，来引导用户逐步进行深入诊断，最终确定发动机故障的部位，并提出维修建议，并不断修改完善知识库，从而达到维修专家的水平。关键字：电控汽油发动机；汽车故障检测诊断技术；故障检测诊断系统；模糊推理；隶属函数Based on the fuzzy inference Au

3、di A6 sedan electronic control engine fault diagnosis system designHou Fei(School of Transportation , Communications and Transportation,Jiaotongxve0602 Grade2006, 062925234)Abstract: The automobile is a complex machinery system. The engine that is automobiles power supply plays an important role in

4、the automobile. Especially with the widespread application of the electronic control technology, it makes the automobiles enter the new electronic age. At the same time, these is no double that it makes the repair work complicated. In order to diagnose vehicle faults quickly, that need for extremely

5、 rich experience and professional knowledge of diagnostician with advanced diagnostic equipments. Therefore, on the basis of experts knowledge and experiences, fault diagnosis system of Audi A6 sedan was developed in this paper. To begin with, this paper talks about the fault diagnosis system charac

6、ters and methods of the automobile. Then it discusses the development of the expert system. Moreover, based on the study of the electronic fuel injection and the expert system, I determine to use the diagnostic modules inference method which is in line with the pros and cons fuzzy and mixed inferenc

7、e of professional conventional thinking. And the system achieves rapid and accurate diagnosis. The membership of fuzzy diagnosis matrix is the key in the whole reasoning. The paper uses dual contrast rank order method to determine the membership of the fault reason. At the same time it uses fuzzy pr

8、oduction rules to compute the system credibility. Through the friendly man-machine interaction, it helps the user to make the fault diagnosis and to search the information. This system is useful for all level of the experts.Key words: electronically controlled petrol engine; automobile fault diagnos

9、is technology; fault diagnosis system; fuzzy inference; membership function1 引言汽车是一个集机、电、液于一体的机械系统，由数千种零件组成。发动机作为汽车的动力源，其各子系统和机构之间关系相当复杂，而且汽车发动机结构的复杂性和工作环境的不稳定性致使发动机产生的故障占全车故障比例最高。特别是电子控制技术的广泛应用使汽车进入整车电子化阶段，使汽车产品的质量、安全性和排放性得到了提高，也使电控发动机的结构比传统的发动机复杂的多。但是，当汽车出现故障时，也毫无疑问得带来了故障诊断的难度化和复杂化。当汽车发动机内部发生故障时，依

10、靠传统的维修方法把发动机进行拆卸，逐步检查，不仅造成人力、物力的浪费，而且可能因某些精密零件的加工、装配工艺要求很高，在重新装配时受到设备、工艺和维修水平的限制而无法达到原有技术要求，使汽车的性能降低。对于电控发动机而言，电控发动机是一种更为复杂设备,其从无故障运行到带故障运行是一个渐变的过程，在此过程中它既不是完全的正常工作，也不是完全的故障状态，而是处于一个中间状态。同时，电控发动机的同一种故障症状可能是由多种故障原因造成的，而同一种故障原因，又可能引发多种故障症状，即发动机的故障产生的机理相当复杂，表现为一因多果、一果多因、多因多果等。因而汽车电控发动机的故障症状和故障原因之间存在复杂的

11、模糊关系，使诊断的难度大大提高。因此，迅速、准确地确定故障原因和部位对恢复汽车性能是十分必要的。汽车诊断技术是以最小的劳动消耗可靠地评价汽车及其技术状况，因此，开发“汽车发动机故障诊断系统”具有十分重要的意义。本文利用模糊数学建立的发动机故障诊断系统对汽车发动机的故障进行诊断。它将汽车维修领域专家的知识及大量实际维修经验进行汇总和提炼，模拟汽车维修专家来进行故障诊断的计算机智能系统，计算机根据提供的故障线索及存储在计算机内部的知识库，来引导用户逐步进行深入诊断，最终确定发动机故障的部位，并提出维修建议，同时根据使用者的要求不断修改完善知识库，从而使维修人员达到维修专家的水平。2 绪论2.1 汽

12、车故障检测诊断技术2.1.1 汽车诊断与诊断学“诊断”一词是根据医学名词沿引而来。在医学诊断中，采用的是由现象判断本质，由当前推断未来的方法。这一逻辑思维方法推广到工程技术领域，逐步形成了机器故障诊断这一门学科。所以，通常人们理解汽车诊断就是指当汽车发生异常和故障之后，找到其原因所在，也就是指对诊断对象（汽车）进行故障识别和异常确定。广义上说，汽车诊断技术还包括对从过去到现在，从现在到未来一系列信息资料所进行的科学预测工作，它不仅仅是一种检测技术，而应该是从汽车计划设计开始，一直到报废为止，在汽车整个寿命过程中都起作用的诊断技术。国标GB5624-85汽车维修术语中对汽车检测诊断的常用术语做了

13、如下规定：汽车故障汽车部分或完全丧失工作能力的现象。按丧失工作能力的程度分为局部故障和完全故障。按发生后果分为一般故障、严重故障、致命故障。汽车检测确定汽车技术状况和工作能力的检查。按汽车检测的目的可分为安全环保检测和综合性能检测。汽车故障诊断技术是在汽车不解体或不完全解体的前提下，依靠先进的传感器技术与检测技术，采集发动机的各种具有某些特征的动态信息，并对这些信息进行各种分析、处理、区分、识别并确认其异常表现，预测其发展趋势，查明其产生原因、发生部位和严重程度，提出针对性的维修措施和处理方法1。汽车在使用过程中，由于某一种或几种原因的影响，其技术状况将随行驶里程的增加而变化，其动力性、经济性

