【正文】 基于小波包的故障特征提取方法的主要步驟如下： 1. 故障信號的歸一化處理： 為了減小各數(shù)據(jù) 之間的相互影響，首先對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。原始信號如圖 33 所示，強(qiáng)制降噪、默認(rèn)閾值降噪、給定硬閾值、軟閾值降噪后的信號分別如圖 3圖 3圖 3圖 37 所示。在信號處理中，信噪比（ SNR）和均方根誤差（ RMSE）是最常用的兩種衡量信號降噪有效性的指標(biāo)。對每一個小波包分解系數(shù)，選擇一個恰當(dāng)?shù)拈撝担ο禂?shù)進(jìn)行 閾值量化處理。 文獻(xiàn) [22]中指出， 在小波變換過程中，如果信號所含波形與所選取的小波函數(shù)形狀相近，那么這個信號中所包含的與小波函數(shù)波形相近部分的信號特征將被放大，而不同形狀特征的其他部分信號將被抑止。 dbN 小波是由世界著名的小波分析學(xué)者 Inrid Daubechies構(gòu)造的小波函數(shù)，即 Daubechies小波，我們一般簡寫成 dbN ， N 是小波的階數(shù)。 （ 4） 對稱性 ：它關(guān)系到小波的濾波特性是否具有線性相位，這與失真問題密切相關(guān) 。 小波 基 函數(shù)的選擇 小波 基 函數(shù)的選擇直接 關(guān)系到信號處理效果的好壞以及特征信號提取的成敗 。 小波包的子空間分解 引入符號 0jjUV? 和 1jjUW? （ jZ? ）， 由 多分辨率分析可知 0 0 111j j jU U U????（ jZ? ）。圖中， A表示低頻， D表示高頻 ，數(shù)字表示層 數(shù) 。 小波分析的基本概念及特點(diǎn) 設(shè) )()( 2 RLt ?? ，（ )(2 RL 表示平方可積的實(shí)數(shù)空間，即能量有限的信號空間），其傅里葉變換為 )(??? 。他將頻域傳輸方程擴(kuò)展到一組小波基上，生成小波域里的一組代數(shù)方程，從而可以利用一些基本技術(shù)來求解，這 樣可以使求解過程中的矩陣是稀疏的，并且階次降低。根據(jù)小波變換模極大值原理以及語音信號的奇異和瞬態(tài)特性，提出了一種新的小波變換峰值檢測算法。 中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文 9 第 3 章 小波分析及信號處理 小波分 析在信號處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀 近 年來 ， 國內(nèi)涌現(xiàn)出大量的關(guān)于小波應(yīng)用的文獻(xiàn)。檢漏方法：關(guān)閉所有截止閥門，將系統(tǒng)憋壓至一定壓力，觀察管路的各個接頭部分，查看是否有泄漏情況發(fā)生。 實(shí)驗(yàn)測試窗體用來實(shí)時 顯 示采集到的信息，并將采集的數(shù)據(jù) 和計(jì)算的結(jié)果存入Access 數(shù)據(jù)庫。 選用德國賽多利斯 BS2202S 天平 ， 它的量程范圍是 0～ 2200g， 分辨率為 。 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成 CDLY20xx 長期導(dǎo)流能 力測試裝置是一個復(fù)雜的自動化系統(tǒng)， 在不破壞其整體流程的前提下， 搭建了 如圖 21 所示的實(shí)驗(yàn)裝置 。 第 6章 總結(jié)全 文，并展望未來的研究工作。 最后 用 這個網(wǎng)絡(luò)來識別未知 的樣本，根據(jù)各樣本所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)輸出情況來劃分未知樣本的類別， 從而達(dá)到故障診斷的目的。 由于它 無需 定義 數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函數(shù)，使之在求解諸如信號處理、建模、系統(tǒng)識別、控制、 優(yōu)化等領(lǐng)域的問題時，顯得大為簡捷、高效、方便，這是其它高級語言所不能比擬的 [8]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有 的 自學(xué)習(xí)、 并行處理、全局作用的能力，使得它在處理非線性問題和在線估計(jì)方面有著很強(qiáng)的優(yōu)勢。 2．