基于CLIPS的数控机床故障诊断专家系统研究*

2015-11-24何彦虎钱振华朱建伟问朋朋

机械制造 2015年9期

关键词：人机界面数控机床语句

□ 何彦虎 □ 钱振华 □ 朱建伟 □ 问朋朋

湖州职业技术学院机电分院浙江湖州 313000

基于CLIPS的数控机床故障诊断专家系统研究*

□ 何彦虎 □ 钱振华 □ 朱建伟 □ 问朋朋

湖州职业技术学院机电分院浙江湖州 313000

针对数控机床的故障诊断，提出了基于专家系统的智能故障诊断方法，阐述了其实现的基本原理、专家系统的基本组成和开发步骤。对目前CLIPS与高级语言VC++的混合编程进行了优化，并对混合编程的方法进行了介绍。叙述了CLIPS与VC++基于文本平台交互的基本原理与实现方法，该方法弥补了传统的基于VC++开发环境的不足，大大提高了开发速度与质量。最后，对基于FAT的数控机床故障分析进行说明，并对开发过程进行了介绍，以实例形式说明了专家系统开发的过程，对其它基于CLIPS的专家系统开发具有参考价值。

推理故障诊断专家系统 CLIPS

数控机床是制造业最常用的设备，它集机、电、液于一体，复杂性高，维修难度大，对维修人员的要求极高，即使一个经验丰富的维修师，有时也需要比较长的时间去维修，因此智能化的维修方法近年来得到广泛的研究和应用。智能化维修理论主要有：基于模糊集的维修方法，基于神经网络的维修方法，还有比较常用的基于专家系统的维修方法。专家系统可以将专家的维修思想用智能化语言实现，维修的时候，只需要查询专家系统，便可以得到比较满意的维修方法，更重要的是专家系统可以不断地再学习和完善。目前已经有较多的专家系统得到成功应用，其编程一般采用智能化设计语言完成。CLIPS是继Prolog之后被广泛使用的人工智能语言，它是用C语言实现的，继承了Prolog语言的优点，并进行了改进，因效率高，可移植性强而得到广泛的应用［5］。CLIPS是产生式专家系统开发工具，结构简洁，采用模块化编程，与C、VB、Pascal等语言的兼容性强。VC++不擅长逻辑推理，但在人机界面及数据库操控方面优势明显，而CLIPS在逻辑推理方面功能强大。因此，二者的混合编程能产生良好的效果。文献［1］采用Define Function函数实现二者的交互，文献［2］采用故障树的方法分析故障，文献［3］采用了实体的故障分析方法，在交互模式上采用了函数指针方式，文献［4］采用了基于VC++环境的交互方式。

1 CLIPS基本组成

CLIPS的优点在于良好的可移植性和高效模式匹配算法，其构成的专家系统包括：规则（Defrule）、事实（Deffacts）、推理（Agenda），如图2所示。

事实由关系名（Relation Name）及槽值（Slot）组成，表示已知的信息。事实一般先用自定义模板定义事实结构，形式如下：

在推理时，CLIPS会把所有的事实添加到存储器中，并提供了添加事实库指令（Assert）、删除事实（Retract）指令等多个关于事实的操作指令。

规则是推理的相关知识，其格式如下：

CLIPS的推理循环可分为4个阶段：①模式匹配，按照算法扫描知识库中所有规则，把规则的前件与当前事实相匹配；②冲突消解，当多条规则同时被匹配时，根据预先确定的冲突消解策略，确定触发规则；③激活规则，调用匹配所触发规则的所有事实；④动作，CLIPS推理机重复上述循环，不断地扫描规则的模式，并把匹配成功的规则激活，放入议程（Agenda）之中。

2 专家系统结构设计

依据专家系统原理，故障诊断专家系统主要组成有：事实库、推理机、知识库、解释机构及人机界面等部分，系统的总体结构如图1所示。

领域专家把相关的知识输入到专家系统中，即以规则表示的知识表示出来，则专家系统的推理过程可以模拟专家的推理过程，进而满足用户的需求。数据库也称“黑板”，主要用来存储相关领域的事实、数据等信息。推理机是实现专家系统推理的一组程序，是根据数据库的内容，按照某种推理策略，运用知识库的知识完成推理，是专家系统的主要任务，推理方法有正向推理和反向推理，策略常用广度优先和深度优先策略。

▲图2 专家系统结构

3 CLIPS与VC++交互的关键技术

目前CLIPS版本仍是基于命令模式，人机界面主要由VC++完成，这就要求二者之间进行交互。CLIPS与VC++的交互模式基本有两种：基于VC++环境和基于CLIPS环境两种：前者的基本思路是，CLIPS只实现推理功能，其它功能如读（Read）、写（Printout）、人机界面等功能全部由VC++实现，CLIPS类似一个函数，被高级语言调用，实现其推理功能，这种方式目前使用最多，这种方式的最大不足是CLIPS的许多功能由VC++完成，即没有利用好CLIPS的强大功能，也增加了VC++开发的工作量，另外，调试必须在VC++环境下，速度较慢，而且也得不到CLIPS的调试信息；后者的基本思路是，由VC++实现其人机界面功能，其它的功能由CLIPS实现，调试在CLIPS环境下，特别适合程序的调试，因为调试时系统会提供大量的调试信息，速度快，比较方便，而且与VC++的版本关系不大，方便移植，但是必须要解决一个难题，就是如何改进CLIPS编程，以便让VC++识别。这种交互的基本组成构架如图3所示，笔者采用后者完成。

