故障诊断理论方法教学讲义课件.ppt
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1、故障诊断理论方法故障诊断理论方法8.1 诊断方法分类诊断方法分类常规的故障诊断方法:谱分析法、时域分析法常规的故障诊断方法:谱分析法、时域分析法。线性关系(一一对应)线性关系(一一对应)非线性对应关系非线性对应关系状态识别 状态分类模式识别征兆与故障状态为非线性对应关系给机械设备征兆与故障状态为非线性对应关系给机械设备的故障状态诊断增加了困难。的故障状态诊断增加了困难。二、二、函数(模型)诊断法:函数(模型)诊断法:由征兆与状态间的数学模型进行计算诊断。由征兆与状态间的数学模型进行计算诊断。根据模型结构或模型参数的变化,研究机器的运行状态。控制系统的故障诊断、化工过程的故障诊断等。返回返回三、
2、三、逻辑诊断法:逻辑诊断法:根据征兆与状态间的逻辑关系进行推理诊断。根据征兆与状态间的逻辑关系进行推理诊断。状态类型:好、坏好、坏 有、无有、无 例如例如润滑油污染分析:润滑油污染分析:通过光谱、铁谱、磁塞通过光谱、铁谱、磁塞分析设备润滑油中所含的金属微粒的情况,作为机分析设备润滑油中所含的金属微粒的情况,作为机械设备运行的征兆,根据机器运动部分有关零件的械设备运行的征兆,根据机器运动部分有关零件的材料与成分,从微粒变化情况推断设备磨损和零件材料与成分,从微粒变化情况推断设备磨损和零件磨损情况。磨损情况。物理逻辑判别物理逻辑判别 根据征兆与状态之间的物理关系,进行推理。根据征兆与状态之间的物理
3、关系,进行推理。数理逻辑判别数理逻辑判别 根据征兆与状态之间的数理逻辑关系(即布尔函数),在获得征兆后,按照逻辑代数运算规则,判别工况状态。返回返回四、四、模糊诊断法:模糊诊断法:考虑人对机械设备征兆与状态评价的主观不确考虑人对机械设备征兆与状态评价的主观不确定性或模糊性,应用模糊逻辑分析多种征兆与多种状定性或模糊性,应用模糊逻辑分析多种征兆与多种状态间的模糊关系进行分析诊断。态间的模糊关系进行分析诊断。q 模糊关系方程:模糊关系方程:B=R A R称为模糊关系矩阵:原因原因征兆征兆气门弹气门弹簧断簧断y y1 1喷油头积喷油头积炭堵孔炭堵孔y y2 2机油管机油管破裂破裂y y3 3喷油喷油
4、过迟过迟y y4 4喷油泵驱喷油泵驱动键滚键动键滚键y y5 5排气过热排气过热 x x1 10.60.60.40.40 00.980.980 0振振 动动 x x2 20.80.80.980.980.30.30 00 0扭矩急降扭矩急降 x x3 30.950.950 00.80.80.30.30.980.98机油压过低机油压过低x x4 40 00 00.980.980 00 0机油耗量大机油耗量大x x5 50 00 00.90.90 00 0转速上不去转速上不去x x6 60.30.30.60.60.90.90.980.980.950.95柴油机故障的模糊关系柴油机故障的模糊关系 q
5、最大隶属准则最大隶属准则隶属于模糊子集 ,即发生了第i 种故障。模糊诊断准则模糊诊断准则 模糊诊断的实质是根据模糊关系矩阵 R 及征兆模糊矢量A,求得状态模糊矢量B,然后根据判断准则确定有无故障。q 择近准则择近准则贴近度:贴近度:一对模糊集之间的接近程度q 模糊聚类准则模糊聚类准则 在确定模糊等价关系矩阵后,根据截集定理,在适当的限定值上进行截取,即按照不同水平对矩阵R进行分割和归类,从而获得相应的故障类别。返回返回五、五、统计诊断法:统计诊断法:考虑到客观事物发生的不确定性,即事件按一考虑到客观事物发生的不确定性,即事件按一定的概率发生,而应用统计模式识别进行分类诊断。定的概率发生,而应用
6、统计模式识别进行分类诊断。二维模式平面两类状态的理论分布二维模式平面两类状态的理论分布 磨削烧伤在线识别方法磨削烧伤在线识别方法 贝叶斯贝叶斯(BayesBayes)分类法分类法 机械设备运行和机械制造过程的状态都是一个随机变量,事件出现的概率在很多的情况下可以通过统计的方法作出估计,这种根据先验知识对工况状态出现的概率作出的估计,称之为先验概率先验概率。前提:前提:各类别总体的概率分布已知各类别总体的概率分布已知 进行决策分类的类别数一定进行决策分类的类别数一定状态空间可写成 ,其中 是 状态空间中的一个模式点,在工况监视过程中,主要是判别工况正常与异常两种状态,它们的先验概率用 和 表示,
