【正文】 傳 感 器計 算 機采 集 板 P C I 1 7 1 0R S 2 3 2圖 中 ： 表 示 信 號 傳 遞 ， 表 示 液 體 流 向電 子 天 平中 間 容 器 應用 軟件 介紹 應用軟件使用 編寫，其特點主要有： (1) 采用了結構化、模塊化的程序設計方法，程序結構清晰，模塊功能明確。 儀器原理為： 使用一臺液壓機提供閉合壓力，該壓力作用于平板夾持器上（長期導流需經(jīng)過足夠的時間讓支撐劑達到半穩(wěn)定狀態(tài)），然后讓測試液體（或氣體）流過支撐劑層，測出不同壓力條件下的裂縫寬度、壓差及流速，最后用達西定律計算出支撐劑的滲透率及裂縫導流能力。 論文的研究內(nèi)容 本文 著重研究 神經(jīng)網(wǎng)絡的故障診斷方法。目前應用的較多的是基于小波變換的方法和基于信息融合的方法 。雖然我國 設備診斷技術 起步較晚，但發(fā)展速度還是比較 快 的 ，如西安交通大學的“大型旋轉(zhuǎn)機械計算機狀態(tài) 檢測第 1 章 緒論 2 與故障診斷系統(tǒng)”，哈爾濱工業(yè)大學的“機組振動微機監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)”，東北大學的“風機工作狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)”等。 由此可見 ， GA+BP神經(jīng)網(wǎng)絡 能夠更好的進行 平流泵的 故障診斷工作。 與我一同工作的同志對研究所做的任何貢獻均已在論文中作出了明確的說明。 為了解決上述問題，本文研究設計了 GA+BP 算法。 本課題以 CDLY20xx長期導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)絡的故障診斷方法，以期為克服 BP神經(jīng)網(wǎng)絡的自身缺點做出菲薄貢獻，并為平流泵提供技術支撐 。當故障能由參數(shù)的顯著變化來描述時，可利用已有的參數(shù)估計方法來檢測故障信息，根據(jù)參數(shù)的估計值與正常值之間的偏差情況來判定系統(tǒng)的故障情況。 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， 它是支持從概念設計、算法開發(fā)、建模仿真到實時實現(xiàn)的理想的集成環(huán)境。 論文的組織結構 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 組織結構。 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)理板和計算機。 結束實驗窗體可以停止應用軟件的執(zhí)行，回到 windows操作系統(tǒng)狀態(tài)下。王衛(wèi)衛(wèi)等提出一種小波域相位水印算法，利用二進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 的 檢測器。 harr小波變換和最小方差估計用于差分 GPS的信號處理中，從而可以滿足某些指標更高精度的要求 [19]。 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? ? ??構成 j 的規(guī)范正交基， 則 稱()t? 為尺度函數(shù)（ Scaling Function ）， 相 應 的 空 間 jV 叫做尺度空間，并且2( ) 2 ( 2 )j jjk t t k??? ???。 （ 2） 正 則性： 它 表現(xiàn)為小波基的可微性 。 在頻域上 ()??在 0?? 處有 N 階原點， ()t?的消失矩為 N 。 小波包降噪處理的方法一般有以下 三 種 [22]： （ 1）強制降噪處理 ： 該方法把小波分解結構中的高頻系數(shù)全部變?yōu)?0，然后再對信號進行重構處理。 三種方法降噪的性能對比如表 32 所示。因此，本文將采用給定硬閾值降噪方法對 120 組 信號 分別 進行降噪處理。 （ 2）默認閾值降噪處理 ： 該方法利用函數(shù)產(chǎn)生的默認閾值對信號降噪。 （ 3）小波函數(shù) ()t? 可以由所謂“尺度函數(shù)” ()t? 求出來。 若 重構時 小波基不夠光滑，則引入 的 誤差 將 關系到頻率分辨率的高低 。 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)。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)進行診斷 [20]。趙育良、趙友庚等提出了一種基于小波變換的復雜航空照片的目標邊緣自動提取的新方法。因此，本文取平板夾持 器的上、下游壓力作為測點，壓力信號由 PCI1710采集。 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 100 ks/s。 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) 驗的基礎上，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，從而提取了中國石油大學（華東）碩士學位論文 5 故障的能量特征向量，為以后的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷工作打下基礎。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)學計算（包括矩陣計算）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編程工作。狀態(tài)估計方法的基本思想是：首先重構被控過程的狀態(tài)，通過與可測變量比較 而 構成殘差序列，再構造適當?shù)哪Ｐ筒⒂媒y(tǒng)計檢驗法，從殘差序列中把故障檢測出來 。早在 20世紀 60年代末，美國國家宇航局就創(chuàng)立了 機械故障預防小組，英國也成立了機械保健中心，積極從事故障診斷技術的研究和開發(fā)。首先， GA 對 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡做前期優(yōu)化，確定 出 最佳網(wǎng)絡結構及該結構對應的初始權值、閾值和網(wǎng)絡的學習速率；然后， 構造具有 最佳結構和參數(shù)的 神經(jīng) 網(wǎng)絡 來 進行故障診斷。 Control Engineering China University of Petroleum (EastChina) 關于學位論文的獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導教師指導下獨立進行研究工作所取得的 成果，論文中有關資料和數(shù)據(jù)是實事求是的。 