14、、可靠性、安全性将逐渐或迅速降低，排气污染和噪声加剧，故障率增加，这不仅对汽车的运行安全、运行消耗、运输效率、运输成本及环境造成极大的影响，甚至还直接影响到汽车的使用寿命，因而研究汽车故障的变化规律，定期检测汽车的使用性能，及时而准确的检测出故障部位并排除故障，就成为汽车使用技术的一项重要内容。因此，汽车故障诊断检测是恢复使用汽车的关键，是汽车使用技术的中心环节2。2.1.2 研究汽车故障检测诊断技术的目的和意义（1）汽车故障检测诊断的目的汽车检测诊断技术包括汽车的检测技术和汽车的诊断技术。通过对汽车进行检测与诊断可以再不解体的情况下判断汽车的技术状况，为汽车的继续运行或维修提供可靠依据。汽车

15、检测包括安全环保检测和主要性能检测。汽车安全环保检测指的是在不解体的情况下定期或不定期的对汽车进行外观、制动与转向性能、排放与噪声、前照灯及车速表等进行检测，从而建立安全和公害监控体系，确保运行车辆具有符合要求的外观容貌、良好的安全性能，并控制其对环境的污染，使车辆在安全高效的情况下运行。而主要性能检测是在不解体的情况下，定期或不定期的对汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性及乘坐舒适性等进行检测。其目的：一是运行车辆的工作能力和技术状况，查明故障或隐患的部位及原因；二是对维修车辆实施维修监督，建立质量监控体系，确保车辆维修质量，以创造更大的经济效益和社会效益3。（2）汽车检测诊断技术的意义汽车

16、检测诊断技术是一种全新的、现代化的检验工作，利用必要的仪器、设备进而确定汽车的技术状况。在汽车维修和安全中起着重要的作用。从整体上看，汽车检测诊断技术的意义概括为4：1）汽车检测与诊断技术是实施汽车维修制度的重要保证我国实行汽车维修制度属于计划维修制度，车辆的维修必须贯彻预防为主、定期检测、强制维护、视情修理的原则。这种维修制度是根据车辆检测和诊断的结果，对车辆进行视情修理，这样可以减少不必要的拆卸，避免盲目修理或失修现象地发生，能最大限度地发挥零件的使用潜力，提高汽车的可靠性和使用经济效益。然而这一制度的实施是以先进的的汽车检测诊断技术为前提的。可以想象，如果没有汽车检测诊断技术，要实现视情

17、维修则是一句空话。因此，汽车诊断技术是检查、鉴定车辆状况和维修质量的重要手段，也是促进维修技术发展，实现视情修理的重要保证。2）发展汽车检测与诊断技术是提高维修效率、监督维修质量的迫切需要随着汽车工业的发展，汽车保有量迅速增长，汽车维修任务相应增加，同时由于汽车结构日益复杂，电子化程度的提高，汽车维修难度的增大，由此产生的直接后果是熟练汽车维修人员的缺乏，单凭经验进行汽车维修并不能适应现代汽车的技术需要。为了提高汽车的维修效率，应采用先进的汽车检测诊断技术，随着汽车结构的日益复杂，汽车检测诊断技术的地位越来越高，人们更加依赖于汽车检测诊断技术。没有汽车检测诊断技术，车辆的故障就不能迅速排除，车

18、辆的技术状况就不能迅速恢复；没有汽车检测诊断技术，车辆的维修质量也不能得到有效地监督。因此，汽车检测诊断技术在汽车技术保障中处于十分关键的地位，它是提高维修效率、保证维修质量的重要措施。3）加强汽车安全技术的检测是确保汽车安全的重要手段随着汽车数量的增加，汽车交通事故造成人员伤亡的现象十分严重，现已构成不可忽视的社会问题，面对日益严峻的交通安全形式，对机动车辆要加强安全技术检测。采用先进的检测仪器和技术，对汽车的技术状况作出准确地判断，找出隐患及时排除，发现问题及时修理，确保行车安全。因此发展汽车检测诊断技术对汽车的安全有着重要的意义。2.1.3 汽车故障检测诊断技术的特征随着汽车电子化程度的

19、提高，汽车的结构日益复杂，因此现代汽车发动机故障诊断技术具有以下几个特征：（1）故障分析手段的多样化故障分析是提高故障诊断水平的关键因素，是将多种理论应用于故障诊断实践，从而发展成多种故障分析的有效方法。其故障分析过程是以诊断特征参数为基础，从特征信号分析和状态识别两方面入手，采用现代数学手段进行处理，找出故障的内在规律，以对系统的故障作出定量分析。比如，现代汽车结构的复杂性决定了其故障状态呈现出多样性、模糊性和不确定性，将模糊集理论、神经网络技术应用于故障诊断分析，大大提高了诊断速度和诊断精度。（2）故障诊断系统的现代化汽车故障诊断系统有两种，一种是车外诊断系统，即诊断功能的实现需要车外仪器

20、诊断系统。一种是车载诊断系统，即电控汽车的故障自诊断系统，它能自动检测系统故障，并以故障码的形式显示出来。由于车载诊断系统还存在着适应性差等缺点，使得车外诊断系统又得到进一步地发展。现代汽车故障诊断仪器综合了机械、电子、流体、声学、光学等技术，通过各种参数、曲线、波形的变化，测试汽车的性能和故障，还具有自动分析、判断、打印结果的功能，并不断向着集成化和智能化方向发展。（3）故障诊断信息的网络化汽车故障诊断信息网络化的特点有以下几个方面。首先，突破了传统汽车诊断技术信息传递在空间、时间上的局限性，各维修企业间实现了资源共享。其次，实现了维修诊断技术的网络集成化，运用现代通信技术，集维修企业的管理

