摘要 空调制冷的应用已渗透到社会的各个领域，空调制冷机组系统也日益复杂，本文根据空调制冷机组系统的组成，将空调制冷机组系统分为压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、制冷剂与润滑油、管路与阀门这六个部分分别加以考虑。在对空调制冷机组故障原因和故障症状之间的关系进行分析基础上，采用二级模糊综合评判方法对空调制冷机组的故障进行诊断。利用Visual basic6.0软件，设计了对空调制冷机组故障进行模糊逻辑诊断（综合评判）的专用软件。并利用该软件对一故障实例进行了分析。
关键词 空调机组 故障诊断 模型评判 二级 |
引言
空调制冷的应用已渗透到社会的各个领域，空调制冷机组系统也日益复杂，设备趋于多样化和大型化，自控程度日趋提
高。而空调制冷机组系统故障产生的现象也之增多，且其带来的损失也在增大。因此，进行空调制冷机组系统的故障机理研究分析，建立有效、准确的故障判断模式，对空调制冷机组系统实时在线监控、故障先兆预测和系统的优化运行显得十分重要。经过大量研究，提出了多种故障诊断方法，如小波分析、专家系统和神经网络等[1，2]。由于空调制冷机组结构的多样性以及故障症状与故障原因之间关系的复杂性，即同一种故障症状往往对应着多种故障原因，同一种故障原因又地应着多种故障症状，使传统的诊断方法在实际应用中暴露出它们的局限性。而模糊诊断方法是以模糊数学为基础的故障识别方法，所要解决的问题是根据空调制冷机组运转中观察到症状来判断所发生的故障。由于这种诊断方法比较符合人类的思维方式，能克服机器设备复杂所带来的困难，因此具有较强的实用价值。目前已被运用到空调制冷机组系统的故障诊断中[1]。但所采用的均为一级模糊综合评判方法，对于空调制冷机组整机系统，故障症状较多，致使权数分配偏细，难以达到准确。本文在空调制冷机组故障原因与症状之间的关系进行分析的基础上，把故障症状分为不同的类型，利用二级模糊综合评判方法对空调制冷机组的故障进行诊断。
1 制冷机故障二级模糊综合评判原理
1．1 故障原因
空调制冷机组系统故障原因很多，这里只讨论在整个循环系统设计、匹配都正确合理时的情况。因为在实际的空调制冷机组装置中因系统设计匹配不合理而引起运行故障的情况是不多的。根据空调制冷机组系统的组成，这里将空调制冷机组系统分为压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、制冷剂与润滑油、管路与阀门这六个部分分别加以考虑。
选取较主要，典型的38种故障原因，构成故障原因集：
X=（X1，X2，…，Xi…，X38）
| 式中 | | | X1：压缩机进排气阀片泄漏； | X2：吸气阀片断裂； | | X3：排气阀片断裂； | X4：吸排气阀片未开足 | | X5：压缩机中活塞环漏气 | X6：汽缸中润滑油中断（压缩机润滑不良）； | | X7：液态制冷剂进入汽缸产生液压冲击； | X8：油泵失灵或油路阻塞； | | X9：冷凝器内外表面有污垢； | X10：冷凝器泄漏； | | X11：冷却水量不足（水阀未开或水量过小） | X12：冷却水流量过大； | | X13：冷却水温过高； | X14：冷却水温过低 | | X15：冷凝器回油不良； | X16：蒸发器内表面有油污； | | X17：蒸发器回油不良； | X18：蒸发器结霜过厚； | | X19：蒸发器泄漏； | X20：蒸发器中有局部阻塞； | | X21：膨胀阀开度太大； | X22：膨胀阀开度太小； | | X23：膨胀阀未打开或被阻塞 | X24：感漫画包工作介质泄漏； | | X25：制冷剂不足； | X26：制冷剂过多； | | X27：制冷剂中有水分； | X28：制冷剂中有杂质； | | X29：系统中有空气或不凝性气体 | X30：润滑油黏度过高或过低； | | X31：大量润滑油混入制冷剂中； | X32：贮液器的进液阀未开幕词或进液管路不畅； | | X33：出液管太细或阻塞； | X34：出液口至膨胀阀这条路上有阻塞现象； | | X35：示波器堵塞； | X36：回气管堵塞； | | X37：压缩机吸气管道阻力过大； | X38：压缩机排气管道阻力过大。 |
1.2 故障症状集
经过考察发现，异常现象可通过维修人员的看（观察水、制冷剂温度表和压力表）、听（用细长金属棒或长螺丝刀在制冷机外表面诊听声音）、模（凭手指感觉配气机构等工作情况和机器振动）等感管手段获得，并考虑到人脑的思维类似一种模糊过程，选用这一类型的故障症状。
空气制冷机组异常现象有压缩机异常、换热器（冷凝器、蒸发器）异常、节流机构异常、吸排气温度异常、吸排气压力异常等类别。本文参考有关文献[3，4]，结合空调制冷机组的实际情况，归纳整理出六大类32条故障症状构成症状（征兆）集U，U=（U1，U2，…，U6），如表1所示。