▲图3 CLIPS与VC++交互示意图

这种交互的要求是在CLIPS环境下调试的程序不改变或很少改变后便能被VC++识别和执行，要实现这个要求，关键是解决Printout和Read语句的处理。

3.1 CLIPS与VC++交互环境的构建

要实现二者的交互，首先需要一个clips.dll的动态库文件和包装类文件CLIPWrap，二者在Clips的网站上可以下载。为了让VC++可以调用CLIPS中的类，需要把clipwarp文件夹中的dynclips.h和dyaload.h两个头文件添加到VC++的include文件夹下，并把clips.dll和Clips.lib、rsvarcol.cpp和Rsvarcol.h放到VC++的工程目录下，以便让VC++搜索到，这样，工作环境就建立了起来，VC++可以调用clips的所有函数了。

3.2 用printout语句实现交互的方向控制

在Clips下，（printout f“”）表示将信息显示到终端设备上（默认是显示器），如要求在VC++的edit编辑框中显示信息，则使用下述语句：

3.3 read语句

因为在CLIPS环境下read语句默认的是从显示终端上获取数据，而VC++在执行这条语句时，并不是从显示器终端上获取数据，所以不处理就使用将会造成死机或不能用。许多开发者不得不将该语句转换成相同功能的高级语言来实现，使程序结构变差。利用下面的语句将会很好地解决这个问题，CLIPS从InFile. txt文件中读数，而VC++向该文件中写数，InFile.txt是数据交换的缓冲区。

4 故障诊断专家系统的CLIPS实现

数控机床由机床本体、伺服系统、主轴伺服系统、检测系统、CNC系统、液压润滑等组成，是典型的机电一体化产品，其故障类型多，维修复杂。要实现专家系统的故障诊断，首先要建立故障的分析方法，目前最常用的是故障树分析法（FTA），FTA是20世纪60年代发展起来的大型复杂系统的分析方法，故障树能比较直观地表达故障，可靠性和安全性好。实现故障推理，一般要进行规则库和事实库的定义和编程、定义故障树、初步调试、人机界面的编程、联调等过程。

4.1 知识表示

专家系统的知识表示方法很多，为了便于推理，笔者采用了如下定义方法：

（deftemplate N （slot Fnum）（slot name）（slot type）（slot question）（slot yesN）（slot noN）（slot answer）（slot CF）（slot weight）（slot threshold））；Fnum是故障编号，name为故障结点名，yesN表示可信度为1的结点。cf为可信度，weight为权重，threshold为阈值，当故障比较模糊的时候会用可信度表示。

4.2 事实定义

事实定义可以用deffact定义。

（N（fnum 1）（name root）（type decision）（question "跳过断路器接入电源，工作是否正常？"）（yesN node1）（noN node2）（answer nil）（CF 0.7）（weight 0.2）（threshold nil））。

4.3 VC++侧编程

首先要完成初始化工作，调用类OnInitDialog（）实现，主要完成初始化、加载知识库等动作，关键语句如下所示：

推理是专家系统按照知识库的规则，从事实库中提取事实，完成推理，关键的语句是：

加载事实是加载事实库，即将事实文件打开，主要语句是：

4.4 调试

调试工作一般是在CLIPS环境下进行，由此系统运行速度很快，而且错误提示清楚，提高了开发速度，调试界面如图4所示。

▲图4 调试界面

4.5 建立数控机床故障诊断树

故障树由顶事件、中间事件、底事件组成，中间事件是顶事件的故障现象，底事件是中间事件的故障发生原因。为说明专家系统的构建，现从一个实例进行说明故障树的CLIPS表示方法，如图5所示。

▲图5 推理关系示意图

各节点代表的含义：

A：过电流报警（用故障代号fnum表示）。

B：先关断电源，十分钟

后合闸，断路器是否跳闸。

C：请检查速度控制板二极管模块Ds是否短路。

E：模块损坏更换新模块。

F：无故障，可以继续工作。

D：请检查DS部件连接的电容是否短路，测试正反向电阻。

I：该电容损坏，请更换新电容。

H：跳过断路器接入电源，工作是否正常。

K：空气断路器故障，更换新的断路器。

M：故障原因是伺服单元不良。

以伺服过电流报警为例进行推理过程说明，伺服过电流故障的原因主要有：过载、功率模块损坏、电容失效、伺服单元故障等，推理开始要求选择故障现象，如图6所示。然后专家系统会向用户询问若干问题，如“先关断电源，十分钟后合闸，断路器是否跳闸？”，用户根据提示选择是或否，如图7所示。最后推导出下一个问题或结论，如图8所示。