【文章內(nèi)容簡介】 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(shù)支撐。 故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀簽于故障診斷在國民經(jīng)濟中的舉足輕重的作用，各國都將設備故障診斷作為一項重要的工作。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(shù)的研究和開發(fā)。在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷方面，首推美國西屋公司，它于1990年完成了網(wǎng)絡化的汽輪發(fā)電機組智能化故障診斷專家系統(tǒng)。英國在核發(fā)電、鋼鐵和電力工業(yè)等方面都有提供診斷技術(shù)服務的相應機構(gòu)。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(shù)，挪威的船舶診斷技術(shù)，丹麥的振動診斷技術(shù)等等。我國故障診斷技術(shù)的研究起步于20世紀70年代末期，20世紀80年代開始蓬勃發(fā)展，隨后在各領域分別確定了設備診斷的目標、方向和試點單位。雖然我國設備診斷技術(shù)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)第 1 章 緒論目 錄目 錄目 錄2檢測與故障診斷系統(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。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)得到了廣泛的應用，并取得了可喜的成果 [3]。 故障診斷方法概述，故障診斷的方法可以劃分成三類：基于信號處理的方法、基于解析模型的方法和基于知識的方法 [4,5]。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。1．基于解析模型的方法基于解析模型的診斷方法是最早發(fā)展起來的，它需要建立被診斷對象的較為精確的數(shù)學模型，通常利用信號模型，如相關(guān)函數(shù)、頻譜、自回歸滑動平均等，直接分析可測信號，提取諸如方差、幅值、頻率等特征值，從而檢測故障 [6]。其主要內(nèi)容是統(tǒng)計分析、相關(guān)分析、頻譜分析、小波分析和模態(tài)分析等，其理論基礎是數(shù)理統(tǒng)計與隨機過程?；诮馕瞿Ｐ偷脑\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。基于解析模型的方法又可以分為參數(shù)估計方法、狀態(tài)估計方法和等價空間方法。參數(shù)估計故障診斷方法的基本思想是把理論建模和參數(shù)辨識結(jié)合起來。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。最小二乘法因其簡單實用且有極強的魯棒性成為參數(shù)估計的首選方法。狀態(tài)估計方法的基本思想是：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?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。它要求系統(tǒng)可觀測或者部分可觀測，通常用Luenberger觀測器及卡爾曼濾波器進行狀態(tài)估計。等價空間方法的實質(zhì)是把測量信息分類，得到最一致的冗余數(shù)據(jù)子集，用于系統(tǒng)的狀態(tài)估計，并識別出最不一致的冗余數(shù)據(jù)，即可能發(fā)生故障的數(shù)據(jù)。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(guān)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(shù)等來檢測故障，中國石油大學（華東）碩士學位論文3因此適用性較強。基于信號處理的方法又可分為直接測量系統(tǒng)輸入輸出方法、基于小波變換的方法、輸出信號處理方法、信息匹配診斷法、基于信息融合的方法、信息校核方法等 [7]。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。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)行為的特點及利用小波網(wǎng)絡進行系統(tǒng)故障診斷的方法。3．基于知識的方法基于知識的方法與基于信號處理的方法類似，也不需要系統(tǒng)的定量數(shù)學模型，但它克服了基于信號處理方法的缺點，引入了診斷對象的許多信息，特別是可以充分利用專家診斷知識等，尤其在非線性系統(tǒng)領域，是一種很有前途的方法?；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?；诎Y狀的方法包括專家系統(tǒng)方法、模式識別方法、模糊推理方法和神經(jīng)網(wǎng)絡方法。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡方法是近年來研究得很多的一種有效的基于癥狀的方法。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。另外，模糊推理、定性觀測器等方法善于處理不確定、不準確的知識，符合人的自然推理過程，它們與神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)合，有著巨大的應用前景 [4,5]。基于定性模型的方法包括定性觀測器、定性仿真、知識觀測器等。 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。MATLAB長于數(shù)值計算，能處理大量的數(shù)據(jù)，而且效率比較高。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。 MATLAB 被稱為第四代計算機語言，它有不同于其他高級語言的特點： 1．編程效率高；2．用戶使用方便；3．擴充能力強，交互性好；4．移植性、開放性好；句簡單，內(nèi)涵豐富；6．高效方便的矩陣和數(shù)組運算；7．方便的繪圖功能。 MATLAB 是一套強有力的計算機應用軟件，該軟件自推向市場以來，經(jīng)過近二十年的不斷發(fā)展與更新，現(xiàn)已成為國際公認的優(yōu)秀科技應用軟件，加上其發(fā)展的過程中融入了一些專業(yè)性的理論知識，從而出現(xiàn)了功能強大的 MATLAB 配套工具箱，如模第 1 章 緒論目 錄目 錄目 錄4糊邏輯工具箱（Fuzzy Logic Control） 、小波工具箱（Wavelet Toolbox） 、神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱（Neural Network Toolbox） 、圖形化的系統(tǒng)模型設計與仿真環(huán)境（Simulink）等。 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]。 本文的故障診斷仿真工作就是在 MATLAB 平臺上完成的。 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。CDLY2022 長期導流能力測試裝置是油田井下作業(yè)中支撐劑評價實驗不可或缺的設備之一。在該裝置中，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。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。