基于信號處理的方法 這類方法不需要對象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，而直接利用信號模型，如相關(guān)函數(shù)，高階統(tǒng)計(jì)量，頻譜和自回歸滑動平均過程，以及現(xiàn)在熱門的小波分析技術(shù) 等來檢測故障 ，因此中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文 3 適用性較強(qiáng)。 基于解析模型的診斷方法具有深厚的理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)的可實(shí)現(xiàn)性，因此在故障診斷領(lǐng)域占據(jù)重 要地位。歐洲的一些國家也都在某些 方面具有特色或占領(lǐng)先地位，如瑞典的軸承監(jiān)測技術(shù)，挪威的船舶診斷技術(shù)，丹麥的振動診斷技術(shù)等等。 故障診斷是根據(jù)設(shè)備 運(yùn)行狀態(tài)信息查找故障源 并確定相應(yīng)決策的一門綜合性 的 學(xué)科 [1,2]。 另外，交叉算子和變異算子都采用自適應(yīng)的方法。 首先用小波包分析技術(shù)做信號處理。 Control Engineering China University of Petroleum (EastChina) 關(guān)于學(xué)位論文的獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的 成果，論文中有關(guān)資料和數(shù)據(jù)是實(shí)事求是的。 保密學(xué)位論文在解密后的使用授權(quán)同上。首先， GA 對 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做前期優(yōu)化，確定 出 最佳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及該結(jié)構(gòu)對應(yīng)的初始權(quán)值、閾值和網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率；然后， 構(gòu)造具有 最佳結(jié)構(gòu)和參數(shù)的 神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) 來 進(jìn)行故障診斷。 生產(chǎn) 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響著社會效益和經(jīng)濟(jì) 效 益。早在 20世紀(jì) 60年代末，美國國家宇航局就創(chuàng)立了 機(jī)械故障預(yù)防小組，英國也成立了機(jī)械保健中心，積極從事故障診斷技術(shù)的研究和開發(fā)。當(dāng)可以建立比較準(zhǔn)確的被控過程的數(shù)學(xué)模型時，基于解析模型的方法當(dāng)為首選；當(dāng)可以得到被控過程的輸入輸出信號，但很難建立被控對象的 解析數(shù)學(xué)模型時，可采用基于信號處理的方法；當(dāng)很難建立被控對象的定量數(shù)學(xué)模型時，可采用基于知識的方法。狀態(tài)估計(jì)方法的基本思想是：首先重構(gòu)被控過程的狀態(tài)，通過與可測變量比較 而 構(gòu)成殘差序列，再構(gòu)造適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⒂媒y(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，從殘差序列中把故障檢測出來 ?；谥R的方法還可以分為基于癥狀的方法和基于定性模型的方法。它的出現(xiàn)，不僅使科研和工程工作者克服了做大量的數(shù)學(xué)計(jì)算（包括矩陣計(jì)算）的困難，而且，它以豐富的函數(shù)庫使開發(fā)者省去了大量的重復(fù)編程工作。因此，本文針對該測試裝置中 的 平流泵展開故障診斷的研究。 第 3章 在分析了小波函數(shù)的眾多性質(zhì)并參考工程經(jīng) 驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇了適于本文 信號 處理 的小波函數(shù)，并 用該函數(shù)對信號 做 小波包降 噪、小波包分解與重構(gòu)，從而提取了中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文 5 故障的能量特征向量，為以后的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷工作打下基礎(chǔ)。 