21、软件、维修诊断技术信息系统、各种设备、仪器、维修诊断专家系统等为一体，实现了各维修企业的维修软、硬件共享。用户可通过汽车故障远程诊断业务，将现场诊断时传感器输出的数据远程传输到计算中心处理，计算中心再将分析结果反馈回现场来指导故障诊断。故障诊断信息网络一体化具有信息传递快、便于管理的特点，是现代信息技术在汽车故障诊断领域的有效体现。现代汽车故障诊断技术集现代诊断理论与先进诊断技术为一体，以多功能、电子化、集成化、智能化的诊断设备为手段，以信息技术为依托，成为现代汽车可靠性实现的技术保障。2.1.4 汽车故障检测诊断的方法汽车故障诊断是指汽车有了故障之后，在不解体或仅拆下个别小件的情况下，判断故

22、障部位和查明故障原因，最后提出排除故障的对策。其基本方法主要有四种5。（1）人工经验诊断法维修人员依据实践经验和专业知识，借助简单工具，凭耳听、眼看、手摸等直接的进行检查分析，确定故障原因和故障部位。这种早期的诊断方法虽然准确性差、速度慢，但是由于不需要专门仪器设备，投资小，现代汽车上某些故障的诊断仍然采用该方法。（2）简单仪器诊断法由于汽车结构日趋复杂，电器设备的采用逐步增多，因此汽车诊断开始使用真空表、万用表和示波器等仪器，对汽车零部件和总成进行检测，为分析判断汽车技术状况提供数据和波形等资料。（3）计算机检测诊断法随着汽车电子化程度越来越高，动态的随机性故障以及控制系统功能性故障日益增多

23、，以计算机技术为核心的各种精密检测手段被广泛使用，大大提高了汽车故障诊断的准确率。（4）人工智能诊断法随着电子控制技术、计算机技术的广泛应用，汽车故障诊断迫切需要自动化及自适应能力高的智能化诊断系统。智能化的诊断系统是电控发动机检测诊断的主要发展方向。故障诊断技术中用到的数学方法有：基于模式识别的诊断方法、基于模糊数学的诊断方法、故障树分析诊断方法、以及神经网络等新发展的诊断方法。2.2 汽车故障诊断系统2.2.1 国内外汽车发动机故障诊断专家系统的发展汽车故障诊断系统的发展是随着汽车工业和诊断技术的发展而同步前进的。在汽车上采用的故障诊断技术可分为两大类随车诊断系统（车内诊断系统）与车外诊断

24、系统6。80年代初，出现了随车诊断系统，即第一代随车诊断系统OBD1(On Board Diagnosis)。自1994年以来，美日欧主要汽车制造厂家生产的电控汽车开始逐渐采用OBD2第二代随车电脑诊断系统，它由美国汽车工程学会SAE提出，经环保机构EPA和加州资源学会认证，各厂商按OBD2提供统一的诊断模式和统一的诊断插座，只要通过一台仪器即可对各种车型进行诊断检测，产生故障时向驾驶员报警、储存和显示故障码，使汽车出现故障时按保护模式行驶。为了扩充随车诊断的功能，80年代中后期开始研究多功能车外诊断系统。它是指利用通用或专用仪器对汽车电控系统进行检测和诊断，并通过仪表或显示器显示检测结果。1

25、982年，意大利米兰汽车工业大学首先成功研制了汽车电系故障诊断专家系统，该系统采用反向推理，知识库有100多种规则组成，主要来自修理工人的经验和维修手册，此系统的实际目的是为了教学。不久，美国通用电器公司研制成功了内燃电力机车故障排除和修理咨询系统DETA，1985年研制了发动机冷却系统噪声识别与诊断专家系统，系统的作用是利用领域专家和维修人员的经验，用于识别和诊断出发动机冷却系统中的主要噪声，系统具有近200条规则，是一个简单的咨询系统。日本丰田中央研究所开发了汽车故障诊断专家系统ATERX，它根据司机日常注意到的现象，推断引起发动机故障的原因及维修方法，该系统是一个产生式系统，知识结构中约

26、120条规则，采用正向推理，把可能的故障原因全部输出。日本NISSAN汽车公司于1986年研制了用于该公司发动机电控系统的诊断专家系统，它是典型的产生式系统，用PROLOG语言实现，该系统采用宽度优先的正向推理策略。1978年，日产公司研制随车和离车的汽车发动机故障诊断系统。1998年HIPARL.GELLELE等人研制的发动机故障诊断系统软件，使系统适应面较广，商用化程度提高。这些系统实用性强，结构简单，但知识水平不高，所用知识类型和推理控制策略过于单一。国内在基于知识的发动机故障诊断系统方面的研究较晚。1988年天津工程学院在PC机上用DBASE语言开发，以TURBEPROLOG语言改写的

27、汽车故障诊断专家系统，该系统以老解放汽油车为主要研究对象。1990年华中理工大学在PC机上用IQLISP语言和汇编语言开发了发动机故障诊断专家系统，约200条规则，90多个框架和100多个过程，能对十多个故障做出比较完整的诊断。南京大学在1998年开发的汽车故障维修专家系统的基础ABDES，运用基于CASE的推理模式，采用可视化编程手段，提供了一个可视化的知识获取工具，可以完成基本的发动机故障诊断。这些系统普遍存在的问题是实用性差，知识库不完善，推理效率低，没有商业推广。2.2.2 汽车发动机故障诊断专家系统的分类及发展趋势（1）基于案例的专家系统基于案例推理(Case Based Reaso

