开题报告-基于小波变换的电力电子电路故障诊断方法的研究.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：计算机与控制工程专 业：电气工程及其自动化设计题目：基于小波变换的电力电子电路故障诊断方法的研究指导教师:2015 年 4 月 2日毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：一、课题研究的背景和意义电力电子技术是当今高新技术系统中非常关键的技术之一，它通过改造传统产业，高效利用能源和发展高新技术中产生重大的影响。在发达国家中，大约75的电能经过电力电子技术变换后使用，预计在今后几年内将发展到95以上。Daller公司的研究显示，在20032008年当中，世界经济中用于分布式与混合式发电设备(DCG)中的电力电子产品将以年均122的速度增长，即将从18550MVA增加到32981MVA。广泛应用的电力电子技术，不断涌现的各种高性能的电力电子产品，使得企业对设备的可维护性要求愈来愈高。而且当电路发生故障后，人工诊断技术已不能及时将故障诊断出来以便检修、调试、替换，然而自动故障诊断技术正好能克服这一缺点。因此，开展对电力电子电路故障诊断的研究引起了人们的高度重视【1】。随着电力电子技术的飞速发展，电力电子装置的应用更加广泛，但是其故障问题也越来越突出。电力电子装置发生故障时必须迅速将主电路停电。装置故障发生严重的时候有可能造成灾难性的事故，而且会产生严重的社会影响。电力电子装置通常在工程系统中起着很大的作用，如果发生故障而不能及时得到诊断和恢复的话，将会导致停机而造成人员伤亡，带来巨大的经济损失。因此进行电力电子电路故障诊断理论和方法的研究，具有现实和经济意义。电力电子系统集成技术和电子工业的发展的广泛应用，电力电子设备越来越变的复杂，因而对设备的维护和保养难度越来越大，且所花费的费用往往大于购买这些设备的投资。我们开展对电力电子电路的早期故障诊断与预测，降低设备发生故障的概率，而且大大降低维护设备的成本。电力电子电路故障诊断对工业生产、国民生活各个方面都起着越来越大的作用！二、国内外研究现状目前，小波变换在故障诊断领域中的应用已经引起了广泛注意，许多学者已经致力于这方面的研究，并且已经产生了巨大的经济效益。从故障诊断技术的各分支技术来看，美国处于领先地位，美国的许多权威机构如美国机械工程师学会(ASME)，美国宇航局(NASA)等都参与了这一领域的研究，投入了大量的资金：不少的高校和企业也都设立了诊断技术研究中心，美国的一些公司，他们的检测产品基本上代表了当今诊断技术的最高水平，不仅具有完善的监测功能，而且具有较高的诊断功能，在军事、化工等方面具有广泛的应用；其它一些国家故障诊断技术的发展也是各有特色，如英国在摩擦诊断方面、丹麦在振声诊断方面等等，他们在诊断技术应用方面都各具优势【2】。自上世纪80年代以来，随着电力电子技术日益广泛的应用，国内外许多学者对电力电子电路故障诊断进行了大量研究，取得了很多成果，形成了一些系统的理论，为本课题的研究提供了丰富的理论依据。故障诊断的关键是故障特征的提取。故障特征是指反映故障征兆的信号经过加工处理后所得的、反映设备与系统的故障种类、部位与程度的综合量。电力电子电路故障诊断技术包括两方面的内容：(1)故障信息的检测：以一定的检测技术，获取故障发生时的所需故障信息，供故障分析推理用；(2)故障的诊断：依据检测的故障信息，运用合适的故障诊断方法，对故障进行分析、推理，找出故障发生的原因并定位故障发生部。传统的故障诊断方法在电力电子电路故障诊断中也得到了广泛应用，如谱分析法、故障字典法、故障树、参数模型法、专家系统和人工智能方法等。目前，国内外研究的电力电子装置故障诊断方法主要有：1直接检测法通过检测电路电压或电流，得到电路的工作状态，再与触发脉冲进行时序逻辑比较，从而判断被诊断对象是否发生故障。这种方法需检测每个被诊断元件的电压或电流，所需测试点较多，需要专门的检测电路。2谱分析法谱分析的目的：信号中含有噪声，为了提取特征向量，故障信号的时域波形不能清楚地反映故障的特征。在故障诊断中通常采用的信号处理方法是谱分析，常用的有傅里叶谱、沃尔什谱，还有滤波、相关分析等8。3小波变换法小波变换是一种信号的时间-尺度（时间-频率）分析方法，它具有多分辨率分析的特点，而且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定不变，但其形状可改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，很适合于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，所以被誉为分析信号的显微镜【3】。小波变换用于电气设备故障诊断就是对电气设备运行中产生的各种电磁、机械等物理信号进行实时监测，判别其状态，力求在故障初期或故障时刻发出警报，及时处理、排除故障。电气设备正常运行时产生的电磁信号比较平稳，而故障时则会产生奇异点。运用小波变换理论对所产生的奇异电磁信号作多分辨率分析(MRA)，将信号分解到不同的尺度上，每个尺度上的信号反映了原信号的不同频率组成成分，可以将故障信号显示出来，从而达到状态监视和故障诊断的目的。