本文首先選取合適的小波函數(shù)，對信號做小波包降噪處理，又采用小波包分解與重構(gòu)技術(shù)，實現(xiàn)故障能量特征向量的提取。然后將特征向量作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入向量，通過對樣本的訓練學習，使之對不同類別的故障數(shù)據(jù)得到設定的不同輸出。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。鑒于傳統(tǒng)的BP算法難于確定網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和初始參數(shù)以及容易陷入極小值等缺陷，本文研究設計了GA+BP算法。它是用遺傳算法首先對BP 神經(jīng)網(wǎng)絡進行前期優(yōu)化，以確定網(wǎng)絡的隱含層節(jié)點數(shù)及該結(jié)構(gòu)對應的初始權(quán)值、閾值和學習速率，然后用得到的最優(yōu)網(wǎng)絡對平流泵進行故障診斷，以期達到較BP神經(jīng)網(wǎng)絡有著更高診斷正確率和更優(yōu)訓練性能等效果。 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)。第 2 章主要介紹了本文用于故障診斷的數(shù)據(jù)的采集方法。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(gòu)，從而提取中國石油大學（華東）碩士學位論文5了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。第4章首先設計了BP神經(jīng)網(wǎng)絡，包括網(wǎng)絡層數(shù)、 輸入、輸出層的節(jié)點數(shù)和各層的激活函數(shù)，以隱含層節(jié)點數(shù)經(jīng)驗公式為基礎，用試測的方法得到了隱含層節(jié)點數(shù)，并確定了網(wǎng)絡的初始權(quán)值和閾值，最后將該BP神經(jīng)網(wǎng)絡應用于平流泵的 故障診斷。第5章研究設計了GA+BP 算法，它是用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡， 得到了網(wǎng)絡的隱含層節(jié)點數(shù)以及該結(jié)構(gòu)對應的最優(yōu)的權(quán)值、閾值和網(wǎng)絡的學習速率，然后將GA+BP神經(jīng)網(wǎng)絡應用于平流泵的故障診斷。第6章總結(jié)全文，并展望未來的研究工作。第 2 章 故障信號的采集目 錄目 錄目 錄6第 2 章 故障信號的采集 儀器簡介CDLY2022 長期導流能力測試裝置是油田井下作業(yè)中支撐劑評價實驗不可或缺的設備之一，它主要用來測量在一定閉合壓力下不同支撐劑的導流能力。 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。儀器的主要功能有以下三點：；2. 通過對不同來源的支撐劑進行優(yōu)選和質(zhì)量控制，優(yōu)選出最佳導流能力的支撐劑；3. 預測支撐劑在地層上覆壓力下的導流能力大小。 實驗方案設計在 CDLY2022 長期導流能力測試裝置中配備了美國 III 型 SSI 平流泵。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。因此，觀察平流泵的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障信息并查找故障源，則顯得尤為重要。本文就是將該測試裝置中的平流泵作為對象展開故障診斷的研究的。 實驗裝置構(gòu)成CDLY2022 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。該系統(tǒng)包括三個部分：1. 注入系統(tǒng)：包括一臺美國 III 型 SSI 平流泵，裝工作液的中間容器，以及配置2L 的有機玻璃容器。其中，平流泵的流量范圍是 ～，壓力范圍是0～40Mpa，流量可調(diào)且恒流輸出。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。兩支壓力傳感器分別接在平板夾持器的上游和下游，其量程范圍是 0～25MPa，輸出電信號為 4～20 mA。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。PCLD8710 是支持 PCI1710 卡，且能在惡劣環(huán)境中可靠安裝的工業(yè)級端子板。中國石油大學（華東）碩士學位論文73. 出流系統(tǒng)：包括燒杯和天平。選用德國賽多利斯 BS2202S 天平，它的量程范圍是 0～2200g，分辨率為 。所用到的 RS232 通信線連接到計算機的 COM 口，可用 Windows XP 自帶的超級終端測試天平是否能夠與計算機通信。平流泵截止閥 1平板夾持器截止閥 2導流室端子板 P C L D 8 7 1 0上游壓力傳感器下游壓力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(jié)構(gòu)化、模塊化的程序設計方法，程序結(jié)構(gòu)清晰，模塊功能明確。(2) 使用按扭式漢字下拉菜單，使操作更加方便快捷。(3) 所有輸入和提示都使用窗口式的對話框，對于錯誤的操作會給出警告并提示該如何操作。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(jié)束實驗窗體。它們的功能分別為：零點校正窗體來完成壓力傳感器的零點校正。系統(tǒng)自檢窗體可以查看設備的硬件、軟件是否都工作正常(正常的情況下，所有的傳感器應該顯示正確的測量值)。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(jié)果存入Access 數(shù)據(jù)庫。用戶在進行實驗之前，自行定義一個實驗名稱，系統(tǒng)就會以實驗名稱作為文件名，建立一個 Access 數(shù)據(jù)庫。圖 21 實驗裝置流程圖Fig21 The Flow diagram of experiment equipment 第 2 章 故障信號的采集目 錄目 錄目 錄8數(shù)據(jù)處理窗體能按照用戶的要求，顯示某次實驗的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要打印輸出相應的數(shù)據(jù)和曲線。結(jié)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。 故障信號的數(shù)據(jù)采集根據(jù)平流泵的工作原理和技術(shù)人員的經(jīng)驗知，平流泵常見有管路中存在氣泡、出口處堵塞、流程泄漏等故障，而系統(tǒng)的壓力則可以較真實的反應這些故障。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。實驗時，系統(tǒng)加5MPa回壓，并設定平流泵排量為 5ml/min，將每種工作狀態(tài)的信號分別采集30組，每組200個數(shù)據(jù)點。數(shù)據(jù)采集的實驗步驟如下：1. 原始檢漏各管路。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。若有，需要將系統(tǒng)壓力泄掉以后，再緊固泄漏的部位。2. 啟動應用軟件，進入“系統(tǒng)自檢”窗體，檢查傳感器是否工作正常。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、下游壓力傳感器進行零點校正。壓力零點校正需在系統(tǒng)充