28、ning, CBR)是近年来人工智能领域兴起的一种诊断推理技术。它是通过搜索曾经成功解决过的类似问题，比较新、旧问题之间的特征、发生背景等差异，重新使用或参考以前的知识和信息，达到最终解决新问题的方法。基于案例的专家系统具有诸多优点。首先，系统无须对知识进行规则提取，降低了知识获取的难度。其次，系统是开放的，便于进行增量式学习，而且案例库的覆盖度将随着系统的不断使用而逐渐增加。该方法主要用于分析不确定性故障，适用于诊断领域源知识难以表示成规则而易于表达成案例的情况。它的缺点在于案例特征的选择、权重分配以及处理实例修订时的一致性检验（特征变量间的约束关系）等问题。传统的基于案例的方法难以表示案例

29、间的联系，对于大型案例库案例检索十分费时，并且难以决定应选择哪些特征数据及它们的权重。基于案例诊断的专家系统的技术关键是如何建立一个有效的检索机制和案例的组织方式；案例匹配的表面相似性、结构相似性和深层相似性；诊断案例是否能够覆盖所有的解空间；案例特征的选择、权重分配以及处理案例修订的一致性检验等78。（2）基于模糊推理的专家系统模糊理论(Fuzzy Theory,简称Fr)的概念由美国加利福尼亚大学教授扎德在其Fuzzy Sets和Fuzzy Algorithm等论著中首先提出。它是为解决不确定性问题，将经典集合理论模糊化，逐步发展成一套完整的推理体系，是对模糊事物相互关系的研究。模糊性是指

30、客观事物在状态及其属性方面的不分明性，其根源是在类似事物间存在一系列过渡状态，它们互相渗透、互相贯通，使得彼此之间没有明显的分界线7。基于模糊逻辑的专家系统的优点在于： 具有专家水平的专门知识，能表现专家技能和高度的技巧以及具有分析不确定性问题能力。 能进行有效的推理，具有启发性，能够运用人类专家的经验和知识进行启发性的搜索、试探性的推理，容易被理解。 具有灵活性和透明性。模糊理论擅长改善其它人工智能方法的容错性能，但在模糊故障诊断中，构造隶属函数是实现模糊故障诊断的前提，由于隶属函数是人为构造的，含有一定的主观因素。另外对特征元素的选择也有一定的要求，如果选择的不合理，诊断精度会下降，甚至诊

31、断失败。这种诊断方法的知识获取相对较困难，特别是故障与征兆的模糊关系不易确定，且系统的诊断能力依赖于模糊知识库，学习能力差、易发生漏诊和误诊，而且，由于模糊语言变量是用隶属函数表示的，实现语言变量与隶属函数之间的转换是一个难点9。（3）基于人工神经网络的专家系统人工神经网络(Artificial Neural Network，ANN)是在现代神经生理学和心里学的基础之上模仿人的大脑神经元结构特性而建立起来的一种非线性动力学网络系统。它是从微观上模拟人脑功能,是一种分布式的微观数值模型，神经元网络通过大量经验样本学习知识。更重要的是，神经网络有极强的自学能力和适应性，对于新的模式和样本可以通过权

32、值的改变进行学习、记忆和存储，进而在以后的运行中能够判断这些新的模式。此外，人工神经网络还具有冗余性，即使某个神经元失效，也不会影响整个网络的功能。神经网络技术的出现为专家系统提供了一种新的解决途径。特别是对于实际中难以建立数学模型的复杂系统，神经网络更显示出其独特的功效。然而，神经网络专家系统也存在固有的弱点：系统性能受到所选择的训练样本集的限制，训练样本集选择不当，特别是在训练样本集很少的情形下，很难指望它具有较好的归纳推理能力；神经网络没有能力解释自己的推理过程和推理依据及其存储知识的意义；神经网络利用知识和表达知识的方式单一，通常的神经网络只能采用数值化的知识；神经网络只能模拟人类感觉

33、层次上的智能活动，在模拟人类复杂层次的思维方面还有不足之处 7。（4）基于故障树的专家系统故障树分析法简称FTA法，是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按树枝状逐渐细化的分析方法。它是对复杂系统进行可靠性分析的有效工具，其目的在于判明基本故障，确定故障的原因、影响和发生的概率。故障树分析法就是把所研究系统的最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成下一级事件发生的全部直接因素，以致追查到那些原始的、勿须再深究的因素为止。用相应的符号代表这些事件，再用适当的逻辑门把顶端事件、中间事件和底端事件连成树形图，这样的树形图称为故障树，用以表示系统或设

34、备的特定事件与它的各个子系统或各个部件故障事件之间的逻辑关系。以故障树为工具，分析系统发生故障的各种途径，计算各个可靠性特征量，对系统的安全性或可靠性进行评价的方法称为故障树分析法10。故障树分析法使复杂的原因直观化、简单化。但是故障树分析法仍存在以下不足：应用故障树分析方法诊断时，对多因多果事件的鉴别性差，造成自顶事件向下搜索故障起因遇到逻辑门时，并不明确应该优先沿哪条路径搜索下去，往往造成多次回溯，影响了诊断效率；应用该方法寻因搜索过程中，采取宽度优先搜索，没有利用启发信息故属于盲目搜索，并在安排搜索顺序时没有考虑各中间事件或底事件检测代价的大小和发生概率的高低，此种低效搜索过程需要优化，

35、其逻辑门形式不能适应复杂系统的快速故障诊断的需要。（5）专家系统研究的应用趋势从上述介绍的几种专家系统在发动机故障诊断的应用情况可看出，每种方法都有各自的适用范围和优缺点。依靠单一方法往往难以满足汽车发动机较为复杂的故障诊断要求。因此，采用由两种或两种以上方法构成的混合系统在汽车发动机故障诊断中的应用也越来越广泛，具有诊断的智能化、网络化和集成化的特点的专家系统将是汽车发动机故障诊断研究的一个发展趋势。2.3 本文的主要研究内容本文的主要研究对象是奥迪A6电控发动机，采用基于模糊推理分析的方法，通过收集资料和与专家交流的形式获得奥迪A6电控发动机电控系统故障诊断知识，建立模糊规则，然后对所建立