平流泵是驅(qū)遣液體的動力源，它的工作狀況直接影響到整個實(shí)驗(yàn)的成敗。 PCI1710是一款 PCI 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡 ，提供了 16 路單端或 8 路差分模擬量輸入 ， 或組合方式輸入 ， 采樣 速率 可達(dá) 100 ks/s。 軟件的主要模塊有：零點(diǎn) 校正窗體、系統(tǒng)自檢窗體 、實(shí)驗(yàn)測試 窗體、 數(shù)據(jù)處理窗體、結(jié)束實(shí)驗(yàn)窗體。因此，本文取平板夾持 器的上、下游壓力作為測點(diǎn)，壓力信號由 PCI1710采集。 4. 設(shè)定平流泵排量為 5ml/min，采集平流泵正常工作 狀態(tài)時 的數(shù)據(jù) ，模擬 管路中 存在氣泡、出口處堵塞、流程泄漏 時的工作狀態(tài)， 分別采集 三種故障狀態(tài)時 的數(shù)據(jù)。趙育良、趙友庚等提出了一種基于小波變換的復(fù)雜航空照片的目標(biāo)邊緣自動提取的新方法。 在國外，小波變換的各種應(yīng)用研究依然是熱點(diǎn)。這種方法能有效的提取振動信號的突變特征 ，供識別系統(tǒng)進(jìn)行診斷 [20]。 中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文 11 多分辨率分析 我們把平方可積的函數(shù) 2( ) ( )f t L R? 看成是某一逐級逼近的極限情況。 3． 3 小波包分析 小波包的定義 對于給定的正交尺度函數(shù)和小波函數(shù)，其二尺度關(guān)系為： 0( ) 2 ( 2 )kkt h t k????? (36) 1( ) 2 ( 2 )kkt h t k????? (37) 其中0 1 0 0 1( ) , ( ) ( ) ( )2kkh t t t t k dt? ? ? ? ?? ? ??，1 10 0 1( ) , ( ) ( ) ( )2kkh t t t t k dt? ? ? ? ?? ? ??，它們是多分辨率分析中的濾波器系數(shù)。小波包 變換對此進(jìn)行了改進(jìn)，它可以同時在低頻和高頻部分進(jìn)行分解，且各 頻帶既不交疊，也無遺漏。 若 重構(gòu)時 小波基不夠光滑，則引入 的 誤差 將 關(guān)系到頻率分辨率的高低 ?？疾?故障信號可以發(fā)現(xiàn)，它們是不平滑的曲線，因此，小波函數(shù)的正則性也應(yīng) 著重考慮 。 （ 3）小波函數(shù) ()t? 可以由所謂“尺度函數(shù)” ()t? 求出來。 小波包降噪的步驟 為 ： （ 1）信號的小波包分解。 （ 2）默認(rèn)閾值降噪處理 ： 該方法利用函數(shù)產(chǎn)生的默認(rèn)閾值對信號降噪。 信 號的信噪比越高，原始信號與估計(jì)信號的均方根誤差越小。因此，本文將采用給定硬閾值降噪方法對 120 組 信號 分別 進(jìn)行降噪處理。 3. 求各頻帶信號的能量： 。 三種方法降噪的性能對比如表 32 所示。 （ 2）均方根誤差（ RMSE） 原始信號與估計(jì)信號之間的均方根誤差（ RMSE）定義如下： 21 ?[ ( ) ( ) ]nR M S E x n x nN??? (316) 其中， n 為離散采樣信號的長度。 小波包降噪處理的方法一般有以下 三 種 [22]： （ 1）強(qiáng)制降噪處理 ： 該方法把小波分解結(jié)構(gòu)中的高頻系數(shù)全部變?yōu)?0，然后再對信號進(jìn)行重構(gòu)處理。 信號的小波包降噪 小波包降噪的方法和步驟 含噪的一維信號模型可以表示為如下形式： ( ) ( ) ( ) , 0 , 1 , 1s k f k e k k n?? ? ? ? ? , (314) 其中， ()sk 為含噪信號， ()fk為有用信號， ()ek 為噪聲信號， ? 為噪聲信號的偏差。 在頻域上 ()??在 0?? 處有 N 階原點(diǎn)， ()t?的消失矩為 N 。 運(yùn)用小波包進(jìn)行時頻分析時，要求能夠提取非平穩(wěn)信號的瞬時、奇異與突變成分，即提取有限頻帶上的信息，也就是在特定尺度上進(jìn)行小波變換。 （ 2） 正 則性： 它 表現(xiàn)為小波基的可微性 。圖中， A表示低頻， D表示高頻 ，數(shù)字表示分解的層數(shù) 。 S A 1 D 1 A 2 D 2 A 3D 3 若函數(shù) 0()tV? ? 