基于小波神经网络的设备故障诊断方法研究本科毕业论文(编辑修改稿)

基于小波神经网络的设备故障诊断方法研究本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

.......................... 53 中国石油大学（华东）硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 故障诊断的意义 随着 科技日新月异 的发展 ， 现代化生产 所用的 生产装置 也 趋向大型化、高速高效化、自动化和连续化，人们对设备的要求不仅是性能好，效率高，还要求在运行过程中 无 故障 或少故障。 生产 设备运行状态的优劣直接影响着社会效益和经济 效 益。 然而， 这些高科技 含量的 设备 难免 出现程度不一的故障 ，轻者 导致性能下降 ， 重者则 使 其 完全 瘫痪 ，更有甚者 会 对 人们的 财产和 生命安全 造成无法估量 的 损失。 因此 开展设备状态监测与故障诊断技术研究，已成为当前的重要课题。 故障诊断是根据设备 运行状态信息查找故障源 并确定相应决策的一门综合性 的 学科 [1,2]。 故障诊断技术的最终目的是避免故障 (尤其是重大事故 )的 发生，保障 人 身和设备安全， 推动设备维修制度 改革， 延长检修周期，提高维修 精度和速度，降低维修费用，提高生产效率，获得最佳经济效益。 目前 ， 许多大规模高精 技术设备 正在我国 广 泛应用 ，因此 ，对大型设备进行检测、诊断、控制，是保证设备正常运行，充分发挥最大效益的关键环节。 本课题以 CDLY20xx长期导流能力测试装置中的平流泵 为对象， 着重研究 BP神经网络的故障诊断方法，以期为克服 BP神经网络的自身缺点做出菲薄贡献，并为平流泵提供技术支撑。 故障诊断技术的 研究现状 签于 故障诊断在国民经济中 的 举足轻重的 作用，各国都将设备故障诊断作为一项重要的工作。 早在 20世纪 60年代末，美国国家宇航局就创立了 机械故障预防小组，英国也成立了机械保健中心，积极从事故障诊断技术的研究和开发。 在旋转 机械故障诊断方面，首推美国西屋公司 ，它于 1990年 完 成 了 网络化的汽轮发电机组智能化故障诊断专家系统。 英国在核发电、钢铁和电力 工业等方面都有提供诊断技术服务 的相应机构。 欧洲的一些国家也都在某些 方面具有特色或占领先地位，如瑞典的轴承监测技术，挪威的船舶诊断技术，丹麦的振动诊断技术等等。 我国 故障诊断技术的研究起步于 20世纪 70年代末期， 20世纪 80年代开始 蓬勃发展 ，随后在各领域分别确定了设备诊断的目标、方向和试点单位。 虽然我国 设备诊断技术 起步较晚，但发展速度还是比较 快 的 ，如西安交通大学的“大型旋转机械计算机状态 检测第 1 章 绪论 2 与故障诊断系统”，哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测和故障诊断系统”，东北大学的“风机工作状态监测诊断系统”等。 目前，故障诊断技术在我国的化工、冶金、电力、铁路等行业得到了广泛的应用， 并 取得了可喜的成果 [3]。 故障诊断方法概述 按照国际故障诊断权威 ，故障诊断的方法可以划分成三类：基于信号处理的方法、基于解析模型的方法和基于知识的方法 [4,5]。 当可以建立比较准确的被控过程的数学模型时，基于解析模型的方法当为首选；当可以得到被控过程的输入输出信号，但很难建立被控对象的 解析数学模型时，可采用基于信号处理的方法；当很难建立被控对象的定量数学模型时，可采用基于知识的方法。 1．基于解析模型的方法 基于解析模型的诊断方法 是最早发展起来 的，它需要建立被诊断对象的较为精确的数学模型，通常利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等特征值，从而检测故障 [6]。 其主要内容是统计分析、相关分析、频谱分析、小波分析和模态分析等，其理论基础是数理统计与随机过程。 基于解析模型的诊断方法具有深厚的理论基础和较强的可实现性，因此在故障诊断领域占据重 要地位。 基于解析模型的方法 又可以分为参数估计方法、状态估计方法和等价空间方法。 参数估计故障诊断方法的基本思想是把理论建模和参数辨识结合起来。 当故障能由参数的显著变化来描述时，可利用已有的参数估计方法来检测故障信息，根据参数的估计值与正常值之间的偏差情况来判定系统的故障情况。 