另外，交叉算子和變異算子都采用自適應的方法。歐洲的一些國家也都在某些 方面具有特色或占領先地位，如瑞典的軸承監(jiān)測技術，挪威的船舶診斷技術，丹麥的振動診斷技術等等。 2．基于信號處理的方法 這類方法不需要對象的準確數(shù)學模型，而直接利用信號模型，如相關函數(shù)，高階統(tǒng)計量，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 等來檢測故障 ，因此中國石油大學（華東）碩士學位論文 3 適用性較強。 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]。 第 6章 總結全 文，并展望未來的研究工作。 選用德國賽多利斯 BS2202S 天平 ， 它的量程范圍是 0～ 2200g， 分辨率為 。檢漏方法：關閉所有截止閥門，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。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。 小波分析的基本概念及特點 設 )()( 2 RLt ?? ，（ )(2 RL 表示平方可積的實數(shù)空間，即能量有限的信號空間），其傅里葉變換為 )(??? 。 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? ）。 （ 4） 對稱性 ：它關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 。 文獻 [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。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。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)進行歸一化處理。原始信號如圖 33 所示，強制降噪、默認閾值降噪、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。對每一個小波包分解系數(shù)，選擇一個恰當?shù)拈撝?，并對系?shù)進行 閾值量化處理。 dbN 小波是由世界著名的小波分析學者 Inrid Daubechies構造的小波函數(shù)，即 Daubechies小波，我們一般簡寫成 dbN ， N 是小波的階數(shù)。 小波 基 函數(shù)的選擇 小波 基 函數(shù)的選擇直接 關系到信號處理效果的好壞以及特征信號提取的成敗 。圖中， A表示低頻， D表示高頻 ，數(shù)字表示層 數(shù) 。他將頻域傳輸方程擴展到一組小波基上，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。 中國石油大學（華東）碩士學位論文 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用現(xiàn)狀 近 年來 ， 國內(nèi)涌現(xiàn)出大量的關于小波應用的文獻。 實驗測試窗體用來實時 顯 示采集到的信息，并將采集的數(shù)據(jù) 和計算的結果存入Access 數(shù)據(jù)庫。 實驗裝置構成 CDLY20xx 長期導流能 力測試裝置是一個復雜的自動化系統(tǒng)， 在不破壞其整體流程的前提下， 搭建了 如圖 21 所示的實驗裝置 。 最后 用 這個網(wǎng)絡來識別未知 的樣本，根據(jù)各樣本所對應的網(wǎng)絡輸出情況來劃分未知樣本的類別， 從而達到故障診斷的目的。神經(jīng)網(wǎng)絡具有 的 自學習、 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方面有著很強的優(yōu)勢。 基于解析模型的診斷方法具有深厚的理論基礎和較強的可實現(xiàn)性，因此在故障診斷領域占據(jù)重 要地位。 故障診斷是根據(jù)設備 運行狀態(tài)信息查找故障源 并確定相應決策的一門綜合性 的 學科 [1,2]。 首先用小波包分析技術做信號處理。 保密學位論文在解密后的使用授權同上。 生產(chǎn) 設備運行狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響著社會效益和經(jīng)濟 效 益。當可以建立比較準確的被控過程的數(shù)學模型時，基于解析模型的方法當為首選；當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)學模型時，可采用基于信號處理的方法；當很難建立被控對象的定量數(shù)學模型時，可采用基于知識的方法。基于知識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。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。 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驗的成敗。 軟件的主要模塊有：零點 校正窗體、系統(tǒng)自檢窗體 、實驗測試 窗體、 數(shù)據(jù)處理窗體、結束實驗窗體。 4. 設定平流泵排量為 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)。 在國外，小波變換的各種應用研究依然是熱點。 中國石油大學（華東）碩士學位論文 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。小波包 變換對此進行了改進，它可以同時在低頻和高頻部分進行分解，且各 頻帶既不交疊，也無遺漏?？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 著重考慮 。 小波包降噪的步驟 為 ： （ 1）信號的小波包分解。 信 號的信噪比越高，原始信號與估計信號的均方根誤差越小。 3. 求各頻帶信號的能量： 。 （ 2）均方根誤差（ RMSE） 原始信號與估計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。 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。 運用小波包進行時頻分析時，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行小波變換。圖中， A表示低頻， D表示高頻 ，數(shù)字表示分解的層數(shù) 。 由小波的定義 可知它 有兩個特點：一是“小”，即在時 頻兩 域都具有緊支集或近似緊支集；二