36、的模糊规则进行定性分析，生成诊断系统的知识库，并最终实现奥迪A6电控发动机电控系统故障的诊断。由于时间原因，本文主要介绍了以下几方面的内容： 隶属函数确定方法的研究。在混合模糊推理的过程中，隶属度（可信度）大小的确定非常关键，它决定了诊断结果的准确性，从而决定了能否快速确定故障所在。本文采用二元对比决策中的模糊优先关系排序决策法作为本系统隶属度的确定方法。 推理方法的研究。基于电控发动机故障症状及其相应故障原因的复杂性和不确定性，在研究汽车故障诊断方法的基础上，确定采用符合人类专家诊断思维的混合模糊推理作为该系统的推理策略。 对专家系统知识表示进行研究。最后用Visual Basic和Acce

37、ss计算机语言为工具开发电控发动机故障诊断系统，使用户通过友好的人机交互界面实现对典型故障诊断，并实现知识咨询功能。3 奥迪A6电控发动机故障诊断技术3.1 奥迪A6发动机概述奥迪A6轿车发动机基本有三种型号：ANQ型1.8升，直列四缸。APS型与ATX型均为V型6缸，APS型为2.4升，ATX型为2.8升。所有的发动机都为五气门，带有凸轮轴调整器、进气歧管切换阀、机油冷却器，有的发动机带有二次进气系统。由于三种发动机基本结构大体相同，故本文仅以ANQ型1.8升电控发动机为例进行阐述。3.2 奥迪A6（ANQ型）发动机电控燃油喷射系统的组成四缸ANQ型发动机采用举世无双的五气门技术，顶置凸轮布

38、置，进气歧管转换阀，德国Bosch公司Motronic电控多点汽油喷射系统和氧传感器闭环控制系统等世界先进技术。该发动机的升功率，升扭矩已达世界先进水平，还装有凸轮轴调整器、机油冷却器、硅油耦合器和冷却风扇。轿车加速性好，整车速度快，排放低等优点成为世界范围内的先进的发动机。四缸ANQ型发动机除电控汽油喷射系统外，其它系统的功能原理及结构与传统发动机基本相同，本文不再陈述，这里主要论述电控汽油喷射系统的基本组成及其功能11。电控燃油喷射系统由三个系统组成：燃油系统、进气系统和电控系统12。1）进气系统进气系统为发动机可燃混合气的形成提供必要的空气。空气经空气滤清器、空气流量计、节气门体、进气总

39、管、进气歧管进入气缸。当加速踏板安全松开时节气门完全关闭，发动机在怠速工况下运行，空气经旁通道直接进入气缸，如图1所示。气缸各缸进气歧管总管节气门体空气流量计空气滤清器空气阀图1 进气系统2）燃油系统燃油系统的功能是向进气管喷射燃烧时所需的燃油量。燃油从燃油箱内由电动汽油泵吸出，经汽油滤清器后，再由压力调节器加压，将压力调节到比进气管压力高出约300Kpa(2.55kgf/cm2)压力，然后经输油管配送给各喷油器和低温起动器，喷油器根据电控单元ECU发来的脉冲信号，把适量燃油喷射到进气歧管内，如图2所示。油箱电动汽油泵汽油滤清器压力调节器喷油器冷启动喷油器回油管图2 燃油系统3）电控系统电控系

40、统是电控单元根据传感器检测到的汽车运行工况和发动机运行工况来确定喷油量及点火提前角，从而控制发动机在最佳工况下运转。发动机电控系统的组成主要由信号输入装置（传感器）、电子控制单元(ECU)、执行器等组成，如图3所示。进气量空气流量计转速信号其他传感器基本喷油量补充喷油量喷射信号喷油器图3 电控系统 四缸ANQ型发动机以一个电子控制装置(ECU)为控制中心，利用安装在发动机不同部位上的各种传感器（空气量计、冷却液温度传感器、转速传感器、氧传感器、爆燃传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器等），测得发动机各种工作参数，按照ECU中设定好的控制程序，通过控制喷油器，进而精确地控制喷油量，使发动机在

41、各种工作情况下都能获得最佳浓度的混合气。此外，电控燃油喷射系统通过电脑中的控制程序，还能实现启动加浓、暖机加浓、加速加浓、全负荷加浓、减速调稀、强制断油、自动怠速控制等功能。满足发动机在特殊工况下对混合气的要求，使发动机获得良好的燃油经济性和排放性，同时也提高了汽车的使用性能11。3.3 奥迪A6（ANQ型）电控发动机的故障诊断3.3.1 奥迪A6（ANQ型）电控发动机的故障特点和分类通过以上对发动机电控燃油喷射系统结构与功能特性的全面分析，可以得出电控发动机其结构的层次性、复杂性以及控制功能的集中性，其故障表现形式表现有传播性、相关性、时间性、放射性和模糊性等特点。由于电控发动机的故障特点的

42、复杂性，汽车电控系统故障可以分为常见故障和疑难故障。如果电控系统有明显的异常症状时，经过仪器检测、车载自诊断系统或者维修人员的经验能够顺利确定并排除的，这种故障称为常见故障。电控系统的疑难故障是指利用仪器检测未能发现，使用车载自诊断仍不能确定以及依靠维修经验还不能诊断的故障。疑难故障的多重性是汽车电控系统故障诊断技术的难点。归纳实际维修工作中疑难故障出现的概率，总结疑难故障存在的性质，大体可分为以下几种情况13。1）潜伏性故障潜伏性故障是指汽车电控系统确实存在的故障，但是没有明显的故障症状，故障原因难以查明。它的症状表现为电控系统故障特征不明显，通常表现为汽车电控系统故障的隐蔽性状态。2）间断