症状子集 U1=（Y1，Y2，……，Y8）
U2=（Y9，Y10，……，Y15）
U3=（Y16，Y17，……，Y19）
U4=（Y20，Y21，……，Y23）
U5=（Y24，Y25，……，Y29）
U6=（Y20，Y31，……，Y32）
空调制冷机组故障症状及其分类 表1 症状类型 | 故障症状 | 压缩机异常 | Y1 | 压缩机停止运转后，高压和低压部分很快达到压力平衡 | Y2 | 压缩机汽缸温度急剧上升 | Y3 | 压缩机汽缸表面易结霜 | Y4 | 压缩机不启动或启动后立即停机 | Y5 | 压缩机正常运行时突然停机 | Y6 | 压缩机开、停机频繁 | Y7 | 压缩机振动和噪声指标异常 | Y8 | 压缩机回气管上有结霜 | 换热器（冷凝器、 蒸发器）异常 | Y9 | 蒸发温度、蒸发压力过高 | Y10 | 蒸发温度、蒸发压力过低 | Y11 | 冷凝温度、冷凝压力过高 | Y12 | 冷凝温度、冷凝压力过低 | Y13 | 冷凝器冷却水进出口温差低于正常范围 | Y14 | 冷凝器冷却水进出口温差高于正常范围 | Y15 | 对冷凝器排空气有大量空气放出 | 节流机构异常 | Y16 | 开大膨胀阀后，膨胀阀处产生咝吡的声音 | Y17 | 膨胀阀进口管上有结霜 | Y18 | 膨胀阀后或蒸发器结霜不佳或不结霜 | Y19 | 对膨胀阀和加热，故障消失 | 吸排气温度异常 | Y20 | 吸气温度过低 | Y21 | 排气温度过高 | Y22 | 排气温度过低 | Y23 | 吸气温度过高 | 吸排气压力正常 | Y24 | 吸气压力过低 | Y25 | 排气压力过高 | Y26 | 排气压力过低 | Y27 | 吸气压力与蒸发压力之差高于正常范围 | Y28 | 排气压力与冷凝压力之差高于正常范围 | Y29 | 压缩机排气压力远高于冷凝压力 | 其他异常 | Y30 | 冷间温度过高（制冷量不足） | Y31 | 回油管结露或结白霜 | Y32 | 干燥过滤器外壳表面上凝有露珠或结白霜，壳体温度比环境温度低 |
各个症状在评判中所起的作用，亦即重要程度是不一样的。有些症状的出现与否将判定某故障是否产生。为了反映征兆间在重要程度上的差异，就需要赋予各症状以权重。权重的获得是由领域专家凭经验进行人为确定的，并在诊断过程中用诊断实例加以验证，修正。
设第i个症状子集的症状权重集为：
 （1）
其中  （2）
式中：n为症状子集中的症状个数，不同症状子集中的症状个数可以不等，即不同的i中n值不等;
μij表示第i个症状子集的第j个症状对该症状子的隶属度;
aij为归一化后的隶属度,即权重.
各症状子集在确定故障原因时所起的作用也是不同的,对症状子集也要赋以权重:
A=(a1,a2,…，a6) （3）
1.3 二级评判模型
根据模糊数学原理可以得到症状子集和故障原因之间的模糊关系为：
 （4）
式中"  "为模糊逻辑算子，是由征兆一故障原因隶属度构成的模糊诊断矩阵。
 （5）
式中：矩阵元素rijk表示第i 种征兆对第k种原因的隶属度。
p为故障原因集中的故障原因个数，p=38。模糊诊断矩阵Ri中各元素取值的大小与实际情况的符合程度直接影响诊断效果。因此，如何确定隶属函数（或隶属度）是整个诊断的关键。目前确定隶属函数的方法很多，主要为[5-7]：
1）根据调查统计结果得出的经验曲线作为隶属函数，如模糊统计试验法和二元对比排序法等；
2）根据问题的性质，选用某些典型函数作为隶属函数；
3）根据主观认识或个人经验，给出隶属度的具体数值；
4）利用动态信号处理的结果，经过适当转换得到隶属函数。
本文利用第三种方法，根据故障症状与原因之间的关系和有关专家的经验来确定隶属度的具体数值。
 （6）
上式求得的Bi是第i个征兆子集对原因集X的单因素评价集。它相当于进行二级评判计算时的诊断矩阵R的第i个行向量。
 （7）
式中：m为征兆子集数，即m=6。
二级模糊综合评判集为：
 （8）
评判指标bj(j=1,2,…,p)求得后，即可按最大隶属度法、加权平均法、模糊分布法和阈值原则等四种方法确定评判对象的具体结果。本文采用第四种方法。设定一个阈值u，若bi≥u,则可初步确定有Xi故障原因。再输入有关症状，进一步确诊。
| |
2 程序设计
2．1 程序设计步骤
在由症状推断出故障原因的
方法中，主要是靠经验和模糊统计构成模糊诊断矩阵，再经模糊逻辑合成运算进行综合评定。其诊断
内容主要包括：对应一个已知症状，要
分析可能或不可能引起这种征兆的原因以及某种原因的可能性最大；对应一组征兆的组合，则首先要确定应该排除的原因，再分析真正的原因，并对其原因的
影响程度作出比较。同时有若干种原因不便确诊时，要善于区别它们，必要时重新检查，正确制定检查步骤。最后给出一种或几种可能的原因和继续修改方案，再检查确定。