4专家系统的方法专家系统诊断的基本思想是：通过理论分析、实践经验及实验建立一个可靠的知识库，该知识库包含电路的环境知识、系统知识和一个规则库，其中知识库反映了系统的因果关系，具体到电路故障诊断系统中就是电路变量和故障类型、故障点之间的因果关系，然后通过人机接口得到实际运行中的特征变量值，将它应用到规则库进行推理，就得到电路的基本工作状态和故障信息。专家系统故障诊断方法的缺点是建立知识库比较困难，特别是在进行复杂电路的故障诊断时，所需的庞大知识库更是难以建立9。5基于神经网络故障诊断方法神经网络具有模拟任何连续非线性函数的能力和从样本自适应学习的能力，有大规模并行处理、分布式信息存储等特点，在信号处理、模式识别、智能控制等领域获得了成功的应用，而将神经网络用于故障诊断，可以克服基于数学模型诊断方法难以建模的问题和基于专家系统诊断方法不能处理新情况的问题，是目前电力电子电路故障诊断应用最广泛的诊断方法。三 小波变换的特点小波变换为我们提供了一个在时、频平面上可调的分析窗口。该分析窗口在高频端的频率分辨率不好（矩形窗的频率边变长），但时域的分辨率变好（矩形的时间边变短）；反之，在低频端频率分辨率变好，而时域分辨率变差。但在不同的a值下，分析窗的面积保持不变，也即时、频分辨率可以随分析任务的需要作出调整【5】。众所周知，信号中的高频成份往往对应时域中的快变成份，如陡峭的前沿、后沿、尖脉冲等。对这一类信号分析时则要求时域分辨率要好以适应快变成份间隔短的需要，对频域的分辨率则可以放宽，当然，时、频分析窗也应处在高频端的位置。与此相反，低频信号往往是信号中的慢变成份，对这类信号分析时一般希望频率的分辨率要好，而时间的分辨率可以放宽，同时分析的中心频率也应移到低频处。显然，小波变换的特点可以自动满足这些客观实际的需要。总结上述小波变换的特点可知，当我们用较小的a对信号作高频分析时，我们实际上是用高频小波对信号作细致观察，当我们用较大的a对信号作低频分析时，实际上是用低频小波对信号作概貌观察【7】。如上面所述，小波变换的这一特点即既符合对信号作实际分析时的规律，也符合人们的视觉特点小波分析是建立在时域-频域上的分析，它在时域、频域上同时具有不错的局部化的性质。因为对频域成分采用逐渐精细化的时域、空域取样步长，所以它可以聚焦到一些对象（函数、信号等）的任意细节，在此基础上加以分析。小波分析在信号的分解与重构上、信号和噪声的分离上、特征提取上、数据压缩上等工程应用中，显出很好的优越性11。综上所述，小波分析是近代应用数学中一个迅速发展的新领域,它汲取了现代分析学中泛函分析、数值分析、傅里叶分析、样条分析、调和分析等众多分支的精华。小波分析具有伸缩、平移和放大特性。它可以对信号进行多尺度分析,有效地从信号中提取所需信息,实现既在时域又在频域的高分辨局部定位。因此小波分析被誉为数学显微镜。参考文献1 龙伯华. 电力电子电路故障诊断方法研究D. 硕士学位论文. 湖南长沙：湖南大学出版社, 20092 葛哲学 沙威小波分析理论与MATLABR2007实现M北京：电子工业出版社，20073 冉启文小波变换与分数傅里叶变换理论及应用哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，20014彭玉华.小波变换与工程应用M.北京:科学出版社,2002.5王兆安,黄俊.电力电子技术M.北京:机械工业出版社,2009.6高成.MATLAB小波分析与应用M.北京: 国防工业出版社,2007.7徐德鸿,马皓.电力电子装置故障自动诊断M.北京:科学出版社,2001.8周小勇.小波分析在故障诊断中的应用D.上海海运大学硕士学位论文,2001.9徐德鸿.用傅里叶分析法诊断电力电子电路故障J.浙江大学学报,1994(22)：1420.10 李微，谭阳红，彭永进基于小波分析及网络的电力电子电路故障诊断方法J电机与控制学报，2005，9(6)：55455711 苏鹏声，王志强，姜建国用人工神经网络诊断电力电子电路主回路故障J清华大学学报，1999，39(3)：192212 梁中华，田茂芹，任敏，胡庆基于人工神经网络的电力电子电路故障诊断沈阳工业大学学报，2004，26(2)：14014213 王荣杰电力电子整流装置故障诊断方法的研究D 硕士学位论文 广州：广东工业大学出版社，200514 唐友胜 基于小波分析的电机故障检测方法的研究D 硕士学位论文 哈尔滨：黑龙江科技出版社，200715 Riche E，et a1Diagnosis of Rotor Faults in Squirrel-cage Induction Motors Using a Fuzzy Logic ApproachJICEM. 