43、性故障间断性故障是指汽车电控系统出现故障后症状表现很不确定，即时而出现，时而又消失，故障原因难以查明。它的症状表现为电控系统故障特征极不稳定，通常为汽车电控系统故障的断续性状态。现在汽车电控系统相当复杂，有上千个电子元件、上百个插接件、几十个传感器和执行器。如果一个元件，一个插接件、一个传感器或是一个执行器接触不良都会引起电控系统出现间断性故障。3）交叉故障交叉故障是指汽车同时出现机械、液压、油路和电控系统综合性故障后，非电控系统故障交叉掩盖电控系统故障，故障原因难以查明，它的故障表现为电控系统故障特点极不明显，通常为电控系统故障的错觉性状态。4）虚假性故障虚假性故障是指发动机电控系统出现单一

44、故障后，由于汽车处于运转的状态下，使的故障损坏程度进一步延伸恶化，将电控系统的故障以非电控系统故障的症状显示，故障原因难以查明。它的故障表现完全以虚假性的非电控系统故障出现，通常为汽车电控系统故障的假象性状态。3.3.2 奥迪A6（ANQ型）电控发动机的故障诊断方法系统分析法是一种综合分析解决问题的方法，它把诊断维修过程从故障车进入维修车间到排除故障试车合格出厂看成一个整体来加以考虑。图4所示为采用系统分析法排除故障的诊断流程图12。当车辆进入维修车间后，维修技师首先使用问诊法对车主进行调查，接下来采用直接观察法中的人工检查法来进一步缩小故障范围。利用故障自诊断系统读取故障码是一种快速简便而又

45、准确的方法，因此不论是否存在故障码，都应读取并记录。如果没有故障码就写下无故障代码。症状确认是故障诊断的核心，为确认故障还可以采用经验法、专家调查法、症状模拟法来进一步确认故障。部件检查、电路检查和故障部件辨认就是检查其电特性和机械特性，如符合规则则说明部件或电路正常，反之则有问题。接下来进一步详细说明各主要步骤功能2： 静态模式读取和清除故障码。为了准确地判断故障，必须按表1所示的步骤进行检查。并将故障代码逐一记录下来，然后清除故障码。 症状确认。症状确认是非常关键的一步，可使用多种方法来鉴别诊断以确定具体故障部位。 症状模拟在故障诊断时，有时需要对车辆故障情况进行模拟，常用的方法有振动法、

46、加热法、水淋法、电器全部接通法和冷却法。 动态故障代码检查。在动态模式读取故障码时，若显示故障代码，应按故障代码进行故障诊断与排除；若无故障代码显示，则按其他系统进行故障诊断。 电路检查。通过检查电路，可以判断传感器、执行器、线束、连接器和ECU是否正常工作。 部件检查。当故障症状明显显示为某一部件有故障时，应按部件检查方法进行检查。汽油喷射系统中的部件大多不进行修理，确认部件故障后，应予以更换。 调整或维修。在确定故障的具体部位后，应按维修工艺或维修手册所述步骤检查、调整、修理或更换。 试车检验。在完成调整或维修后，应再进行试车检验，确保整个发动机系统工作正常。正常码故障存在在故障码故障不出

47、现部件检查不合格电路检查瞬时断电检查故障部件辨认症状模拟症状确认专家调查法经验法故障车进入维修车间问诊法人工检测法读取和清除故障代码码故障症状关联表故障代码检查基本检查故障代码表调整或维修试车检验出厂图4 故障诊断流程图表1 故障代码检查步骤表故障码检查及清除症状确认故障码再次检查症状状况显示故障码症状存在显示同一故障码故障码所指电路故障依然存在显示正常码故障不在故障码所指电路，在另一故障点症状消失显示正常码第一次显示故障码是历史记录显示正常码症状存在显示正常码故障不在诊断电路中，但存在症状消失显示正常码故障不在诊断电路中，已清除3.3.3 奥迪A6（ANQ型）电控发动机的常见故障诊断及其修理

48、奥迪轿车电喷系统出现故障，可以通过自诊断系统提供的故障码找出故障，也可以根据综合故障表现进行诊断，结合故障码按照系统分析法的相关原理进行综合诊断。如表2所示为电喷系统常见综合故障的现象、原因和排除方法14。表2 电喷系统常见综合故障的现象、原因和排除方法故障现象故障原因排除方法发动机冷起动困难（发动机在冷态下起动困难，或在冷态下起动后转速迟缓）冷气起动阀故障修复或更换冷起动阀冷态可控制压力不正确调整冷态控制压力燃油系统油路渗漏排除燃油系统油路渗漏气流感知板静止位置不正确调整气流感知板静止位置气流感知板或控制柱塞卡滞清洗气流感知板或控制柱塞热控限开关未关关闭热控限开关发动机热起动困难（发动机在热

49、态下难以启动，或在热态下起动后转速迟缓）热态控制压力不正常调整热态控制压力混合气调整不正确调整混合气浓度燃油系统油路渗漏排除燃油渗漏真空系统渗漏排除真空泄露气流感知板故障修复或更换气流感知板控制柱塞故障修复或更换控制柱塞发动机冷态下不能起动燃油泵不供油修复或更换燃油泵燃油系统油路渗漏排除油路渗漏真空系统泄漏排除真空系统泄漏热控限时开关常开适时关闭热控限时开关冷起动阀故障修复更换冷起动阀发动机不能热起动燃油泵故障修复或更换燃油泵喷油器阀渗漏或开阀压力低修复更换喷油器阀真空系统泄漏排除真空系统泄漏燃油系统油路渗漏排除油路渗漏混合气浓度调整不正确重新调整混合气浓度热态控制压力过低调整热态控制压力发动