7、显然:假设x为特征矢量,p(x|i)是i状态下特征观察x的类条件概率密度。根据Bayes公式有:式中p(i|x)表示已知观测样本条件下,i 出现的概率,称为后验概率后验概率。q 基于最小错误率的贝叶斯决策基于最小错误率的贝叶斯决策错误率最小:x来自于哪类的概率大,x就 属于该类。决策规则:等价规则1:等价规则2:等价规则3:似然比错误率:最优决策分类面最优决策分类面q 基于最小风险(损失)的贝叶斯决策基于最小风险(损失)的贝叶斯决策风险风险:决策代价;决策损失 在故障诊断中,误判的概率是客观存在的,错判性质不同,后果严重性不同。把异常工况判为正常工况,即将废品判成合格品,它的影响不只局限该工件
8、在某一工序的损失,而将影响后续工序甚至产品质量,更为严重的是把某些废品当做正品装入机器中,成为使用厂生产系统突发性故障的隐患。c c 2 2 1 1(p p,c c)(p p,2 2)(p p,1 1)p p(2 2,c c)(2 2,2 2)(2 2,1 1)2 2(1 1,c c)(1 1,2 2)(1 1,1 1)1 1状状 态态状态决策损失一般决策表一般决策表(i,j):属j类的样本决策到i类时的损失 对于给定的x,若采取决策i,由决策表可见,对应于决策i,可以在c个(i,j),j=1c,中任取一个,其相应概率为P(j/x)。因此在采取决策i的情况下的条件期望损失(条件风险)为:在考虑
9、错判带来的损失时,如果在采取每一个决策或行动时,都使其条件风险最小,则对所有x 作出决策时,其期望风险也必然最小。这样的决策就是最小风险贝叶斯决策最小风险贝叶斯决策。决策规则为:可以证明最小错误率贝叶斯决策是最小风险贝叶斯决策在01损失函数条件下的特例。先验概率先验概率P P(i i)未知或可变条件下最大可未知或可变条件下最大可能地使风险最小,即在最差情况下,争取得能地使风险最小,即在最差情况下,争取得到最好的结果。到最好的结果。q 最小最大决策最小最大决策ga*aPa*()1FE1P()1GBAGP()1Pb*()1bgb*EF1对应于 的最小风险Pa*()1决策域一定决策域不同风险不随P(
10、i)的变化而变化,此时最大风险最小 距离函数分类法距离函数分类法 出发点:由n个特征参数组成的特征向量相当于n维特 征空间上的一个点 同类模式点具有聚类性,且不同类模式点有 不同的聚类域和聚类中心 以待检模式与各模式聚类中心的距离作为判 别函数,判别待检状态的属性d2d1Ax1x2M0102q 空间(几何)距离空间(几何)距离欧氏距离欧氏距离(Euclidean distance)特点:不受坐标旋转、平移的影响。特征须归一化以消除特征分量量纲对欧氏距离的影响:W为权系数矩阵。当当 w1、w2、wn 取不同值时,表明矢量中各个分量对分类的作用不同。加权欧氏距离:加权欧氏距离:马氏距离马氏距离(M
11、ahalanobis distance)M为聚类中心(样本X的均值),R为类样本协方差矩阵,即:优点:排除了特征参数之间的相互影响。返回返回六、故障树分析法六、故障树分析法 故障树分析法是把所研究系统的最不希望发生故障树分析法是把所研究系统的最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标,然后寻找直接导的故障状态作为故障分析的目标,然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素,再找出造成下一事件致这一故障发生的全部因素,再找出造成下一事件发生的全部直接因素,一直追查到毋需再深究的因发生的全部直接因素,一直追查到毋需再深究的因素为止。素为止。把最不希望发生的事件称为把最不希望发生的事件称为顶事件顶事件,毋需
12、再深,毋需再深究的事件称为究的事件称为底事件底事件,介于顶事件与底事件之间的,介于顶事件与底事件之间的一切事件称为一切事件称为中间事件中间事件。故障树:故障树:用相应的符号表示顶事件、中间事件和底事件,并用适当的逻辑门把顶事件、中间事件和底事件联结形成的树形图树形图。故障树用于表示系统或设备的特定事件(不希望发生的事件)与它的各个子系统或各个部件故障事件之间的逻辑结构关系。故障树分析的步骤如下:故障树分析的步骤如下:(1 1)选择顶事件;)选择顶事件;(2 2)建立故障树;)建立故障树;(3 3)求故障树的结构函数;)求故障树的结构函数;(4 4)定性分析;)定性分析;(5 5)定量分析。)定