最小二乘法因其简单实用且有极强的鲁棒性成为参数估计的首选方法。 状态估计方法的基本思想是：首先重构被控过程的状态，通过与可测变量比较 而 构成残差序列，再构造适当的模型并用统计检验法，从残差序列中把故障检测出来。 它 要求系统可观测或者部分可观测 ，通常用 Luenberger观测器及卡尔曼滤波器进行状态估计。 等价空间方法的实质是把测量信息分类，得到最一致的冗余数据子集，用于系统的状态估计，并识别出最不一致的冗余数据，即可能发生故障的数据。 2．基于信号处理的方法 这类方法不需要对象的准确数学模型，而直接利用信号模型，如相关函数，高阶统计量，频谱和自回归滑动平均过程，以及现在热门的小波分析技术 等来检测故障 ，因此中国石油大学（华东）硕士学位论文 3 适用性较强。 基于信号处理的方法 又 可分为 直接测量系统输入输出方法、基于小波变换的方法、输出信号处理方法、信息匹配诊断法、基于信息融合的方法、信息 校核方法等 [7]。 目前应用的较多的是基于小波变换的方法和基于信息融合的方法。 吕伯权、谷勇等人提出了两种针对信号在 多尺度 的 小波变换下 不同 表现行为 的 特点及利用小波网络进行系统故障诊断的方法。 3． 基于知识的方法 基于知识的方法与基于信号处理的方法类似，也不需要系统的定量数学模型，但 它克服了 基于信号处理 方法 的缺点，引入了诊断对象的许多信息，特别是可以充分利用专家诊断知识等， 尤其在非线性系统领域 ， 是一种很有前途的方法。 基于知识的方法还可以分为基于症状的方法和基于定性模型的方法。 基于症状的方法包括 专家系统方法、模式识 别方法、模糊推理方法和神经网络方法。 其中，神经网络方法是近年来研究得很多的一种有效的基于症状的方法。 神经网络具有 的 自学习、 并行处理、全局作用的能力，使得它在处理非线性问题和在线估计方面有着很强的优势。 另外，模糊推理、定性观测器等方法善于处理不确定、不准确的知识，符合人的自然推理过程，它们与神经网络结合，有着巨大的应用前景 [4,5]。 基于定性 模型的方法包括定性观测器、定性仿真 、 知识观测器等。 MATLAB 仿真平台简介 美国 Mathwork 公司于 1967 年推出了 “Matrix Laboratory”（缩 写为 Matlab）软件包， 它是支持从概念设计、算法开发、建模仿真到实时实现的理想的集成环境。 MATLAB长于数值计算，能处理大量的数据，而且效率比较高。 它的出现，不仅使科研和工程工作者克服了做大量的数学计算（包括矩阵计算）的困难，而且，它以丰富的函数库使开发者省去了大量的重复编程工作。 MATLAB 被称为第四代计算机语言，它有不同于其他高级语言的特点 ： 1．编程效率高 ； 2．用户使用方便 ； 3．扩充能力强 ，交互性好； 4． 移植性 、 开放性好； 简单，内涵丰富 ； 6．高效方便的矩阵和数组运算 ； 7．方便的绘图功能。 MATLAB 是一套强有力的计算机应用软件，该软件自推向市场以来，经过近二十年的不断发展 与更新，现已成为国际公认的优秀科技应用软件，加上其发展的过程中 融入 了 一些专业性的理论知识，从而出现了功能强大的 MATLAB 配套工具箱，如模糊逻第 1 章 绪论 4 辑工具箱（ Fuzzy Logic Control）、小波工具箱（ Wavelet Toolbox）、神经网络工具箱（ Neural Network Toolbox）、图形化的系统模型设计与仿真环境（ Simulink）等。 由于它 无需 定义 数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、 优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的 [8]。 本文的故障诊断仿真工作就是在 MATLAB 平台上完成的。 论文的研究内容 本文 着重研究 神经网络的故障诊断方法。 CDLY20xx 长期导流能力测试装置是油田井下作业中支撑剂评价实验不可或缺的设备之一。 在该装置中，平流泵是驱遣液体的动力源，它的 工作状况直接影响到整个实验的成败。 因此，本文针对该测试装置中 的 平流泵展开故障诊断的研究。 本文 首先选取合适的小波函数，对信号 做 小波包降噪处理， 又 采用小波包分解与重构技术，实现故障能量特征向量的提取。 然后 将 特征向量作为 BP神经网络的输入向量，通过对样本的训练学习， 使之对不同类别的 故障数据得到设定 的不同输出。 