50、机怠速不稳定进气歧管泄漏修复或更换进气歧管燃油系统渗漏检查排除燃油系统泄漏燃油压力调节器故障更换燃油压力调节器故障喷油器阻塞清洗或更换喷油器火连接故障修复花塞或高压线故障点火正时不正确调整点火正时节气门电位计故障更换节气门电位计发动机动力不足点火或配气不正时调整点火或配气正时进气或排气阻力大疏通进气或排气管路喷油器不工作修复或更换喷油器节气门阻滞修复节气门使工作正常传感器工作不良检查相关传感器使工作正常燃油压力不足检查供油管路油耗过高燃油系统油路渗漏修复燃油系统油路故障混合气过浓调整混合气浓度热态控制压力过低调整热态控制压力进气管回火热态控制压力过高调整热态控制压力真空系统泄漏排除真空系统泄漏

51、排气管回火起动阀渗漏修复更换起动阀热态控制压力过高调整热态控制压力燃油系统油路渗漏排除燃油系统油路泄漏混合气过浓调整混合气浓度发动机自燃超速断油阀故障修复更换超速断油阀气流感知板卡滞修复气流感知板控制柱塞卡滞排除控制柱塞卡滞修理时应首先关闭点火开关，若是更换元件，应对新元件进行检查测试，以确保新元件正常。另外要注意，没有故障现象说明没有故障。因此在开始作业前，一定要先确认故障现象，然后确定出故障部位及原因,再进行修理。有的回路或支路故障不止一个，第一个故障排除后，第二个故障才显现出来,这时要对该回路或支路再次进行检修，直至确认修理成功为止。3.4 电控发动机故障诊断技术的发展趋势电控技术在发动

52、机上的应用，极大地提高了发动机的性能，减少了燃油消耗，改善了排放。同时其诊断技术也有了极大的发展，能够较为方便、快速地诊断出电控系统故障。但从上述分析的诊断方法来看，现有诊断系统还存在如下一些方面的不足: 现有的电控系统能进行故障自诊断，但也仅仅是在系统发生故障后报警，并把相应故障码存贮起来，然后需由维修人员通过自诊断系统或解码器读取故障码。它不能对所控制设备运行的状态、过程参数等,进行连续、系统的记录和显示，以准确反映出设备各部分、各阶段的具体状态，也不能深入分析、预测其发展趋势，并提出专家建议。 现有诊断系统不能自动完成对测试结果的分析解释，也不能准确地确定出故障的具体部位和原因，还需由维

53、修人员做进一步的逐项检查。 诊断系统不能诊断机械部分的故障，也不能对机械部分的状态进行监控。如燃油压力、气缸密封性等。 诊断系统都是单个独立的，不能实现远程诊断，不能对各专家系统实现共享。当车辆在途中发生故障时，就必须送回修理厂进行修理，遇到疑难问题时，也不能立即进行专家会诊。为充分发挥电控系统的优势,未来诊断系统的发展应是智能化、网络化、系统化。 智能化 系统既能报警,即在被监控设备发生故障时报警，也能对设备运行的具体状态、过程等进行监控和随时显示，并能对各种参数及测试结果进行分析解释，并提出专家建议，为设备的使用、维护等提供依据，在故障发生前把隐患消除，延长设备的使用寿命，使设备始终在良好

54、技术状态下运行。 网络化 使维修人员不必在现场就能实现诊断，并随时监控发动机的运行情况，还能查阅各专家系统,实现对各专家系统资源的共享。4 基于模糊推理的故障诊断系统的概述4.1 系统的基本原理故障诊断总的来说就是识别对象系统的各种状态是否正常，发现并确定故障的部位和性质，寻找故障的起因，预报故障的趋势，得出相应的诊断结论并给出维修建议。基于模糊推理的故障诊断系统就是将诊断知识，特别是将专家的知识与计算机结合在一起，按照一定的推理算法，通过人机接口的形式让诊断者与计算机进行对话，并由诊断者回答系统提出的问题，系统根据提问和回答的答案进行推理，并最终给出专家级的诊断结论。4.2 系统的基本结构本

55、系统是将模糊推理技术、汽车故障诊断技术并结合专家系统的基本原理，在Windows环境下，利用VB语言开发电控汽油发动机故障诊断系统。汽车发动机的故障诊断系统主要由人机界面、故障诊断、知识库管理、学习咨询、系统维护和帮助系统等组成15。系统总体框图如图5所示。学习咨询知识库管理故障诊断系统维护车型模糊混合推理知识库建立知识库维护知识库查询数据流故障码维修数据部件检测电路图结构图系统帮助故障诊断恢复打印设定系统信息维护用户信息维护人机界面图5 系统总体框图1）人机界面 人机界面指的是最终用户与诊断系统的交互界面。一方面，用户通过这个界面向系统提出或回答问题，或向系统提供原始数据和事实等；另一方面，

56、系统通过这个界面向用户提出或回答问题、输出结果以及对系统的行为和最终结果做出适当解释。2）故障诊断故障诊断是系统的“思维”机构，是构成系统的核心部分。其任务是模拟维修专家的思维过程对问题进行求解。它能根据当前已知的事实，利用知识库中的知识，采用了正反向混合模糊推理方法对发动机在工作中发生的故障进行迅速准确地诊断。通过对可信度值的计算与推理，实现对各种典型故障的快捷、专家级的诊断。3）知识库管理知识库是知识的存储空间，用于存储领域内的原理性知识、专家的经验知识及有关的事实等。知识库的知识来源于知识获取机构，同时又为推理机求解问题提供了所需的知识。知识库管理系统是知识库的支撑软件。其功能包括知识库