13、量分析。45312反应装置冷却装置温度计压力计供料装置振动峰峰值大 基频振动低频振动二倍频振动广谱振动 不平衡振动 热弯曲油膜涡动 油膜振荡 支承问题轴裂纹 不对中摩擦 联轴器问题初始不平衡 零部件脱落 .汽轮发电机组故障树汽轮发电机组故障树 类别类别名名 称称符符 号号说说 明明事事件件符符号号底底事事件件基本事件基本事件 不能再分解或毋需再深究的底事件叫不能再分解或毋需再深究的底事件叫做基本事件,它总是某个逻辑门的输入做基本事件,它总是某个逻辑门的输入事件而不是输出事件。事件而不是输出事件。未探明事件未探明事件 原则上应进一步探明其原因,但暂不原则上应进一步探明其原因,但暂不必或暂不能探明
14、其原因的底事件(又称必或暂不能探明其原因的底事件(又称省略事件或不完整事件)。省略事件或不完整事件)。结结果果事事件件顶事件顶事件 由其它事件或事件组合所导致的事件,由其它事件或事件组合所导致的事件,叫做结果事件,若该事件是最关心的且叫做结果事件,若该事件是最关心的且位于故障树顶端的最终结果事件,则叫位于故障树顶端的最终结果事件,则叫做顶事件,位于底事件与顶事件之间的做顶事件,位于底事件与顶事件之间的结果事件,叫做中间事件。结果事件,叫做中间事件。中间事件中间事件特特殊殊事事件件开关事件开关事件 在正常工作条件下必然发生或必然在正常工作条件下必然发生或必然不发生的特殊事件。不发生的特殊事件。条
15、件事件条件事件 描述逻辑门起作用的具体限制的特殊描述逻辑门起作用的具体限制的特殊事件。事件。故障树分析所用的符号故障树分析所用的符号 故障树分析所用的符号故障树分析所用的符号 类别名 称符 号说 明逻辑门符号基本门与门 仅当所有输入事件都发生时,输出事件才发生,与门表示了输入与输出之间的一种因果关系。或门 至少一个输入事件发生时,输出事件才发生,或门并不传递输入与输出的因果关系,输入故障不是输出故障的确切原因,只表示输入故障来源的信息。非门 输出事件是输入事件对立关系。修正门顺序与门 仅当输入事件按规定的顺序依次发生时,输出事件才发生。持续时间与门 仅当输入事件发生并持续一定时间时,才导致输出
16、事件发生。表决门 仅当n个输入事件中有r个或r个以上的事件发生时,输出事件发生。异或门(互斥或门)在或门诸输入事件中,仅当单个事件发生时,输出事件才发生。油油泵泵驱驱动动电电路路故故障障树树 故故障障树树举举例例 返回返回七、专家诊断系统七、专家诊断系统专家系统:基于知识(Knowledge-based)的人工智能系统。专家系统实质是应用大量人类专家的知识和推理方法求解复杂的实际问题的一种人工智能计算机程序。专家系统能够模拟、再现、保存和复制有时还能超过人类专家的脑力劳动,是人工智能领域中目前最活跃最成功的一个分支。l 专家系统的基本结构及其功能专家系统的基本结构及其功能特点:特点:包含知识和
17、推理的智能计算机程序 求解问题的知识与程序和数据结构分离。增强了系统的适应性和灵活性 五个基本组成部分:知识库、推理机、数据库以及解释程序、知识库、推理机、数据库以及解释程序、知识获取程序知识获取程序 知识库知识库q 知识库是专家系统的核心q 专家知识、经验与书本知识、常识的存储器 专家诊断系统知识库通常包括:背景知识背景知识 背景知识作为辅助信息,在推理过程中起着重要作用。如设备运行规范可以成为诊断过程中触发、激活某一诊断规则的依据等。诊断知识诊断知识 领域专家在长期的诊断实践中积累起来的知识和经验。产生式规则表达:IF THEN WITH 现象:现象:观察到的机组症状假设:假设:表示机组的
18、故障或中间结论置信度:置信度:表示在观察到这些“现象”后,推断机组具有这类故障的可信程度。一般诊断知识按故障树结构分层组织。规则规则2 2=(基基频频振振动动(如果如果 振振动动工工频频分量占通分量占通频频振幅的比例大于振幅的比例大于60 0.95;过临过临界界转转速速对对振幅明振幅明显显增大,且相位增大,且相位变变化大于化大于100 0.8;稳稳速速时时,相位不随,相位不随时间时间、负负荷而荷而变变化化0.8);(则则 不平衡故障不平衡故障 0.9);置信度置信度 机组病例与运行档案机组病例与运行档案 描述机组以往诊断病例及其安装维修的记录情况,它对如何沿最有可能的故障方向进行诊断推理具有很
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