1994，3483521 6 Nihiar A，Isermann RNeurofuzzy systems for diagnosisFuzzy Sets and Systems，1 997，89(3)，28930717 Patton R J，et a1Sensor fault diagnosis in dynamic systems via neuralNetworksJIEEE Conference Publication，1 994，2(389)，212418 Zhang,ChunLin; Li,Bing; Chen,Biang. Periodic Impulsive Fault Feature Extraction of Rotating Machinery Using Dual-Tree Rational Dilation Complex Wavelet TransformJ IEEE Trans on Informatien Theory ,2014,5(136),51819 LDaubechiesThe Wavelet transform：TimeFrequency Localization and Signal AnalysisJIEEE Trans on Informatien Theory，1990，36(5)，l 1001 10720 IDaubechiesThe wavelet transform，timefrequenc localization and signal analysisJIEEE TransInformation Theory，1990，36(S)：961100521 JCAndersonA Wavelet Magnitude Analysis TheoremJIEEE franson SP 1993，41(8)：66l673 毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案：一 毕业设计研究的内容和方法 本文主要研究电力电子装置故障仿真、故障特征向量的提取和故障模式的识别。装置故障仿真以虚拟信号发生器发出的信号为例，利用Matlab软件仿真获得故障时的输出电压波形，利用小波理论的多分辨率分析提取特征向量。(1)电力电子装置的仿真研究电力电子装置出现故障时，电压电流的波形发生异常。基于这一思想，对无故障时的装置进行仿真分析，以电压波形作为诊断信息的一部分，然后根据电力电子装置的实际情况模拟各故障状态，建立故障信息。对电力电子装置进行仿真时考虑了电力电子主装置所有可能的工作状况，以尽可能符合实际工作情况，因为不同的工作状况对应的正常情况波形和故障情况波形不相同。(2)故障特征的提取本次设计应用小波理论进行故障特征的提取。小波变换能够通过多尺度分析提取信号的奇异点，利用小波变换系数模极大值检测故障波形的突变点，确定故障发生时刻。应用多分辨率分析将信号分解在不同的频带之内，再对各个频带内的小波系数进行能量统计分析，形成反映信号特征的特征向量。分析小波基函数的选取对故障特征提取的影响，说明小波系数具有能量的量纲，特征向量形成用于故障诊断的特征矩阵。二 毕业设计课题的工作内容1学习小波变换理论；2对电力电子电路故障诊断的目前现状的分析；3对电力电子电路在不同故障情况下建立数学模型；4在matlab环境下利用小波变换的方法进行仿真分析；5 翻译不少于3000字的相关英文资料1篇。三 小波函数选取原则与标准傅里叶变换相比，小波分析中所用到的小波函数具有不唯一性，在小波变换时需要进行小波基函数的选择。小波基波是不规则的，不同的小波基波的波形形状、支撑范围和规则性都有很大差别。因此，对于同一信号进行信号处理选用不同的小波基波，会产生不同的结果，必然会影响到最终的处理结果。究竟如何选择小波基到目前为止还没有一个确定的理论标准，但是，小波变换的小波系数为如何进行小波基波的选择提供了依据。变换后的小波系数表明了小波与被处理的信号之间的相似程度，若信号经过变换后的小波系数比较大，则表明小波和信号波形的相似程度比较大，反之则比较小。根据处理的信号目的来决定尺度的大小，若是小波变换仅仅要反映信号整体的近似特性，一般选用较大的尺度；若反映信号细小，选用尺度较小的小波来反映细节上的变化。因此小波基波的选择要根据小波的形状、支撑长度和规则性。对于信号的奇异性检测问题，当信号产生奇异点时，在突变点处含有高频成分，并且信号的形状很不规则，如用Daubechies小波族的小波db2db10进行变换可以发现：db2、db3和db4的检测结果要比db5、db6、db7、db8、db9和db10好。这是因为db2、db3和db4的形状规则性要比db5、db6、db7、db8、db9和db10差，规则系数越大，规则性越好。并且前面3个小波基的支撑要比后面6个小，db2、db3和db4的支撑分别为3、5和7，db5、db6、db7、db8、db9和db10的支撑分别为9、11、13、15、17和19。正则性在选择小波基的过程中也是一条很重要的规则，如果选择正则性比较好，即表示规则系数大，但检测突变点的效果却越差。若是只想反映信号的整体变化趋势，则用规则系数大的小波函数比较好。本次毕业设计进行的是故障诊断，在实际中，Morlet小波运用领域较广，可以用于信号表示和分类、图像识别、特征提取；所以对于故障信号往往选择Morlet作为小波函数。这种小波函数比其他小波函数应该更加实用，更加可靠。四 本课题拟采用的研究途径设计步骤可大致可分为：首先，对电力电子电路故障诊断方法进行研究，分析各种故障诊断方法，比较各种诊断方法的优缺点，探讨连续小波变换、离散小波变换和小波包变换等几种重要的变换方法。在分析小波理论的基础上，从信号分析