57、的建立、删除、重组；知识的获取、维护、查询、更新；以及对知识的检查，包括一致性、冗余性和完整性检查等。4）知识咨询主要是把与查找故障原因有关的各车型原始资料、线路图、故障码、数据流和检查方法等统一放入综合数据库，在需要时随时方便地调用查阅；并能添加、修改各种新的检查维修方法。5）系统维护向用户提供本系统的使用和帮助信息。包括诊断恢复、打印设定、系统信息和用户信息设置等。4.3 系统的主界面本系统模拟专家的实践经验和思维方式，通过人机对话的方式查找故障信息、推理并给出解决方案。电控发动机故障诊断系统主窗口菜单有六类：故障诊断类菜单、系统维护菜单、学习咨询菜单、知识库管理菜单、帮助系统菜单和退出菜

58、单。分别完成故障诊断功能；浏览、修改、添加知识库功能；查询知识功能；辅助维修管理功能；帮助功能；退出系统功能。主窗口如图6所示。图6 主菜单窗口4.4 系统的功能4.4.1 系统的诊断功能基于模糊推理故障诊断系统通过对可信度值的计算与推理，结合专家诊断的正反向混合推理策略，可以实现对复杂故障的快速的诊断。对于不确定性复杂故障可以采取模糊混合推理方法进行诊断，提高了排除故障效率并降低了误诊、漏诊的风险。系统诊断功能是通过友好的人机交互界面实现的，其诊断流程如图7所示。否是诊断询问用户回答系统推理分析确诊提出维修建议图7 系统总体诊断流程框图4.4.2 系统的辅助功能系统辅助功能包括知识库管理、学

59、习咨询、系统维护以及帮助等16。系统的辅助知识库管理功能包括对知识库的添加、修改，对知识库的浏览以及对知识库或诊断表的删除。以实现对不合理的诊断的调整、优化和对知识库的浏览及删除无用的诊断表或知识库。通过添加新的知识库可以使系统不断适应新的车型或新的故障。通过对专家的知识和经验的总结和提取并按照知识库的格式规范化后，通过人机交互界面添加到知识库中以实现系统的知识获取。故障诊断系统设有学习咨询模块，通过它能系统地学习不同车型的故障原理、故障诊断知识，查找维修保养手册，便于维修人员学习提高自己的专业知识，并且在诊断排除故障时能够参考相关内容。该系统的辅助维修管理功能还可以方便维修人员进行日常的维修

60、和保养工作。而该系统的维护帮助功能可以对系统的使用方法、注意问题作出解答。此外还能实现恢复、打印设定、系统信息和用户信息的设置等。5 基于模糊推理的奥迪A6发动机故障诊断系统的开发研究5.1 发动机故障诊断的模糊性汽车在运行过程中,由于设计或制造中的缺陷、使用不当、维修不良等因素引起汽车故障并导致事故不断发生。汽车故障种类繁多原因复杂，所以汽车维修工作难度较大。传统的汽车故障诊断是建立在人工经验检查的基础上，主要依赖于人工观察、推理分析和逻辑判断。这里面包含了丰富的专家经验，但无论是汽车的行驶状态还是人们在状态监测和技术诊断中都存在着许多模糊的概念和方法，其模糊性具体体现在以下两个方面17：

61、汽车在行驶过程中，各状态或故障之间并没有明确的界限。从无故障到产生故障是一个渐变过程，汽车的“故障”和“非故障”属于两个模糊集，它既不是完全“完好”，也不是完全“故障”，而是处于“完好”和“故障“的中间状态。因此人为规定一个明确界线，或确定一个故障阈值来判断汽车是否有故障，必然会将人的主观误差(包括判断误差)带入故障诊断结果之中，造成故障信息的谎报和漏检。 人们对故障症状的观察其本身也是不明确的,感觉成分较多。众所周知，一个熟练的技术人员可以凭他的经验判断出汽车是否有故障及故障发生的部位，而这种“经验”本身是一种模糊概念。比如通过眼看、耳闻、手摸及仪表测量，在自己头脑中形成了模糊的故障概念来确

62、定汽车发生了故障，然后由故障现象寻找故障原因，推断故障部位等。所以在故障诊断的经验方法中，其实质也充满了模糊性。综上所述，对汽车故障的诊断仅仅依靠定性决策是无法准确而快速地解决问题，而经典的数学方法在这里又显得无能为力，进而本文利用模糊数学的理论及方法，为汽车的故障诊断维修工作提供一种新的科学、可行的方法。5.2 模糊诊断汽车故障诊断的整个过程是计算机与人的主观能动性组合的决策过程。汽车故障诊断的模糊综合评判是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，根据各故障原因与故障征兆之间的不同程度的因果关系，在综合考虑所有征兆的基础上，来诊断汽车发生故障的可能原因。模糊诊断需要解决的问题是：模糊关系矩阵的构造；隶属度（可信度）的确定；模糊诊断算法和原则的确立。5.2.1 原因集设用一个集合来定义一个系统(汽车发动机或某个子系统)中所有可能发生的各种故障原因。它可用一个向量表示 (5-1)其中，n表示发动机或某个子系统故障原因种类的总数。5.2.2 征兆集这些故障原因可能引起各种故障症状，如发动机温度过高，发动机起动困难等等，被定义为一个集合，并用一个向量表示 (5-2)其中，m表示发动机故障征兆种类的总数。5.2.3 模糊关系矩阵发动机的原因