具体步骤可分为五步：①建立诊断矩阵；②确定模糊诊断算法；③确立模糊推理的具体原则和方法；④进行合成运算确定可疑原因；⑤确定真正的故障原因：验证可疑原因，找出真正的故障原因。程序流程如图1所示。
图１ 故障诊断程序框图
2．2 程序主要内容及使用方法
程序由封面、主窗体、输入数据窗体、故障症状、选择窗体、一级
计算窗体、二级模糊综合评判窗体和故障诊断结果显示窗体所组成。
1）首先由封面进入主窗体，主窗体中有两个菜单条"数据输入"和"帮助"。单击"数据输入"，会打开系统子菜单"征兆集权重"、"因素类权重"、"评判矩阵"。它们分别连接相关窗体，可以输入数据或查看数据。"帮助"菜单连接"使用说明"。主窗体（frmMain）上有两个控件"取消"或"确定"，"取消"将结束本次操作，"确定"进入选择故障症状窗体（frmSymptom）。
2）窗体（frmSymptom）用来选取症状，控件"清除"用来全部清除所选症状，单击"确定"将进入一级计算窗体（hiselect）。
3）窗体（hiselect）进行一级模糊评判。首先单击控件"赋初值"，然后在复选框中取选项进行计算，计算的结果将分别显示在指定的位置，最后单击控件"确定"将进入下一级窗体（secdonc）。
4）窗体（secdonc）进行二级模糊综合评判运算，此窗体有许多控件，须依次使用，"赋权重"、"二级计算"、"较可能故障"、"确诊故障"（此处显示对话框进行故障的确诊）、"显示结果"。对话框中选取"可能症状数目"时，只要求其小于或等于所给出的数目（输入"0"则此故障不能确诊），此处如果直接单击"ok"或"cancel"，程序将不再考虑那些还没有确诊的故障原因：当要求输入某一补充症状时，若不输入或输入的值不在所给的症状内，则此原因不能确诊。控件"显示结果"用于形象显示确诊结果，它连接窗体（frmResult）。
5）窗体（frmResult）用颜色的不同来显示结果，红色表示确诊的故障原因。单击窗体，返回上一级窗体(secdonc)，双击窗体，将返回主窗体（frmMain）。
3 实例分析 利用本软件对一空调制冷机组故障实例进行分析，故障的症状表现为：
Y
12：冷凝温度、冷凝压力过低
Y
7：压缩机振动和噪声指标异常（关系较弱）
Y
24：吸气压力过低；
Y
26：排气压力过低；
Y
30：冷间温度过高；
选取一组症状{Y
7，Y
12，Y
22，Y
24，Y
30}，进行一级和二级模糊综合评判计算后，在文本框中显示出较可能故障原因[{X
22，X
25}，单击控制件"确诊故障"，将给出每个可能故障原因所对应的故障症状。将补充观测到的症状通过对话框输入计算机，就会得到确诊的故障。如果输入的症状不在补充的症状之内，此原因将不被确诊。如从"X
22"给出的症状{Y
13，Y
18，Y
24，Y
30}中选"Y
18"作为补充症状，经观测确定存在Y
18，那么将给出确诊结果；X
22。而"X
25"所对应的故障症状与初选症状完全一致，要确诊"X
25"也要先从其对应的可能症状中选取一个或几个症状作为补充症状。所有的原因诊断完毕后，控件"显示结果"将利用颜色的变化来形象地表现确诊后的结果，即故障原因X
22（膨胀阀开度太小）和X
25（制冷剂不足）。
4 结束语 本文在对空调制冷机组的故障原因与症状之间的关系进行分析的基础上，把故障症状分为不同的类型，归纳整理出六大类32条故障症状，构成六个症状子集。依照空调制冷机组故障的分类，从压缩机、换热器（冷凝器、蒸发器）、节流机构、吸排气温度、吸排气压力中选取较主要、典型的38种故障原因，构成故障原因集。利用二级模糊综合评判方法建立了制冷机故障诊断模型，并利用VB6.0软件设计了一专用程序。从实例分析中可见，该程序使用方便，根据所观察到的症状就能给出几个可能故障原因，并利用补充症状进一步确诊故障原因。
参考文献 1 鲍士雄，赵鹏，谷波等，制冷系统故障论断中模糊模式识别技术的
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2 鲍士雄，陈丽萍，神经
网络在制冷装置故障诊断技术中的应用[J]，流体机械（3），第25卷，19～21
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科学出版社，1995，27～80
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7 王彩华，宋连天，模糊论方法学[M]，北京：
中国建筑
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8 刘炳文，精通Visual Basic 中文版[M]，北京：
电子工业出版社，1999，7<!-- #EndEditable
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