使 它的整個平移系 2{ (2 ) }j jt k k V? ? ??構(gòu)成 j 的規(guī)范正交基， 則 稱()t? 為尺度函數(shù)（ Scaling Function ）， 相 應(yīng) 的 空 間 jV 叫做尺度空間，并且2( ) 2 ( 2 )j jjk t t k??? ???。 由小波的定義 可知它 有兩個特點(diǎn)：一是“小”，即在時 頻兩 域都具有緊支集或近似緊支集；二是正負(fù)交替的“波動性”，也即直流分量為零。 harr小波變換和最小方差估計(jì)用于差分 GPS的信號處理中，從而可以滿足某些指標(biāo)更高精度的要求 [19]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 明，在缺乏先驗(yàn)知識的條件下，小波變換能有效檢測出腦電信號 中短時 低能的瞬態(tài)脈沖 [14]。王衛(wèi)衛(wèi)等提出一種小波域相位水印算法，利用二進(jìn)小波變換刻畫圖像的邊緣和紋理，直接在邊緣的相位成分中嵌入數(shù)字水印，水印檢測 則 利用相關(guān) 的 檢測器。 3. 打開上游截止閥門、下游截止閥門， 在管路暢通且連通大氣的情況下， 對 上游壓力傳感器、下游壓力傳感器進(jìn)行零點(diǎn)校正。 結(jié)束實(shí)驗(yàn)窗體可以停止應(yīng)用軟件的執(zhí)行，回到 windows操作系統(tǒng)狀態(tài)下。 (2) 使用按扭式漢字下拉菜單，使操作更加方便快捷。 2. 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)：包括兩支壓力傳感器、研華 PCI1710 模擬信號多功能處理板、研華 PCLD8710 模擬信號輸入調(diào)理板和計(jì)算機(jī)。 儀器的主要功 能有以下三點(diǎn) ： ； 2. 通過對 不同來源的支撐劑進(jìn)行優(yōu)選和質(zhì)量控制，優(yōu)選出最佳導(dǎo)流能力的支撐劑 ； 3. 預(yù)測支撐劑在地層上覆壓力下的導(dǎo)流能力大小。 論文的組織結(jié)構(gòu) 論文的章節(jié)安排如下： 第 1 章 對 故障診斷的意義 ， 故障診斷技術(shù)的 研究現(xiàn)狀， 故障 診斷方法 ， 以及 MATLAB仿真平臺 作了 概述 ， 并介紹了 論文 的 研究內(nèi)容 和 論文 的 組織結(jié)構(gòu)。 CDLY20xx 長期導(dǎo)流能力測試裝置是油田井下作業(yè)中支撐劑評價實(shí)驗(yàn)不可或缺的設(shè)備之一。 MATLAB 仿真平臺簡介 美國 Mathwork 公司于 1967 年推出了 “Matrix Laboratory”（縮 寫為 Matlab）軟件包， 它是支持從概念設(shè)計(jì)、算法開發(fā)、建模仿真到實(shí)時實(shí)現(xiàn)的理想的集成環(huán)境。 呂伯權(quán)、谷勇等人提出了兩種針對信號在 多尺度 的 小波變換下 不同 表現(xiàn)行為 的 特點(diǎn)及利用小波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)故障診斷的方法。當(dāng)故障能由參數(shù)的顯著變化來描述時，可利用已有的參數(shù)估計(jì)方法來檢測故障信息，根據(jù)參數(shù)的估計(jì)值與正常值之間的偏差情況來判定系統(tǒng)的故障情況。目前，故障診斷技術(shù)在我國的化工、冶金、電力、鐵路等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用， 并 取得了可喜的成果 [3]。 本課題以 CDLY20xx長期導(dǎo)流能力測試裝置中的平流泵 為對象， 著重研究 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法，以期為克服 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自身缺點(diǎn)做出菲薄貢獻(xiàn)，并為平流泵提供技術(shù)支撐 。 關(guān)鍵詞： 故障診斷 ， 小波包，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法 ii Research on Fault Diagnosis Method of Equipment Based on Wavelet Neural Network SUN Shihui（ Detection Technology and Automatic Equi