最后 用 这个网络来识别未知 的样本，根据各样本所对应的网络输出情况来划分未知样本的类别， 从而达到故障诊断的目的。 鉴于传统的 BP算法难于确定网络结构和初始参数以及容易陷入极小值等缺陷，本文研究设计了 GA+BP算法。 它是 用遗传算法 首先 对 BP神经网络 进行前期优化，以确定网络 的隐含层节点数及该结构对应的初始权值、阈值和学习速率，然后用得到 的 最优 网络对平流泵进行故障诊断， 以期 达到 较 BP神经网络有着 更 高 诊断 正确率 和 更优训练性能 等效果。 论文的组织结构 论文的章节安排如下： 第 1 章 对 故障诊断的意义 ， 故障诊断技术的 研究现状， 故障 诊断方法 ， 以及 MATLAB仿真平台 作了 概述 ， 并介绍了 论文 的 研究内容 和 论文 的 组织结构。 第 2 章 主要 介绍了本文用于故障诊断的数据的采集方法。 第 3章 在分析了小波函数的众多性质并参考工程经 验的基础上，选择了适于本文 信号 处理 的小波函数，并 用该函数对信号 做 小波包降 噪、小波包分解与重构，从而提取了中国石油大学（华东）硕士学位论文 5 故障的能量特征向量，为以后的 BP神经网络故障诊断工作打下基础。 第 4章首先设计了 BP神经网络，包括 网络层数、 输入、输出 层的节点数 和 各层的激活函数， 以 隐含层节点数经验公式 为基础 ，用试测的 方法得到了隐含层节点数，并确定了网络的初始权值和阈值， 最后 将该 BP神经网络应用于平流泵的 故障诊断。 第 5章 研究设计了 GA+BP算法， 它是用 遗传算法优化神经网络， 得到了网络的隐含层节点数以及该结构对应的最优的权值、阈值 和网络的学习速率 ，然后 将 GA+BP神经网络 应用于 平流泵的 故障诊断。 第 6章 总结全 文，并展望未来的研究工作。 第 2 章 故障信号的采集 6 第 2 章 故障 信号的采集 仪器简介 CDLY20xx 长期导流能力测试装置 是油田井下作业中支撑剂评价实验不可或缺的设备之一 ，它 主要用来测量在一定闭合压力下不同支撑剂的导流能力。 仪器原理为： 使用一台液压机提供闭合压力，该压力作用于平板夹持器上（长期导流需经过足够的时间让支撑剂达到半稳定状态），然后让测试液体（或气体）流过支撑剂层，测出不同压力条件下的裂缝宽度、压差及流速，最后用达西定律计算出支撑剂的渗透率及裂缝导流能力。 仪器的主要功 能有以下三点 ： ； 2. 通过对 不同来源的支撑剂进行优选和质量控制，优选出最佳导流能力的支撑剂 ； 3. 预测支撑剂在地层上覆压力下的导流能力大小。 实验方案设计 在 CDLY20xx 长期导流能力测试装置 中 配备 了 美国 III 型 SSI 平流泵。 平流泵是驱遣液体的动力源，它的工作状况直接影响到整个实验的成败。 因此，观察平流泵的 运行状态，及时发现故障信息并查找故障源 ，则显得尤为重要。 本文 就是 将 该测试装置中的平流泵 作为对象 展开故障诊断的研究 的。 实验装置构成 CDLY20xx 长期导流能 力测试装置是一个复杂的自动化系统， 在不破坏其整体流程的前提下， 搭建了 如图 21 所示的实验装置。 该系统包括三个部分： 1. 注入系统：包括 一台 美国 III 型 SSI 平流泵， 装工作液的中间容器，以及 配置 2L的有机玻璃容器。 其中，平流泵 的 流量 范围是 ～ ， 压力 范围是 0～ 40Mpa，流量可调且恒流输出。 2. 数据采集与处理系统：包括两支压力传感器、研华 PCI1710 模拟信号多功能处理板、研华 PCLD8710 模拟信号输入调理板和计算机。 两支压力传感器分别接在平板夹持器的上游和 下游，其量程范围是 0～ 25MPa，输出电信号为 4～ 20 mA。 PCI1710是一款 PCI 总线的多功能数据采集卡 ，提供了 16 路单端或 8 路差分模拟量输入 ， 或组合方式输入 ， 采样 速率 可达 100 ks/s。 PCLD8710 是 支持 PCI1710 卡 ， 且 能在恶劣环境中可靠安装的工业级端子板。 中国石油大学（华东）硕士学位论文 7 3. 出流系统：包括烧杯和天平。 选用德国赛多利斯 BS2202S 天平 ， 它的量程范围是 0～ 2200g， 分辨率为。 所用到的 RS232 通信线连接到计算机的 COM 口 ， 可用 Windows XP 自带的超级终端测试天平是否能够与计 算机通信。 平 流 泵截 止 阀 1平 板 夹 持 器截 止 阀 2导 流 室端 子 板 P C L D。